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动静态下锁定钢板固定胫骨不同类型骨折的有限元分析

作　者: 李赟罡
导　师: 李贵涛
学　校: 南方医科大学
专　业: 骨科学
关键词: 胫骨锁定加压钢板运动步态有限元分析网格划分生物力学
分类号: R687.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

研究背景伴随着20世纪90年代初生物学内固定学派的兴起,多种创新性的骨折内固定技术与器材相继被研发和推广应用。锁定加压钢板正是其中之一,它是在集中众多常规内固定钢板的基础上于2001年研发出来的一种全新的内固定接骨板系统,被认为是进行骨折生物学内固定较为理想的固定材料,近几年来被广泛应用于经皮微创接骨,以内固定支架的形式治疗四肢长骨干骨折。目前,大多数国内外学者对锁定加压钢板治疗四肢骨折的研究集中在临床应用及临床疗效的回顾性研究,也有不少学者将其与髓内钉、解剖加压钢板等进行临床比较性研究,还有少数学者在动物及人体尸体标本上进行生物力学检测。尽管锁定加压钢板在国内外临床得到广泛的应用,而且对于钢板自身的力学特性研究也已经相当清楚,但锁定加压钢板应用到人体骨折后的生物力学研究尚有不足,缺乏对临床应用有指导意义的生物力学分析结果。三维有限元分析方法是近些年来广泛应用于工业研究领域的一种工具和科学研究手段,近年来,也有众多国内外学者将其引用到医学领域,取得了不错的研究成果。在医学研究领域,借助于有限元模型人们可以更好地研究人体的生物力学特点。人体是一个非常复杂的结构,有限元软件特有的建模功能,可以建立人体三维结构模型,同时将借助于材料力学方法测量获得的材料生物力学特性赋与此三维结构模型,在计算机中创建出虚拟的三维实验标本,然后对该实验模型进行几何约束、固定载荷、冲击载荷、温度特性等实验条件仿真,模拟弯曲、扭转、拉伸、抗疲劳、三点弯等力学实验条件,通过求解可以获得该虚拟对象与实验标本类似的生物力学指标,例如研究对象的刚度、任意部位的结构变形、应力／应变分布、内部能量变化、极限破坏等情况；与传统实验方法相比,有限元研究具有无可比拟的优势,它可以根据前期实验设计需要仿制出无数个实验标本,每一个实验标本在计算机中可进行无数次组合或者拆分而不会被损坏；虚拟人体实验标本既可以提供传统实验无法获得的正常人体生理信息,例如膝关节中各关节面的应力分布,同时也可以进行修正来模拟任何病理状态。正是基于以上众多好处,近些年来有限元分析方法逐渐受到了医学界的重视,尤其是得到了骨科临床医师的青睐,并将三维有限元分析方法广泛应用于人体骨折内固定模型的生物力学分析。众多骨科学界的研究人员先后运用有限元分析方法对之前叙述的各种钢板、髓内钉等骨折内固定器材进行了生物力学特点方面的相关研究。经过阅读文献笔者发现,既往的研究大多局限于静止状态下,而对于运动状态下的骨折模型进行相关有限元分析研究尚未见报道。本课题(广东省医学科研基金(B2010054))正是基于这种现状,结合临床实际工作经验,选取日常最常见的人体骨折类型之一——胫骨干骨折,利用三维重建软件Mimics10.01建立正常成人胫、腓骨以及足踝部的虚拟三维有限元模型,并在有限元分析软件Ansys12.0中进行网格划分,建立锁定加压接骨钢板固定不同类型胫骨干骨折的三维有限元模型。然后对该模型进行负荷加载力学分析,从而得出不同状态下有限元模型中相应的应力数据,探讨不同类型胫骨干骨折在运动步态下的应力分布情况。研究目的1、通过三维有限元分析探讨静止步态下锁定加压钢板固定不同类型胫骨干骨折的生物力学特点。2、通过三维有限元分析来探讨锁定加压钢板固定胫骨干不同类型骨折在不同运动步态时的应力分布情况。材料与方法1、研究对象：选取健康男性志愿者1名,年龄25岁,身高170cm,体质量60kg。志愿者经X射线检查证实右下肢无骨折、畸形、肿瘤等骨质破坏,无右下肢胫骨骨质疏松。志愿者身高和体重符合中国人正常分布区间标准。志愿者对实验验方案知情同意。2、研究材料：锁定加压钢板为钛合金8孔锁定加压钢板,由常州奥斯迈医疗器械有限公司提供。3、研究方法：利用C T扫描获取正常成人胫骨的薄层图像,运用相关软件建立其三维模型。在此模型上模拟出胫骨中段横行、斜行、粉碎性、螺旋形4种骨折模型；分别分为横行、斜行、粉碎性、螺旋形4组,使用锁定加压钢板固定。设定在静态和动态两种情况下,各组分别给予相同的轴向和斜向压缩载荷各600N。通过有限元分析软件Ansys12.0分别测定各组模型在不同状态、不同载荷下的应力分布情况。3.1、数据采集：实验采用广东省第二人民医院Philips64排螺旋CT机。志愿者取仰卧位,自足底至膝关节上方逐层扫描,层厚0.45mm,共获取二维CT图像663层,数据以DICOM格式保存。同样方法获取锁定加压钢板及螺钉的DICOM格式图像。扫描参数：管电压120kV,管电流100mA。3.2、生成胫骨有限元模型：将CT扫描数据导入到Mimics10.01软件(比利时Materialise公司)当中,确定二维空间方位。在CT断层图像中骨骼的阈值在226-2311之间,利用该阈值范围,把骨骼与其他软组织部分区分开来。利用Mimics10.01软件的区域增长功能对图像进行分割、填充,生成胫腓骨的几何模型。将模型数据以STL格式导入到逆向重建软件Geomagic Studio10.0(Raindrop Geomagic公司,美国)中建立几何模型的空间拓扑信息。通过创建关节面特征边界来定义模型边界条件,分割数据构造栅格网,最后完成曲面拟合。将合成的非均匀有理B样条曲线(Non-Uniform Rational B-Splines, NURBS)曲面以Iges格式数据导入逆向工程软件UG(Siemens PLM Software公司,美国)中,通过修改模型参数,分别模拟出胫骨中段横行、斜行、粉碎性、螺旋形四组胫骨干骨折虚拟仿真模型。然后利用逆向工程软件UG的缝合功能将胫骨骨折模型与8孔锁定加压钢板模型进行装配生成3D仿真实体模型。在3D仿真模型中锁定钢板置于胫骨外侧,钢板中央横跨骨折线的2孔螺钉缺如,其余骨折线上下3孔各用3枚锁定螺钉穿双层皮质骨固定于胫骨干。由于螺钉的螺纹对于模型固定并不起到决定作用,因此实验中将螺钉简化为圆柱状,锁定螺钉与钢板之间以节点刚性连接。本文默认所有骨组织及钢板均为均质、各向同性的弹性材料。材料属性参照Miyoshi等的研究,材料参数见表1。最后将生成的胫骨与锁定钢板三维仿真实体模型导入到ANSYS12.0软件(美国Ansys公司)中,对模型进行网格化分,并进行力学加载分析。3.3、负荷加载方式：在计算机中预先设定静止步态和运动步态两种限制条件,分别对装配好的有限元模型进行轴向压缩加载。其中,静止步态下模拟人体站立负重位和迈步倾斜位时胫骨及锁定钢板的受力情况；运动步态下模拟人体在落地相、中立相、离地相3种步态过程中胫骨及锁定钢板的受力情况。其中设定中立相时有限元模型中胫骨与重力垂线成0°角,即垂直于水平面；设定落地相、离地相及迈步倾斜位时有限元模型中胫骨与重力垂线成240角,即倾斜于水平面；将各组模型中的胫骨上端固定,以胫骨平台为中心,加载相同的轴向压缩载荷600N,受力方向通过胫骨干纵轴线。3.4、有限元应力计算：将上述加载负荷输入到ANSYS12.0软件中,对胫骨和锁定钢板仿真模型系统分别进行静止步态和运动步态下的应力分析。得出静止步态下胫骨及钢板在负重站立位及迈步倾斜位的应力分布情况；同样得出运动步态下,胫骨和锁定钢板在落地相、中立相、离地相三种步态时的受力情况；计算机自动进行有限元数据计算,得出应力分析结果。3.5、主要观测指标：静止步态时,主要观测各组骨折模型中胫骨和锁定钢板在负重站立位和迈步倾斜位的各自所受的应力大小,以及所受应力的集中分布区域；运动步态时,主要观察三种不同步态位相下,各组骨折模型中胫、腓骨及锁定加压钢板各自承受的应力大小情况,以及所受应力的集中分布区域3.6、统计学分析：采用统计学软件SPSS15.01(美国SPSS公司)对数据进行方差分析,检验水准a=0.05,当P<0.05时,认为各组间差异有显著性意义。结果本课题实验成功建立了锁定加压钢板固定不同类型胫骨干骨折的三维有限元模型,并对该仿真模型进行了负荷加载,经有限元分析软件计算分析后测得结果如下：钢板的受力情况锁定钢板在胫骨中段横行、斜行、粉碎性骨折三组中受到的应力情况由小到大均为：中立相<落地相<离地相；锁定钢板在胫骨中段螺旋形骨折组中受到的应力情况由小到大为：离地相<中立相<落地相；从各组中的胫骨有限元应力分布云图上可以看出,锁定钢板的应力集中区域位于钢板的中间或边缘,呈现中间集中,两端分散的趋势。胫骨的受力情况轴向压缩载荷条件下,在运动步态中,正常胫骨所受应力以落地相时为最小,离地相次之,在中立相最大。在胫骨中段骨折各组模型中,不同运动步态下,胫骨在各组中所受的应力情况由小到大均为：落地相<中立相<离地相。从胫骨的有限元应力分布云图上可以看出：在骨折线以上胫骨的应力集中区域靠近近端,在骨折线以下应力集中区域靠近骨折线,呈现两端集中,中间分散的状态。在粉碎性骨折组无论胫骨还是锁定钢板的受力均较横行、斜行及螺旋形骨折组差异有显著性意义(P<0.05),且后三组之间差异无显著性意义(P>0.05)。腓骨的受力情况轴向压缩载荷条件下,在运动步态中,正常腓骨所受的应力在离地相最小,中立相次之,在落地相最大。在胫骨中段骨折模型中,腓骨在各组中受到的应力分布情况由小到大均为：离地相<中立相<落地相。结论研究显示胫骨和钢板在不同运动状态下的应力大小和分布范围各不相同,不同组骨折模型之间也存在着差异。1、静止步态下：轴向载荷时胫骨和钢板在各组中的受力大小变化趋势一致；斜向载荷时胫骨和钢板在各组中的受力大小变化趋势相反；不同载荷下,钢板的应力分布呈现分散状态,胫骨的应力分布呈现两端集中,中间分散状态；2、运动步态下：钢板和胫骨均在离地相受力最大,由静到动转变时,胫骨和钢板都呈现受力增大的变化；钢板的应力分布区域呈现中间集中,两端分散的状态；就胫骨整体而言,应力分布区域呈现两端集中,中间分散的状态。

全文目录

摘要  3-9
ABSTRACT  9-17
前言  17-20
第一部分静止步态下锁定钢板固定不同胫骨干骨折的有限元分析  20-33
  引言  20
  1.1 材料和方法  20-27
  1.2 结果  27-29
  1.3 讨论  29-30
  1.4 结论  30-31
  参考文献  31-33
第二部分运动步态下锁定钢板固定不同胫骨干骨折的有限元分析  33-48
  引言  33
  2.1 材料与方法  33-38
  2.2 结果  38-42
  2.3 讨论  42-44
  2.4 结论  44
  参考文献  44-48
全文小结  48-50
综述  50-60
  参考文献  55-60
中英文缩略词对照表(附录)  60-62
攻读学位期间成果  62-63
致谢  63-65

动静态下锁定钢板固定胫骨不同类型骨折的有限元分析

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