有限元分析及生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)在股骨頸骨折治療中的研究.pdf

1、目的:建立人股骨的三維有限元模型，對(duì)其進(jìn)行分析，找到人股骨在不同載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變分布特點(diǎn)，尋找股骨頸骨折的力學(xué)發(fā)生機(jī)制以指導(dǎo)固定；進(jìn)一步建立股骨頸骨折的三維有限元模型，尋找股骨頸骨折各種固定方法中骨折斷端剪力最小加壓力最大的理論最佳方法；比較固定股骨頸骨折的不同方法，結(jié)合并驗(yàn)證第一、第二部分有限元模型理論分析結(jié)果，從而找到股骨頸骨折最符合生物力學(xué)原理的固定方法。
　　 方法:
　　 1、用新鮮人股骨沿長(zhǎng)軸方向進(jìn)行CT斷

2、層掃描，選取每一斷面上相應(yīng)的點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)，將其空間坐標(biāo)(X、Y、Z軸)輸入電子計(jì)算機(jī)，之后運(yùn)用美國(guó)人型有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行單元和網(wǎng)格的建立。從而建立人股骨的三維有限元模型。通過(guò)對(duì)所用人股骨的力學(xué)實(shí)驗(yàn)和此模型的加載比較以驗(yàn)證模型。接下來(lái)模仿人體在不同情況下的載荷(包括暴力)對(duì)模型進(jìn)行加載，分析其應(yīng)力、應(yīng)變的分布特點(diǎn)，從而了解其力學(xué)特性，為進(jìn)一步固定骨折提供指導(dǎo)。
　　 2、選取成人股骨近端為模型，應(yīng)用Pro/ENGINEE

3、R2001軟件建立人尸體股骨近端的基本外形以及多種股骨頸骨折模型，采用多種固定方法予以固定，然后導(dǎo)入ANSYS6.1有限元分析軟件中計(jì)算比較股骨頸骨折不同固定方法致使骨折斷端所造成的松質(zhì)骨接合面和皮質(zhì)骨接合面的壓應(yīng)力以及骨折斷面螺釘?shù)募羟辛Α?br>　　 3、取經(jīng)防腐處理的人尸體股骨30具，隨機(jī)分成5組，每組6具，在股骨頸中部按Pauwels角70度鋸斷，每組分別以以下方法固定：①動(dòng)力髖螺釘(DHS)固定；②三枚4mm斯氏針按本文第一

4、、第二部分分析出的股骨的主應(yīng)力方向(按壓力骨小梁方向緊貼股骨距低角度倒三角形鉆入)固定；③一枚加壓螺紋釘固定；④自行設(shè)計(jì)的外固定支架低角度倒三角形固定；⑤外固定支架按大角度固定。在萬(wàn)能力學(xué)測(cè)試儀上進(jìn)行垂直加載以測(cè)定頭下沉位移和張開(kāi)位移；之后各組又進(jìn)行偏軸加載以測(cè)定偏軸位移。同時(shí)在④⑤兩組又應(yīng)用電阻應(yīng)變片貼于斷端間的三枚斯氏針上方以測(cè)定鋼針上的應(yīng)力與應(yīng)變
　　 結(jié)果:
　　 1、股骨頸處的壓力骨小梁和股骨距是重要的承載結(jié)構(gòu)

5、；載荷的傳導(dǎo)主要通過(guò)壓力骨小梁和股骨距由股骨頸區(qū)傳至股骨干的中下1/3處；外展肌力的收縮對(duì)髖關(guān)節(jié)有一定的保護(hù)作用；在小角度外展實(shí)驗(yàn)中(10-30°)股骨頸區(qū)的應(yīng)力遞增，超過(guò)30°時(shí)股骨頸區(qū)的應(yīng)力又逐漸減小，但在內(nèi)收實(shí)驗(yàn)中隨角度增大股骨頸處應(yīng)力呈遞減趨勢(shì)；當(dāng)外界暴力作用時(shí)，應(yīng)力主要集中在股骨上段，即股骨頸中下段和大小轉(zhuǎn)子處及其之間。
　　 2、股骨頸骨折的有限元模型幾何形狀準(zhǔn)確，模型參數(shù)和精度檢驗(yàn)可靠，與有關(guān)文獻(xiàn)體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一

6、致，計(jì)算結(jié)果顯示，采用三釘?shù)谷切?0度固定的方法其骨折斷端間剪切力最小、壓應(yīng)力最大。
　　 3、在抗壓力方面，動(dòng)力髖螺釘最強(qiáng)，與其余各組有顯著性差異，其次為低角度倒三角形外固定支架組，優(yōu)于其余三組。在抗扭力方面，加壓螺紋釘最差，其余各組無(wú)顯著性差異。同樣載荷下低角度進(jìn)針組各針應(yīng)變小于大角度進(jìn)針組各針。
　　 結(jié)論:
　　 1、三維有限元方法用于研究不規(guī)則物體是一種有效、準(zhǔn)確的數(shù)值方法，不僅能考慮到所研究物體的幾

7、何形狀，而且也考慮到物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性；股骨頸處的壓力骨小梁和股骨距是重要的承載結(jié)構(gòu)，內(nèi)固定物的放置應(yīng)循壓力骨小梁方向盡量緊貼股骨距鉆入；載荷主要通過(guò)壓力骨小梁和股骨距傳導(dǎo)至股骨干的中下1/3處；一定角度的下肢外展(10-30°)會(huì)較明顯的增加股骨頸區(qū)的應(yīng)力，而下肢的內(nèi)收反而會(huì)減小此區(qū)的應(yīng)力；暴力作用時(shí)股骨上端應(yīng)力分布特點(diǎn)從生物力學(xué)角度說(shuō)明老年人易于發(fā)生股骨頸中下段骨折和轉(zhuǎn)子間骨折的原因。
　　 2、股骨頸骨折的有限元模型很好模

8、仿了人體不同股骨頸骨折時(shí)采用不同固定的情況，從計(jì)算結(jié)果看，對(duì)于股骨頸骨折，固定角度趨勢(shì)為越低越好，2釘固定時(shí)豎放較斜放和橫放好；三釘固定時(shí)為倒三角形最好。結(jié)論認(rèn)為，股骨頸骨折采用的固定方法從生物力學(xué)角度講應(yīng)該采用低角度的倒三角形的三釘固定法。
　　 3、動(dòng)力髖螺釘雖然在固定強(qiáng)度上優(yōu)于其它各組，但卻由于手術(shù)創(chuàng)傷大、對(duì)股骨頭殘存血供破壞較大等缺點(diǎn)而限制了其應(yīng)用；自行設(shè)計(jì)的外固定支架為一種簡(jiǎn)單、有效、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的固定方法，有一定的推廣