微型钢板固定髌骨分层骨折的有限元模型建立和分析

发布时间：2017-04-24 15:07

  本文关键词：微型钢板固定髌骨分层骨折的有限元模型建立和分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目的:在膝关节损伤中,髌骨骨折发病率较高。对于髌骨骨折的治疗,虽有诸多学者提出多种不同治疗方案,但都以张力带为主,且多数是针对髌骨横行或下极骨折。然而在临床上我们也常遇到髌骨分层样骨折,对于此类型骨折的分类、治疗,目前临床上报道较少,仍缺乏统一的治疗策略。对此,我们提出应用微型钢板固定髌骨分层样骨折,并已取得初步临床疗效,现通过对微型钢板固定髌骨分层骨折建立三维有限元模型,来进一步分析该固定方式的应力分布及位移程度,并验证其可行性,为临床治疗髌骨分层骨折的新方案提供可靠的理论依据。方法:利用ANSYS 13.0、Mimics 17.0、3-matic 9.0、Geomagic Studio12.0及PTC Creo Parametric 3.0分别对髌骨、钢板及螺钉进行三维建模并进行有限元分析。建立三维模型:将CT扫描膝关节获取的图像数据导入Mimics软件中,利用阈值分割、区域增长、编辑蒙罩等功能创建髌骨整体及松质骨三维图像,并在Geomagic Studio软件中进行去噪、松弛、封装、快速平滑、曲面化等修饰处理,再将图像以STL格式输入3-matic中,利用布尔减运算生成髌骨皮质骨模型。利用PTC Creo Parametric软件按照实际尺寸设计微型钢板及螺钉平面草图,使用拉伸及螺旋扫描功能生成8孔T板及5孔直板各1枚,锁定螺钉11枚,并对微型钢板进行预弯处理,最终将微型钢板、螺钉模型以STL格式输入3-matic软件中,对微型钢板、螺钉及髌骨进行装配,并设计骨折线,生成面网格和体网格模型。有限元参数设定:将建立的正常髌骨及髌骨骨折的有限元模型以CDB格式导入ANSYS软件中,创建模型皮肤及有限元几何体,依次设定微型钢板、螺钉、皮质骨及松质骨的材料属性,包括弹性模量及泊松比。根据实验需求设定各模块间接触面、接触类型并重新划分四面体网格。加载前约束髌骨上下极,对髌骨关节面下、中、上1/3分别施加2.0MP、3.5MP、4.4MP应力,以模拟膝关节屈曲20°、45°、90°时髌骨受力情况。图像后处理:求解出各模型在不同情况下的结果后,插入各模块的等效应力及位移分布云图,并在不同层面对图像进行切割,以便观察各切面上的应力及位移分布。结果:1正常髌骨模型应力分布:三种屈膝角度下,髌骨上下极韧带约束处均有不同程度应力集中。另外,下极区域均有应力集中且与屈膝程度正相关,随着屈曲程度增加,髌骨整体应力逐渐向近端靠近。2髌骨骨折模型应力分布:不同屈膝角度下,两极韧带约束处有应力集中外,髌骨下极应力均较集中,与屈膝程度正相关;钢板均在横行断端处应力最为集中,与屈膝程度正相关,且应力逐渐向两端递减;远、近端螺钉应力亦与屈膝程度正相关,且屈膝越大,应力越向近端螺钉集中;横行骨折断端处均有压力,与屈膝角度正相关,且压力呈现出分布不均——均匀——不均的变化趋势;分层骨折断端处亦存在较小压力,与屈膝角度正相关,且压力呈现出先分布均匀再到分布不均的变化规律。3髌骨骨折模型位移分布:在不同屈膝角度下,髌骨及钢板均呈现出相似的位移规律。在Y轴方向(即水平方向),从髌骨中间向两极,髌骨及钢板位移逐渐减小;在Z轴方向(即垂直方向),从钉头至钉尾,位移逐渐增加,且近端螺钉位移垂直向下,远端螺钉位移垂直向上。在Y轴上,髌骨及钢板在横行骨折处的位移与屈膝角度正相关,当屈曲90°时位移最大,约为0.3mm,而髌骨分层骨块在屈曲45°时位移最大,约为0.9mm;在Z轴上,近端螺钉位移与屈膝程度正相关,当屈膝90°时位移最大,约为0.2mm,而远端螺钉在屈曲45°时位移最大,约为0.5mm。结论:1不同屈膝角度下,髌骨下极应力均较集中。2微型钢板置于髌骨张力侧,固定牢固,对横行、分层骨折块均有不同程度加压效果。3微型钢板产生的加压效果与屈膝程度正相关,有利于术后早期活动。4微型钢板治疗髌骨骨折具有明显生物力学优势,特别适用于髌骨分层样骨折。
【关键词】：微型钢板 髌骨 分层骨折 内固定 有限元
【学位授予单位】：河北医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R687.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 前言9-10
• 材料与方法10-14
• 结果14-16
• 附图16-22
• 附表22-23
• 讨论23-28
• 结论28-29
• 参考文献29-32
• 综述 髌骨下极骨折治疗进展32-46
• 参考文献41-46
• 致谢46-47
• 个人简历47

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