骶髂關(guān)節(jié)前路新型鋼板設(shè)計(jì)和有限元分析.pdf

1、目的:
　　1、應(yīng)用逆向工程技術(shù)(Reverse Engineering)，建立國(guó)人骨盆后環(huán)前表面三維解剖“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)庫(kù)。2、應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)在骨盆后環(huán)前表面“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)與骨盆后環(huán)前表面貼合的新型解剖型鎖定鋼板，并對(duì)螺釘位置和螺釘方向進(jìn)行設(shè)計(jì)。3、應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)建立骨盆鋼板固定有限元模型并進(jìn)行有限元分析，對(duì)比新型解剖型鎖定鋼板和重建鋼板對(duì)骨盆后環(huán)的固定穩(wěn)定性差異。
　　方法:<

2、br>　　1、骨盆后環(huán)前表面“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)庫(kù)的建立收集250例國(guó)人骨盆CT薄層數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Mimics10.01軟件進(jìn)行三維重建，測(cè)量骶髂關(guān)節(jié)頂點(diǎn)M到骶髂關(guān)節(jié)真骨盆邊緣N點(diǎn)的長(zhǎng)度MN值。將MN值按百分位數(shù)從小到大分為三組，每組MN中位值作為衡量骨盆后環(huán)小、中、大的依據(jù)。將小、中、大號(hào)骨盆三維重建數(shù)據(jù)導(dǎo)入Imageware13.2軟件進(jìn)行三角化重建，在重建骨盆上建立三維坐標(biāo)系和標(biāo)準(zhǔn)平面。以1/20*MN值作為切割間距，在骨盆后環(huán)前表面沿X、Y

3、軸方向進(jìn)行平面切割，切割平面與骨盆后環(huán)前表面相交線的交點(diǎn)作為骨盆后環(huán)前表面三維數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)位置和切割間距，我們可知測(cè)量點(diǎn)(X、Y)值，測(cè)量測(cè)量點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)平面的距離，我們可得測(cè)量點(diǎn)Z值。通過(guò)以上測(cè)量，我們最終獲得測(cè)量點(diǎn)(X、Y、Z)值，將測(cè)量點(diǎn)三維坐標(biāo)值保存為TXT格式，即獲得骨盆后環(huán)前表面“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　2、骨盆后環(huán)前路新型鋼板的設(shè)計(jì)將骨盆后環(huán)前表面“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入Imageware13.2軟件進(jìn)行三角化重建。

4、在骨盆重建標(biāo)本上設(shè)計(jì)鋼板下底面切割點(diǎn)A、B、C、D，其中A點(diǎn)是鋼板上內(nèi)側(cè)點(diǎn)，距骶髂關(guān)節(jié)線2.5cm，A點(diǎn)沿X軸到鋼板外緣的距離50mm;D點(diǎn)為鋼板上外側(cè)點(diǎn)，AD連線與X軸呈上傾30°夾角;B點(diǎn)為鋼板下內(nèi)側(cè)點(diǎn)，距骶髂關(guān)節(jié)線1.5cm;C點(diǎn)為鋼板下外側(cè)點(diǎn)，BC連線與X軸呈下傾15°夾角。應(yīng)用Imageware13.2軟件在骨盆后環(huán)前表面重建標(biāo)本上虛擬出鋼板底面，并按照上述切割點(diǎn)切割鋼板底面，以0.1mm作為調(diào)節(jié)單位，調(diào)整調(diào)節(jié)點(diǎn)，使鋼板底面與

5、骨盆后環(huán)前表面解剖特征相服帖。將鋼板底面導(dǎo)入Solidworks2010軟件，拉伸出厚度為4mm的鋼板，并對(duì)鋼板進(jìn)行等半徑0.5mm倒圓邊、等半徑5mm倒圓角處理。將虛擬鋼板以STL格式導(dǎo)入Mimics10.01軟件，放置在骨盆后環(huán)前表面中上2/3處，并模擬置釘，記錄螺釘兩端點(diǎn)(X、Y、Z)值，兩端點(diǎn)坐標(biāo)值相減得到螺釘向量(X1、Y1、Z1)值，其中以人體矢狀面為參考平面，α=arctan(X1/Z1)為螺釘內(nèi)、外傾角度值;以人體冠狀面

6、為參考平面，β=arctan(Y1/Z1)為螺釘前、后傾角度值。將鋼板導(dǎo)入U(xiǎn)G NX8.0軟件，參照橈骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板（美國(guó)Smith& Nephew Inc公司）鎖定螺釘孔、普通釘孔特征和上述模擬置釘結(jié)果，在鋼板上設(shè)計(jì)釘孔，其中骶骨側(cè)第一排A11、A12兩枚鎖定孔;第二排A21一枚鎖定孔;第三排A31一枚鎖定孔。髂骨側(cè)第一排B11、B13兩枚鎖定孔，B12一枚普通孔;第二排B21、B22兩枚鎖定孔;第三排B31、B33兩枚鎖定孔，B32

7、一枚普通孔。并在骶骨側(cè)添加C1、C2兩枚克氏孔，髂骨側(cè)添加D1、D2、D3、D4四枚克氏孔(圖20)。
　　3、我們將一例成人正常骨盆薄層數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics10.01軟件對(duì)圖像刪除功能，使得骨盆左側(cè)骶髂關(guān)節(jié)和恥骨聯(lián)合分離5mm，并對(duì)骨盆進(jìn)行三維重建。采用Mimics軟件自帶Magics9.9軟件對(duì)骨盆重建標(biāo)本進(jìn)行減少三角面、過(guò)濾銳形三角面、表面平滑等處理，獲得了表面更為平滑的骨盆三維模型。然后將骨盆三維重建模型導(dǎo)入Geomagi

8、cStudio9.0軟件對(duì)標(biāo)本進(jìn)行點(diǎn)階段(Points Phase)、包裹階段(WrapPhase)、多邊行階段(Polygon Phase)、面階段(Shape Phase)處理，獲得骨盆三維模型面網(wǎng)格，并存為IGS格式文件。我們參照Z(yǔ)immer重建鋼板，應(yīng)用Solidworks2010軟件和UG NX8.0軟件設(shè)計(jì)出虛擬重建鋼板并對(duì)其進(jìn)行預(yù)彎。我們將骨盆幾何模型、重建鋼板幾何模型、新型解剖型鎖定鋼板幾何模型導(dǎo)入Autodesk In

9、ventor Professional2012軟件，按照骨盆后環(huán)前路兩種不同內(nèi)固定方式進(jìn)行裝配。將兩種內(nèi)固定模型導(dǎo)入Hypermesh10.0軟件，檢查模型面網(wǎng)格表面漏洞并進(jìn)行修補(bǔ)，使用Hypermesh軟件四面體自適應(yīng)網(wǎng)格劃分(Tetra Mesh)功能完成了骨盆內(nèi)固定模型體網(wǎng)格劃分，并存為Inp格式文件。
　　4、我們將兩種內(nèi)固定模型體網(wǎng)格導(dǎo)入Abaqus6.11軟件，對(duì)骨盆、鋼板螺釘分別賦材質(zhì)，設(shè)定螺釘與骨質(zhì)之間為綁定連接。

10、人體骨盆垂直方向靜力分析:對(duì)髖臼窩部施加固定約束，限制6個(gè)自由度的活動(dòng)，分別在兩種骨盆鋼板固定模型骶1椎體上表面上施加500N軸向壓縮載荷，且載荷均勻分布于骶1椎體上表面。人體骨盆前后方向靜力分析;對(duì)骶骨后部施加固定約束，限制6個(gè)自由度的活動(dòng)，分別在兩種骨盆鋼板固定模型恥骨聯(lián)合前表面上施加500N軸向壓縮載荷，且載荷均勻分布于恥骨聯(lián)合前表面。人體骨盆側(cè)方靜力分析:對(duì)右側(cè)髂骨最外側(cè)緣表面施加固定約束，限制6個(gè)自由度的活動(dòng)，分別在兩種骨盆鋼

11、板固定模型左側(cè)髂骨最外側(cè)緣表面施加500N軸向壓縮載荷，且載荷均勻分布于左側(cè)髂骨最外側(cè)緣表面。分析兩種內(nèi)固定方式在三種載荷加載情況下的yon Mises應(yīng)力分布和應(yīng)變分布。
　　結(jié)果:
　　1、通過(guò)對(duì)250例正常人體骨盆標(biāo)本進(jìn)行測(cè)量，我們得到MN最大值為71.27mm，最小值為36.54mm。骨盆后環(huán)大、中、小號(hào)組MN中位值分別為:54.13mm、48.7mm、43.11mm。應(yīng)用Imageware13.2軟件，測(cè)量測(cè)量點(diǎn)到

12、標(biāo)準(zhǔn)平面的垂直距離，獲得測(cè)量點(diǎn)的Z值。結(jié)合測(cè)量點(diǎn)(X、Y)值，獲得了測(cè)量點(diǎn)三維坐標(biāo)(X、Y、Z)值，將此數(shù)據(jù)保存為文本文件，即為骨盆后環(huán)前表面“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　2、將骨盆后環(huán)前表面“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入Imageware13.2軟件進(jìn)行三角化重建，我們?cè)诠桥韬蟓h(huán)前表面重建標(biāo)本基礎(chǔ)上虛擬出鋼板底面，按照設(shè)計(jì)切割點(diǎn)切割出鋼板底面外形，并調(diào)整調(diào)節(jié)點(diǎn)使鋼板底面與骨盆后環(huán)前表面解剖特征相服帖。將鋼板底面導(dǎo)入Solidworks2010軟件拉

13、伸出厚度4mm的鋼板，并添加了圓邊和圓角特征。其中，小、中、大號(hào)鋼板上邊長(zhǎng)分別為52mm、52mm、52mm;骶骨側(cè)邊長(zhǎng)分別為28mm、31.5mm、33mm;下邊長(zhǎng)分別為36.5mm、37mm、40mm;髂骨側(cè)邊長(zhǎng)分別為60.5mm、65mm、65mm。小、中、大號(hào)鋼板上邊與下邊延長(zhǎng)線夾角均為45°。將鋼板導(dǎo)入Mimics10.01軟件，并把鋼板放置在骨盆后環(huán)前表面中上2/3處，調(diào)整螺釘內(nèi)、外傾避開骶髂關(guān)節(jié)和骶孔，調(diào)整前、后傾角避免螺

14、釘“打架”，我們得到:骶骨側(cè)第一排A11螺釘前傾25°，內(nèi)傾9°;A12螺釘前傾30°，內(nèi)傾20°;第二排A21螺釘前傾25°，內(nèi)傾15°;第三排A31螺釘前傾40°，內(nèi)傾25°。髂骨側(cè)第一排B11螺釘前傾35°，內(nèi)傾20°;B12螺釘與鋼板平面垂直;B13螺釘前傾40°，外傾30°;第二排B21螺釘前傾30°，內(nèi)傾15°;B22螺釘前傾35°，外傾20°;第三排B31螺釘前傾40°，內(nèi)傾10°;B32螺釘與鋼板平面垂直;B33螺釘前傾

15、30°，外傾15°。骶骨側(cè)C1、C2兩枚克氏孔前傾30°，內(nèi)傾20°;髂骨側(cè)D1、D2、D3、D4四枚克氏孔與鋼板平面垂直。我們參照橈骨遠(yuǎn)端鎖定鋼板（美國(guó)Smith& Nephew Inc公司）鎖定螺釘孔特征、普通釘孔特征和上述模擬置釘結(jié)果，應(yīng)用UGNX8.0軟件在鋼板上添加螺釘孔。其中，鎖定孔為錐孔，大徑為5.5mm，錐度為5°;普通孔為簡(jiǎn)單孔，直徑為6mm;克氏孔為簡(jiǎn)單孔，直徑為1.6mm。
　　3、我們成功構(gòu)建了解剖型鎖定鋼

16、板固定和重建鋼板固定兩種骨盆后環(huán)前路內(nèi)固定有限元分析模型。
　　4、對(duì)人體骨盆垂直方向靜力分析得到兩種內(nèi)固定方式的yonMises應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖（圖7、8），解剖型鎖定鋼板固定模型最大位移為:5.056×10-2mm，骨盆受到最大應(yīng)力為:11.42MPa，解剖型鎖定鋼板受到最大應(yīng)力為:41.58MPa。重建鋼板固定模型最大位移為:1.205×10-1mm，骨盆受到最大應(yīng)力為:43.43MPa，重建鋼板受到最大應(yīng)力為:196.4

17、MPa。
　　對(duì)人體骨盆前后方向靜力分析得到兩種內(nèi)固定方式的von Mises應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖（圖9、10），解剖型鎖定鋼板固定模型最大位移為:1.978mm，骨盆受到最大應(yīng)力為:157.5MPa，解剖型鎖定鋼板受到最大應(yīng)力為:300.4MPa。重建鋼板固定模型最大位移為:24.93mm，骨盆受到最大應(yīng)力為:450.3MPa，重建鋼板受到最大應(yīng)力為:3282MPa。
　　對(duì)人體骨盆側(cè)方靜力分析得到兩種內(nèi)固定方式的yon M

18、ises應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖(圖11、12)，解剖型鎖定鋼板固定模型最大位移為:3.377mm，骨盆受到最大應(yīng)力為:309.6MPa，解剖型鎖定鋼板受到最大應(yīng)力為:457MPa。重建鋼板固定模型最大位移為:33.59mm，骨盆受到最大應(yīng)力為:671.7MPa，重建鋼板受到最大應(yīng)力為:3686MPa。
　　結(jié)論:1、我們應(yīng)用逆向工程技術(shù)(Reverse Engineering)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)成功的獲得了骨盆后環(huán)前表面“