有限元法分析后內(nèi)側(cè)骨折對近端股骨的力學(xué)影響.pdf

1、研究背景：
　　 粗隆間骨折是常見的髖部骨折,多發(fā)生在有骨質(zhì)疏松癥的老年人當(dāng)中。老年患者多合并內(nèi)科疾病,保守治療會導(dǎo)致粗隆間骨折后的較多的并發(fā)癥、較高死亡率和生活質(zhì)量的下降。隨著內(nèi)固定技術(shù)的發(fā)展,切開復(fù)位內(nèi)固定術(shù)成為粗隆間骨折患者的首選治療措施。常見的內(nèi)固定裝置有髓外固定和髓內(nèi)固定兩種,前者以釘板結(jié)構(gòu)的動力髖螺釘(DHS)為主,后者則以近端股骨髓內(nèi)釘(PFN)為主。兩種內(nèi)固定方式各有生物力學(xué)上的優(yōu)勢,但是臨床實踐發(fā)現(xiàn)DHS仍是一

2、種較為有效和穩(wěn)妥的內(nèi)固定裝置。
　　 由于近端股骨的特殊解剖結(jié)構(gòu),致使粗隆間骨折的后內(nèi)側(cè)骨折塊在術(shù)中達(dá)到解剖復(fù)位較為困難。雖然粗隆間骨折手術(shù)的失敗和近端股骨的特殊解剖結(jié)構(gòu)、內(nèi)固定技術(shù),骨折類型與骨折局部的復(fù)位程度等因素有關(guān),但是局部解剖復(fù)位則是最為主要的影響因素。生物力學(xué)發(fā)現(xiàn),后內(nèi)側(cè)骨折塊不但影響粗隆間骨折的穩(wěn)定性,同時也影響骨折內(nèi)固定的穩(wěn)定性,所以常出現(xiàn)髖螺釘脫出或者髖內(nèi)翻等情況,導(dǎo)致手術(shù)失敗。然而,不同大小的后內(nèi)側(cè)骨折對近端

3、股骨的力學(xué)影響尚不明確,因而術(shù)中對后內(nèi)側(cè)骨折塊的固定與否還存在爭議。
　　 隨著醫(yī)學(xué)成像、三維重建軟件以及有限元技術(shù)在醫(yī)學(xué)生物力學(xué)中應(yīng)用和發(fā)展,使得建立三維有限元模型更為方便和精確。利用CT圖像重建三維模型是目前較為常用的有限元建模方法,精確度高,能夠較好的再現(xiàn)掃描組織的結(jié)構(gòu),達(dá)到良好的幾何相似性和力學(xué)相似性。數(shù)據(jù)圖形圖像還可提供骨的幾何輪廓和骨組織的密度等數(shù)據(jù),為賦值骨的材料屬性提供可能性。Mimics軟件能將各種掃描的數(shù)據(jù)和

4、圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換并能夠?qū)D像進(jìn)行分割,建立三維模型并編輯,且能夠?qū)θS圖形作模擬操作,可用于建立多種不同需求的三維模型,其材料賦值功能使之能夠更好的體現(xiàn)三維模型的本質(zhì)屬性。有限元用于不規(guī)則幾何體和具有復(fù)雜邊界條件的生物結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析,已成為研究骨的生物力學(xué)的重要工具。有限元模型最大的優(yōu)勢在于可以反映實體內(nèi)部的應(yīng)力變化情況,這是經(jīng)典的尸體生物力學(xué)實驗難以做到的。有限元分析方法也在不斷的進(jìn)步,分析的材料逐漸從線性材料進(jìn)入非線性材料,從靜態(tài)過程進(jìn)

5、入動態(tài)過程。通過與三維重建和三維設(shè)計軟件的有效結(jié)合,使有限元模型能夠更加真實的模擬骨骼、韌帶和肌肉等組織,并賦予其生物力學(xué)材料特性,使分析結(jié)果更加接近于尸體實驗。
　　 目的：
　　 通過獲取正常成人的近端股骨CT影像數(shù)據(jù),在Mimics軟件中重建完整近端股骨三維模型并提高模型的精確性。在建立完整股骨模型的基礎(chǔ)上,通過截骨制造后內(nèi)側(cè)骨折缺損的三維模型,利用Ansys軟件對模型作有限元分析,從而研究不同步態(tài)時,不同大小的后

6、內(nèi)側(cè)骨折缺損后近端股骨的應(yīng)力大小和分布變化,為復(fù)位近端股骨以及術(shù)后功能鍛煉提供指導(dǎo)。
　　 方法
　　 1.受試對象及圖像數(shù)據(jù)采集
　　 選取8名志愿者,男女各4例,經(jīng)X線檢查排除髖關(guān)節(jié)損傷或者疾病。對志愿者的雙側(cè)髖關(guān)節(jié)做螺旋CT掃描,掃描層厚0.625mm,獲得近端股骨的斷層圖像并保存近CT數(shù)據(jù),隨機(jī)采用一側(cè)近端股骨作為樣本。
　　 2.三維有限元模型的建立
　　 將CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics

7、 13.0軟件進(jìn)行圖像分割,設(shè)定閾值,然后進(jìn)行區(qū)域增長和形態(tài)學(xué)等操作,重建近端股骨的骨性面,再分別對完整的近端股骨進(jìn)行截骨,構(gòu)建單獨(dú)小粗隆、小粗隆合并股骨1/2內(nèi)側(cè)皮質(zhì)、以及小粗隆合并完全內(nèi)側(cè)皮質(zhì)骨折模型。對所有模型進(jìn)行三角片劃分,減少三角片數(shù)量并提高三角片質(zhì)量操作,在Ansys軟件中進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分后,再利用Mimics軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟牧腺x值,提高模型的精確性。最后將所有模型導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys10.0中。
　　 3

8、.有限元分析的邊界條件及數(shù)據(jù)提取
　　 在Ansys軟件中對所有模型進(jìn)行靜力分析。模擬人體雙足靜止站立和緩慢行走兩種步態(tài),在股骨頭上方分別施加大小為1/2體重和2.5倍體重、重力方向的壓力,完全約束股骨遠(yuǎn)端。獲取各模型的應(yīng)力分布云圖,通過分析應(yīng)力分布,提取所有完整及后內(nèi)側(cè)骨折模型的股骨頸上方、下方、股骨內(nèi)側(cè)和外側(cè)皮質(zhì)的最大等效應(yīng)力值(Von Mises Stress)。
　　 4.統(tǒng)計方法
　　 利用統(tǒng)計分析軟件

9、SPSS 13.0分別將骨折模型與完整股骨的各個部位的等效應(yīng)力作重復(fù)測量設(shè)計資料的方差分析,并分析骨折缺損程度與主要應(yīng)力分布部位的交互作用,檢驗標(biāo)準(zhǔn)P<0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
　　 結(jié)果
　　 1.利用Mimics和Ansys軟件建立了完整和后內(nèi)側(cè)骨折的近端股骨三維有限元模型。建成后模型的節(jié)點數(shù)在319448～453236個之間(平均380416個),單元數(shù)在211034～303860個之間(平均252537個)

10、。
　　 2.在重力方向的載荷下,完整股骨的股骨頸上方、下方、內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)處的應(yīng)力較大,而股骨前、后側(cè)皮質(zhì)與股骨頭應(yīng)力較低,最大應(yīng)力出現(xiàn)在小粗隆以下的股骨干處；最大等效應(yīng)力由高到低依次為內(nèi)側(cè)皮質(zhì)、股骨頸下方、股骨頸上方和外側(cè)皮質(zhì),而后兩者較為接近,結(jié)果貼近實際,與既往的有限元模型實驗結(jié)果相一致。
　　 3.后內(nèi)側(cè)皮質(zhì)對分散和傳導(dǎo)應(yīng)力有重要作用。后內(nèi)側(cè)骨折后,股骨最大應(yīng)力由股骨遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移到骨折缺損的前內(nèi)側(cè),而且骨折局部出現(xiàn)明顯

11、的應(yīng)力集中。雙足靜止站立時,單獨(dú)小粗隆骨折后,股骨頸上下、內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)應(yīng)力無明顯變化；骨折累及1/2內(nèi)側(cè)皮質(zhì)后,內(nèi)側(cè)皮質(zhì)最大等效應(yīng)力顯著升高約47％,外側(cè)皮質(zhì)應(yīng)力升高約12％；內(nèi)側(cè)皮質(zhì)完全累及時,內(nèi)側(cè)皮質(zhì)應(yīng)力升高約247％,外側(cè)升高約66％。緩慢行走時,單獨(dú)小粗隆骨折后,股骨頸上下以及內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)應(yīng)力大小無明顯變化；當(dāng)累及1/2內(nèi)側(cè)皮質(zhì)時,內(nèi)側(cè)皮質(zhì)應(yīng)力顯著升高約57％,而外側(cè)皮質(zhì)張力升高約23％,股骨頸上下方應(yīng)力變化無統(tǒng)計學(xué)差異。當(dāng)內(nèi)側(cè)皮質(zhì)

12、完全累及時,股骨頸上下方應(yīng)力分別升高約49％和45％,而骨折處前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)的交界處應(yīng)力升高約223％,外側(cè)皮質(zhì)應(yīng)力升高約75％,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義。
　　 結(jié)論
　　 1.本課題通過目前較為成熟的三維軟件成像技術(shù),利用正常受試者的CT掃描圖像重建近端股骨三維有限元模型,形態(tài)逼真,幾何相似性好,力學(xué)仿真度高,可重復(fù)性使用,模型準(zhǔn)確有效。通過對劃分的網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量和數(shù)量控制,利用材料賦值的方法,大致體現(xiàn)出了近端股骨的骨小梁和股骨

13、矩,且對骨骼分配的材料與近端股骨的屬性近似,從而提高了模型的精確性。本研究又利用了三維重建軟件的模擬截骨功能,將完整的近端股骨三維有限元模型,根據(jù)實驗需求建立了不同程度的后內(nèi)側(cè)骨折缺損模型,建立的新模型與實際相近,能夠滿足實驗要求。有限元分析后輸出的應(yīng)力云圖直觀明了,便于觀察應(yīng)力變化。
　　 2.后內(nèi)側(cè)骨折改變了近端股骨的應(yīng)力大小和分布。股骨的最大應(yīng)力的位置從股骨干處轉(zhuǎn)移至近端股骨骨折缺損的前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)處,造成骨折局部應(yīng)力集中。當(dāng)

14、內(nèi)側(cè)皮質(zhì)完全缺損時,應(yīng)力則主要通過殘余的皮質(zhì)傳導(dǎo),且有向前方皮質(zhì)擴(kuò)散的趨勢。單獨(dú)小粗隆缺損對內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)的應(yīng)力沒有明顯影響,而累及內(nèi)側(cè)皮質(zhì)時,對張力側(cè)和壓力側(cè)的影響開始增大。殘余的內(nèi)側(cè)皮質(zhì)承擔(dān)壓力隨骨折塊增大而增大,連續(xù)的內(nèi)側(cè)皮質(zhì)有利于分散應(yīng)力,可降低股骨內(nèi)外側(cè)局部應(yīng)力,內(nèi)側(cè)皮質(zhì)累及越少,其應(yīng)力分散作用越明顯。
　　 3.從力學(xué)角度而言,可以認(rèn)為當(dāng)單獨(dú)小粗隆骨折不予固定是安全的,而累及1/2內(nèi)側(cè)皮質(zhì)時,骨折缺損會影響動力髖螺釘外側(cè)

15、釘板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,且隨股骨壓力增大而影響明顯,最好固定后內(nèi)側(cè)皮質(zhì),并且術(shù)后功能鍛煉應(yīng)適當(dāng)限制負(fù)重；而后內(nèi)側(cè)皮質(zhì)完全累及時,為了減少外側(cè)釘板結(jié)構(gòu)張力,降低局部應(yīng)力,需要盡量完全或部分恢復(fù)后內(nèi)側(cè)皮質(zhì)的連續(xù)性,否則術(shù)后則應(yīng)嚴(yán)格避免負(fù)重。
　　 4.本研究還存在不足之處,有限元分析時施加的應(yīng)力忽略了髖部肌肉的拉力,只對股骨施加重力方向的壓力,較為簡化；同時假設(shè)股骨的力學(xué)特性是均質(zhì)、連續(xù)的各向同性材料,與實際情況還有一定差距。有限元法與其