利用有限元法对发育性髋关节脱位闭合复位过程中骨与软骨应力变化的观察与研究

发布时间：2021-04-17 22:42

　　背景:发育性髋关节脱位（Developmental dislocation of the hip,DDH）是儿童最常见的下肢畸形。对于年龄小于18个月的DDH患儿,通过手法复位将股骨头还纳髋臼窝,实现头臼同心圆复位,再利用石膏固定维持此正常的解剖关系的闭合复位,仍然是首选的治疗方法。髋臼与股骨头之间的关节软骨间接触压力（cartilage contact pressure,CCP）刺激可以调节正常的髋关节发育,过大的CCP会导致股骨头血供不足,进而导致股骨头缺血性坏死（avascular necrosis,AVN）。因此,本研究基于有限元法,对DDH患儿闭合复位治疗过程中的应力变化进行研究,且将不同测量指标下CCP的变化进行分析对比,从全新的角度探究闭合复位的疗效和并发症的产生。方法:回顾性分析在我院接受闭合复位+内收肌切断手术治疗的DDH患儿的短期疗效,以及其术后产生并发症的风险因素。并将1例单侧DDH患儿的病例资料及MRI扫描数据,建立包含耻骨、坐骨、髂骨、Y形软骨、股骨等结构的髋关节三维可视化模型。对比在闭合复位过程中外展角度变化对股骨头及髋臼的应力集中区域差异的影响;探究不同状... 

【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：45 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

2实验硬件及软件1.2.1核磁共振机：西门子3.0T上海交通大学医学院附属新华医院提供

上海交通大学医学院硕士毕业论文25图1-41.5有限元网格模型将Mimics里生成的三维模型以STL格式导出文件，用于力学有限元分析。STL文件主要由三角形面片（或网格）组成，这些面片可很好地描述三维模型的表面特征，但它不是实体网格，且网格质量较差，不能直接用于有限元计算，利用专业有限元分析前处理软件（如Hyper-mesh）对这些面片进行网格清理、修补、重划分等操作，并根据分析要求对网格进行局部加密、总体网格数量控制的设定，最终生成三维实体有限元网格。并进行有限元分析计算。最终有限元网格模型如图1-5，图1-6所示，所有结构共22.8万个单元，4.9万个节点。图1-5图1-6

上海交通大学医学院硕士毕业论文261.6材料力学属性有限元分析中主要分皮质骨和软骨两种材料[25]，皮质骨弹性模量取17GPa，泊松比取0.3。软骨是一种粘弹性材料，其力学特性受不同骨质、不同加载速率等因素的影响，且其表面与内部不同位置的材料性能也有差别，因此软骨是一种非均质材料，要用数学曲线准确描述其材料属性较为困难。综合对比相关文献研究成果[43-46]，对软骨近似设计以下一条“应力-应变”曲线。图1-7图1-7软骨的“应力-应变”曲线1.7边界条件设置参照文献[47]可得主要7块肌肉的附着点和截面积大小，考虑到不同个体同一肌肉块截面积会有不同，因此设本研究对象的肌肉截面积与文献[41]有一个比值a的关系。同时假设大腿“屈曲90度-外展0度”时刻为肌肉自然伸长状态，此时肌肉的长度设为L0i，截面积设为A0i,此处i=1~7。当大腿外展一角度b后，肌肉的长度变为L1i，截面积为A1i。根据肌肉体积不变性，以及肌肉最大拉力与其截面积成正比关系，可得最大肌肉力F=k*A0i，此处k为一与肌肉生物力学性能有关的常数。当大腿外展一角度b后，则肌肉的最大拉力为Fi=k*A0i*L0i/L1i。表1-1表1-1不同肌肉在不同外展角度下长度与截面积的变化

【参考文献】：
期刊论文
[1]Developmental dysplasia of the hip: What has changed in the last 20 years?[J]. Pavel Kotlarsky,Reuben Haber,Victor Bialik,Mark Eidelman.  World Journal of Orthopedics. 2015(11)
[2]有限元技术在儿童髋关节外科中的应用[J]. 张楷乐,陈珽,范清,沈品泉,张菁.  临床小儿外科杂志. 2012 (04)
[3]发育性髋关节脱位闭合复位的治疗进展[J]. 王康,赵群.  中国矫形外科杂志. 2011(13)
[4]有限元分析与髋关节研究进展[J]. 范清,张菁.  国际骨科学杂志. 2007(01)

博士论文
[1]仿生关节软骨的生物力学特性及其生物摩擦学研究[D]. 陈凯.中国矿业大学 2015

硕士论文
[1]关节软骨力学性质的数值模拟及实验研究[D]. 李雪.天津理工大学 2014
[2]关节软骨的力学性能测试及有限元仿真[D]. 王玉主.天津理工大学 2012
[3]正常儿童髋关节三维有限元模型的建立及初步生物力学分析[D]. 段丽群.中南大学 2007



本文编号：3144267