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步态中骨盆髋臼生物力学及髋臼三维记忆内固定系统治疗髋臼骨折的有限元分析

汪光晔  
【摘要】: 髋关节的载荷分布是关节疾病的发展过程中的关键因素,关节软骨的异常力学机制是骨关节炎的主要的病因之一,这通常是关节软骨的病理改变与髋臼底的局部应力大小而不是整个关节的负载所致。同时行走是人们日常生活中最常见的行为,因此有必要对正常步态下髋臼表面应力的分布及峰值的大小进行了评估。认识髋关节的正常力学的分布特点,将有助于进一步了解正常髋关节的力学机制与异常载荷下关节软骨的病理学行为。此外评估自然骨盆的基本力学机制。一旦了解了正常载荷下的骨盆力学行为,将更有助于了解骨盆骨折、畸形与重建后可能的改变。 为进一步了解髋臼三维记忆内固定系统(acetabular three dimensional memory fixation system,ATMFS)固定下的快速高质量的骨愈合,探讨其记忆生物力学特性,分析轴向加载时断面处的应力分布情况,及在正常步态载荷下评价ATMFS对头臼接触特性的影响,阐述其对骨折愈合的影响及相关机理,为ATMFS得到更为广泛的推广应用提供理论基础,进行本课题研究。 第一部分正常步态下髋臼的生物力学研究 实验一基于DICOM数据建立髋臼三维有限元模型及其生物力学意义 目的:介绍一种快速构建精确髋臼三维有限元模型的方法,为进一步构建理想的髋臼模型提供新思路。方法:选择标准成年男性志愿者行髋臼CT扫描成像,得到髋臼每层横截面图像,应用DICOM数据和Mimics软件行三维重建,结合有限元分析软件PATRAN 2005R2构建髋臼三维有限元模型。结果:基于DICOM数据建立的髋臼三维有限元模型更为精确,模型共有19348个节点,113028个单元,模型包括髋臼松质骨体模型、皮质骨体模及髋臼软骨体模,生物力学测试结果与以往的实验结果基本相符。客观反映髋臼真实解剖形态及生物力学行为。DICOM数据和Mimics软件获取三维模型直接写入PATRAN三维有限元软件,提高了建模效率。结论:本研究运用Mimics软件提供了更为简单有效的建模方法,极大程度提高了建模效率,基于DICOM数据的三维有限元模型几何形状较准确,可以为髋臼正常力学行为研究提供精确模型。 实验二正常步态下髓臼底的受力面积与应力分布的三维有限元分析 目的:运用三维有限元的方法,分析正常步态过程中头臼间受力面积和应力分布情况。方法:应用CT扫描技术和计算机图像处理系统,建立髋臼的三维有限元模型,利用髋臼模型模拟髋臼在一个完整步态过程中连续32个位相时的受力状况,并对各位相时髋臼软骨的受力面积及应力分布进行计算。结果:(1)在正常步态中,接触峰应力呈双峰形,在开始单腿支撑及单腿站立结束时达到峰顶(3.3 Mpa;4.1 Mpa),与之对应,单腿站立结束时受力面积也达到峰值(1470mm~2),支撑期的受力面积明显高于跨步期。(2)髋臼软骨在不同位相的应力分布明显不同,步态周期中完整下肢支撑期(即从脚跟着地到脚尖离地)Von mises应力主要集中在臼顶区,而在完整跨步期(开始跨步到跨步结束),Von mises应力主要集中在软骨的内边缘,支撑期的受力面积明显高于跨步期。(3)完整步态中始终受力部位(318mm~2),应力主要集中在臼顶区,髋臼的前角与后角(895mm~2)在完整步态中几乎没有应力的传递,偶尔受力区为1695mm~2;所有软骨的表面积达2908mm~2。结论:髋臼的接触应力增高区及接触面的分布对临床研究有重要意义,可提示导致髋臼骨性关节炎的好发因素。 第二部分正常步态下骨盆的生物力学研究 实验一构建包含骨盆肌肉及头臼作用力的标准步态下骨盆三维有限元模型 目的:构建包含骨盆肌肉及头臼作用力的标准步态下骨盆三维有限元模型。方法:选择标准成年男性志愿者行骨盆CT扫描成像得到骨盆每层横截面图像,运用Mimics软件行三维重建,利用有限元分析软件PATRAN 2005R2构建髋臼三维有限元模型,并将标准步态中22块跨髋肌肉收缩力及头臼作用力也设计到该模型中。结果:(1)所构建髋臼模型共划分为113 028个结点、137 524个单元,所建模型结构完整,空间结构测量准确度高,单元划分精细,重点突出。(2)22块跨髋肌肉收缩力方向是以肌肉的生理附着点进行标注,并兼顾了髋关节屈伸的影响,以髋臼标注的头臼作用力不受头臼关系变化的影响,肌肉及头臼作用力加载模拟形象、逼真,客观反映髋臼真实解剖形态结构和生物力学特点。结论:构建的髋臼三维有限元模型为正常髋臼或异常髋臼力学研究提供可循模型。 实验二正常步态下骨盆的生物力学研究 目的:利用精确的骨盆三维有限元模型,分析步态下自然骨盆基本力学传导与应力分布特征。方法:选择标准成年男性志愿者行骨盆CT扫描成像,得到骨盆每层横截面图像,运用Mimics软件行三维重建,利用有限元分析软件PATRAN 2005R2构建骨盆三维有限元模型。并将支撑期步态中4个步态(脚跟着地相、开始单腿站立位相、单腿站立位中期相、单腿站立位结束相)中肌肉收缩力及头臼作用力也设计到该模型中,并由此对模型加载,分析骨盆的应力传导与应力分布及特点。结果:(1)骨盆骨力的传导呈现为“三明治行为”,其表面的皮质骨约是其下松质骨所受载荷的40倍(8.9~18 Mpa,0.14~0.41 Mpa),皮质骨与其下松质骨所受载荷最大部位均出现在髋臼顶区,单腿站立位结束相达到最大(18Mpa,0.41 Mpa),不同步态中主应力主要沿着骶髂关节轴传导,而耻骨联合轴传导应力相对较小。(2)最初的应力传导在髋臼软骨,髋臼软骨最大应力出现在头臼作用力方向上,其主应力主要集中在臼顶后上区,至软骨下骨后主应力分为两组:一从臼顶上缘跨过臼缘,经髋臼外侧皮质至骶髂关节区;另一组从软骨下骨前内至弓状线处。(3)肌肉使得骨盆受力更为广泛,肌肉的作用力仅仅影响与髋臼相邻区的力的分布,然而就髋臼自身而言,压力的分布直接依赖于髋关节作用力的大小,受肌肉的收缩力影响较小。结论:骨盆应力传导呈“三明治行为”,肌肉使得骨盆受力更为均匀,就髋臼自身主要受头臼作用力的直接影响,软骨下骨应力分布受其解剖学特点影响分布并不均匀,内外皮质相连处是其主应力传导区。 第三部分ATMFS治疗髋臼骨折及步态载荷下的三维有限元分析 实验一ATMFS治疗髋臼横断骨折的三维有限元分析 目的:研究髋臼三维记忆内固定系统(ATMFS)治疗髋臼横形骨折的力场分布及其产生的动态记忆应力促进骨愈合的生物力学基础。方法:利用计算机仿真三维有限元技术,对ATMFS固定髋臼后壁骨折的生物力学行为进行模拟,BaⅡ型三维有限元模型共划分7946个单元,2520个结点;CⅢ型三维有限元结构共划分1667个单元,6332个结点,单元采用TET4单元;髋臼有限元模型共划分5 783个单元,节点数为9 863。结果:(1)BaⅡ型与CⅢ型接骨器固定髋骨后其变形最大的加压部BaⅡ型最大张压应力分别为228MPa和-24.5MPa,其维持纵向的动态记忆持骨力196.02N;CⅢ型最大张压应力分别为198M Pa和-9.48MPa,其维持轴向的动态记忆加压力为125.05 N,二者皆远小于其极限应力与疲劳极限。(2)被固定髋骨应力分布均匀,各节点所受应力主要为正应力;髋臼底主要为压应力,近髋臼边缘处及髋臼前角部分为张应力。(3)骨折断面以压应力为主,最大压力峰值5.93 MPa,最大张力0.164 MPa,压应力主要通过皮质骨传递(约1.46MPa),约为松质骨断面应力(约0.242 MPa)的6倍。结论:ATMFS治疗髋臼横断骨折有良好的耐疲劳与重复使用性,其固定后产生的动态记忆加压应力场,接近生理载荷,有利于髋臼横断骨折的稳定,促进骨愈合并防止内固定下方废用段的产生。 实验二ATMFS治疗髋臼后壁骨折的三维有限元分析 目的:研究髋臼三维记忆内固定系统(ATMFS)治疗髋臼后壁骨折的力场分布及其产生的动态记忆应力促进骨愈合的生物力学基础。方法:利用计算机仿真三维有限元技术,对ATMFS固定髋臼后壁骨折的生物力学行为进行模拟,BbⅠ型三维有限元结构共划分1787个单元,623个结点,单元采用TET4单元。结果:(1)BaⅡ型与BbⅠ型接骨器固定髋骨后变形最大的加压部BaⅡ型最大值分别为228MPa和-24.5MPa,其维持纵向的动态记忆持骨力196.02N;BbⅠ型最大值分别为118MPa和-4.58MP,其维持轴向的动态记忆加压力为41.92 N,二者皆远小于其极限应力与疲劳极限。(2)被固定髋臼后壁骨块应力分布均匀,各节点所受应力主要为正应力,无论在后壁骨折的上、下及内侧骨折面,骨折断层的应力分布表现为记忆导向孔附近应力较大,为垂直骨折面的正应力(6.68~1.15 MPa),接近生理载荷,仅近髋臼窝边缘处骨折面表现为张应力(-0.549~-1.68 MPa)。结论:ATMFS治疗髋臼后壁骨折有良好的耐疲劳与重复使用性,其固定后产生的动态记忆加压应力场,有利于固定髋臼后壁骨折的稳定并促进骨愈合。 实验三记忆合金三维内固定系统治疗髋臼后壁骨折对髋关节接触特性的影响 目的:运用三维有限元法分析髋臼后壁骨折ATMFS内固定在4种步态负载(脚跟着地相、开始单腿站立位相、单腿站立位中期相、单腿站立位结束相)情况下的应力分布、骨折段移位、头臼接触应力及与接触面积变化,为髋臼后壁骨折的ATMFS内固定治疗提供参考。方法:利用PATRAN2005R2软件建立髋臼后壁骨折骨折及ATMFS坚强内固定的三维有限元模型,在模型上对髋臼后壁骨折在4种步态负载情况下对ATMFS固定及无固定2种方法的工况进行有限元分析,并以完整组为对照,分析各种工况下骨折断面的应力、骨折段移位、头臼接触应力及接触面积,评价ATMFS内固定方法固定的效果。结果:(1)随着髋臼骨折的复位固定,髋臼与股骨头之间的接触面积增大与软骨峰应力值下降;骨折未固定时接触面积最小,步态1时达到最低,仅为完整时的40.94%,与之相对应,此峰应力也达到了最大,为完整组4.04倍,并在骨折边缘形成应力集中;ATMFS内固定后受力面积逐渐增大,步态4时达到最高,是完整时的124.37%。随之臼软骨的峰应力也降之完整时的为0.82倍。随着骨折复位固定增大,接触应力随之减小,应力集中趋于缓和。(2)髋臼骨折ATMFS内固定后,ATMFS所产生的记忆聚合应力,致髋臼发生收缩变形(1.89~*10-5~4.55~*10-12m),髋臼的负重顶区更多地参与了头臼之间接触,因接触面积的增加,使接触应力降低。(3)后壁骨折未固定,脚跟着地相时,骨折线处应力集中现象最为明显(10.9 MPa),从步态1到4,随着头臼作用力的方向由后向前,接触面积也渐增大,骨折边缘的应力集中现象趋向缓和,髋臼后壁骨折缺损时,骨折线处的应力集中除受头臼作用力的大小影响外,受头臼作用力方向影响更大。(4)ATMFS固定时4步态的生理负载下ATMFS固定时骨折段最大移位分别为0.0319 mm、0.0477 mm、0.0372mm、0.0289 mm,所有移位均在安全范围内。(5)各步态中骨折断面皆存在记忆应力,以压应力为主,仅近髋臼窝边缘处骨折面表现为张应力,骨折断层的应力接近于生理载荷。结论:髋臼后壁骨折ATMFS固定牢固可靠,能有效地降低头臼间的接触应力与增加接触面积,维持骨折断面接近正常生理载荷的记忆应力,能有效促进骨折愈合,是临床中值得推广的一种新方法。


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