三维有限元分析全膝关节置换术后股骨前皮质切迹对股骨髁上应力的影响
发布时间：2020-10-11 09:34
目的:研究基于CT二维图像和激光扫描逆向工程技术,构建膝关节股骨置换和人工膝关节置换术后的不同股骨前皮质切迹模型,采用有限元分析方法探索在不同切迹深度下股骨前髁截面髁上的最大等效应力变化,发现切迹的“安全深度”,为全膝关节置换术后出现的股骨前皮质切迹与髁上骨折发生是否具有关联性提供生物力学证据。方法:1、选取1名正常健康的青年男性,对其进行下肢螺旋CT扫描获取2D图像数据,分别在Mimics、Geomagic、Solidworks中进行处理,模拟正常成人的股骨模型。并采用德国Link公司的保留后交叉韧带股骨假体,将实物假体进行激光扫描,获取假体点云数据经Geomagic软件进行数据处理,导入Solidworks中,对股骨进行虚拟截骨和装配,得出膝关节股骨置换三维模型。2、在构建的股骨置换模型基础上进行模拟创造不同切迹深度,导入有限元ANSYS软件分析得出股骨前髁截面髁上的应力云图,并予以比较不同实验组和对照组中最大等效应力变化情况。结果:1、本研究所构建的膝关节股骨置换三维有限元模型结果与传统的生物力学实验、回顾性临床研究结果观察对比,证实该模型的合理性、有效性。2、本研究经三维有限元分析可知髁上的最大等效范式应力与切迹深度具有直接关联性,有显著的统计学意义(P0.05),且随着切迹的深度增加,局部的应力集中现象越显著,而切迹长度在本研究中对于髁上最大等效应力没有明确的统计学意义(P0.05)。3、本研究发现当切迹深度在皮质与松质骨交界时,可以出现应力集中突变点,当松质骨完全暴露时,局部最大等效应力出现叠加现象。结论:1、当膝关节股骨置换时股骨远端切迹处皮质骨厚度≥3mm时,此时切迹发生的深度应该避免超过3mm,这样可减少髁上骨折发生的可能性。2、当膝关节股骨置换时股骨远端切迹处皮质骨厚度3mm时,此时切迹发生的深度应该避免超过皮质骨和松质骨的交界区,这样可减少髁上骨折发生的可能性。
【学位单位】：遵义医学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R687.4
【部分图文】：
遵义医学院硕士学位论文 周建骨外旋轴的确定、医生的经验、假体的选择等，这都会影响假体的位置造成股前皮质切迹的发生（如图 1-1 所示），从而导致膝关节置换术后膝关节生物力的改变，这与假体寿命、假体松动的发生、髁上骨折的发生有着一定的关联性[122]，而对于在临床中产生的切迹包括切迹深度 H、切迹长度 L 都是随机难以做准确的预计，因此本研究设置特定的 H、L 模型来进行探索前皮质切迹的“安深度”，从而为全膝关节置换术后若出现股骨前皮质切迹时对髁上部的骨折发关联性提供一定的生物力学证据，指导临床治疗和术后康复，减少股骨髁上骨发生几率。
图 1-2 默认阈值下显示医学二维 CT 图像因人体不同的组织结构对于 X 线的衰减率各不相同，而且每种医学影像设备在图像采集时存在燥声、噪点、伪影等影响，并且 CT 扫描对于密度相近的组织分辨率较差而出现重叠现象，严重影响后续的研究结果，并且皮质骨和松质骨的弹性模量、材料属性完全不同，如果不予以区分必定影响结果，需要分别提取模拟再进行组配成完整的股骨模型，因此需要确定适当的阈值提取感兴趣的研究结构。然而传统的阈值分割（Thresholding）法对灰度值相差较大的可以有效分割，而密度相近的存在一定弊端。因此在该软件的操作大体步骤如下：①、本研究采用剖面线的阈值分割方法（Profile line），建立 mask 区分骨骼和其他组织结构（如图 1-3 绿色为骨组织结构）。②、利用裁剪蒙版（Crop masks）功能裁剪掉多余部分，分割出感兴趣的骨皮质区域结构（如图 1-4）。
遵义医学院硕士学位论文 周建华型（如图 1-6 黄色区域）、右下肢股骨皮质骨 3D 模型（图 1-7，红色区域）、右下肢股骨松质骨 3D 模型（图 1-8 紫色区域）。上述经过 mimics 软件处理的模型并非是有限元分析的实体而只是片体壳状结构，不能准确反映实体内部的关系，需要进一步导入 Geomagic studio 软件拟合曲面重建模型，因此需分别将上述皮质骨模型和松质骨模型分别以 Stl 格式进行导出保存，将三角面片转化为 Nurbs 曲面拟合，这样所得的模型还原度更高，准确性更好，这可以在一定程度上反映骨骼的表面及其内部的复杂结构，形成一定的拓扑关系，为后续的假体装配和装配体的有限元分析打下严密的基础。
【参考文献】
本文编号：2836409
【学位单位】：遵义医学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R687.4
【部分图文】：
遵义医学院硕士学位论文 周建骨外旋轴的确定、医生的经验、假体的选择等，这都会影响假体的位置造成股前皮质切迹的发生（如图 1-1 所示），从而导致膝关节置换术后膝关节生物力的改变，这与假体寿命、假体松动的发生、髁上骨折的发生有着一定的关联性[122]，而对于在临床中产生的切迹包括切迹深度 H、切迹长度 L 都是随机难以做准确的预计，因此本研究设置特定的 H、L 模型来进行探索前皮质切迹的“安深度”，从而为全膝关节置换术后若出现股骨前皮质切迹时对髁上部的骨折发关联性提供一定的生物力学证据，指导临床治疗和术后康复，减少股骨髁上骨发生几率。
图 1-2 默认阈值下显示医学二维 CT 图像因人体不同的组织结构对于 X 线的衰减率各不相同，而且每种医学影像设备在图像采集时存在燥声、噪点、伪影等影响，并且 CT 扫描对于密度相近的组织分辨率较差而出现重叠现象，严重影响后续的研究结果，并且皮质骨和松质骨的弹性模量、材料属性完全不同，如果不予以区分必定影响结果，需要分别提取模拟再进行组配成完整的股骨模型，因此需要确定适当的阈值提取感兴趣的研究结构。然而传统的阈值分割（Thresholding）法对灰度值相差较大的可以有效分割，而密度相近的存在一定弊端。因此在该软件的操作大体步骤如下：①、本研究采用剖面线的阈值分割方法（Profile line），建立 mask 区分骨骼和其他组织结构（如图 1-3 绿色为骨组织结构）。②、利用裁剪蒙版（Crop masks）功能裁剪掉多余部分，分割出感兴趣的骨皮质区域结构（如图 1-4）。
遵义医学院硕士学位论文 周建华型（如图 1-6 黄色区域）、右下肢股骨皮质骨 3D 模型（图 1-7，红色区域）、右下肢股骨松质骨 3D 模型（图 1-8 紫色区域）。上述经过 mimics 软件处理的模型并非是有限元分析的实体而只是片体壳状结构，不能准确反映实体内部的关系，需要进一步导入 Geomagic studio 软件拟合曲面重建模型，因此需分别将上述皮质骨模型和松质骨模型分别以 Stl 格式进行导出保存，将三角面片转化为 Nurbs 曲面拟合，这样所得的模型还原度更高，准确性更好，这可以在一定程度上反映骨骼的表面及其内部的复杂结构，形成一定的拓扑关系，为后续的假体装配和装配体的有限元分析打下严密的基础。
【参考文献】
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本文编号：2836409
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