两种髋臼前柱新型锁定钢板的设计及有限元分析

发布时间：2018-10-08 16:09

【摘要】：目的：1、应用逆向工程(RE)建立骨盆的“点云”数据库。然后在该“点云”数据库基础上,应用计算机辅助设计(CAD)设计与真骨盆缘和髂嵴至耻骨联合表面贴合的两种新型解剖锁定钢板,并设计螺钉的位置及方向。2、应用计算机辅助工程(CAE)技术建立用两种髋臼前柱钢板固定横行骨折的有限元模型及正常骨盆的有限元模型,然后进行有限元分析,比较其固定的稳定性。方法：1、创建骨盆的“点云”收集166例我院成人骨盆的正常薄层CT数据,其中男90例,女76例,导入Mimics 14.11软件进行三维重建。分别测量男、女真骨盆缘的弧线长度AB,计算其均值,将它作为髋臼前柱长度的依据。找出与该平均值最接近的骨盆号数,以Point Cloud的形式输出,保存为TXT格式文件,即骨盆“点云”数据库。2、两种髋臼前柱新型钢板的设计将TXT格式文件导入Imageware13.2进行三角化重建。真骨盆缘前柱钢板：始于耻骨联合,终止于距骶髂关节0.5cm处,内侧边与真骨盆缘相切,外侧边距真骨盆缘10mm。应用Imageware13.2软件在真骨盆缘表面虚拟出钢板底面,并按照上述切割点切割钢板底面,以0.5mm作为调节单位,调整调节点,使钢板底面与真骨盆缘上表面相服帖。将钢板底面导入UG 8.5软件,拉伸出厚度为2mm的钢板,并对钢板进行等半径0.3mm圆边、等半径2mm圆角处理,在钢板上添加直径为0.4cm的锁定螺钉孔,男性钢板为10孔,女性为11孔。将虚拟底面的STL格式导入Mimics14.11与髋臼前柱组装后后进行模拟置钉,真骨盆缘前柱钢板的螺钉方向：第一枚、第二枚螺钉与矢状面平行,与冠状面的前倾角以模拟置钉角度为准；第三枚螺钉的方向以模拟置钉角度为准；最后两枚螺钉方向与冠状面平行,与矢状面的外倾角以模拟置钉角度为准。按以上要求模拟置钉,我们得到螺钉两端点(X1、Y1、Z1)、(X2、Y2、Z2)向量值,两端点坐标值相减得到螺钉向量(X、Y、Z)值,螺钉与矢状面的外倾角为α=arctan(X/Z);与冠状面的前倾角为β=arctan (Y/Z)。髂耻缘前柱钢板：起始于耻骨联合,止于髂前上棘后方的髂嵴,此处距髂前上棘3cm,钢板外侧边距髂前下棘顶点lcm。其余方法同真骨盆缘前柱钢板的设计方法,男女钢板的长度均为12孔。髂耻缘前柱钢板耻骨侧第一、二、三枚螺钉方向与真骨盆缘钢板的相同；第九、十、十一枚螺钉与矢状面外倾角分别为30。、40。、50。,与冠状面的前倾角以模拟置钉角度为准。其余螺钉方向与钢板垂直。3、有限元分析采用Mimics14.11软件对重建骨盆进行处理,获得表面更为平滑的骨盆模型。将其导入Geomagic Studio 12进行处理,获得更完整的骨盆网格体模型,以IGS格式保存。将骨盆几何模型、真骨盆缘钢板几何模型、髂耻缘钢板几何模型导入Solidwork2012软件,分别装配两种不同的髋臼前柱钢板固定髋臼横行骨折的模型,然后将两种不同内固定模型导入Hypermesh12.0,完成模型体网格划分,并对正常骨盆完成骨盆模型体网格划分,保存为Inp格式文件。将上述三种Inp文件导入Abaqus6.13软件,对骨盆、钢板螺钉分别赋予材质,设定螺钉与骨质之间为绑定关系。做以下静力分析：(1)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,分别在不同类型髋臼前柱钢板固定模型和正常骨盆模型的骶1椎体上表面上施加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,分别在不同类型髋臼前柱钢板固定模型和正常骨盆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,分别在不同类型髋臼前柱钢板固定模型和正常骨盆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和正常骨盆模型在三种载荷加载情况下的vonMises应变分布和位移分布。结果：1、我们测量166例成人正常重建骨盆三维重建标本的真骨盆缘长度发现男、女真骨盆缘AB的值分别为(128.14±7.31) mm、(140.53± 8.15) mm,其差异有显著意义(P0.01)。将骨盆的三维重建模型以Point Cloud输出,保存为TXT文件格式,即为男、女骨盆“点云”数据库。2、将男、女骨盆“点云”数据库导入mageware13.2软件进行三角形网格化重建,并按照设计标准虚拟出钢板底面,调整调节点使钢板底面与髋臼前柱前表面解剖特征相服帖,将钢板底面导入UG8.5软件拉伸出厚度为2mm的钢板,并添加0.3mm的圆边和2mm的圆角特征。真骨盆缘前柱钢板：始于耻骨联合,终止于距骶髂关节5mm处,钢板内侧边与真骨盆缘相切,外侧边距真骨盆缘10mm,得到的男性真骨盆缘前柱钢板长度为120mm、女性为132mm。髂耻缘前柱钢板：起始于耻骨联合,止于髂前上棘后方30mm处的髂嵴,钢板外侧边距髂前下棘顶点10mm,得到男、女长均144mm的髂耻缘前柱钢板。按照孔特征的设计标准,男、女真骨盆缘钢板孔数量分别为10、11,男女髂耻缘钢板孔数量均为12。真骨盆缘钢板螺钉方向的设计：耻骨联合端第一枚螺钉与矢状面的角度为0°,冠状面上前倾25°；第二枚螺钉与矢状面的角度为0°,冠状面前倾30°；第三枚螺钉与矢状面的内倾角为20°,冠状面前倾40°；距骶髂关节第一枚螺钉与矢状面外倾20°,冠状面前倾0°,距骶髂关节第二枚螺钉与矢状面外倾25°,冠状面前倾0°,其余螺钉方向垂直于钢板。髂耻缘钢板螺钉方向的设计：耻骨联合端前三枚螺钉方向与真骨盆缘相同,髂骨端第11、10、9枚螺钉与矢状面外倾角分别为50°、40°、30°,与冠状面的前倾角分别为10°、10°、15°。3、成功构建两种类型的髋臼前柱解剖锁定钢板固定髋臼横形骨折的有限元分析模型和正常骨盆的有限元分析模型。4、骨盆垂直方向静力分析得到髋臼横行骨折两种内固定的von Mises应变、位移分布云图。真骨盆缘钢板固定模型：最大位移为：0.440mm,骨盆受到最大应力为：14.92MPa,钢板受到最大应力为：98.64MPa。髂耻缘钢板固定模型：最大位移为：0.327mm,骨盆受到最大应力为：7.64MPa,钢板受到最大应力为：86.71MPa。骨盆前后方静力分析得到髋臼横行骨折两种不同固定方式的von Mises应变、位移分布云图,真骨盆缘钢板固定模型：最大位移为：0.587mm,骨盆受到最大应力为：19.38MPa,钢板受到最大应力为：158.OOMPa。髂耻缘钢板固定模型：最大位移为：0.610mm,骨盆受到最大应力为：21.28MPa,钢板受到最大应力为：167.50MPa。骨盆侧方静力分析得到两种髋臼横行骨折内固定方式的von Mises应变、位移分布云图,真骨盆缘钢板固定模型：最大位移为：0.973mm,骨盆受到最大应力为：28.45MPa,钢板受到最大应力为：34.35MPa。髂耻缘钢板固定模型：最大位移为：0.799mm,骨盆受到最大应力为：20.74MPa,钢板受到最大应力为：43.28MPa。正常骨盆的垂直方向、前后方向和侧方von Mises应变、位移分布云图,骨盆的最大移位分别是：0.019mm、0.214mm、0.730mm,骨盆受到的最大应力分别是：2.031MPa、10.16MPa、17.54MPa。结论：1、我们应用逆向工程技术(RE)、计算机辅助设计(CAD)技术成功获得了髋臼前柱前表面“点云”数据,并在此数据库基础上设计出与髋臼前柱前表面相服帖的两种新型解剖锁定钢板。2、髂耻缘锁定钢板对髋臼横形骨折的固定稳定性优于真骨盆缘锁定钢板。
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【学位授予单位】：重庆医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R687.3

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