大齡兒童DDH髖臼周圍截骨區(qū)域應力分布的三維有限元研究.pdf

1、研究背景:
　　發(fā)育性髖關節(jié)脫位(DDH)是兒童骨科最常見的發(fā)育性畸形疾病[1]。對于保守治療無效者,需進行手術治療以達到股骨頭與髖臼的同心圓關系,清楚DDH兒童骨盆生物力學對手術方案的設計及評價有指導作用。傳統(tǒng)的研究手段多采用臨床觀察或是尸體標本進行生物力學研究,臨床觀察難以控制的因素較多且獲取的資料有限,尸體標本需要較多的標本以控制個體之間的差異,花費較大,對實驗設備和技術的要求較高。骨盆解剖結構復雜,形狀不規(guī)則,組成結構十分

2、不均勻,對骨盆進行應力、應變等生物力學分析難度較高[2],難以運用傳統(tǒng)的實驗研究手段實現(xiàn)其應力分析。作為新的生物力學研究手段,三維有限元法與傳統(tǒng)生物力學研究手段相比具有三個優(yōu)勢:成本低、可比性好、獲取信息全面[3]。因此建立有效的DDH兒童骨盆有限元模型對于DDH手術方案的設計及評估具有重要意義。
　　目的:
　　建立兒童DDH三維數(shù)字化模型,基于兒童DDH三維數(shù)字化模型模擬髖臼周圍截骨手術,建立術后三維數(shù)字化模型及有限元模

3、型。對所建立的有限元模型進行仿真生物力學分析,指導髖臼截骨后合理植骨方案。
　　方法:
　　基于兒童單側(cè)發(fā)育性髖關節(jié)脫位CT掃描圖像,通過Mimics11.0軟件對圖像數(shù)據(jù)建模,使用Geomagic10.0軟件進行模型優(yōu)化,在Hepermesh10.0中進行有限元網(wǎng)格劃分,根據(jù)髖關節(jié)解剖及髖關節(jié)軟骨、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及韌帶的力學材料屬性分別賦予各材料屬性,建立可供Ansys軟件分析兒童發(fā)育性髖關節(jié)脫位特點的髖關節(jié)模型,應用有限

4、元線性面-面接觸分析方法進行有限元分析,通過對脫位側(cè)與正常側(cè)髖關節(jié)術前髖臼區(qū)域力學分析,判斷術前患兒髖臼雙側(cè)受力情況;利用Mimics軟件手術模擬模塊,模擬髖關節(jié)髖臼周圍截骨手術,以CE角的變化設定插入骨塊位置,建立7組不同術后髖關節(jié)模型并進行髖臼區(qū)域力學分析,研究各個三維有限元模型髖臼及周圍區(qū)域應力大小及分布情況,評估出截骨的角度和植骨的位置。
　　結果:
　　建立兒童發(fā)育性髖關節(jié)模型,通過模擬手術建立術后模型并對模型進行

5、有限元分析。單腿站立時,正常側(cè)髖臼應力分布均勻,無應力集中點,脫位側(cè)應力集中在髖臼邊緣和股骨頭與髖臼接觸部分,髖臼邊緣應力高于髖臼中心應力。對比術后模型與術前模型,單腿站立時CE角在24°~33°時髖臼和股骨頭的應力分布接近正常側(cè),應力集中區(qū)域由髖臼邊緣轉(zhuǎn)向中心;雙腿站立時CE角在24°~30°髖臼和股骨頭應力分布接近正常側(cè),CE角為24°時與正常側(cè)最為接近。通過7組術后模型的對比發(fā)現(xiàn),當CE角在24°~30°時,截骨區(qū)植骨后的髖關節(jié)頭