肩胛骨解剖鋼板的研制及其有限元力學(xué)分析.pdf

1、背景：
　　肩胛骨骨折是Desault于1805年首先描述的，1937年Findlay報(bào)告37個(gè)肩胛骨骨折的病例,最早描述了肩胛骨骨折的特點(diǎn)。Hardegger1984年指出,肩胛骨骨折占全身骨折的1％,占整個(gè)肩部骨折的5%。肩胛骨骨折通常由高能損傷所致,如車禍傷,高處墜落。以青壯年男性居多,占64%～90%。而低能損傷的肩胛骨骨折,如撕脫骨折及過度使用損傷(疲勞傷)罕見。肩胛骨骨折常為多發(fā)性損傷的一部份,常被忽略或疏漏。隨著社會(huì)

2、發(fā)展、科技進(jìn)步以及交通事業(yè)的發(fā)達(dá),其發(fā)生率逐漸增多。肩胛骨骨折結(jié)合病史、查體及X線或CT檢查一般可明確診斷。
　　肩胛骨骨折的治療方法較多，有非手術(shù)治療和手術(shù)治療兩大塊，各自又包含多種治療手段，既往相關(guān)文獻(xiàn)也報(bào)道較多，但至今尚無結(jié)論性的數(shù)據(jù)說明各種方法的孰優(yōu)孰劣。對(duì)于肩胛骨骨折及治療已積累了一定的研究資料,但臨床上研究資料不多,尚需深入討論。目前主張對(duì)于不同類型的肩胛骨骨折應(yīng)該采取不同的治療方法，盡量做到個(gè)體化。不管是手術(shù)治療還是

3、非手術(shù)治療，其治療目的均為肩關(guān)節(jié)的功能恢復(fù)，防止并發(fā)癥的發(fā)生。而肩胛骨骨折目前手術(shù)治療大多數(shù)集中于肩胛盂、頸部，此部位涉及關(guān)節(jié)面，要求盡量解剖復(fù)位，否則術(shù)后關(guān)節(jié)疼痛、失穩(wěn)、撞擊等并發(fā)癥發(fā)生率較高。而肩胛骨骨折內(nèi)固定裝置種類較多，常用跟骨鋼板、重建鋼板、T、Y型鋼板、吸收釘、空心釘或微形鋼板、錨釘、鋼絲等進(jìn)行固定，其中以重建鋼板應(yīng)用最為廣泛。上述內(nèi)固定材料固定前多要進(jìn)行塑形，操作繁瑣，延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間，塑形后與骨折面亦無法完全貼服，且折彎塑形

4、會(huì)對(duì)材料穩(wěn)固性有一定影響。近年來由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，交通外傷等高能量事故多發(fā)，肩胛骨骨折患者日益增多，且患者對(duì)手術(shù)治療效果要求明顯提高，傳統(tǒng)內(nèi)固定材料由于其局限性已無法滿足其要求。故肩胛骨應(yīng)有其專屬解剖鋼板，避免術(shù)中對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)彎，縮減手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血量。利用解剖型鋼板對(duì)肩胛骨骨折進(jìn)行復(fù)位固定，達(dá)到解剖復(fù)位、堅(jiān)強(qiáng)固定，術(shù)后患者可早期功能鍛煉，減少術(shù)后疼痛、撞擊、失穩(wěn)等并發(fā)癥的發(fā)生。
　　近年來隨著計(jì)算機(jī)圖像處理，數(shù)字化技術(shù)的日

5、益發(fā)展和成熟，三維仿真技術(shù)和有限元分析方法也越來越多的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，這也極大的促進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。尤其像骨科生物力學(xué)的研究，往常多局限于尸體標(biāo)本的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，而三維仿真有限元的出現(xiàn)為生物力學(xué)的研究提供了新方法和新手段，這也讓我們對(duì)以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了新的看法。常見的內(nèi)固定器械、康復(fù)器材等醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)都是以骨骼的應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)進(jìn)行的，而有限元分析技術(shù)的應(yīng)用，為更加精確快速的進(jìn)行人體骨骼三維仿真模擬和數(shù)據(jù)分析計(jì)算、科學(xué)設(shè)計(jì)

6、醫(yī)療器械等提供了有力的工具。
　　本研究就針對(duì)上述臨床問題，根據(jù)肩胛骨解剖形態(tài)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出肩胛骨解剖型鋼板，并結(jié)合三維有限元分析方法，從力學(xué)角度出發(fā)對(duì)自主設(shè)計(jì)之肩胛骨解剖型鋼板和普通重建鋼板在肩胛骨復(fù)雜骨折中應(yīng)用力學(xué)特性進(jìn)行相關(guān)分析對(duì)比，探討其臨床生物力學(xué)意義。
　　目的：
　　1.設(shè)計(jì)肩胛骨解剖型鋼板；
　　2.建立肩胛骨三維有限元模型；
　　3.對(duì)肩胛骨三維有限元模型進(jìn)行不同載荷下力學(xué)分析；
　　4

7、.建立肩胛骨粉碎骨折三維有限元模型，并模擬應(yīng)用肩胛骨解剖鋼板和普通重建鋼板進(jìn)行骨折復(fù)位固定，對(duì)二者生物力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行比較分析。
　　方法：
　　1.根據(jù)實(shí)體肩胛骨標(biāo)本形態(tài)及相關(guān)影像學(xué)測(cè)量，結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)資料，獲得肩胛骨相關(guān)解剖數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出肩胛骨解剖型鋼板。
　　2.利用肩胛骨的二維連續(xù)斷層CT數(shù)據(jù)，通過Mimics10.01軟件，Solidworks2010軟件構(gòu)建肩胛骨的三維有限元模型，并分析單純肩胛骨的應(yīng)力和應(yīng)變分布

8、情況。并根據(jù)以往文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果和臨床觀察現(xiàn)象對(duì)模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證。
　　3.對(duì)6名健康成年志愿者的肩胛骨進(jìn)行螺旋CT掃描，并通過相關(guān)建模軟件構(gòu)建肩胛骨粉碎骨折以重建鋼板固定和肩胛骨解剖型鋼板固定的三維有限元模型，模擬側(cè)方、垂直、前后方向外力載荷打擊三種工況，評(píng)價(jià)各種工況下鋼板的最大等效應(yīng)力、骨折塊的最大綜合位移。
　　4.在前述模型的基礎(chǔ)上，對(duì)兩種內(nèi)固定的最大等效應(yīng)力、骨折塊的最大綜合位移進(jìn)行評(píng)價(jià)，探討新型肩胛骨解剖型鋼板設(shè)計(jì)

9、的合理性和實(shí)際運(yùn)用的可行性。
　　結(jié)果：
　　1.成功設(shè)計(jì)出肩胛骨解剖型鋼板，并已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利。
　　2.我們構(gòu)建的肩胛骨三維有限元模型經(jīng)過與傳統(tǒng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及臨床觀察現(xiàn)象相比較，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，證實(shí)是有效的、合理的。
　　3.構(gòu)建解剖鋼板及普通重建鋼板固定肩胛骨骨折的模型，并進(jìn)行側(cè)方、垂直、前后方向三種不同載荷下的有限元力學(xué)對(duì)比。(1)應(yīng)力情況：兩組鋼板固定都可出現(xiàn)一定的內(nèi)固定應(yīng)力集中，在側(cè)方應(yīng)力和垂

10、直應(yīng)力載荷工況下，解剖鋼板組在鋼板和骨折端最大應(yīng)力表現(xiàn)方面均優(yōu)于普通重建鋼板；前后載荷工況下解剖鋼板組和重建鋼板組在鋼板和骨折端最大應(yīng)力分布的表現(xiàn)無明顯差異。(2)位移情況：三種應(yīng)力載荷工況下，解剖鋼板組在鋼板和骨折端最大位移表現(xiàn)方面均優(yōu)于普通重建鋼板。
　　4.對(duì)比兩組有限元分析數(shù)據(jù)，解剖鋼板相對(duì)普通重建板在固定復(fù)雜肩胛骨骨折時(shí)更加穩(wěn)定、牢固，能提供更加有利于骨折愈合的生物力學(xué)環(huán)境。
　　結(jié)論：
　　本實(shí)驗(yàn)成功地設(shè)計(jì)

11、出肩胛骨解剖型鋼板，并構(gòu)建了一個(gè)能真實(shí)反應(yīng)肩胛骨幾何外形又可模擬肩胛骨生物力學(xué)特性的三維有限元模型，較傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法具有可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)。
　　本研究采用三維有限元方法分析了普通重建鋼板固定和肩胛骨解剖型鋼板固定治療肩胛骨骨折的生物力學(xué)特性，在模擬兩種不同內(nèi)固定器械固定肩胛骨粉碎骨折模型的力學(xué)試驗(yàn)中，對(duì)于肩胛骨解剖型鋼板所構(gòu)成的內(nèi)固定系統(tǒng)，其在各種外力打擊模擬工況下，其內(nèi)固定應(yīng)力，骨折位移等分析結(jié)果均要優(yōu)于普通重建鋼板固定。以

12、上實(shí)驗(yàn)說明肩胛骨解剖型鋼板所構(gòu)成的內(nèi)固定系統(tǒng)，其穩(wěn)定型較強(qiáng)，適宜用于肩胛骨粉碎骨折，其優(yōu)良的抗壓縮、抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)性能，能夠確保為肩胛骨粉碎骨折提供一個(gè)良好的力學(xué)環(huán)境，使骨折部位的應(yīng)力得到控制，能夠在有效地恢復(fù)、維持粉碎骨折端的對(duì)位對(duì)線關(guān)系，促進(jìn)骨折端愈合的基礎(chǔ)上，確?；贾軌蛟缙谪?fù)重活動(dòng)，有助于加快患肢功能的恢復(fù)。同時(shí)，肩胛骨解剖型鋼板可滿足肩胛骨盂頸部、外側(cè)緣、岡部多個(gè)部位同時(shí)固定，對(duì)于復(fù)雜骨折患者無需在術(shù)前準(zhǔn)備多種內(nèi)固定器械，亦可