轴向应力促进胫骨骨折外固定术后骨愈合过程的三维有限元仿真研究

摘要

目的:(1)通过三维有限元方法建立胫骨骨折外固定术后仿真模型，对骨痂组织的应力及应变进行动态模拟，（2）分析不同频率与叩击力大小组合的轴向应力促进骨折愈合三维有限元仿真过程，获得最佳理论参数。
　　方法：（1）利用CT扫描健康志愿者胫骨获得薄层扫描图像，将图像数据以DICOM格式转存。通过Mimics软件根据骨组织的CT值设定灰度阈值（226-1852），通过蒙板编辑、区域增长、空腔填充等功能对选择的部位进行分割、填充，生成我们所需的胫骨几何模型，把生成的胫骨模型以STL数据导入CAD模块模拟出胫骨中段间隙为1.5mm的横行骨折，并基于原始数据设计出的简化外固定系统模型。将建立的胫骨骨折模型与外固定系统模型进行装配，并模拟出低弹性模量肉芽组织填塞于骨折断端，生成胫骨骨折外固定术后实体模型，在Mimics软件中运用Remesh模块进行面网格划分、表面优化处理。随后，将所得的结果导入至Abaqus软件中进一步处理，生成胫骨骨折外固定术后的三维有限元体网格实验模型。本研究中皮质骨与外固定架四面体单位元数分别为195525,81502。其肉芽组织单元总数为50491；（2）在Abquas软件中，对各部分属性进行赋值，并约束胫骨近端，于胫骨远端予轴向应力载荷（参数设置频率为0.5Hz、1Hz、1.5Hz、2Hz、3Hz，应力大小为100N、150N、200N、250N、300N，参数两两组合），通过迭代计算的方法，模拟骨痂组织内应力、应变及位移。观察指标：胫骨骨折愈合过程中，模型应力与应变及骨折端位移；骨折愈合仿真所获得的骨痂单元数变化及愈合模式图。
　　结果：（1）建立了胫骨骨折外固定术后骨愈合过程的三维有限元模型，通过有限元分析获得胫骨骨折间隙内骨痂组织的应力、应变及位移云图，并动态模拟了骨折愈合过程；（2）就骨痂细胞转化时间而言，200N、1Hz组合参数分化成熟骨组织时间为7周，时间最短。
　　结论：通过三维有限元分析所获得的200N、1Hz最佳理论参数组合，为临床轴向应力促进胫骨骨折骨愈合提供理论参考。

目录

声明

中英文缩写对照表

前言

1材料和方法

1.1 实验对象

1.2 建模设备

1.3 方法

1.4 观察指标

2 结 果

2.1 有限元模型的应力分布情况

2.2 骨痂组织愈合仿真过程

3 讨 论

3.1 有限元分析模拟骨折愈合

3.2 本研究结果分析

3.3 轴向应力促进骨折愈合

3.4 本研究方法的优缺点

4 结论

参考文献

综述:有限元分析在骨折愈合的应用进展

致谢