基于有限元方法分析股骨颈短缩对股骨近端生物力学的影响

摘要

目的：（1）运用三维重建软件建立不同股骨颈短缩程度的股骨近端模型，并通过有限元方法分析不同股骨颈短缩模型的生物力学变化；同时将股骨近端模型进行实体3D打印并进行力学破坏载荷试验，验证有限元分方法及结果的可靠性。（2）通过对正常成年男性的双侧股骨近端进行有限元分析，证明正常人左右两侧股骨近端生物力学无差异。（3）利用有限元方法评价股骨颈骨折内固定术后股骨颈短缩对股骨近端生物力学性能的影响。
　　方法：（1）收集1例正常成年男性股骨近端CT扫描数据。运用三维重建Mimics及相关模块功能模拟建立无短缩组、短缩4mm组、短缩8mm组、短缩12mm组及短缩16mm组，每组5个共计25个股骨近端模型。利用有限元前处理软件Simpleware对刚获取的模型进行网格划分及材料属性赋值，然后导入有限元分析软件Abaqus进行力学分析，得到不同股骨颈短缩模型的最大应力、冠状面最大位移、应力集中区域单元数占整体模型的比例以及平均弹性模量。（2）收集7例正常成年男性的髋部CT扫描数据，实验方法同上，获取两侧股骨近端的最大及最小应力、最大及最小应变、冠状面最大位移和平均弹性模量，采用配对样本T检验左右侧实验结果是否存在差异。（3）选取2012年1月至2014年1月期间在天津市天津医院行空心螺钉内固定治疗的股骨颈骨折患者90例，按上述实验方法得到健侧与患侧的股骨近端有限元结果。通过分析比较性别、年龄、损伤侧别及Garden分型等因素对股骨颈骨折内固定术后发生股骨颈短缩的影响作用。同时对比分析健侧和患侧的最大应力、最大应变、冠状面最大位移及平均弹性模量。
　　结果：（1）原始长度模型组最大应力值为（33.53±1.19）MPa，与短缩4mm、8mm和12mm组相比均有统计学差异（P＜0.05）。原始长度模型组最大冠状面位移为（0.93±0.07）mm，与其他各组相比差异有统计学意义（P＜0.05）。原始长度模型组应力集中区域单元数占整个股骨近端模型比例为（0.52±0.02），与短缩4mm、8mm、12mm和16mm组相比均有显著下降（P＜0.05）。原始长度组应力集中区域的平均弹性模量为（777.86±16.70）MPa，并随着短缩程度的加重逐渐增加，差异有统计学意义（P＜0.05）。（2）7例健康成年男性左右两侧股骨颈长度差异无统计学意义（P＞0.05）；左右两侧最大微应变、最小微应变差异均无统计学意义（P＞0.05）；左右两侧最大应力值、最小应力值差异均无统计学意义（P＞0.05）；左右两侧冠状面最大位移差异无统计学意义（P＞0.05）；左右两侧平均弹性模量差异无统计学意义（P＞0.05）。（3）90例股骨颈骨折患者中男性44例，女性46例；年龄18~82岁，平均（51.8±12.4）岁；右侧38例，左侧52例；GardenⅠ型21例，GardenⅡ型7例，GardenⅢ型29例，GardenⅣ型33例。以短缩＞2mm和短缩＜2mm分组进行分析发现两组在性别、损伤侧别和Garden分型无显著差异（P＞0.05），而在年龄上差异有统计学意义（P＜0.05）。随着股骨颈短缩程度的加重，患侧股骨近端最大应力值较健侧升高，两者差异有统计学意义（P＜0.05）；患侧最大微应变比健侧大，两者差异有统计学意义（P＜0.05）；患侧冠状面最大位移较健侧下降，两者差异有统计学意义（P＜0.05）；患侧平均弹性模量与健侧相比有所升高，但两者差异无统计学意义（P＞0.05）。
　　结论：（1）随着股骨颈长度减少，股骨近端的力学性能明显改变。3D打印模型的实体力学测试结果证实有限元分析方法的可靠性。（2）股骨颈骨折内固定术后发生股骨颈短缩与年龄相关，并且随着短缩程度的加重，股骨近端的正常应力承载结构明显改变，对髋关节的活动功能产生不良影响，不利于患者的远期功能恢复和生活质量。

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缩略语/符号说明

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前言

研究现状、成果

研究内容、方法

第一章 有限元分析同一股骨近端模拟不同股骨颈短缩程度的生物力学研究

1.1 研究资料及软件

1.2 实验方法

1.3 统计学方法

1.4 结果

1.5 讨论

1.6 小结

第二章 股骨颈骨折内固定术后发生股骨颈短缩股骨近端的生物力学变化研究

2.1 资料与方法

2.2 数据分析和统计学方法

2.3 结果

2.4 讨论

2.5 小结

结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

综述：股骨颈骨折的研究进展

1. 前言

2. 股骨近端的解剖特点

3. 受伤机制

4. 股骨颈骨折分型

5. 手术时机的选择

6. 手术方式的选择

7. 内固定的选择

8. 相关并发症

9. 展望

综述参考文献

致谢

个人简历