有限元方法在辅助精准骨科手术中的应用研究

发布时间：2020-07-15 02:13

【摘要】：桥接组合式内固定系统(Ortho-Bridge System,OBS)是昆明市延安医院骨科自主研发一种能实现精准个性化骨科手术的新型内固定系统。但是,要实现精准个性化骨科手术还面临着以下两个难题:(1)骨骼是有着高度个体差异的物体,且无法离体测量患者的骨骼的尺寸及力学性能参数等数据;(2)目前尚无OBS组配方案的基础研究,且医生不具备工程力学的知识。这给精准个性化骨科手术中OBS组配方案的制定带来了困难,针对这些问题,本文采用了有限元法(Finite Element Method,FEM)以辅助实现精准个性化骨科手术。鉴于目前尚无OBS组配方案的基础研究且OBS的组配形式相当自由,在众多的组配方案面前,研究多重因素下较适合患者的组配方案无疑是大海捞针。因此本文病例患者的选取上选择了最简单常见的胫骨斜形骨折,并只考虑患者术后两足均匀站立时的状况,目的是为了排除其它因素的影响,从而研究OBS组配方案中对其力学性能影响最大的两个因素:(1)钉子的数量;(2)最靠近断裂处的钉子与断裂处的距离(以下简称为断端间钉距)。在本文中,钉子的数量分为4个和6个,断端间钉距分为5mm、10mm、15mm,从而找到较适合病例患者的OBS组配方案。要对骨骼及其固定物进行有限元分析,就要知道:(1)骨骼的受力情况;(2)患者独有的骨骼力学性能和形状尺寸。通过对经典的生物力学研究,按照选择的病例患者的体重,经计算放大取整后,得到其双足均匀站立下单边胫骨关节面受力为500N,竖直向下。接着通过对现代的生物力学研究,以病例患者的CT影像作为依据将骨骼模型进行重建,再对重建模型划分有限元单元网格,最后按CT影像上灰度值的大小将网格模型划分成10个区域,并按经验公式分别对不同区域的有限元单元赋予材料属性。有了以上准备,通过有限元计算出了6种不同组合方案的变形量与模型应力状态。4钉式的断面间位移量分别为0.610mm、0.782mm、1.005mm,6钉式的断面间位移量分别为0.520mm、0.758mm、0.948mm;4钉式的骨上最大应力分别为312.89MPa、296.63MPa、421.61MPa,6钉式的骨上最大应力分别为318.54MPa、244.50MPa、573.50MPa。综合断面间位移量与骨上最大应力分析,采用6钉式断端间钉距为10 mm的方案较为合理。在计算出有限元的结果后又辅以实验法验证了有限元的结果的有效性,最终辅助完成精准个性化骨科手术,通过有限元分析可为日后个性化精准骨科手术的方案制定提供了技术指导,也为后续使用更复杂的OBS组配方案治疗更复杂的骨折病情提供研究方向与最基本的理论依据。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R687.1
【图文】：

四肢骨折,古希腊人,关节脱位,手法复位

图 1.1 希波克拉底图 1.2 盖伦Fig. 1.1 Hippocrates Fig. 1.2 Galen图 1.1 是 Hippocrates，古希腊人，生活在约公元前 460 年至公元前 37Hippocratic Corpus》中记录了四肢骨折、关节脱位手法复位夹板外固

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螺丝钉,拉力

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【参考文献】