距骨頸骨折內(nèi)固定方法的有限元分析.pdf

1、目的:
　　 1、依據(jù)1名正常男性志愿者踝關節(jié)中立位下螺旋CT掃描的右側(cè)踝關節(jié)面上10cm以下的足踩部影像學資料,探討利用Mimics、ANSYSWorkbench等軟件構建出解剖結構精細的正常踝關節(jié)三維有限元模型的方法,并對其有效性進行驗證,使其能反映正常足踝部的力學特性。
　　 2、根據(jù)所構建的正常足踝部的三維有限元模型,模擬人體靜態(tài)中立位單足站立負重狀態(tài)、踝關節(jié)受到內(nèi)旋力,探討距骨及周圍韌帶在此活動方式中的生物力學

2、反應,為研究距骨頸骨折的發(fā)生機制提供理論依據(jù),同時對其結果的有效性進行驗證。
　　 3、根據(jù)所構建的正常足踝部的三維有限元模型,模擬建立距骨頸骨折的模型,并在距骨頸骨折模型基礎上分別建立前后位和后前位螺釘固定模型,探討不同固定方法在模擬人體中立位單足站立距骨的應力、位移分布,為距骨頸骨折的治療提供理論依據(jù)。
　　 方法:
　　 1、數(shù)字化足踝部三維有限元模型的構建與驗證:采用中國醫(yī)科大學影像中心的Brillian

3、ce64排iCT,掃描參數(shù):電壓120KV,電流強度372.5mA,螺距0.297,層厚0.625mm,矩陣512X512,重建層厚0.9mm。對志愿者右足自踝關節(jié)上10cm脛腓骨遠端向下掃描至足底,掃描時右足保持中立位,以DICOM格式輸入個人計算機的Mimics10.01軟件,經(jīng)自動或手動閾值分割后三維重建出完整足踝部的5塊骨骼及18條韌帶(91條線單元),以IGES格式導出韌帶,再以STL格式將骨骼導入Geomagic10.0,生

4、成幾何體及軟骨后,與韌帶一起導入Ansys13.0的Workbench模塊中重建裝配體。建立的模型包含脛骨、腓骨、距骨、跟骨、舟骨及其關節(jié)軟骨和18條韌帶。參照Anderson等方法,通過模擬人體單足站立狀態(tài)下的力學傳遞,對模型脛骨下端的上截面施加600N垂直壓縮載荷,固定跟骨,約束距骨、脛骨在Y方向的運動,約束舟骨在Y、Z方向的運動。測量踝關節(jié)脛骨下關節(jié)面的最大接觸壓力、接觸面積,并將結果與前者進行對照。
　　 2、距骨生物力

5、學的有限元分析:參照Liacoums和Wayne的方法,通過模擬人體單足站立狀態(tài)下踝關節(jié)受到內(nèi)旋力,對脛骨下端的上截面施加67N垂直壓縮載荷及2.7N/m的內(nèi)旋載荷,固定跟骨,約束舟骨在Y、Z方向的運動。測量距骨的位移、應力分布及周圍韌帶的抗阻力。
　　 3、距骨頸骨折的有限元分析:將距骨導入Solidwork2007中,沿距骨溝對距骨在冠狀面進行分割;同時在Solidwork2007中制作4.Smm螺釘,并在Gcomagic1

6、0.0中調(diào)整螺釘位置,模擬不同的固定方法,將分割體、螺釘導入Workbench中,重建裝配體。參照Anderson等方法,通過模擬人體單足站立狀態(tài)下的力學傳遞,對模型脛骨下端的上截面施加600N垂直載荷,固定跟骨,約束距骨、脛骨在Y方向的運動,約束舟骨在Y、Z方向的運動,測量采用不同方法固定距骨骨折時距骨的位移及最大應力,并與完整距骨的結果相比較及相互間比較。
　　 結果:
　　 1、本研究所構建的足踝部三維有限元模型在

7、中立位施加600N垂直壓縮載荷,接觸應力主要分布于脛骨下關節(jié)面的前、外側(cè),最大應力處于2.49MPa-3.74MPa之間,在分布區(qū)域和分布趨勢、數(shù)值大小上基本上與Anderson等的實驗結果一致,初步證明本模型是有效的。
　　 2、本研究所構建的足踝部三維有限元模型在中立位施加67N垂直壓縮載荷及2.7N/m的內(nèi)旋載荷,距骨的最大位移在其外側(cè),最大值為0.39mm;最大應力在距骨頸,最大應力值為3.75Mpa;四條踝關節(jié)周圍主要

8、韌帶抗阻力對比:下脛腓骨聯(lián)合前韌帶＞跟腓韌帶＞脛跟韌帶＞脛舟韌帶。
　　 3、對不同方法內(nèi)固定距骨骨折的研究發(fā)現(xiàn):距骨骨折后,距骨的位移減少,其中X軸的位移減少,Y、Z軸的位移增加;距骨的最大應力大幅度增加,最大應力主要位于螺釘周圍。不同固定方法間的比較結果為:(1)距骨的位移及X軸的位移:Intact＞P-C＞A-C＞A-E＞P-E＞P-1＞A-1;(2)距骨Y、Z軸的位移:Intact＜P-C＜A-C＜A-E＜P-E＜P-1

9、＜A-1;(3)最大應力值:Intact＜＜P-C＜A-C＜A-E＜P-E＜P-1＜A-1。
　　 結論:
　　 1、本研究利用Mimics、Workbench等軟件依據(jù)螺旋CT掃描的二維圖像構建出了解剖結構精細的正常人體足踝部三維有限元模型,相對客觀地反映了足踝部的基本解剖結構和力學特性,模型經(jīng)驗證有效,并可在模型上模擬足踝部不同受力方式進行力學分析。
　　 2、距骨頸骨折的發(fā)生機制是距骨頸應力集中以及自身的薄