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髋臼三维记忆内固定系统治疗髋臼骨折记忆生物力学研究——骨盆、髋臼三维模型仿真、力学模拟与有限元分析

苏佳灿  
【摘要】:骨盆、髋臼骨折属于高能量损伤,致残率和死亡率都非常高。作为关节内骨折,髋臼骨折的治疗是一个临床难题,从临床实践出发,发明、设计髋臼三维记忆内固定系统(acetabular three dimensional memory internal fixation system,ATMs),临床用于髋臼骨折的治疗,取得满意的效果。为了阐明ATMs治疗髋臼骨折的记忆生物力学机制,本研究从三维模型仿真、三维记忆应力场模拟以及三维有限元分析三个方面进行,通过设定模型弹性模量,构建与人体弹性模量接近的骨盆与髋臼模型,为生物力学研究提供精确模型;对ATMs以及ATMs治疗髋臼后柱骨折三维模型、三维记忆应力场进行仿真模拟,不仅避免实验力学测试中由于样本数量、加载大小、加载方向、数据采集等导致实验结果的误差,而且有助于对ATMs进行优化设计。 第一部分 骨盆三维有限元分析及其记忆生物力学意义 实验一 骨盆三维有限元模型构建及其生物力学意义 目的:寻求骨盆三维有限元模型快速构建的方法,并探讨其相关记忆生物力学的临床意义。方法:选择成年湿骨盆在体标本行CT断层扫描,1mm层厚,成像得到骨盆每层横截面图像,提取边界坐标,利用有限元分析软件ANSYS7.0构建骨盆三维有限元,采用三维十结点四面体实体单元进行网格划分。结果:所构建骨盆模型共划分为251 247个结点、232 435个单元,客观反映骨盆真实解剖形态及生物力学行为。结论:构建的骨盆三维有限元模型,为骨盆骨折内固定的记忆力学研究提供可循模型。 实验二 静载荷作用下骨盆三维有限元分析及其生物力学意义 目的:探讨骨盆各部位受到静力载荷作用后的力学行为特征,为临床分析及判断骨盆力学分布、静载荷影响提供力学基础。方法:采用计算机仿真模拟方法,将所构建骨盆三维实体模型导入三维有限元分析软件ANSYS7.0,分别计算单侧髂前上棘、双侧髂前上棘、单侧髂骨正后方和双侧髂骨正后方静载荷作用下骨盆的力学行为表现,静载荷为1000牛顿,分析主应力值、应力分布情况以及主应力方向上骨盆单元的位移。结果:单侧髂前上棘侧方加载下,应力沿着受力点与骶 第二军医大学 博士学位舟文 骼关节连线方向传导,没有应力沿着散臼或者耻骨、坐骨传导;双侧骼前上棘侧 方挤压时,应力沿着骼前上棘向骼骨翼厉向、骼前上棘与骼骼关节部位连线方向、 髓臼顶部以及耻骨上支传导;单侧骼骨后方静载荷加载时,应力沿着骼骨纵行方 向、骼骨与骸骼关节部位连线方向、同侧耻骨上支传导;双侧骼骨正后方加载时, 应力沿着骼骨纵行方向、骼骨与骸骼关节部位连线方向、髓臼顶部传导至骸臼窝 以及同侧耻骨上支传导。结论:分析静载荷作用下骨盆各部位应力分布以及骨 盆各个单元在应力作用下的位移变化,有助于临床上进行骨盆损伤内固定力点的 选择以及进一步明确骨盆内在应力值分布。 实验三冲击载荷作用下骨盆三维有限元分析及其生物力学意义 目的:探讨骨盆各部位受到冲击载荷作用后的力学行为特征,为临床分析及判断 骨盆骨折类型、力学分布、冲击载荷影响提供力学基础。方法:采用计算机仿真 模拟方法,将所构建骨盆三维实体模型导入三维有限元分析软件ANSYS7.O,分 别计算单侧骼前上棘、双侧骼前上棘、单侧骼骨正后方和耻骨联合部位冲击载荷 作用下骨盆的力学行为表现,冲击载荷为O一8000牛顿,峰值8000牛顿,时间 从O一4Oms,分析主应力值、应力分布情况以及主应力方向上骨盆单元的位移。 结果:冲击载荷作用于单侧骼前上棘时,O一10ms主要的应力沿骼后上棘到骼前 上棘分布,在冲击后期10ms以后骼骼关节,髓臼和耻骨支都会产生较大的应力 分布;作用于双侧骼前上棘时,0一IOms主要的应力沿骼前上棘到骼骨翼分布, 在冲击峰值10ms及至冲击后期,在骸骼关节部位,骸臼、耻骨支、耻骨联合以 及坐骨支等部位都会有较大的应力分布;作用于单侧骼骨部位,0一20ms主要的 应力沿骼骨纵行传导,应力分布并没有在冲击峰值10ms时达到最大,而是从 20ms之后,应力开始向骸骼关节、双侧耻骨支、坐骨支以及骸臼等部位传导并 可见到明显的应力分布;作用于耻骨联合时,0一sms主要的应力集中在耻骨支部 位,在撞击后期6一16ms,应力沿骼骨传导至骸骼关节,在此其间髓臼,骼骨, 骸骼关节都会产生较大的应力分布。结论:分析冲击载荷作用下骨盆各部位应力 分布以及骨盆各个单元在应力作用下的位移变化,有助于临床上进行骨盆损伤内 固定力点的选择以及进一步明确骨盆内在应力值分布。 第二部分髓臼三维有限元分析及其记忆生物力学意义 实验一髓臼三维有限元模型快速构建及其生物力学意义 目的:寻求髓臼三维有限元模型构建的方法并探讨记忆生物力学的临床意义。方 第二军医大学 博士李位抢文 法:选择成年在体骸臼标本行CT扫描成像得到髓臼每层横截面图像,提取边界 坐标,利用三维有限元分析软件ANs幸57.0构建髓臼三维有限元模型,采用三维 十结点四面体实体单元进行网格划分。结果:所构建骸臼模型共划分为121 239 个结点、112 491个单元,能够客观反映骸臼的真实解剖形态及生物力学行为。 结论:构建髓臼三维有限元模型,为髓臼骨折内固定的记忆生物力学研究


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