骨盆三維有限元模型的建立及其分析.pdf

1、一、研究目的 骨盆骨折主要由高速交通事故、高處墜落、塌方等工程事故引起是一種嚴(yán)重而且復(fù)雜的高能量損傷類(lèi)型，據(jù)報(bào)道25％～84.5％骨盆骨折為交通事故所致，死亡率約5％～20％，致殘率為50％～60％。骨盆骨折的臨床特點(diǎn)是高能量損傷、復(fù)合損傷，不僅有骨骼的損傷，而且還有合并損傷，包括出血性休克、胸、腹腔臟器損傷、尿道損傷、神經(jīng)損傷及其它危及生命的損傷。但骨盆骨折的傳統(tǒng)治療法及外固定治療的遠(yuǎn)期療效不佳，有報(bào)告認(rèn)為重度骨盆骨折的遠(yuǎn)期并

2、發(fā)癥為57％。隨著對(duì)骨盆解剖及骨盆環(huán)破壞后的病理機(jī)制認(rèn)識(shí)水平的不斷提高，目前多數(shù)學(xué)者均主張通過(guò)切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定治療重度骨盆骨折。 為此，本實(shí)驗(yàn)旨在回顧骨盆及其骨盆諸塊骨之間的主要韌帶結(jié)構(gòu)、周?chē)匾苌窠?jīng)等結(jié)構(gòu)以及與骨盆骨折類(lèi)型之間的關(guān)系(綜述1)基礎(chǔ)上，嘗試通過(guò)建立精確的骨盆正常與骨折脫位的三維圖像；繼之依據(jù)該三維圖像采用數(shù)個(gè)專(zhuān)業(yè)軟件建立骨盆的三維有限元模型，并對(duì)其可靠性進(jìn)行分析與驗(yàn)證；最終結(jié)合臨床上Tile C型骨折骶髂關(guān)節(jié)脫

3、位的前路鋼板螺釘內(nèi)固定以及后路骶髂關(guān)節(jié)拉力螺釘內(nèi)固定兩種治療方法進(jìn)行有限元分析模擬，分析其生物力學(xué)穩(wěn)定性，比較其固定的生物力學(xué)強(qiáng)度，并對(duì)該研究方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而探討出一種高效、簡(jiǎn)便、價(jià)低、環(huán)保、質(zhì)優(yōu)的研究手段，豐富骨盆臨床與基礎(chǔ)研究的實(shí)驗(yàn)方法，從而有助于促進(jìn)臨床上骨盆治療效果的提高。 二、材料與方法 1．回顧骨盆及其骨盆諸塊骨之間的主要韌帶結(jié)構(gòu)(骶棘韌帶、骶結(jié)節(jié)韌帶、骶髂前韌帶、骶髂后韌帶、骶髂骨間韌帶、骶髂關(guān)節(jié)軟骨、恥

4、骨聯(lián)合)、周?chē)匾苌窠?jīng)等結(jié)構(gòu)以及與骨盆骨折類(lèi)型之間的關(guān)系，以及與兩種內(nèi)固定有關(guān)的臨床解剖(綜述1)。 2．選擇一例正常志愿者進(jìn)行多排螺旋CT掃描。掃描平面：第四腰椎下緣至骨盆出口平面(坐骨結(jié)節(jié)下緣)，掃描層厚：0.625mm；存貯圖像格式：DICOM格式。獲得DICOM格式的二維圖像數(shù)據(jù)，二維斷層CT圖像共410層，將其導(dǎo)入到三維重建軟件Mimics中，采用Mimics三維重建軟件重建骨盆的三維圖像，然后利用Freeform

5、自由造型系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)之進(jìn)行修飾鋪面，面網(wǎng)格劃分等處理，結(jié)果以IGES文件格式保存，建立起骨盆的三維實(shí)體模型。 3．將上述所保存的IGES格式文件導(dǎo)入到大型通用的三維有限元分析軟件ANSYS中，利用其強(qiáng)大的前處理功能模塊添加骨盆韌帶等附屬結(jié)構(gòu)，構(gòu)建正常骨盆的三維有限元實(shí)體模型，并對(duì)其有效性進(jìn)行驗(yàn)證；證實(shí)其有效后方能用于下一步計(jì)算。 4．在上一步的基礎(chǔ)上，添加兩塊重建鋼板和6枚小螺釘(釘板系統(tǒng))用以模擬仿真骶髂關(guān)節(jié)脫位的前

6、路鋼板內(nèi)固定，之后添加兩枚骶髂關(guān)節(jié)松質(zhì)骨拉力螺釘用以模擬仿真骶髂關(guān)節(jié)松質(zhì)骨拉力螺釘內(nèi)固定，構(gòu)建骨盆骨折脫位的三維有限元實(shí)體模型，模擬臨床骶髂關(guān)節(jié)脫位前路重建鋼板以及骶髂關(guān)節(jié)拉力螺釘兩種內(nèi)固定方式，定義材料屬性，利用ANSYS的Mesh tool工具的自適應(yīng)模格劃分功能，控制好各部位網(wǎng)格劃分密度后，對(duì)模型各部分進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分。之后，施加垂直載荷于第一骶骨體部的上終板，約束雙側(cè)髖臼緣，進(jìn)行非線性應(yīng)力分析求解。完成之后進(jìn)行模擬仿真、應(yīng)力等分

7、析求解過(guò)程，求解結(jié)束之后采用該有限元分析軟件的后處理功能，得出應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D等結(jié)果，結(jié)合臨床進(jìn)行結(jié)果分析。 三、結(jié)果 1．骨盆環(huán)的穩(wěn)定性主要取決于韌帶結(jié)構(gòu)的完整程度，主要是后方韌帶結(jié)構(gòu)；骨盆創(chuàng)傷可以有幾種不同的方式，每種方式都有特定的韌帶損傷。S<,1>椎體及其周?chē)匾M織的臨床應(yīng)用解剖有助于指導(dǎo)臨床骶髂關(guān)節(jié)脫位的手術(shù)治療。 2．MSCT掃描，獲得了一套高精度DICOM數(shù)據(jù)資料；采用醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件直接進(jìn)

8、行三維重建；利用Freeform對(duì)圖像進(jìn)行修飾、光滑、除去噪聲等處理，并鋪面，得到CAD實(shí)體模型。 3．將實(shí)體模型導(dǎo)入有限元分析軟件，劃分網(wǎng)格、單元，建立了高精度的骨盆三維有限元模型。建立的完整骨盆三維有限元模型共有266,826節(jié)點(diǎn)，170,456個(gè)單元。其中皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、恥骨聯(lián)合、關(guān)節(jié)軟骨以及內(nèi)固定材料均為solid32單元，全部韌帶為link單元。 4．通過(guò)施加載荷進(jìn)行正常骨盆的有限元分析，結(jié)果表明：骨盆穩(wěn)定，韌

9、帶結(jié)構(gòu)添加合理，僅于坐骨大切跡部位存在應(yīng)力相對(duì)集中現(xiàn)象，結(jié)果貼近實(shí)際，與其他材料的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。 5．對(duì)骶髂關(guān)節(jié)脫位的兩種內(nèi)固定手術(shù)方法進(jìn)行了模擬仿真和應(yīng)力分析。從應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D結(jié)果中可以看出：在前路鋼板固定工況模擬時(shí)，施加載荷后最大應(yīng)力值為0.525E+09Pa，位于釘板結(jié)合部位，骶骨相對(duì)于髖骨的移位方向?yàn)橄蛳?、向前和向右，總位移?.294E-03m；而采用骶髂關(guān)節(jié)松質(zhì)骨拉力螺釘固定時(shí)，施加載荷后最大應(yīng)力值為0.3

10、21E+08Pa，位于骶髂關(guān)節(jié)拉力螺釘與髂骨的結(jié)合部，骶骨相對(duì)于髖骨的移位方向?yàn)橄蛳隆⑾蚯昂拖蛴?，總位移?.838E-04m。 對(duì)內(nèi)固定自身的應(yīng)力分布云圖分析，釘板系統(tǒng)內(nèi)固定自身的應(yīng)力集中于螺釘與重建鋼板的結(jié)合部。對(duì)于重建鋼板而言，、應(yīng)力相對(duì)集中于鋼板的內(nèi)側(cè)骶骨端，外側(cè)髂骨端應(yīng)力分布較小；對(duì)于2塊重建鋼板上的6枚螺釘而言，內(nèi)側(cè)的4枚螺釘應(yīng)力分布較集中，高于外側(cè)髂骨端的2枚螺釘。6枚螺釘?shù)尼敿鈶?yīng)力分布均小于螺釘與鋼板的結(jié)合部，因

11、此，在達(dá)到一定的屈服載荷作用下，首先在結(jié)合部有可能發(fā)生斷釘?shù)目赡堋６捎明诀年P(guān)節(jié)拉力螺釘內(nèi)固定時(shí)，對(duì)于2枚拉力螺釘自身而言，Von Miles應(yīng)力集中分布于骶髂關(guān)節(jié)拉力螺釘與髂骨的結(jié)合部，均高于釘帽和釘尖部位，因此，在達(dá)到一定的屈服載荷作用下，有可能在該部位發(fā)生斷釘現(xiàn)象。兩者相比較而言，采用骶髂關(guān)節(jié)拉力螺釘內(nèi)固定相對(duì)于前路鋼板內(nèi)固定移位的總位移小，應(yīng)力分布均勻，無(wú)明顯的應(yīng)力高度集中現(xiàn)象，固定強(qiáng)度更大，固定后的骨盆更穩(wěn)定，結(jié)果與國(guó)外學(xué)者的

12、實(shí)驗(yàn)也一致。 四、結(jié)論 1．骨盆環(huán)的穩(wěn)定性主要取決于韌帶結(jié)構(gòu)的完整程度，主要是后方韌帶復(fù)合體結(jié)構(gòu)；骨盆創(chuàng)傷可以有幾種不同的方式，每種方式都有特定的韌帶損傷。 2．采用16排CT對(duì)志愿者進(jìn)行薄層螺旋CT掃描→獲得高精度的DICOM數(shù)據(jù)→Mimics軟件快速重建骨盆的三維圖像→Freeform軟件處理后獲得高質(zhì)量的骨盆三維實(shí)體模型這一方法，具有方便、快捷、高效、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。 3．骨盆骶髂關(guān)節(jié)脫位的兩種內(nèi)固定療

13、效模擬仿真、有限元分析結(jié)果表明采用骶髂關(guān)節(jié)拉力螺釘內(nèi)固定相對(duì)于前路鋼板內(nèi)固定移位的總位移小，應(yīng)力分布均勻，無(wú)明顯的應(yīng)力高度集中現(xiàn)象，骶髂關(guān)節(jié)拉力螺釘固定強(qiáng)度更高，固定后的骨盆更穩(wěn)定，效果更佳，與他人標(biāo)本生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。 4．有限元法應(yīng)用于骨盆生物力學(xué)研究中，具有潔凈環(huán)保、節(jié)約成本、省時(shí)高效、高度模擬、重復(fù)性好、與客觀實(shí)驗(yàn)相輔相成等優(yōu)點(diǎn)。 5．利用本研究所建立的骨盆三維有限元模型，可按照需要進(jìn)行后期繼續(xù)開(kāi)發(fā)拓展，比