有限元法分析后內(nèi)側骨折對近端股骨的力學影響.pdf

1、研究背景：
　　 粗隆間骨折是常見的髖部骨折,多發(fā)生在有骨質(zhì)疏松癥的老年人當中。老年患者多合并內(nèi)科疾病,保守治療會導致粗隆間骨折后的較多的并發(fā)癥、較高死亡率和生活質(zhì)量的下降。隨著內(nèi)固定技術的發(fā)展,切開復位內(nèi)固定術成為粗隆間骨折患者的首選治療措施。常見的內(nèi)固定裝置有髓外固定和髓內(nèi)固定兩種,前者以釘板結構的動力髖螺釘(DHS)為主,后者則以近端股骨髓內(nèi)釘(PFN)為主。兩種內(nèi)固定方式各有生物力學上的優(yōu)勢,但是臨床實踐發(fā)現(xiàn)DHS仍是一

2、種較為有效和穩(wěn)妥的內(nèi)固定裝置。
　　 由于近端股骨的特殊解剖結構,致使粗隆間骨折的后內(nèi)側骨折塊在術中達到解剖復位較為困難。雖然粗隆間骨折手術的失敗和近端股骨的特殊解剖結構、內(nèi)固定技術,骨折類型與骨折局部的復位程度等因素有關,但是局部解剖復位則是最為主要的影響因素。生物力學發(fā)現(xiàn),后內(nèi)側骨折塊不但影響粗隆間骨折的穩(wěn)定性,同時也影響骨折內(nèi)固定的穩(wěn)定性,所以常出現(xiàn)髖螺釘脫出或者髖內(nèi)翻等情況,導致手術失敗。然而,不同大小的后內(nèi)側骨折對近端

3、股骨的力學影響尚不明確,因而術中對后內(nèi)側骨折塊的固定與否還存在爭議。
　　 隨著醫(yī)學成像、三維重建軟件以及有限元技術在醫(yī)學生物力學中應用和發(fā)展,使得建立三維有限元模型更為方便和精確。利用CT圖像重建三維模型是目前較為常用的有限元建模方法,精確度高,能夠較好的再現(xiàn)掃描組織的結構,達到良好的幾何相似性和力學相似性。數(shù)據(jù)圖形圖像還可提供骨的幾何輪廓和骨組織的密度等數(shù)據(jù),為賦值骨的材料屬性提供可能性。Mimics軟件能將各種掃描的數(shù)據(jù)和

4、圖像進行轉換并能夠?qū)D像進行分割,建立三維模型并編輯,且能夠?qū)θS圖形作模擬操作,可用于建立多種不同需求的三維模型,其材料賦值功能使之能夠更好的體現(xiàn)三維模型的本質(zhì)屬性。有限元用于不規(guī)則幾何體和具有復雜邊界條件的生物結構的力學分析,已成為研究骨的生物力學的重要工具。有限元模型最大的優(yōu)勢在于可以反映實體內(nèi)部的應力變化情況,這是經(jīng)典的尸體生物力學實驗難以做到的。有限元分析方法也在不斷的進步,分析的材料逐漸從線性材料進入非線性材料,從靜態(tài)過程進

5、入動態(tài)過程。通過與三維重建和三維設計軟件的有效結合,使有限元模型能夠更加真實的模擬骨骼、韌帶和肌肉等組織,并賦予其生物力學材料特性,使分析結果更加接近于尸體實驗。
　　 目的：
　　 通過獲取正常成人的近端股骨CT影像數(shù)據(jù),在Mimics軟件中重建完整近端股骨三維模型并提高模型的精確性。在建立完整股骨模型的基礎上,通過截骨制造后內(nèi)側骨折缺損的三維模型,利用Ansys軟件對模型作有限元分析,從而研究不同步態(tài)時,不同大小的后

6、內(nèi)側骨折缺損后近端股骨的應力大小和分布變化,為復位近端股骨以及術后功能鍛煉提供指導。
　　 方法
　　 1.受試對象及圖像數(shù)據(jù)采集
　　 選取8名志愿者,男女各4例,經(jīng)X線檢查排除髖關節(jié)損傷或者疾病。對志愿者的雙側髖關節(jié)做螺旋CT掃描,掃描層厚0.625mm,獲得近端股骨的斷層圖像并保存近CT數(shù)據(jù),隨機采用一側近端股骨作為樣本。
　　 2.三維有限元模型的建立
　　 將CT掃描數(shù)據(jù)導入Mimics

7、 13.0軟件進行圖像分割,設定閾值,然后進行區(qū)域增長和形態(tài)學等操作,重建近端股骨的骨性面,再分別對完整的近端股骨進行截骨,構建單獨小粗隆、小粗隆合并股骨1/2內(nèi)側皮質(zhì)、以及小粗隆合并完全內(nèi)側皮質(zhì)骨折模型。對所有模型進行三角片劃分,減少三角片數(shù)量并提高三角片質(zhì)量操作,在Ansys軟件中進行四面體網(wǎng)格劃分后,再利用Mimics軟件進行適當?shù)牟牧腺x值,提高模型的精確性。最后將所有模型導入有限元分析軟件Ansys10.0中。
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8、.有限元分析的邊界條件及數(shù)據(jù)提取
　　 在Ansys軟件中對所有模型進行靜力分析。模擬人體雙足靜止站立和緩慢行走兩種步態(tài),在股骨頭上方分別施加大小為1/2體重和2.5倍體重、重力方向的壓力,完全約束股骨遠端。獲取各模型的應力分布云圖,通過分析應力分布,提取所有完整及后內(nèi)側骨折模型的股骨頸上方、下方、股骨內(nèi)側和外側皮質(zhì)的最大等效應力值(Von Mises Stress)。
　　 4.統(tǒng)計方法
　　 利用統(tǒng)計分析軟件

9、SPSS 13.0分別將骨折模型與完整股骨的各個部位的等效應力作重復測量設計資料的方差分析,并分析骨折缺損程度與主要應力分布部位的交互作用,檢驗標準P<0.05表示差異有統(tǒng)計學意義。
　　 結果
　　 1.利用Mimics和Ansys軟件建立了完整和后內(nèi)側骨折的近端股骨三維有限元模型。建成后模型的節(jié)點數(shù)在319448～453236個之間(平均380416個),單元數(shù)在211034～303860個之間(平均252537個)

10、。
　　 2.在重力方向的載荷下,完整股骨的股骨頸上方、下方、內(nèi)外側皮質(zhì)處的應力較大,而股骨前、后側皮質(zhì)與股骨頭應力較低,最大應力出現(xiàn)在小粗隆以下的股骨干處；最大等效應力由高到低依次為內(nèi)側皮質(zhì)、股骨頸下方、股骨頸上方和外側皮質(zhì),而后兩者較為接近,結果貼近實際,與既往的有限元模型實驗結果相一致。
　　 3.后內(nèi)側皮質(zhì)對分散和傳導應力有重要作用。后內(nèi)側骨折后,股骨最大應力由股骨遠端轉移到骨折缺損的前內(nèi)側,而且骨折局部出現(xiàn)明顯

11、的應力集中。雙足靜止站立時,單獨小粗隆骨折后,股骨頸上下、內(nèi)外側皮質(zhì)應力無明顯變化；骨折累及1/2內(nèi)側皮質(zhì)后,內(nèi)側皮質(zhì)最大等效應力顯著升高約47％,外側皮質(zhì)應力升高約12％；內(nèi)側皮質(zhì)完全累及時,內(nèi)側皮質(zhì)應力升高約247％,外側升高約66％。緩慢行走時,單獨小粗隆骨折后,股骨頸上下以及內(nèi)外側皮質(zhì)應力大小無明顯變化；當累及1/2內(nèi)側皮質(zhì)時,內(nèi)側皮質(zhì)應力顯著升高約57％,而外側皮質(zhì)張力升高約23％,股骨頸上下方應力變化無統(tǒng)計學差異。當內(nèi)側皮質(zhì)

12、完全累及時,股骨頸上下方應力分別升高約49％和45％,而骨折處前內(nèi)側皮質(zhì)的交界處應力升高約223％,外側皮質(zhì)應力升高約75％,差異均有統(tǒng)計學意義。
　　 結論
　　 1.本課題通過目前較為成熟的三維軟件成像技術,利用正常受試者的CT掃描圖像重建近端股骨三維有限元模型,形態(tài)逼真,幾何相似性好,力學仿真度高,可重復性使用,模型準確有效。通過對劃分的網(wǎng)格進行質(zhì)量和數(shù)量控制,利用材料賦值的方法,大致體現(xiàn)出了近端股骨的骨小梁和股骨

13、矩,且對骨骼分配的材料與近端股骨的屬性近似,從而提高了模型的精確性。本研究又利用了三維重建軟件的模擬截骨功能,將完整的近端股骨三維有限元模型,根據(jù)實驗需求建立了不同程度的后內(nèi)側骨折缺損模型,建立的新模型與實際相近,能夠滿足實驗要求。有限元分析后輸出的應力云圖直觀明了,便于觀察應力變化。
　　 2.后內(nèi)側骨折改變了近端股骨的應力大小和分布。股骨的最大應力的位置從股骨干處轉移至近端股骨骨折缺損的前內(nèi)側皮質(zhì)處,造成骨折局部應力集中。當

14、內(nèi)側皮質(zhì)完全缺損時,應力則主要通過殘余的皮質(zhì)傳導,且有向前方皮質(zhì)擴散的趨勢。單獨小粗隆缺損對內(nèi)外側皮質(zhì)的應力沒有明顯影響,而累及內(nèi)側皮質(zhì)時,對張力側和壓力側的影響開始增大。殘余的內(nèi)側皮質(zhì)承擔壓力隨骨折塊增大而增大,連續(xù)的內(nèi)側皮質(zhì)有利于分散應力,可降低股骨內(nèi)外側局部應力,內(nèi)側皮質(zhì)累及越少,其應力分散作用越明顯。
　　 3.從力學角度而言,可以認為當單獨小粗隆骨折不予固定是安全的,而累及1/2內(nèi)側皮質(zhì)時,骨折缺損會影響動力髖螺釘外側

15、釘板結構的穩(wěn)定性,且隨股骨壓力增大而影響明顯,最好固定后內(nèi)側皮質(zhì),并且術后功能鍛煉應適當限制負重；而后內(nèi)側皮質(zhì)完全累及時,為了減少外側釘板結構張力,降低局部應力,需要盡量完全或部分恢復后內(nèi)側皮質(zhì)的連續(xù)性,否則術后則應嚴格避免負重。
　　 4.本研究還存在不足之處,有限元分析時施加的應力忽略了髖部肌肉的拉力,只對股骨施加重力方向的壓力,較為簡化；同時假設股骨的力學特性是均質(zhì)、連續(xù)的各向同性材料,與實際情況還有一定差距。有限元法與其