髖臼后柱骨折經(jīng)皮拉力螺釘固定的數(shù)字化模擬與有限元分析.pdf

1、作為治療髖臼骨折的金標(biāo)準(zhǔn),切開復(fù)位內(nèi)固定的缺點(diǎn)正不斷引起更多創(chuàng)傷科醫(yī)生的重視,促使創(chuàng)傷科醫(yī)生不斷探索新的能夠替代或部分替代切開復(fù)位內(nèi)固定的治療方法。微創(chuàng)經(jīng)皮拉力螺釘內(nèi)固定是近年來興起的新技術(shù),并被廣泛的應(yīng)用于髖臼前柱骨折的治療當(dāng)中,技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,與傳統(tǒng)的切開復(fù)位鋼板螺釘內(nèi)固定相比,經(jīng)皮螺釘內(nèi)固定具有創(chuàng)傷小、出血量少、暴露范圍小、經(jīng)皮手術(shù)時(shí)間短,固定確切等優(yōu)點(diǎn)。避免損傷周圍的軟組織,有利于骨折愈合;固定確切可靠,有利于早期功能鍛煉;并

2、發(fā)癥少。術(shù)中C形臂X線機(jī)透視導(dǎo)航已經(jīng)成為了一種比較成熟的輔助手術(shù)技術(shù),而更先進(jìn)的三維實(shí)時(shí)導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)起步并正在不斷普及當(dāng)中,置入物的位置及走行可控性不斷提高,手術(shù)全程可控,手術(shù)的精確性得到了質(zhì)的飛躍。微創(chuàng)化、精確化是未來骨科手術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),也是骨科醫(yī)生目前正不斷追求的目標(biāo)。經(jīng)皮拉力螺釘內(nèi)固定治療髖臼骨折是骨科微創(chuàng)治療的重要組成部分。然而,由于髖臼骨折的復(fù)雜性、手術(shù)適應(yīng)癥的不明確等因素,部分醫(yī)生對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用仍保持謹(jǐn)慎態(tài)度。該技術(shù)雖然以有

3、應(yīng)用于后柱骨折及部分橫行骨折的嘗試,但樣本量及其有限,推廣速度有待提高。髖關(guān)節(jié)的載荷分布是對(duì)關(guān)節(jié)疾病的發(fā)生、發(fā)展起著至關(guān)重要的作用,骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生即是關(guān)節(jié)異常力學(xué)機(jī)制所導(dǎo)致的后果。了解髖關(guān)節(jié)及其治療,除要求對(duì)其正常情況下的力學(xué)特點(diǎn)了解外,還應(yīng)了解其在不同治療方案下的力學(xué)特點(diǎn)。本研究通過對(duì)經(jīng)皮拉力螺釘內(nèi)固定技術(shù)治療髖臼后柱骨折的過程進(jìn)行三維模擬,并進(jìn)行三維有限元模型構(gòu)建,設(shè)定模型的彈性模量及泊松比,進(jìn)行髖臼后柱骨折拉力螺釘固定的力學(xué)研究。

4、
　　研究目的
　　1.構(gòu)建髖臼后柱骨折經(jīng)皮拉力螺釘固定的有限元模型,并進(jìn)行求解。
　　2.利用虛擬手術(shù)技術(shù)驗(yàn)證經(jīng)皮拉力螺釘治療髖臼后柱骨折骨折在解剖學(xué)上的可行性。為臨床應(yīng)用提供解剖學(xué)支持。
　　3.探討經(jīng)皮拉力螺釘單獨(dú)固定能否維持傷髖復(fù)位的穩(wěn)定性,驗(yàn)證其獨(dú)立治療髖臼后柱骨折在生物力學(xué)方面的可行性。
　　4.觀察經(jīng)皮拉力螺釘單獨(dú)固定髖臼后柱骨折在不同載荷下的位移情況、應(yīng)力分布及應(yīng)變情況等生物力學(xué)效應(yīng),為臨床

5、決策提供生物力學(xué)方面的依據(jù)。
　　研究方法
　　1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及髖臼幾何模型的構(gòu)建
　　隨機(jī)選取一名健康成年志愿者,對(duì)其行CT掃描,將掃面結(jié)果以DICOM格式保存并刻錄光盤。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics10.01軟件,經(jīng)閾值劃分、區(qū)域增長(zhǎng)、計(jì)算蒙板三維結(jié)構(gòu)等步驟,完成右側(cè)完整髖骨的幾何模型構(gòu)建。
　　2模擬髖臼后柱骨折
　　在mimics軟件的模擬模塊,標(biāo)記骨折線后,沿骨折線切割形成骨折模型。
　　3虛擬螺釘置

6、入髖臼后柱
　　定義髂前上棘、髂后上棘最突點(diǎn)連線的中點(diǎn)為C點(diǎn);定義坐骨結(jié)節(jié)中部縱嵴與坐骨結(jié)節(jié)內(nèi)側(cè)緣連線的中點(diǎn)為O點(diǎn),連接OC兩點(diǎn),以O(shè)C為軸創(chuàng)建圓柱體,該圓柱體即為拉力螺釘模型。調(diào)整圓柱體直徑,確保圓柱體不突出于骨皮質(zhì),同時(shí)不小于6.5mm。對(duì)表面的毛刺、空洞進(jìn)行包裹、順滑處理。
　　4有限元前處理
　　4.1網(wǎng)格劃分
　　在mimics軟件有限元分析模塊,轉(zhuǎn)入3-mitic,進(jìn)行縮減程序,減少三角面片的數(shù)量,保

7、持質(zhì)量,進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分處理,終形成體網(wǎng)格數(shù)據(jù)。將體網(wǎng)格數(shù)據(jù)以.inp格式導(dǎo)出mimics軟件,導(dǎo)入hypermesh軟件。
　　4.2網(wǎng)格處理
　　在hypermesh軟件的tetramesh板塊,檢查網(wǎng)格質(zhì)量并改進(jìn)網(wǎng)格質(zhì)量,生成可用的網(wǎng)格模型。
　　4.3設(shè)置單元屬性
　　將模型分配為三個(gè)組件:皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、釘子,皮質(zhì)骨厚度取1.4mm。設(shè)置單元屬性及單元類別:皮質(zhì)骨為殼單元,單元類型為 S3;松質(zhì)骨和螺釘

8、為實(shí)體單元,單元類型為一階四面體單元。賦材質(zhì):皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、釘子的彈性模量分別為17GPa、800MPa、11GPa,泊松比分別為0.3、0.2、0.28。假設(shè)本實(shí)驗(yàn)所涉及的生物材料的力學(xué)特性均為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料,受力時(shí)模型各截面不產(chǎn)生相互滑動(dòng),各單元有足夠的穩(wěn)定性,材料受力變形為小變形。
　　4.4設(shè)置邊界條件
　　約束骶髂關(guān)節(jié)和恥骨聯(lián)合部位,模擬頭臼作用力,載荷大小分別為300牛、600牛(一倍體重)、

9、1200牛、2400牛、3600牛、4800牛、6000牛(十倍體重)。有限元模型構(gòu)建完成。
　　5有限元求解
　　將有限元模型以.inp格式導(dǎo)出hypermesh軟件,導(dǎo)入abaqus軟件,修改載荷步命令。建立求解命令,對(duì).inp文件進(jìn)行求解。
　　6有限元后處理
　　求解完畢后,以.odb格式文件導(dǎo)出abaqus軟件,導(dǎo)入hyperview軟件,查看結(jié)果。
　　結(jié)果
　　1模型構(gòu)建
　　基于

10、CT數(shù)據(jù)構(gòu)建的幾何實(shí)體模型為右側(cè)髖骨三維模型,模型形態(tài)逼真,能夠完整的展現(xiàn)正常髖骨的解剖形態(tài)。經(jīng)三維切割形成的骨折模型復(fù)位可,骨折線位置欠佳。拉力螺釘模型直徑6.5mm,兩端突出于進(jìn)針點(diǎn)外,兩進(jìn)針點(diǎn)之間的部分完全走行于髖臼后柱內(nèi),未見突出于骨皮質(zhì)。
　　幾何模型經(jīng)mimics軟件有限元預(yù)處理模塊網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格優(yōu)化后,在abaqus軟件中不能生成可用的有限元模型,無法進(jìn)行后續(xù)的分析求解。經(jīng)hypermesh軟件優(yōu)化網(wǎng)格以后生成了可用

11、的有限元模型?？捎玫挠邢拊Ｐ秃?99279個(gè)單元,36529個(gè)節(jié)點(diǎn),2種單元類型,分別為殼單元和一階四面體單元,3中材料屬性,分別為皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和螺釘。模型網(wǎng)格整齊,整體分布合理,三角片分布均勻,大小相似,疏密得當(dāng),無畸形三角片,全部質(zhì)量檢測(cè)合格,模型能從力學(xué)上代表實(shí)物。
　　2有限元模型求解
　　本實(shí)驗(yàn)嘗試對(duì)髖臼后柱骨折拉力螺釘固定的模型進(jìn)行受力分析,鎖定骶髂關(guān)節(jié)和恥骨聯(lián)合,模擬成人站立位時(shí)頭臼之間的作用力對(duì)模型進(jìn)行加

12、載,載荷大小設(shè)定為1/2體重(300牛)、1倍體重(600牛)、2倍體重(1200牛)、4倍體重(2400牛)、6倍體重(3600牛)、8倍體重(4800牛)、10倍體重(6000牛)。求解后發(fā)現(xiàn):從上到下,位移量逐漸增大,最大位移位于坐骨支,最小位移位最上端,螺釘?shù)淖畲笪灰莆挥谧钕露?最小位移位于最上端。主應(yīng)變集中于髖臼前下壁,螺釘應(yīng)變集中于后柱段以及跨越骨折線的部位。主應(yīng)力集中在髖臼前下壁、恥骨上支、螺釘跨越骨折線的部位,螺釘應(yīng)力集