髖臼骨折內(nèi)固定方式的模擬生物力學(xué)及有限元分析.pdf

1、高能量暴力所致的髖臼骨折，其常合并臟器、神經(jīng)血管等損傷，并嚴(yán)重破壞髖關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu);髖臼是髖關(guān)節(jié)重要組成成份，骨折累及關(guān)節(jié)面，其手術(shù)固定的要求高，需盡量恢復(fù)髖關(guān)節(jié)面的平整及穩(wěn)定固定。如若治療方式不當(dāng)，會引發(fā)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎、股骨頭壞死等比較嚴(yán)重的并發(fā)癥，導(dǎo)致較高的致死率及致殘率。因此，髖臼骨折的治療就顯得尤為重要。Judet和Letournel從臨床角度出發(fā)，基于髖臼倒Y型結(jié)構(gòu)，提出兩柱學(xué)說。前柱又稱髂恥柱，包括髂嵴前部、髖臼前唇、前壁、部

2、分臼頂，全部恥骨、前部髂骨翼及小骨盆入口的前緣;后柱由髂骨的后部分及坐骨構(gòu)成，又稱髂坐柱，包括坐骨大小切跡，髖臼的后唇、后壁、部分臼頂及全部坐骨。
　　髖臼骨折可簡單累及前柱或后柱，也可同時累及到雙柱。近數(shù)年期間，髖臼骨折治療的生物力學(xué)實驗研究，多集中在前、后柱骨結(jié)構(gòu)的測量及雙柱骨折，特別是橫行骨折的生物力學(xué)研究，并取得一定進(jìn)展;技術(shù)基礎(chǔ)也由實體骨盆尸體標(biāo)本，逐漸拓展到基于CT的三維有限元技術(shù)。應(yīng)用三維有限元技術(shù)研究骨盆髖臼骨折，

3、成本低、樣本量充足，結(jié)果數(shù)據(jù)精確，有較好的適應(yīng)性。本研究欲基于三維有限元技術(shù)，依據(jù)骨盆髖臼CT建立髖臼前柱、后柱、T形骨折內(nèi)固定模型，并依次對其進(jìn)行相關(guān)生物力學(xué)研究。
　　第一部分 正常骨盆髖臼模型的構(gòu)建及有效性驗證
　　目的:
　　建立有效的骨盆髖臼模型，為后續(xù)髖臼骨折內(nèi)固定模型的構(gòu)建提供基礎(chǔ)。
　　方法:
　　依據(jù)健康志愿者的骨盆CT，利用Mimics、Geomagic、Solidworks軟件建立骨盆

4、髖臼骨模型并優(yōu)化處理，再導(dǎo)入Ansys軟件中行材料屬性賦值、劃分網(wǎng)格、添加相關(guān)韌帶等，建立骨盆髖臼三維有限元模型并檢測其有效性。
　　結(jié)果:
　　優(yōu)化處理前后，骨盆髖臼各骨性突出點間的距離P＞0.05，無明顯統(tǒng)計學(xué)差異;有限元計算分析顯示:站立位時，應(yīng)力主經(jīng)骶骨向兩側(cè)骶髂關(guān)節(jié)、髂骨，前經(jīng)弓狀線，后經(jīng)坐骨大切跡，經(jīng)髖關(guān)節(jié)達(dá)雙側(cè)股骨。
　　結(jié)論:
　　利用三維有限元技術(shù)建立的骨盆髖臼骨模型形態(tài)及力學(xué)有效，可用于后續(xù)實

5、驗研究。
　　第二部分 髖臼前柱低位及高位骨折內(nèi)固定方式的建模及穩(wěn)定性比較
　　目的:
　　運用有限元分析低位髖臼前柱的四種骨折內(nèi)固定模式，以及高位前柱的二種骨折內(nèi)固定模式的力學(xué)穩(wěn)定性。
　　方法:
　　將驗證有效的骨盆模型導(dǎo)入Solidworks軟件中，利用軟件的相關(guān)功能建立逆行拉力螺釘(A)、重建鋼板(B)、未跨過恥骨聯(lián)合皮下鋼板聯(lián)合鎖定螺釘(C)和跨過恥骨聯(lián)合皮下鋼板聯(lián)合鎖定螺釘(D)固定髖臼前柱低位

6、骨折模型及逆行拉力螺釘(E)、重建鋼板(F)固定前柱高位骨折模型，再將模型依次導(dǎo)入Ansys軟件中建立三維有限元模型，并模擬站位和坐位，以相同的加載約束方式對骨折固定模型進(jìn)行模擬生物力學(xué)有限元分析。
　　結(jié)果:
　　在站、坐位時，髖臼前柱低位骨折線上最大位移及骨折線上各節(jié)點位移均數(shù)均為A(分別為0.514mm、0.634mm和0.432±0.092mm、0.473±0.108mm)較大，D（分別為0.507mm、0.629m

7、m和0.429±0.084mm、0.464±0.109mm）最小。髖臼前柱高位骨折則表現(xiàn)為F最小。
　　結(jié)論:跨恥骨聯(lián)合經(jīng)皮下鋼板聯(lián)合鎖定螺釘固定髖臼前柱低位骨折的穩(wěn)定性最佳，重建板固定前柱高位較拉力螺釘有較好的力學(xué)穩(wěn)定性。
　　第三部分 髖臼后柱骨折三種內(nèi)固定方式的建模及穩(wěn)定性比較
　　目的:
　　評估長重建板和逆行經(jīng)皮拉力螺釘內(nèi)固定治療髖臼后柱骨折的模擬生物力學(xué)穩(wěn)定性。
　　方法:
　　將驗證有效

8、的骨盆模型導(dǎo)入Solidworks軟件中，利用軟件的相關(guān)功能建立逆行經(jīng)坐骨小切跡拉力螺釘(A)、逆行經(jīng)坐骨結(jié)節(jié)拉力螺釘(B)及長重建板(C)固定髖臼后柱骨折模型，再將模型依次導(dǎo)入Ansys軟件中建立三維有限元模型，并模擬站位和坐位，以相同的加載方式對兩種模型進(jìn)行模擬生物力學(xué)有限元分析。
　　結(jié)果:
　　在站、坐位時，髖臼后柱骨折線處最大位移:A分別為0.431 mm、0.339mm;B分別為0.447mm、0.339 mm;

9、C分別為0.437mm、0.293mm;骨折線上各節(jié)點位移均數(shù):A分別為0.393±0.043mm、0.321±0.018mm;B分別為0.408±0.045 mm、0.319±0.017 mm;C分別為0.395±0.045 mm、0.275±0.015mm。站位時A最小，坐位時C最小。
　　結(jié)論:站位時，經(jīng)坐骨小跡切固定穩(wěn)定性較好;坐位時，長重建板固定髖臼后柱骨折的力學(xué)穩(wěn)定性較好。
　　第四部分 髖臼T形骨折四種內(nèi)固定方

10、式的建模及穩(wěn)定性比較
　　目的:
　　評估四種內(nèi)固定方式治療髖臼T形骨折的模擬生物力學(xué)穩(wěn)定性。
　　方法:
　　將驗證有效的骨盆模型導(dǎo)入Solidworks軟件中，利用軟件的相關(guān)功能建立雙柱逆行拉力螺釘(A)、前柱板聯(lián)合后柱拉力螺釘(B)、后柱板聯(lián)合前柱拉力螺釘(C)和雙柱板(D)四種內(nèi)固定治療髖臼T形骨折模型，再將模型依次導(dǎo)入Ansys軟件中建立三維有限元模型，并分別模擬站位和坐位，以相同的加載約束方式對四種骨

11、折固定模型進(jìn)行模擬生物力學(xué)有限元分析。
　　結(jié)果:
　　在站、坐位時，髖臼T形骨折前后柱骨折線上最大位移及骨折線上各節(jié)點位移均數(shù)均表現(xiàn)為A＞B＞C＞D，A（站位最大位移:前柱0.516mm、后柱0.504mm;坐位最大位移:前柱0.631mm、后柱0.487mm;站位平均位移:前柱0.507±0.004mm、后柱0.469±0.021mm;坐位平均位移:前柱0.581±0.035mm、后柱0.390±0.051mm)最大，D

12、（站位最大位移:前柱0.0.498mm、后柱0.0.486mm;坐位最大位移:前柱0.523mm、后柱0.0.417mm;站位平均位移:前柱0.490±0.004mm、后柱0.453±0.020mm;坐位平均位移:前柱0.481±0.029mm、后柱0.329±0.047mm)最小，A、B、C、D間差異明顯，坐位時特為明顯。
　　結(jié)論:
　　雙柱重建板固定治療T形髖臼骨折的生物力學(xué)穩(wěn)定性最好，其次為后柱重建板聯(lián)合前柱逆行拉力