股骨颈骨折断端骨缺损内固定术后股骨近端生物力学有限元分析

发布时间：2018-07-02 19:27

本文选题：股骨颈骨折 + 外上方　；参考：《武汉大学》2015年博士论文

【摘要】：第一部分正常股骨近端生物力学有限元分析目的：股骨近端由于其复杂的三维立体构造、解剖结构、受力环境,一直是骨科研究的热点和难点,本实验通过有限元分析探讨股骨头、颈的受力状况,从工程力学角度对股骨近端进行受力分析。方法：先将正常志愿者的股骨经薄层CT扫描,得到股骨的DICOM数据,并将其输入有限元分析前处理软件MIMICS,建立股骨的模型。然后将模型导入有限元分析软件ABAQUS,进行相应的加载和约束,对股骨颈的受力进行分析。然后建立股骨颈简化的悬臂梁的有限元模型,进行相同加载和约束的受力分析。结果：本实验成功建立了股骨近端的有限元模型,并对人体静止状态下的股骨近端进行了受力分析,结果显示股骨颈的应力集中分布于其上方和下方。股骨颈的垂直断面受力分析显示应力主要集中在骨皮质区,股骨头的应力主要集中在其外上象限。结论：本实验证明了股骨颈上方承担拉伸应力,股骨颈的下方承担压缩应力,股骨近端是类似于工程力学的“悬臂梁”结构。股骨头的应力主要集中在其外上象限。第二部分股骨颈骨折伴下后方骨缺损内固定术后股骨近端生物力学有限元分析目的：股骨近端是典型的悬臂梁结构,从工程力学角度,“梁”的力学性质的变化会影响整个悬臂梁的承载性和稳定性,有资料显示股骨颈的后方是最常见的骨缺损位置,而下后方的骨缺损是否影响内固定术后股骨近端的力学稳定性,我们利用有限元分析实验进行探讨。方法：先将正常志愿者的股骨经薄层CT扫描,得到股骨的DICOM数据,将其输入有限元分析前处理软件MIMICS模拟截骨,建立伴股骨颈下后方不同体积的骨缺损且Pauwells角为70°的股骨颈骨折模型,将这些模型与3枚空心钉模型进行装配,然后导入非线性有限元分析软件ABAQUS,进行相应的加载和约束,对股骨近端的受力进行分析并比较。结果：随着股骨颈下后方骨缺损体积的增大,股骨颈上方两枚螺钉所承受的拉伸应力逐渐增大,股骨颈下方骨质所承受的压缩应力也逐渐增大,均集中在骨折断端位置。同时随着股骨颈下后方骨缺损体积的增大,股骨头应力分布区逐渐向外侧移动,由原来的主要负重区转移到非主要负重区,原来的非主要负重区出现高压强区。结论：股骨颈断端下后方骨缺损改变了股骨颈骨折断端和内固定的应力状态,影响骨折断端和内固定的稳定性。同时使股骨头应力发生改变,主要负重区由股骨头外上象限向外侧转移。第三部分股骨颈骨折伴外上方骨缺损内固定术后股骨近端生物力学有限元分析目的：青壮年股骨颈骨折往往是由高能力损伤引起,因为会导致股骨头坏死及断端不愈合等并发症,严重影响患者的生活质量,它的治疗到目前依然非常棘手。而断端骨缺损对股骨颈骨折内固定术后的生物力学影响长期以来受到的重视不够,有临床资料显示股骨颈外上方骨缺损也较为常见,而外上方的骨缺损对股骨颈骨折术后如何产生力学影响,我们利用有限元分析技术进行研究。方法：先将正常志愿者的股骨经薄层CT扫描,得到股骨的DICOM数据,将其输入有限元分析前处理软件MIMICS模拟截骨,建立伴股骨颈外上方不同体积的骨缺损且Pauwells角为70。的股骨颈骨折模型,将这些模型与3枚空心钉模型进行装配,然后导入有限元分析软件ABAQUS,进行相应的加载和约束,对股骨近端的受力进行分析并比较。结果：随着股骨颈外上方骨缺损体积的增大,股骨颈上方两枚螺钉所承受的最大拉伸应力值和应力范围未发生改变,股骨颈下方骨质所承受的最大压缩应力值和应力范围也未发生改变。股骨头应力仍集中分布在其外上象限,其最大应力值和应力范围未发生明显改变。结论：股骨颈断端外上方骨缺损使得股骨颈上方的拉伸应力中断,股骨颈断端外上方骨缺损使得股骨颈上方的拉伸应力中断,术后当股骨颈上方两枚空心钉螺纹部位和股骨头的松质骨不发生滑移时,中断的拉伸应力可以被空心钉替代,此时股骨头、颈的应力分布基本不变。当空心钉螺纹部位和股骨头的松质骨发生滑移时,股骨头主要负重区由其外上象限向外侧转移。第四部分股骨颈骨折内固定术后颈短缩的股骨近端生物力学有限元分析目的：临床观察发现股骨颈骨折内固定术后出现股骨颈短缩的现象非常普遍,危杰等人[’]通过对137例股骨颈骨折患者资料进行了回顾性研究,发现股骨颈短缩的病例中股骨头坏死概率明显高于颈正常组,但目前国内外尚无力学实验支持上述临床研究,本实验利用有限元分析技术研究股骨颈短缩对股骨近端生物力学的影响。方法：先将正常志愿者的股骨经薄层CT扫描,得到股骨的DICOM数据,将其输入有限元分析前处理软件MIMICS模拟截骨,建立Pauwells角为70。的股骨颈骨折模型,再建立股骨颈短缩1cm的股骨颈骨折模型,将这些模型与3枚空心钉模型进行装配,然后导入有限元分析软件ABAQUS,进行相应的加载和约束,对股骨近端的受力进行分析。结果：股骨颈短缩1cm,股骨颈上方两枚空心钉最大拉伸应力值由15.7MPa变为12.4MPa；股骨颈下方最大压缩应力值由20.2MPa变为17.8MPa。同时股骨头应力分布区由正常情况下的外上象限变为正上方,非主要负重区的最大应力由10.6MPa变为17.2MPa。结论：股骨颈短缩使得股骨近端偏心距减小,使得股骨颈上方两枚空心钉承担的最大拉伸应力变小,股骨颈下方承担的最大压缩应力也变小,不影响内固定和骨折断端的稳定性。同时股骨头的负重区由外上象限变为正上方。
[Abstract]:The finite element model of femoral head and neck was analyzed by means of finite element analysis . The results showed that the stress concentration of femoral neck was mainly concentrated in the outer quadrant of femur . The results showed that the stress of femoral neck was mainly concentrated in the outer quadrant of femur . The results showed that the fracture of femoral neck was the most common bone defect in the posterior part of the femoral neck , and the compressive stress on the proximal femur of the femoral neck increased gradually . The fracture model of femoral neck with short contraction of femoral neck was studied by means of finite element analysis technique . The results showed that the maximum tensile stress of femoral neck was 1 cm and the maximum tensile stress of two hollow nails was changed from 15.7 MPa to 12.4 MPa .
At the same time , the maximum compressive stress value under the femoral neck was changed from 20.2 MPa to 17.8 MPa . At the same time , the stress distribution area of the femoral head was changed from the upper outer quadrant to 17.2MPa . Conclusion : The short contraction of the femoral neck makes the proximal end eccentricity of the femoral neck decrease , and the maximum compressive stress at the lower part of the femoral neck becomes smaller , which does not affect the stability of the internal fixation and the fracture end of the fracture .
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R687.3

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