不同数量和排列方式的空心拉力螺钉治疗股骨颈骨折的有限元分析

摘要

目的：
　　1建立股骨近端的有限元模型。
　　2利用三维绘图软件分别绘制3种不同Pauwels分型的股骨颈骨折模型及4种不同类型的股骨颈内固定模型：分别为“正三角形”排列的三枚空心拉力螺钉模型；“倒三角形”排列的三枚空心拉力螺钉模型；“矩形”排列的四枚空心拉力螺钉模型；“菱形”排列的四枚空心拉力螺钉模型。
　　3利用Ansys软件，比较分析4种不同空心拉力螺钉内固定方式对3种不同Pauwels分型的股骨颈骨折断端及内固定物的应力分布、位移大小。综合评价每种空心拉力螺钉内固定的固定特点。通过比较分析不同内固定方式生物力学的稳定性，为临床的应用提供理论依据及指导性建议。
　　方法：
　　1不同Pauwels分型的股骨颈骨折的有限元模型的构建：通过X线检查排除髋部的骨折、肿瘤及畸形等骨质破坏的存在。采用Somatom
　　Sensatim64排螺旋CT扫描正常人股骨近端，自股骨头上方至小转子下方，扫描方法为电压：120kV,电流200mA,扫描层厚1mm,层间距1mm,将图像存储为DICOM格式，共获得250个DICOM图像数据，并导入个人计算机的Mimics14.0软件中，确定阈值后，构建出正常骨头的三维模型。将以上模型以STL格式导入到自动化逆向工程软件Geomagic Studio12.0中，对模型进行光顺、平滑、裁剪、偏移、布尔减运算等处理，分别得到更为精细的模型文件，从而能够得到更为精细、精确的股骨颈模型文件，结果以Iges格式输出保存。将Geomagic Studio中生成的Iges格式文件导入SolidWorks软件中，进行实体重构，切割骨折线，分别为30°，50°，及70°。从而生成实体模型。
　　2内固定模型的构建：在SolidWorks软件中构建4种不同空心拉力螺钉排列方式的内固定模型，分别为：a：“正三角”形排列的三枚空心拉力螺钉模型；b：“倒三角”形排列的三枚空心拉力螺钉模型；c：矩形排列的四枚空心拉力螺钉模型；d：菱形排列的四枚空心拉力螺钉模型。其中，空心拉力螺钉全长100mm，直径6.5mm，螺纹、中空部分忽略不计。所构建的空心拉力螺钉与股骨相互定位，完成空心钉植入，并应用布尔运算删除空心拉力螺钉处骨骼。生成节点和单元后导入有限元分析软件Ansys(ANSYS公司，美国)进行处理分析。
　　3骨折内固定有限元模型的材料赋值、边界条件及加载：将以上模型导入模拟软件Ansys Workbench中，继而导入Mimics软件中根据灰度赋予不同的材料属性，并重新导入Ansys中施加边界条件和约束，模拟骨头受力情况，忽略关节之间的摩擦力，忽略关节软骨，简化处理肌肉及肌腱的应力作用。并假设骨折面完全断裂并处于完全接触状态，骨折断端接触面的摩擦力为0.2，将股骨近端有限元模型的小转子下缘全部节点的自由度约束为0作为边界条件；远端在x、y、z轴上的位移为0。采用目前常用的简化模型，仅考虑髋臼窝作用于股骨头上的力及大转子邻近的外展肌力（臀中肌与梨状肌）及股外侧肌作为有限元分析的外载荷，给予轴向600N应力，沿轴向向下，平均作用于髋臼和股骨头的接触面，从而模拟受力，进行运算。
　　4评价指标，通过3种指标对4种内固定模型（a~d）的力学性能进行综合分析：㈠内固定物的应力分布及应力峰值；㈡股骨头及内固定的位移和峰值；㈢头侧骨折断端的应力分布及应力峰值。
　　结果：
　　通过获得正常人股骨近端的CT扫描数据，利用Mimics、Geomagic Studio等软件，建立股骨颈骨折的有限元模型，这种方法可行性高，且建模速度快，对人体损伤极小。有限元方法是生物力学研究的一种理论方法。通过赋予其各种组织、结构的材料属性，能够模拟出不同结构的几何模型，并且能很好的反映其生物力学特性。所以，可以成为标本生物力学研究很好的补充。
　　对于不同Pauwels分型，最优的置钉方式是菱形排列的四枚空心拉力螺钉。对于Pauwels I型股骨颈骨折，4种模型的应力峰值分别为：a：46.382 MPa；b：32.159MPa；c：43.985 MPa：d：24.342 MPa。头侧股骨颈骨折断端应力峰值分别为：a：5.840 MPa；b：7.440 MPa：c：3.731 MPa：d：6.311 MPa。股骨头处位移峰值为：a：0.610mm；b：0.608mm；c：0.598mm：d：0.595mm；对于Pauwels II型股骨颈骨折，4种模型的应力峰值分别为：a：46.763 MPa；b：39.979 MPa；c：49.619 MPa：d：25.692 MPa。头侧股骨颈骨折断端应力峰值分别为：a：4.971 MPa；b：7.332 MPa：c：3.161 MPa：d：5.734 MPa。股骨头处位移峰值为：a：0.634mm；b：0.635mm；c：0.622 mm：d：0.631mm；对于Pauwels III型股骨颈骨折，4种模型的应力峰值分别为：a：51.432 MPa；b：39.477 MPa；c：51.515 MPa：d：26.949 MPa。头侧股骨颈骨折断端应力峰值分别为：a：6.163 MPa；b：10.070 MPa：c：5.257 MPa：d：9.552 MPa。股骨头处位移峰值为：a：0.662mm；b：0.654mm；c：0.644 mm：d：0.644mm。
　　结论：
　　通过有限元分析得出：对于不同Pauwels分型的股骨颈骨折，矩形、菱形四枚拉力螺钉固定的骨折在压力作用下产生的移位小于正、倒三角拉力螺钉固定的骨折，可有效稳定骨折断端；相比于正、倒三角及矩形四枚拉力螺钉，菱形四枚拉力螺钉结构具有更大的应力分散作用。既能够达到较为稳定的生物力学稳定性，又能够有效防止股骨颈短缩。

目录

声明

英文缩写

前言

材料与方法

1 材料

2 研究方法

结果

1 内固定物的应力分布及峰值

2 股骨头及内固定的位移和峰值

3 头侧骨折断端的应力分布及应力峰值

附图

附表

讨论

结论

参考文献

综述:空心拉力螺钉治疗股骨颈骨折的进展

致谢

个人简历