髓内钉修复股骨转子间骨折愈合过程的生物力学研究

发布时间：2018-02-25 04:24

本文关键词： 股骨转子间骨折髓内钉愈合过程数值模拟电测实验　出处：《天津医科大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：目的:本课题综合采用医学图像软件Mimics、逆向工程软件Geomagic Studio以及三维实体建模软件Solidworks中建立有效的髓内钉固定后的股骨转子间骨折三维实体模型和有限元模型,通过大型三维有限元分析软件ANSYS,对模型进行计算,获得髓内钉骨折模型在愈合过程中应力场、位移场;分析骨折愈合后髓内钉拆除后股骨应力分布的特征,并与人工股骨髓内钉转子间骨折电测实验进行数据对比,发现规律,为临床应用提供生物力学依据及指导意见。方法:首先采用3D打印与精密铸造的方法制备高精度的人工股骨模型,并保证该股骨的材料特性与人体股骨最大程度的接近,用石膏等固定装置将髓内钉装进股骨模型后,取出髓内钉,然后制造股骨转子间骨折,再然后把髓内钉与人工股骨进行装配,在相应的位置贴应变片,应变片与静动态电阻应变测试分析系统进行连接,然后在WDW—10微机控制电子万能试验上进行加载,即进行人工股骨髓内钉转子间骨折电测实验,记录实验数据,整理分析数据,做出载荷—微应变数据图;其次,把人工股骨髓内钉转子间骨折实验模型扫描成CT数据,使用Mimics、Geomagic Studio、Solidworks软件把扫描的CT数据建立成完整股骨三维实体模型,根据髓内钉参数用Solidworks建立主钉、近端锁钉、远端锁钉的三维实体模型,并将股骨三维实体模型与髓内钉三维实体模型进行装配,即将该人工股骨髓内钉转子间骨折模型制备成3D有限元模型,另存为X_T格式文件,然后将此X_T格式文件导入ANSYS中,进行布尔运算,创建骨折片,赋予变化的材料参数,模拟骨折的愈合过程,建立完整人工股骨髓内钉转子间骨折三维有限元模型,依次进行编号,在设定单元属性、边界条件、材料属性、划分网格,按在骨折愈合过程中600N正常人缓慢行走双足着地时模拟髋关节所承受的最大峰值数值,并且进行加载和求解,分析获得的骨髓内钉模型的应力及应力分布特征、骨折线处的应力变化、断端间隙变化特征等,整理出贴应变片位置的应变数据,并与实验数据进行对比,发现规律;另外主要通过对骨折片赋予不同的弹性模量来模拟愈合阶段对人体股骨的生物力学影响,并通过用ANSYS单元生死功能来模拟撤钉后股骨的应力分布规律,获得人工股骨的应力和应变变化规律。结果:(1)对数值计算结果与实验结果的比较显示,数值模拟结果欲与实验结果符合较好。(2)导致数值模拟与实验数据有误差的原因可能是通过三维重建获得的股骨实体模型有人为操作的原因,与实验的股骨模型有一些差别,此外数值模拟和实验的边界条件可能也有一些差别。(3)完成了模拟股骨髓内钉转子间骨折的愈合过程,并与实验结果进行了对比和分析,获得了愈合过程测点位置应变片的应变规律。结论:(1)制作了人工股骨转子间骨折实体模型,模型包括,一个骨折片,一个骨折近端模型和一个骨折远端模型,以髓内钉固定股骨转子间骨折模型,并在该模型上选取10个参考点贴应变片,进行了人工股骨髓内钉转子间骨折模型在生理载荷作用下的电测实验,测得人工股骨髓内钉转子间骨折三维实体模型的各部位的应变数据,得到了人工股骨髓内钉转子间骨折10个测点的分布规律。(2)根据人工股骨髓内钉转子间骨折实体模型的CT扫描数据,利用三维造型软件Mimics完成了初期的点云处理,应用逆向工程软件Geomagic studio以及Solidworks软件,成功的构建出了人工股骨髓内钉转子间骨折三维实体模型。(3)在ANSYS数值模拟软件中进行了人工股骨髓内钉转子间骨折模型在生理载荷作用下的数值模拟分析,主要分析对位移场和应力场的影响。对骨折片赋予不同的弹性模量模拟愈合过程,研究了骨折片愈合过程对人工股骨髓内钉粗隆间骨折模型在生理荷载荷作用下的位移场和应力场的影响,数值模拟结果显示实验结果与数值模拟结果相吻合。(4)对数值模拟结果与实验结果进行了对比分析,论证了实验方法与数值模拟方法的正确性,为下一步进行临床髓内钉固定股骨转子间骨折的应用提供生物力学依据及指导意见。
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【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R683.4

【参考文献】