大齡兒童DDH髖臼周圍截骨區(qū)域應(yīng)力分布的三維有限元研究.pdf

1、研究背景:
　　發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位(DDH)是兒童骨科最常見的發(fā)育性畸形疾病[1]。對(duì)于保守治療無效者,需進(jìn)行手術(shù)治療以達(dá)到股骨頭與髖臼的同心圓關(guān)系,清楚DDH兒童骨盆生物力學(xué)對(duì)手術(shù)方案的設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)有指導(dǎo)作用。傳統(tǒng)的研究手段多采用臨床觀察或是尸體標(biāo)本進(jìn)行生物力學(xué)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(biāo)本需要較多的標(biāo)本以控制個(gè)體之間的差異,花費(fèi)較大,對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)的要求較高。骨盆解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,形狀不規(guī)則,組成結(jié)構(gòu)十分

2、不均勻,對(duì)骨盆進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變等生物力學(xué)分析難度較高[2],難以運(yùn)用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究手段實(shí)現(xiàn)其應(yīng)力分析。作為新的生物力學(xué)研究手段,三維有限元法與傳統(tǒng)生物力學(xué)研究手段相比具有三個(gè)優(yōu)勢(shì):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(duì)于DDH手術(shù)方案的設(shè)計(jì)及評(píng)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(shù),建立術(shù)后三維數(shù)字化模型及有限元模

3、型。對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行仿真生物力學(xué)分析,指導(dǎo)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(guān)節(jié)脫位CT掃描圖像,通過Mimics11.0軟件對(duì)圖像數(shù)據(jù)建模,使用Geomagic10.0軟件進(jìn)行模型優(yōu)化,在Hepermesh10.0中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,根據(jù)髖關(guān)節(jié)解剖及髖關(guān)節(jié)軟骨、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及韌帶的力學(xué)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(guān)節(jié)脫位特點(diǎn)的髖關(guān)節(jié)模型,應(yīng)用有限

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

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