髖臼四邊區(qū)骨折新型鋼板的設計及有限元分析.pdf

1、目的：
　　1、應用逆向技術(Reverse Engineering,RE)獲取髖臼前柱及四邊區(qū)表面的點云（pointcloud）數(shù)據(jù)。2、利用計算機輔助設計(CAD-Computer Aided Design)設計貼合髖臼前柱及四邊區(qū)表面結構的新型鋼板（簡稱四邊區(qū)鋼板），同時設計螺孔的位置及類型。3、應用計算機輔助工程技術（Computer Aided Engineering，CAE）創(chuàng)建四邊區(qū)鋼板、真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)壁重建

2、鋼板以及髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)壁重建鋼板固定累及四邊區(qū)的前柱伴后柱橫行骨折的有限元模型，然后進行有限元分析，比較其固定的穩(wěn)定性。
　　方法：
　　髖臼四邊區(qū)及前柱點云數(shù)據(jù)的獲取從重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院影像科獲取100例64排螺旋CT（SIMENS公司）掃描的成人完整骨盆CT數(shù)據(jù)，男女各50例，年齡為18歲至69歲，排除骨盆髖臼骨折、腫瘤等病變。導入 Mimics15.0軟件進行三維重建。分段測量男女骨盆骶髂關節(jié)真骨盆邊緣點A

3、至恥骨結節(jié)頂點B的弧長AB值，計算男、女AB均值，并選出AB值與均值接近的骨盆男女各一個，將其轉換為點云文件，即獲得髖臼四邊區(qū)及前柱的點云數(shù)據(jù)。
　　髖臼四邊區(qū)骨折新型鋼板的設計髖臼前柱及四邊區(qū)的點云文件導入 Imageware14.0軟件進行點云三角形網(wǎng)格化處理。四邊區(qū)鋼板分為三部分：（1）真骨盆緣部分：始于骶髂關節(jié)，終止于恥骨結節(jié)，內(nèi)側緣與真骨盆緣保持一致，鋼板寬度為10mm。（2）髖臼前壁部分：鋼板的真骨盆緣部分在髂前下棘與

4、髖臼前壁交界位置向前側延伸，覆蓋髖臼前壁。（3）四邊區(qū)部分：由兩個四邊區(qū)擋板組成，前擋板靠近四邊區(qū)前緣，長度約為四邊區(qū)前緣1/2；后擋板靠近四邊區(qū)后緣，長度約為四邊區(qū)后緣1/2。前、后擋板寬度均為10mm。應用 Imageware14.0軟件在骨盆表面相應位置虛擬出上述鋼板底面形態(tài)，以0.4mm為微調(diào)步距調(diào)節(jié)控制點，使鋼板底面與前柱及四邊區(qū)的形態(tài)盡量貼合。將調(diào)整完畢的鋼板底面以IGS格式導入UG9.0軟件中，將其拉厚為2mm，并對其添加

5、等半徑0.3mm圓邊、等半徑2mm圓角以及預彎槽特征。依次在鋼板的三個部分添加螺孔：（1）在鋼板真骨盆緣部分添加長徑為6mm，短徑為4mm的橢圓形普通螺釘孔，螺孔方向垂直于鋼板平面；（2）在鋼板髖臼前壁部分添加直徑為2.7mm的圓形鎖定螺釘孔，螺孔方向垂直于鋼板平面；（3）在鋼板四邊區(qū)部分添加長徑為6mm，短徑為4mm的橢圓形普通螺釘孔，螺孔方向垂直于鋼板平面。
　　鋼板的有限元分析選取一例骨質平滑、無缺損的正常骨盆CT薄層數(shù)據(jù)導

6、入Mimics15.0軟件中，三維重建后依次對其進行平滑化、減少三角面、包繞處理，使骨盆模型更加平滑。將處理好的骨盆模型導入Geomagic Studio12軟件建立有限元分析模型，經(jīng)過點、面、多邊形以及包裹等處理，獲得用于有限元分析的骨盆模型，以IGS格式文件保存后導入Hypermesh12.0軟件，人為制造累及四邊區(qū)的髖臼前柱伴后柱橫行骨折。將造好骨折的骨盆模型、四邊區(qū)鋼板模型、真骨盆緣鋼板模型、髂恥緣鋼板模型、真骨盆內(nèi)側重建鋼板模

7、型以IGS格式導入SolidWorks2015軟件中，按照各種鋼板相應的內(nèi)固定方式分別裝配在骨盆模型上得到四邊區(qū)鋼板固定模型、真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)側重建鋼板固定模型以及髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)側重建鋼板固定模型，將三種固定模型再次導入Hypermesh12.0軟件，進行模型體的網(wǎng)格劃分，以Inp格式文件保存。將上述模型導入Abaqus6.14軟件中，分別對鋼板、螺釘及骨盆賦予材質，將螺釘與骨質之間設為綁定連接關系。（1）人體骨盆垂直方向靜

8、力分析：固定約束髖臼窩部以限制六個自由度的活動，分別在三種固定髖臼骨折模型的骶1椎體上表面施以400N軸向壓縮載荷。（2）人體骨盆前后方向靜力分析：對骶骨后部施加固定約束，限制6個自由度的活動，分別在三種鋼板固定髖臼骨折模型的恥骨聯(lián)合前表面上施加400N軸向壓縮載荷。（3）人體骨盆側方靜力分析：對右側髖臼窩施加固定約束，限制6個自由度的活動，分別在三種鋼板固定髖臼骨折模型的左側髂骨外側緣表面施加400N軸向壓縮載荷。分析不同內(nèi)固定方式在

9、三種載荷加載情況下的 von Mises應力分布和位移分布。
　　結果：
　　1.我們對100例正常成人骨盆模型測量后，得到了骨盆骶髂關節(jié)真骨盆邊緣點A至恥骨結節(jié)頂點B的弧長AB值男性為（117.23±6.36）mm，女性為（126.39±9.05）mm，其差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。將選取的男女各一例骨盆模型保存為點云文件，即獲得即獲得髖臼前柱及四邊區(qū)的點云數(shù)據(jù)庫。
　　2.將選取的兩例骨盆模型的點云文件導入i

10、mageware14.0軟件進行點云三角形網(wǎng)格化處理，并在骨盆表面相應位置虛擬出鋼板形態(tài)，調(diào)節(jié)控制點，使其盡量與骨盆表面解剖形態(tài)服帖，然后將其導入UG9.0軟件中拉厚至2mm，并對其添加等半徑0.3mm圓邊、等半徑2mm圓角以及預彎槽等特征。四邊區(qū)鋼板分為三部分：（1）真骨盆緣部分：男性長度為119mm，女性為124mm，始于骶髂關節(jié)，終止于恥骨結節(jié)，內(nèi)側緣與真骨盆緣保持一致，鋼板寬度為10mm。（2）髖臼前壁部分：鋼板的真骨盆緣部分在

11、髂前下棘與髖臼前壁交界位置向前側延伸，覆蓋髖臼前壁。（3）四邊區(qū)部分：由兩個四邊區(qū)擋板組成，前擋板靠近四邊區(qū)前緣，男性長度為47mm，女性為40mm；后擋板靠近四邊區(qū)后緣，男性長度為50mm，女性為45mm。前后擋板寬度均為10mm。依次在鋼板的三個部分添加螺孔：（1）在鋼板真骨盆緣部分添加長徑為6mm，短徑為4mm的橢圓形普通螺釘孔，男性為10孔，女性為9孔，螺孔方向垂直于鋼板平面；（2）在鋼板髖臼前壁部分添加直徑為2.7mm的圓形鎖

12、定螺釘孔，男性為9孔，女性為7孔，螺孔方向垂直于鋼板平面；（3）在鋼板四邊區(qū)部分添加長徑為6mm，短徑為4mm的橢圓形普通螺釘孔，男、女前擋板均為3孔，男性后擋板為4孔，女性為3孔,螺孔方向垂直于鋼板平面。
　　3.成功構建三組鋼板固定累及四邊區(qū)的髖臼骨折的有限元分析模型。對髖臼三種內(nèi)固定方式進行垂直方向靜力分析得到其von Mises應力、位移分布云圖，四邊區(qū)鋼板固定模型：模型的最大位移為：0.1mm，骨盆受到最大應力為：14.

13、8MPa，四邊區(qū)鋼板受到最大應力為：88MPa。真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)側重建鋼板固定模型：模型的最大位移為：0.11mm，骨盆受到最大應力為：19.4MPa，鋼板受到最大應力為：37.6MPa。髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)側重建鋼板固定模型：模型的最大位移為：0.19mm，骨盆受到最大應力為：11.5MPa，鋼板受到最大應力為：98.9MPa。
　　對髖臼三種內(nèi)固定方式進行前后方向靜力分析得到其von Mises應變、位移分布云圖。四邊區(qū)

14、鋼板固定模型：模型的最大位移為：0.16mm，骨盆受到最大應力為：15.8MPa，四邊區(qū)鋼板受到最大應力為：101MPa。真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)側重建鋼板固定模型：模型的最大位移為：0.15mm，骨盆受到最大應力為：28.8MPa，鋼板受到最大應力為：93.8MPa。髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)側重建鋼板固定模型：模型的最大位移為：0.23mm，骨盆受到最大應力為：12.2MPa，鋼板受到最大應力為：107MPa。
　　對髖臼三種內(nèi)固定方

15、式進行側方靜力分析得到其von Mises應變、位移分布云圖。（1）四邊區(qū)鋼板固定模型：模型的最大位移為：3.3mm，骨盆受到最大應力為：149.5MPa，四邊區(qū)鋼板受到最大應力為：349.3MPa。（2）真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)側重建鋼板固定模型：模型的最大位移為：2.24mm，骨盆受到最大應力為：162.4MPa，鋼板受到最大應力為：335.7MPa。（3）髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)側重建鋼板固定模型：模型的最大位移為：4.2mm，骨盆受到

16、最大應力為：126.1MPa，鋼板受到最大應力為：558.1MPa。
　　結論1.應用逆向技術(Reverse Engineering,RE)及計算機輔助設計(CAD-Computer Aided Design)成功獲得骨盆的點云數(shù)據(jù)，以此為基礎，設計出髖臼四邊區(qū)骨折新型鋼板。2.四邊區(qū)鋼板固定四邊區(qū)骨折的效果在垂直載荷下優(yōu)于其他兩組鋼板組合，而在前后方向及側方載荷下效果居中，但均能達到良好的固定效果。3.四邊區(qū)鋼板適用于前柱、前