髓內(nèi)釘修復(fù)股骨轉(zhuǎn)子間骨折愈合過(guò)程的生物力學(xué)研究.pdf

1、目的:本課題綜合采用醫(yī)學(xué)圖像軟件Mimics、逆向工程軟件Geomagic Studio以及三維實(shí)體建模軟件 Solidworks中建立有效的髓內(nèi)釘固定后的股骨轉(zhuǎn)子間骨折三維實(shí)體模型和有限元模型，通過(guò)大型三維有限元分析軟件ANSYS，對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，獲得髓內(nèi)釘骨折模型在愈合過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)；分析骨折愈合后髓內(nèi)釘拆除后股骨應(yīng)力分布的特征，并與人工股骨髓內(nèi)釘轉(zhuǎn)子間骨折電測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，為臨床應(yīng)用提供生物力學(xué)依據(jù)及指導(dǎo)意見(jiàn)。

2、
　　方法:首先采用3D打印與精密鑄造的方法制備高精度的人工股骨模型，并保證該股骨的材料特性與人體股骨最大程度的接近，用石膏等固定裝置將髓內(nèi)釘裝進(jìn)股骨模型后，取出髓內(nèi)釘，然后制造股骨轉(zhuǎn)子間骨折，再然后把髓內(nèi)釘與人工股骨進(jìn)行裝配，在相應(yīng)的位置貼應(yīng)變片，應(yīng)變片與靜動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行連接，然后在 WDW—10微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)上進(jìn)行加載，即進(jìn)行人工股骨髓內(nèi)釘轉(zhuǎn)子間骨折電測(cè)實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理分析數(shù)據(jù)，做出載荷—微應(yīng)變數(shù)據(jù)

3、圖；其次，把人工股骨髓內(nèi)釘轉(zhuǎn)子間骨折實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛼呙璩蒀T數(shù)據(jù)，使用Mimics、Geomagic Studio、Solidworks軟件把掃描的CT數(shù)據(jù)建立成完整股骨三維實(shí)體模型，根據(jù)髓內(nèi)釘參數(shù)用 Solidworks建立主釘、近端鎖釘、遠(yuǎn)端鎖釘?shù)娜S實(shí)體模型，并將股骨三維實(shí)體模型與髓內(nèi)釘三維實(shí)體模型進(jìn)行裝配，即將該人工股骨髓內(nèi)釘轉(zhuǎn)子間骨折模型制備成3D有限元模型，另存為 X_T格式文件，然后將此X_T格式文件導(dǎo)入ANSYS中，進(jìn)行布爾運(yùn)

4、算，創(chuàng)建骨折片，賦予變化的材料參數(shù)，模擬骨折的愈合過(guò)程，建立完整人工股骨髓內(nèi)釘轉(zhuǎn)子間骨折三維有限元模型，依次進(jìn)行編號(hào)，在設(shè)定單元屬性、邊界條件、材料屬性、劃分網(wǎng)格，按在骨折愈合過(guò)程中600N正常人緩慢行走雙足著地時(shí)模擬髖關(guān)節(jié)所承受的最大峰值數(shù)值，并且進(jìn)行加載和求解，分析獲得的骨髓內(nèi)釘模型的應(yīng)力及應(yīng)力分布特征、骨折線處的應(yīng)力變化、斷端間隙變化特征等，整理出貼應(yīng)變片位置的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)規(guī)律；另外主要通過(guò)對(duì)骨折片賦予不同

5、的彈性模量來(lái)模擬愈合階段對(duì)人體股骨的生物力學(xué)影響，并通過(guò)用ANSYS單元生死功能來(lái)模擬撤釘后股骨的應(yīng)力分布規(guī)律，獲得人工股骨的應(yīng)力和應(yīng)變變化規(guī)律。
　　結(jié)果：
　　（1）對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較顯示，數(shù)值模擬結(jié)果欲與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。
　?。?）導(dǎo)致數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有誤差的原因可能是通過(guò)三維重建獲得的股骨實(shí)體模型有人為操作的原因，與實(shí)驗(yàn)的股骨模型有一些差別，此外數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的邊界條件可能也有一些差別。

6、　　（3）完成了模擬股骨髓內(nèi)釘轉(zhuǎn)子間骨折的愈合過(guò)程，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和分析，獲得了愈合過(guò)程測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)變片的應(yīng)變規(guī)律。
　　結(jié)論：
　　（1）制作了人工股骨轉(zhuǎn)子間骨折實(shí)體模型，模型包括，一個(gè)骨折片，一個(gè)骨折近端模型和一個(gè)骨折遠(yuǎn)端模型，以髓內(nèi)釘固定股骨轉(zhuǎn)子間骨折模型，并在該模型上選取10個(gè)參考點(diǎn)貼應(yīng)變片，進(jìn)行了人工股骨髓內(nèi)釘轉(zhuǎn)子間骨折模型在生理載荷作用下的電測(cè)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得人工股骨髓內(nèi)釘轉(zhuǎn)子間骨折三維實(shí)體模型的各部位的應(yīng)變數(shù)據(jù)

7、，得到了人工股骨髓內(nèi)釘轉(zhuǎn)子間骨折10個(gè)測(cè)點(diǎn)的分布規(guī)律。
　?。?）根據(jù)人工股骨髓內(nèi)釘轉(zhuǎn)子間骨折實(shí)體模型的CT掃描數(shù)據(jù)，利用三維造型軟件Mimics完成了初期的點(diǎn)云處理，應(yīng)用逆向工程軟件Geomagic studio以及Solidworks軟件，成功的構(gòu)建出了人工股骨髓內(nèi)釘轉(zhuǎn)子間骨折三維實(shí)體模型。
　　（3）在ANSYS數(shù)值模擬軟件中進(jìn)行了人工股骨髓內(nèi)釘轉(zhuǎn)子間骨折模型在生理載荷作用下的數(shù)值模擬分析，主要分析對(duì)位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影