骶髂关节前路新型钢板设计和有限元分析

发布时间：2017-09-12 17:20

  本文关键词：骶髂关节前路新型钢板设计和有限元分析

  更多相关文章： 骶髂关节 解剖型锁定钢板 重建钢板 有限元分析

【摘要】：目的： 1、应用逆向工程技术（Reverse Engineering），建立国人骨盆后环前表面三维解剖“点云”数据库。2、应用计算机辅助设计（CAD）技术在骨盆后环前表面“点云”数据库基础上，设计与骨盆后环前表面贴合的新型解剖型锁定钢板，并对螺钉位置和螺钉方向进行设计。3、应用计算机辅助工程（CAE）技术建立骨盆钢板固定有限元模型并进行有限元分析，对比新型解剖型锁定钢板和重建钢板对骨盆后环的固定稳定性差异。 方法： 1、骨盆后环前表面“点云”数据库的建立收集250例国人骨盆CT薄层数据，导入Mimics10.01软件进行三维重建，测量骶髂关节顶点M到骶髂关节真骨盆边缘N点的长度MN值。将MN值按百分位数从小到大分为三组，每组MN中位值作为衡量骨盆后环小、中、大的依据。将小、中、大号骨盆三维重建数据导入Imageware13.2软件进行三角化重建，在重建骨盆上建立三维坐标系和标准平面。以1/20*MN值作为切割间距，在骨盆后环前表面沿X、Y轴方向进行平面切割，切割平面与骨盆后环前表面相交线的交点作为骨盆后环前表面三维数据测量点，根据测量点坐标位置和切割间距，我们可知测量点（X、Y）值，测量测量点到标准平面的距离，我们可得测量点Z值。通过以上测量，我们最终获得测量点（X、Y、Z）值，将测量点三维坐标值保存为TXT格式，即获得骨盆后环前表面“点云”数据库。 2、骨盆后环前路新型钢板的设计将骨盆后环前表面“点云”数据库导入Imageware13.2软件进行三角化重建。在骨盆重建标本上设计钢板下底面切割点A、B、C、D，其中A点是钢板上内侧点，距骶髂关节线2.5cm，A点沿X轴到钢板外缘的距离50mm；D点为钢板上外侧点，AD连线与X轴呈上倾30°夹角;B点为钢板下内侧点，距骶髂关节线1.5cm；C点为钢板下外侧点，BC连线与X轴呈下倾15°夹角。应用Imageware13.2软件在骨盆后环前表面重建标本上虚拟出钢板底面，并按照上述切割点切割钢板底面，以0.1mm作为调节单位，调整调节点，使钢板底面与骨盆后环前表面解剖特征相服帖。将钢板底面导入Solidworks2010软件，拉伸出厚度为4mm的钢板，并对钢板进行等半径0.5mm倒圆边、等半径5mm倒圆角处理。将虚拟钢板以STL格式导入Mimics10.01软件，放置在骨盆后环前表面中上2/3处，并模拟置钉，记录螺钉两端点（X、Y、Z）值，两端点坐标值相减得到螺钉向量（X1、Y1、Z1）值，其中以人体矢状面为参考平面，α=arctan(X1/Z1)为螺钉内、外倾角度值；以人体冠状面为参考平面，β=arctan(Y1/Z1)为螺钉前、后倾角度值。将钢板导入UG NX8.0软件，参照桡骨远端锁定钢板（美国SmithNephew Inc公司）锁定螺钉孔、普通钉孔特征和上述模拟置钉结果，在钢板上设计钉孔，其中骶骨侧第一排A11、A12两枚锁定孔；第二排A21一枚锁定孔；第三排A31一枚锁定孔。髂骨侧第一排B11、B13两枚锁定孔，B12一枚普通孔；第二排B21、B22两枚锁定孔；第三排B31、B33两枚锁定孔，B32一枚普通孔。并在骶骨侧添加C1、C2两枚克氏孔，髂骨侧添加D1、D2、D3、D4四枚克氏孔（图20）。 3、我们将一例成人正常骨盆薄层数据导入Mimics10.01软件对图像删除功能，使得骨盆左侧骶髂关节和耻骨联合分离5mm，并对骨盆进行三维重建。采用Mimics软件自带Magics9.9软件对骨盆重建标本进行减少三角面、过滤锐形三角面、表面平滑等处理，获得了表面更为平滑的骨盆三维模型。然后将骨盆三维重建模型导入GeomagicStudio9.0软件对标本进行点阶段(Points Phase)、包裹阶段（WrapPhase）、多边行阶段(Polygon Phase)、面阶段(Shape Phase)处理，，获得骨盆三维模型面网格，并存为IGS格式文件。我们参照Zimmer重建钢板，应用Solidworks2010软件和UG NX8.0软件设计出虚拟重建钢板并对其进行预弯。我们将骨盆几何模型、重建钢板几何模型、新型解剖型锁定钢板几何模型导入Autodesk Inventor Professional2012软件，按照骨盆后环前路两种不同内固定方式进行装配。将两种内固定模型导入Hypermesh10.0软件，检查模型面网格表面漏洞并进行修补，使用Hypermesh软件四面体自适应网格划分（Tetra Mesh）功能完成了骨盆内固定模型体网格划分，并存为Inp格式文件。 4、我们将两种内固定模型体网格导入Abaqus6.11软件，对骨盆、钢板螺钉分别赋材质，设定螺钉与骨质之间为绑定连接。人体骨盆垂直方向静力分析：对髋臼窝部施加固定约束，限制6个自由度的活动，分别在两种骨盆钢板固定模型骶1椎体上表面上施加500N轴向压缩载荷，且载荷均匀分布于骶1椎体上表面。人体骨盆前后方向静力分析：对骶骨后部施加固定约束，限制6个自由度的活动，分别在两种骨盆钢板固定模型耻骨联合前表面上施加500N轴向压缩载荷，且载荷均匀分布于耻骨联合前表面。人体骨盆侧方静力分析：对右侧髂骨最外侧缘表面施加固定约束，限制6个自由度的活动，分别在两种骨盆钢板固定模型左侧髂骨最外侧缘表面施加500N轴向压缩载荷，且载荷均匀分布于左侧髂骨最外侧缘表面。分析两种内固定方式在三种载荷加载情况下的von Mises应力分布和应变分布。 结果： 1、通过对250例正常人体骨盆标本进行测量，我们得到MN最大值为71.27mm，最小值为36.54mm。骨盆后环大、中、小号组MN中位值分别为：54.13mm、48.7mm、43.11mm。应用Imageware13.2软件，测量测量点到标准平面的垂直距离，获得测量点的Z值。结合测量点（X、Y）值，获得了测量点三维坐标（X、Y、Z）值，将此数据保存为文本文件，即为骨盆后环前表面“点云”数据库。 2、将骨盆后环前表面“点云”数据库导入Imageware13.2软件进行三角化重建，我们在骨盆后环前表面重建标本基础上虚拟出钢板底面，按照设计切割点切割出钢板底面外形，并调整调节点使钢板底面与骨盆后环前表面解剖特征相服帖。将钢板底面导入Solidworks2010软件拉伸出厚度4mm的钢板，并添加了圆边和圆角特征。其中，小、中、大号钢板上边长分别为52mm、52mm、52mm；骶骨侧边长分别为28mm、31.5mm、33mm；下边长分别为36.5mm、37mm、40mm；髂骨侧边长分别为60.5mm、65mm、65mm。小、中、大号钢板上边与下边延长线夹角均为45°。将钢板导入Mimics10.01软件，并把钢板放置在骨盆后环前表面中上2/3处，调整螺钉内、外倾避开骶髂关节和骶孔，调整前、后倾角避免螺钉“打架”，我们得到：骶骨侧第一排A11螺钉前倾25°，内倾9°；A12螺钉前倾30°，内倾20°；第二排A21螺钉前倾25°，内倾15°；第三排A31螺钉前倾40°，内倾25°。髂骨侧第一排B11螺钉前倾35°，内倾20°;B12螺钉与钢板平面垂直;B13螺钉前倾40°，外倾30°;第二排B21螺钉前倾30°，内倾15°;B22螺钉前倾35°，外倾20°;第三排B31螺钉前倾40°，内倾10°;B32螺钉与钢板平面垂直;B33螺钉前倾30°，外倾15°。骶骨侧C1、C2两枚克氏孔前倾30°，内倾20°；髂骨侧D1、D2、D3、D4四枚克氏孔与钢板平面垂直。我们参照桡骨远端锁定钢板（美国SmithNephewInc公司）锁定螺钉孔特征、普通钉孔特征和上述模拟置钉结果，应用UG NX8.0软件在钢板上添加螺钉孔。其中，锁定孔为锥孔，大径为5.5mm，锥度为5°;普通孔为简单孔，直径为6mm;克氏孔为简单孔，直径为1.6mm。 3、我们成功构建了解剖型锁定钢板固定和重建钢板固定两种骨盆后环前路内固定有限元分析模型。 4、对人体骨盆垂直方向静力分析得到两种内固定方式的vonMises应力、应变分布云图(图7、8)，解剖型锁定钢板固定模型最大位移为：5.056×10~(-2)mm,骨盆受到最大应力为：11.42MPa,解剖型锁定钢板受到最大应力为：41.58MPa。重建钢板固定模型最大位移为：1.205×10~(-1)mm,骨盆受到最大应力为：43.43MPa,重建钢板受到最大应力为：196.4MPa。 对人体骨盆前后方向静力分析得到两种内固定方式的von Mises应力、应变分布云图（图9、10），解剖型锁定钢板固定模型最大位移为：1.978mm,骨盆受到最大应力为：157.5MPa,解剖型锁定钢板受到最大应力为：300.4MPa。重建钢板固定模型最大位移为：24.93mm,骨盆受到最大应力为：450.3MPa,重建钢板受到最大应力为：3282MPa。 对人体骨盆侧方静力分析得到两种内固定方式的von Mises应力、应变分布云图（图11、12），解剖型锁定钢板固定模型最大位移为：3.377mm,骨盆受到最大应力为：309.6MPa,解剖型锁定钢板受到最大应力为：457MPa。重建钢板固定模型最大位移为：33.59mm,骨盆受到最大应力为：671.7MPa,重建钢板受到最大应力为：3686MPa。 结论：1、我们应用逆向工程技术（Reverse Engineering）、计算机辅助设计（CAD）技术成功的获得了骨盆后环前表面“点云”数据库，并在此数据库基础上设计出与骨盆后环前表面相服帖的新型解剖型锁定钢板。2、新型解剖型锁定钢板对TileC1型骨盆骨折的固定稳定性明显优于重建钢板。
【关键词】：骶髂关节 解剖型锁定钢板 重建钢板 有限元分析
【学位授予单位】：重庆医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 英汉缩略语名词对照5-6
• 摘要6-13
• ABSTRACT13-23
• 前言23-29
• 第一章 骶髂关节前路新型钢板设计29-45
• 第一节 骨盆后环前表面三维解剖数据测量和钢板底面设计29-33
• 1 材料与方法29-31
• 2 结果31-32
• 3 讨论32-33
• 第二节 钢板外形和螺钉孔设计33-37
• 1 材料与方法33-34
• 2 结果34-35
• 3 讨论35-37
• 参考文献37-39
• 附图39-45
• 第二章 骶髂关节前路两种钢板内固定有限元分析45-60
• 1 材料与方法45-46
• 2 结果46-48
• 3 讨论48-52
• 参考文献52-53
• 附图53-60
• 全文小结60-61
• 文献综述61-67
• 参考文献65-67
• 致谢67-68
• 攻读学位期间发表的论文68-69

【参考文献】

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本文编号：838516