儿童股骨颈骨折三维有限元重建及股骨颈螺钉的有限元分析

发布时间：2020-09-17 13:58

　　 研究背景 目前有限元法在骨科生物力学中的应用越来越广泛,尤其随着计算机和软件技术的突飞猛进发展,在骨科生物力学领域的研究可以说涉及到几乎所有的方面,从骨骼系统的应力分析到内外固定系统的研究,以及各种人工假体的设计与优化,逐渐占据了主导地位,成效显著,但是关于儿童股骨近端三维有限元模型的建立及其应力分析的文献报道甚少,尤其对于包含儿童股骨头真实软骨和骨骺的股骨近端三维有限元模型及其生物力学研究尚未见报道。 儿童股骨颈骨折在小儿骨科是一种少见的骨折类型,在儿童各种类型骨折中发病率仅占1%,与成人股骨颈骨折不同,因儿童的股骨颈和股骨头比较坚韧,需要较大的暴力才能导致骨折,所以绝大多数(85%～90%)健康儿童的股骨颈骨折是由于高能量创伤如车祸或高空坠落造成的。近年来随着交通的飞速发展,发病率呈上升趋势。儿童股骨颈骨折由于其股骨近端的血供和解剖学特点,骨折并发症的发生率可高达20%～92%,且往往导致严重后果如股骨头缺血性坏死、髋内翻、骺板早闭、肢体不等长等,手术治疗逐渐受到重视。目前治疗儿童股骨颈骨折的常用内固定系统有克氏针、空心加压螺钉及动力髋螺钉(DHS),但由于内固定各自的力学设计及性能限制,无法专一合适的应用于儿童股骨颈骨折,国内外尚无一种专门针对儿童股骨颈骨折的螺钉内固定系统。基于上述原因,我们设计了一套适用于儿童股骨颈骨折(ColonnaⅠ、Ⅱ型)的螺钉内固定系统,既能满足对骨折的即时固定,又符合中国儿童股骨颈的解剖特点,并已进行了离体生物力学测试,其力学性能明显优于克氏针,并能减小对骺板的损伤。 目的 1.建立包含股骨头软骨和骨骺的儿童股骨近端三维有限元模型,模拟正常儿童双腿站立时髋关节不同外展角度,得出股骨颈的应力分布情况并进行分析。 2.对研究建立的儿童股骨颈骨折三维有限元模型以儿童股骨颈螺钉固定,使用有限元方法对螺钉进行生物力学测试并分析结果,对螺钉的设计进行评价。 3.与离体标本生物力学研究相对照,设计是否合理,下一步如何改进和优化。 方法 获取正常儿童股骨标本,完整去除股骨近端肌肉韧带等软组织,仅保留骨与软骨组织,应用螺旋CT扫描技术,获得股骨近端图像数据,使用Mimics11.11数字化三维医学影像交互式软件、ANSYS10.0有限元处理软件,建立正常儿童股骨近端三维有限元模型,在此基础上建立股骨颈骨折模型;并根据螺钉数据建立儿童股骨颈螺钉三维有限元模型,导入骨折模型,设定边界及载荷条件,进行生物力学分析。 结果 1.建立了包含股骨头软骨和骨骺的儿童股骨近端三维有限元模型。 2.对正常儿童双腿站立时髋关节外展不同角度时股骨颈的应力分布有了初步的了解,为临床指导股骨颈骨折折康复提供了生物力学理论依据。 3.初步建立了儿童股骨颈骨折和儿童股骨颈螺钉三维有限元模型,进行生物力学三维有限元分析,结果表明儿童股骨颈螺钉的设计符合生物力学原理,具有较好的强度、刚度和稳定性,能够满足对儿童股骨颈骨折(ColonnaⅠ、Ⅱ型)即时固定的需要。 结论 1.利用Mimics软件的数据处理功能,可以将采用螺旋CT断层扫描获得的CT灰度图像数据向骨的材料属性进行转换,实现股骨材料的非均匀描述,建立更加接近生理解剖特点的儿童股骨颈骨折三维有限元模型。 2.建立的儿童股骨颈螺钉三维有限元模型逼真、客观,能真实反应其几何结构和力学属性,螺钉设计符合儿童股骨颈生理解剖特点和生物力学原理,具有较好的强度、刚度和稳定性,能够应用于临床。 3.通过有限元分析对儿童股骨颈螺钉作出如下改进:①对螺纹与光滑杆交界部进行流线型处理②稍增大上前位螺钉的直径来平衡上位螺钉的应力,有利于增强其临床实用性。
【学位单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2008
【中图分类】：R726.8
【部分图文】：

从股骨头开始，向下提取股骨的1%层CT图像的外轮廓线和内轮廓线，再对呈锯齿状的股骨内外轮廓进行精简并进行表面光滑处理，生成二维三角形单元包裹的几何面，然后得到股骨近端壳三维模型，见图1。处理后的数据以通用输入输出图形格式MCS文件存储。图1不同侧面的儿童股骨近端(包含软骨和骨蛋)壳三维模型1.2.3儿童股骨近端三维有限元模型的建立利用医学影像交互式软件M汕icsn.n的有限元分析功能进行REMESH生成二维三角形面单元 (sHELL93)，根据合适的参数进行二维面网格划分，将其保

图6不同侧面的儿童股骨颈骨折三维有限元模型网格划分2.正常儿童双腿站立时欲关节不同外展角度时股骨颈的应力分布的有限元分析Wo堆理论认为，骨的生长与骨的应力环境关系密切llsl。生物力学研究也证实，应力刺激使骨更具有活性，愈合能力更加强盛协’J]。在临床治疗股骨颈折的过程中，可通过患者俄关节外展不同角度来调整股骨颈的应力分布，使待愈合部位处于合理的应力环境下，获得良好的生长条件。因此，骸关节外展不同角度下股骨上段的应力分布是临床上比较关心的生物力学问题之一。本部分使用已经建立的儿童股骨近端三维有限元模型，通过有限元法分析正常儿童双腿站立时骸关节不同外展角度时股骨颈的应力分布，为临床上研究治疗股骨颈骨折的最佳力学

节外展10、巧、20、25和30度等不同角度，分别建立不同的骸关节外展模型。对于每个模型施加相似的载荷条件:固定股骨体下表面，对股骨头最高点处施加一相当于正常儿童质量一半时的压力约300N。模型的加载模式如图7所示。磨j飞屯净户卜:必龙辛八人刃尸曦仁飞会拳户，淤、必沂卜抓犷f图7儿童股骨近端三维有限元模型加载2.4应力计算分析将上述边界条件和负荷输入 ANSYS10.0，加载于儿童股骨近端三维有限元模型上，进入 ANSYS10.0的求解器solution模块，进行儿童股骨颈应力 (VonMises应力)分布的分析，同时计算出不同模型的股骨颈不同方位应力值。

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

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本文编号：2820804