距骨頸骨折內(nèi)固定方法的有限元分析.pdf

1、目的:
　　 1、依據(jù)1名正常男性志愿者踝關(guān)節(jié)中立位下螺旋CT掃描的右側(cè)踝關(guān)節(jié)面上10cm以下的足踩部影像學(xué)資料,探討利用Mimics、ANSYSWorkbench等軟件構(gòu)建出解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)的正常踝關(guān)節(jié)三維有限元模型的方法,并對(duì)其有效性進(jìn)行驗(yàn)證,使其能反映正常足踝部的力學(xué)特性。
　　 2、根據(jù)所構(gòu)建的正常足踝部的三維有限元模型,模擬人體靜態(tài)中立位單足站立負(fù)重狀態(tài)、踝關(guān)節(jié)受到內(nèi)旋力,探討距骨及周圍韌帶在此活動(dòng)方式中的生物力學(xué)

2、反應(yīng),為研究距骨頸骨折的發(fā)生機(jī)制提供理論依據(jù),同時(shí)對(duì)其結(jié)果的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。
　　 3、根據(jù)所構(gòu)建的正常足踝部的三維有限元模型,模擬建立距骨頸骨折的模型,并在距骨頸骨折模型基礎(chǔ)上分別建立前后位和后前位螺釘固定模型,探討不同固定方法在模擬人體中立位單足站立距骨的應(yīng)力、位移分布,為距骨頸骨折的治療提供理論依據(jù)。
　　 方法:
　　 1、數(shù)字化足踝部三維有限元模型的構(gòu)建與驗(yàn)證:采用中國(guó)醫(yī)科大學(xué)影像中心的Brillian

3、ce64排iCT,掃描參數(shù):電壓120KV,電流強(qiáng)度372.5mA,螺距0.297,層厚0.625mm,矩陣512X512,重建層厚0.9mm。對(duì)志愿者右足自踝關(guān)節(jié)上10cm脛腓骨遠(yuǎn)端向下掃描至足底,掃描時(shí)右足保持中立位,以DICOM格式輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)的Mimics10.01軟件,經(jīng)自動(dòng)或手動(dòng)閾值分割后三維重建出完整足踝部的5塊骨骼及18條韌帶(91條線單元),以IGES格式導(dǎo)出韌帶,再以STL格式將骨骼導(dǎo)入Geomagic10.0,生

4、成幾何體及軟骨后,與韌帶一起導(dǎo)入Ansys13.0的Workbench模塊中重建裝配體。建立的模型包含脛骨、腓骨、距骨、跟骨、舟骨及其關(guān)節(jié)軟骨和18條韌帶。參照Anderson等方法,通過(guò)模擬人體單足站立狀態(tài)下的力學(xué)傳遞,對(duì)模型脛骨下端的上截面施加600N垂直壓縮載荷,固定跟骨,約束距骨、脛骨在Y方向的運(yùn)動(dòng),約束舟骨在Y、Z方向的運(yùn)動(dòng)。測(cè)量踝關(guān)節(jié)脛骨下關(guān)節(jié)面的最大接觸壓力、接觸面積,并將結(jié)果與前者進(jìn)行對(duì)照。
　　 2、距骨生物力

5、學(xué)的有限元分析:參照Liacoums和Wayne的方法,通過(guò)模擬人體單足站立狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)受到內(nèi)旋力,對(duì)脛骨下端的上截面施加67N垂直壓縮載荷及2.7N/m的內(nèi)旋載荷,固定跟骨,約束舟骨在Y、Z方向的運(yùn)動(dòng)。測(cè)量距骨的位移、應(yīng)力分布及周圍韌帶的抗阻力。
　　 3、距骨頸骨折的有限元分析:將距骨導(dǎo)入Solidwork2007中,沿距骨溝對(duì)距骨在冠狀面進(jìn)行分割;同時(shí)在Solidwork2007中制作4.Smm螺釘,并在Gcomagic1

6、0.0中調(diào)整螺釘位置,模擬不同的固定方法,將分割體、螺釘導(dǎo)入Workbench中,重建裝配體。參照Anderson等方法,通過(guò)模擬人體單足站立狀態(tài)下的力學(xué)傳遞,對(duì)模型脛骨下端的上截面施加600N垂直載荷,固定跟骨,約束距骨、脛骨在Y方向的運(yùn)動(dòng),約束舟骨在Y、Z方向的運(yùn)動(dòng),測(cè)量采用不同方法固定距骨骨折時(shí)距骨的位移及最大應(yīng)力,并與完整距骨的結(jié)果相比較及相互間比較。
　　 結(jié)果:
　　 1、本研究所構(gòu)建的足踝部三維有限元模型在

7、中立位施加600N垂直壓縮載荷,接觸應(yīng)力主要分布于脛骨下關(guān)節(jié)面的前、外側(cè),最大應(yīng)力處于2.49MPa-3.74MPa之間,在分布區(qū)域和分布趨勢(shì)、數(shù)值大小上基本上與Anderson等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,初步證明本模型是有效的。
　　 2、本研究所構(gòu)建的足踝部三維有限元模型在中立位施加67N垂直壓縮載荷及2.7N/m的內(nèi)旋載荷,距骨的最大位移在其外側(cè),最大值為0.39mm;最大應(yīng)力在距骨頸,最大應(yīng)力值為3.75Mpa;四條踝關(guān)節(jié)周圍主要

8、韌帶抗阻力對(duì)比:下脛腓骨聯(lián)合前韌帶＞跟腓韌帶＞脛跟韌帶＞脛舟韌帶。
　　 3、對(duì)不同方法內(nèi)固定距骨骨折的研究發(fā)現(xiàn):距骨骨折后,距骨的位移減少,其中X軸的位移減少,Y、Z軸的位移增加;距骨的最大應(yīng)力大幅度增加,最大應(yīng)力主要位于螺釘周圍。不同固定方法間的比較結(jié)果為:(1)距骨的位移及X軸的位移:Intact＞P-C＞A-C＞A-E＞P-E＞P-1＞A-1;(2)距骨Y、Z軸的位移:Intact＜P-C＜A-C＜A-E＜P-E＜P-1

9、＜A-1;(3)最大應(yīng)力值:Intact＜＜P-C＜A-C＜A-E＜P-E＜P-1＜A-1。
　　 結(jié)論:
　　 1、本研究利用Mimics、Workbench等軟件依據(jù)螺旋CT掃描的二維圖像構(gòu)建出了解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)的正常人體足踝部三維有限元模型,相對(duì)客觀地反映了足踝部的基本解剖結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性,模型經(jīng)驗(yàn)證有效,并可在模型上模擬足踝部不同受力方式進(jìn)行力學(xué)分析。
　　 2、距骨頸骨折的發(fā)生機(jī)制是距骨頸應(yīng)力集中以及自身的薄