髋臼四边区骨折新型钢板的设计及有限元分析

发布时间：2017-12-02 17:04

  本文关键词：髋臼四边区骨折新型钢板的设计及有限元分析

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【摘要】：目的:1、应用逆向技术(Reverse Engineering,RE)获取髋臼前柱及四边区表面的点云(pointcloud)数据。2、利用计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design)设计贴合髋臼前柱及四边区表面结构的新型钢板(简称四边区钢板),同时设计螺孔的位置及类型。3、应用计算机辅助工程技术(Computer Aided Engineering,CAE)创建四边区钢板、真骨盆缘钢板+真骨盆内壁重建钢板以及髂耻缘钢板+真骨盆内壁重建钢板固定累及四边区的前柱伴后柱横行骨折的有限元模型,然后进行有限元分析,比较其固定的稳定性。方法:髋臼四边区及前柱点云数据的获取从重庆医科大学附属第一医院影像科获取100例64排螺旋CT(SIMENS公司)扫描的成人完整骨盆CT数据,男女各50例,年龄为18岁至69岁,排除骨盆髋臼骨折、肿瘤等病变。导入Mimics15.0软件进行三维重建。分段测量男女骨盆骶髂关节真骨盆边缘点A至耻骨结节顶点B的弧长AB值,计算男、女AB均值,并选出AB值与均值接近的骨盆男女各一个,将其转换为点云文件,即获得髋臼四边区及前柱的点云数据。髋臼四边区骨折新型钢板的设计髋臼前柱及四边区的点云文件导入Imageware14.0软件进行点云三角形网格化处理。四边区钢板分为三部分:(1)真骨盆缘部分:始于骶髂关节,终止于耻骨结节,内侧缘与真骨盆缘保持一致,钢板宽度为10mm。(2)髋臼前壁部分:钢板的真骨盆缘部分在髂前下棘与髋臼前壁交界位置向前侧延伸,覆盖髋臼前壁。(3)四边区部分:由两个四边区挡板组成,前挡板靠近四边区前缘,长度约为四边区前缘1/2;后挡板靠近四边区后缘,长度约为四边区后缘1/2。前、后挡板宽度均为10mm。应用Imageware14.0软件在骨盆表面相应位置虚拟出上述钢板底面形态,以0.4mm为微调步距调节控制点,使钢板底面与前柱及四边区的形态尽量贴合。将调整完毕的钢板底面以IGS格式导入UG 9.0软件中,将其拉厚为2mm,并对其添加等半径0.3mm圆边、等半径2mm圆角以及预弯槽特征。依次在钢板的三个部分添加螺孔:(1)在钢板真骨盆缘部分添加长径为6mm,短径为4mm的椭圆形普通螺钉孔,螺孔方向垂直于钢板平面;(2)在钢板髋臼前壁部分添加直径为2.7mm的圆形锁定螺钉孔,螺孔方向垂直于钢板平面;(3)在钢板四边区部分添加长径为6mm,短径为4mm的椭圆形普通螺钉孔,螺孔方向垂直于钢板平面。钢板的有限元分析选取一例骨质平滑、无缺损的正常骨盆CT薄层数据导入Mimics 15.0软件中,三维重建后依次对其进行平滑化、减少三角面、包绕处理,使骨盆模型更加平滑。将处理好的骨盆模型导入Geomagic Studio 12软件建立有限元分析模型,经过点、面、多边形以及包裹等处理,获得用于有限元分析的骨盆模型,以IGS格式文件保存后导入Hypermesh12.0软件,人为制造累及四边区的髋臼前柱伴后柱横行骨折。将造好骨折的骨盆模型、四边区钢板模型、真骨盆缘钢板模型、髂耻缘钢板模型、真骨盆内侧重建钢板模型以IGS格式导入Solid Works 2015软件中,按照各种钢板相应的内固定方式分别装配在骨盆模型上得到四边区钢板固定模型、真骨盆缘钢板+真骨盆内侧重建钢板固定模型以及髂耻缘钢板+真骨盆内侧重建钢板固定模型,将三种固定模型再次导入Hypermesh12.0软件,进行模型体的网格划分,以Inp格式文件保存。将上述模型导入Abaqus6.14软件中,分别对钢板、螺钉及骨盆赋予材质,将螺钉与骨质之间设为绑定连接关系。(1)人体骨盆垂直方向静力分析:固定约束髋臼窝部以限制六个自由度的活动,分别在三种固定髋臼骨折模型的骶1椎体上表面施以400N轴向压缩载荷。(2)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,分别在三种钢板固定髋臼骨折模型的耻骨联合前表面上施加400N轴向压缩载荷。(3)人体骨盆侧方静力分析:对右侧髋臼窝施加固定约束,限制6个自由度的活动,分别在三种钢板固定髋臼骨折模型的左侧髂骨外侧缘表面施加400N轴向压缩载荷。分析不同内固定方式在三种载荷加载情况下的von Mises应力分布和位移分布。结果:1.我们对100例正常成人骨盆模型测量后,得到了骨盆骶髂关节真骨盆边缘点A至耻骨结节顶点B的弧长AB值男性为(117.23±6.36)mm,女性为(126.39±9.05)mm,其差异有统计学意义(P0.05)。将选取的男女各一例骨盆模型保存为点云文件,即获得即获得髋臼前柱及四边区的点云数据库。2.将选取的两例骨盆模型的点云文件导入imageware 14.0软件进行点云三角形网格化处理,并在骨盆表面相应位置虚拟出钢板形态,调节控制点,使其尽量与骨盆表面解剖形态服帖,然后将其导入UG 9.0软件中拉厚至2mm,并对其添加等半径0.3mm圆边、等半径2mm圆角以及预弯槽等特征。四边区钢板分为三部分:(1)真骨盆缘部分:男性长度为119mm,女性为124mm,始于骶髂关节,终止于耻骨结节,内侧缘与真骨盆缘保持一致,钢板宽度为10mm。(2)髋臼前壁部分:钢板的真骨盆缘部分在髂前下棘与髋臼前壁交界位置向前侧延伸,覆盖髋臼前壁。(3)四边区部分:由两个四边区挡板组成,前挡板靠近四边区前缘,男性长度为47mm,女性为40mm;后挡板靠近四边区后缘,男性长度为50mm,女性为45mm。前后挡板宽度均为10mm。依次在钢板的三个部分添加螺孔:(1)在钢板真骨盆缘部分添加长径为6mm,短径为4mm的椭圆形普通螺钉孔,男性为10孔,女性为9孔,螺孔方向垂直于钢板平面;(2)在钢板髋臼前壁部分添加直径为2.7mm的圆形锁定螺钉孔,男性为9孔,女性为7孔,螺孔方向垂直于钢板平面;(3)在钢板四边区部分添加长径为6mm,短径为4mm的椭圆形普通螺钉孔,男、女前挡板均为3孔,男性后挡板为4孔,女性为3孔,螺孔方向垂直于钢板平面。3.成功构建三组钢板固定累及四边区的髋臼骨折的有限元分析模型。对髋臼三种内固定方式进行垂直方向静力分析得到其von Mises应力、位移分布云图,四边区钢板固定模型:模型的最大位移为:0.1mm,骨盆受到最大应力为:14.8MPa,四边区钢板受到最大应力为:88MPa。真骨盆缘钢板+真骨盆内侧重建钢板固定模型:模型的最大位移为:0.11mm,骨盆受到最大应力为:19.4MPa,钢板受到最大应力为:37.6MPa。髂耻缘钢板+真骨盆内侧重建钢板固定模型:模型的最大位移为:0.19mm,骨盆受到最大应力为:11.5MPa,钢板受到最大应力为:98.9MPa。对髋臼三种内固定方式进行前后方向静力分析得到其von Mises应变、位移分布云图。四边区钢板固定模型:模型的最大位移为:0.16mm,骨盆受到最大应力为:15.8MPa,四边区钢板受到最大应力为:101MPa。真骨盆缘钢板+真骨盆内侧重建钢板固定模型:模型的最大位移为:0.15mm,骨盆受到最大应力为:28.8MPa,钢板受到最大应力为:93.8MPa。髂耻缘钢板+真骨盆内侧重建钢板固定模型:模型的最大位移为:0.23mm,骨盆受到最大应力为:12.2MPa,钢板受到最大应力为:107MPa。对髋臼三种内固定方式进行侧方静力分析得到其von Mises应变、位移分布云图。(1)四边区钢板固定模型:模型的最大位移为:3.3mm,骨盆受到最大应力为:149.5MPa,四边区钢板受到最大应力为:349.3MPa。(2)真骨盆缘钢板+真骨盆内侧重建钢板固定模型:模型的最大位移为:2.24mm,骨盆受到最大应力为:162.4MPa,钢板受到最大应力为:335.7MPa。(3)髂耻缘钢板+真骨盆内侧重建钢板固定模型:模型的最大位移为:4.2mm,骨盆受到最大应力为:126.1MPa,钢板受到最大应力为:558.1MPa。结论1.应用逆向技术(Reverse Engineering,RE)及计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design)成功获得骨盆的点云数据,以此为基础,设计出髋臼四边区骨折新型钢板。2.四边区钢板固定四边区骨折的效果在垂直载荷下优于其他两组钢板组合,而在前后方向及侧方载荷下效果居中,但均能达到良好的固定效果。3.四边区钢板适用于前柱、前壁、四边区骨折。
【学位授予单位】：重庆医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R687.3

【参考文献】

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本文编号：1245611