兒童股骨頸骨折三維有限元重建及股骨頸螺釘?shù)挠邢拊治?/H1>
發(fā)布時(shí)間：2020-09-17 13:58
研究背景 目前有限元法在骨科生物力學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛,尤其隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的突飛猛進(jìn)發(fā)展,在骨科生物力學(xué)領(lǐng)域的研究可以說涉及到幾乎所有的方面,從骨骼系統(tǒng)的應(yīng)力分析到內(nèi)外固定系統(tǒng)的研究,以及各種人工假體的設(shè)計(jì)與優(yōu)化,逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位,成效顯著,但是關(guān)于兒童股骨近端三維有限元模型的建立及其應(yīng)力分析的文獻(xiàn)報(bào)道甚少,尤其對于包含兒童股骨頭真實(shí)軟骨和骨骺的股骨近端三維有限元模型及其生物力學(xué)研究尚未見報(bào)道。 兒童股骨頸骨折在小兒骨科是一種少見的骨折類型,在兒童各種類型骨折中發(fā)病率僅占1%,與成人股骨頸骨折不同,因兒童的股骨頸和股骨頭比較堅(jiān)韌,需要較大的暴力才能導(dǎo)致骨折,所以絕大多數(shù)(85%～90%)健康兒童的股骨頸骨折是由于高能量創(chuàng)傷如車禍或高空墜落造成的。近年來隨著交通的飛速發(fā)展,發(fā)病率呈上升趨勢。兒童股骨頸骨折由于其股骨近端的血供和解剖學(xué)特點(diǎn),骨折并發(fā)癥的發(fā)生率可高達(dá)20%～92%,且往往導(dǎo)致嚴(yán)重后果如股骨頭缺血性壞死、髖內(nèi)翻、骺板早閉、肢體不等長等,手術(shù)治療逐漸受到重視。目前治療兒童股骨頸骨折的常用內(nèi)固定系統(tǒng)有克氏針、空心加壓螺釘及動(dòng)力髖螺釘(DHS),但由于內(nèi)固定各自的力學(xué)設(shè)計(jì)及性能限制,無法專一合適的應(yīng)用于兒童股骨頸骨折,國內(nèi)外尚無一種專門針對兒童股骨頸骨折的螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)�；谏鲜鲈�,我們設(shè)計(jì)了一套適用于兒童股骨頸骨折(ColonnaⅠ、Ⅱ型)的螺釘內(nèi)固定系統(tǒng),既能滿足對骨折的即時(shí)固定,又符合中國兒童股骨頸的解剖特點(diǎn),并已進(jìn)行了離體生物力學(xué)測試,其力學(xué)性能明顯優(yōu)于克氏針,并能減小對骺板的損傷。 目的 1.建立包含股骨頭軟骨和骨骺的兒童股骨近端三維有限元模型,模擬正常兒童雙腿站立時(shí)髖關(guān)節(jié)不同外展角度,得出股骨頸的應(yīng)力分布情況并進(jìn)行分析。 2.對研究建立的兒童股骨頸骨折三維有限元模型以兒童股骨頸螺釘固定,使用有限元方法對螺釘進(jìn)行生物力學(xué)測試并分析結(jié)果,對螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)。 3.與離體標(biāo)本生物力學(xué)研究相對照,設(shè)計(jì)是否合理,下一步如何改進(jìn)和優(yōu)化。 方法 獲取正常兒童股骨標(biāo)本,完整去除股骨近端肌肉韌帶等軟組織,僅保留骨與軟骨組織,應(yīng)用螺旋CT掃描技術(shù),獲得股骨近端圖像數(shù)據(jù),使用Mimics11.11數(shù)字化三維醫(yī)學(xué)影像交互式軟件、ANSYS10.0有限元處理軟件,建立正常兒童股骨近端三維有限元模型,在此基礎(chǔ)上建立股骨頸骨折模型;并根據(jù)螺釘數(shù)據(jù)建立兒童股骨頸螺釘三維有限元模型,導(dǎo)入骨折模型,設(shè)定邊界及載荷條件,進(jìn)行生物力學(xué)分析。 結(jié)果 1.建立了包含股骨頭軟骨和骨骺的兒童股骨近端三維有限元模型。 2.對正常兒童雙腿站立時(shí)髖關(guān)節(jié)外展不同角度時(shí)股骨頸的應(yīng)力分布有了初步的了解,為臨床指導(dǎo)股骨頸骨折折康復(fù)提供了生物力學(xué)理論依據(jù)。 3.初步建立了兒童股骨頸骨折和兒童股骨頸螺釘三維有限元模型,進(jìn)行生物力學(xué)三維有限元分析,結(jié)果表明兒童股骨頸螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)符合生物力學(xué)原理,具有較好的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,能夠滿足對兒童股骨頸骨折(ColonnaⅠ、Ⅱ型)即時(shí)固定的需要。 結(jié)論 1.利用Mimics軟件的數(shù)據(jù)處理功能,可以將采用螺旋CT斷層掃描獲得的CT灰度圖像數(shù)據(jù)向骨的材料屬性進(jìn)行轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)股骨材料的非均勻描述,建立更加接近生理解剖特點(diǎn)的兒童股骨頸骨折三維有限元模型。 2.建立的兒童股骨頸螺釘三維有限元模型逼真、客觀,能真實(shí)反應(yīng)其幾何結(jié)構(gòu)和力學(xué)屬性,螺釘設(shè)計(jì)符合兒童股骨頸生理解剖特點(diǎn)和生物力學(xué)原理,具有較好的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,能夠應(yīng)用于臨床。 3.通過有限元分析對兒童股骨頸螺釘作出如下改進(jìn):①對螺紋與光滑桿交界部進(jìn)行流線型處理②稍增大上前位螺釘?shù)闹睆絹砥胶馍衔宦葆數(shù)膽?yīng)力,有利于增強(qiáng)其臨床實(shí)用性。
【學(xué)位單位】：南華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2008
【中圖分類】：R726.8
【部分圖文】：
從股骨頭開始，向下提取股骨的1%層CT圖像的外輪廓線和內(nèi)輪廓線，再對呈鋸齒狀的股骨內(nèi)外輪廓進(jìn)行精簡并進(jìn)行表面光滑處理，生成二維三角形單元包裹的幾何面，然后得到股骨近端殼三維模型，見圖1。處理后的數(shù)據(jù)以通用輸入輸出圖形格式MCS文件存儲。圖1不同側(cè)面的兒童股骨近端(包含軟骨和骨蛋)殼三維模型1.2.3兒童股骨近端三維有限元模型的建立利用醫(yī)學(xué)影像交互式軟件M汕icsn.n的有限元分析功能進(jìn)行REMESH生成二維三角形面單元 (sHELL93)，根據(jù)合適的參數(shù)進(jìn)行二維面網(wǎng)格劃分，將其保
圖6不同側(cè)面的兒童股骨頸骨折三維有限元模型網(wǎng)格劃分2.正常兒童雙腿站立時(shí)欲關(guān)節(jié)不同外展角度時(shí)股骨頸的應(yīng)力分布的有限元分析Wo堆理論認(rèn)為，骨的生長與骨的應(yīng)力環(huán)境關(guān)系密切l(wèi)lsl。生物力學(xué)研究也證實(shí)，應(yīng)力刺激使骨更具有活性，愈合能力更加強(qiáng)盛協(xié)’J]。在臨床治療股骨頸折的過程中，可通過患者俄關(guān)節(jié)外展不同角度來調(diào)整股骨頸的應(yīng)力分布，使待愈合部位處于合理的應(yīng)力環(huán)境下，獲得良好的生長條件。因此，骸關(guān)節(jié)外展不同角度下股骨上段的應(yīng)力分布是臨床上比較關(guān)心的生物力學(xué)問題之一。本部分使用已經(jīng)建立的兒童股骨近端三維有限元模型，通過有限元法分析正常兒童雙腿站立時(shí)骸關(guān)節(jié)不同外展角度時(shí)股骨頸的應(yīng)力分布，為臨床上研究治療股骨頸骨折的最佳力學(xué)
節(jié)外展10、巧、20、25和30度等不同角度，分別建立不同的骸關(guān)節(jié)外展模型。對于每個(gè)模型施加相似的載荷條件:固定股骨體下表面，對股骨頭最高點(diǎn)處施加一相當(dāng)于正常兒童質(zhì)量一半時(shí)的壓力約300N。模型的加載模式如圖7所示。磨j飛屯凈戶卜:必龍辛八人刃尸曦仁飛會拳戶，淤、必沂卜抓獷f圖7兒童股骨近端三維有限元模型加載2.4應(yīng)力計(jì)算分析將上述邊界條件和負(fù)荷輸入 ANSYS10.0，加載于兒童股骨近端三維有限元模型上，進(jìn)入 ANSYS10.0的求解器solution模塊，進(jìn)行兒童股骨頸應(yīng)力 (VonMises應(yīng)力)分布的分析，同時(shí)計(jì)算出不同模型的股骨頸不同方位應(yīng)力值。 【參考文獻(xiàn)】
相關(guān)期刊論文 前10條
1 許碩貴,張春才,蘇佳燦,劉曉華,吳亦農(nóng),吳建國,薛召軍,丁祖泉;天鵝型記憶接骨器治療肱骨骨折和骨不連的三維有限元分析[J];第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào);2001年10期
2 張輝,靳安民,張美超;腰椎峽部裂記憶合金節(jié)段內(nèi)固定器的有限元分析[J];第一軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào);2002年12期
3 張美超,史風(fēng)雷,趙衛(wèi)東,歐陽鈞,鐘世鎮(zhèn);髖關(guān)節(jié)外展不同角度股骨頸應(yīng)力分布的有限元分析[J];第一軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào);2005年10期
4 羅承剛,龔憲生;近端股骨的非均勻及各向異性有限元模擬[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2004年02期
5 張愛平,許書亮,周恩昌;塑形夾板治療尺橈骨雙骨折的有限元分析[J];福建中醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào);2002年04期
6 龔憲生,王超;一種新型無柄股骨假體的設(shè)計(jì)研究[J];工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào);2005年05期
7 帥玉妹,曹清;氣壓膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的三維有限元分析[J];江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào);2000年02期
8 蘇永松,許忠信,李浩宇;髖關(guān)節(jié)模擬手術(shù)中有限元分析方法的應(yīng)用[J];計(jì)算機(jī)工程;2003年22期
9 汪光曄;張春才;許碩貴;任可;;髖臼三維記憶內(nèi)固定系統(tǒng)治療髖臼后壁骨折的有限元分析[J];中國組織工程研究與臨床康復(fù);2007年13期
10 鄭琦,畢大衛(wèi),王以進(jìn),顧軍,劉耀升,謝水法,魏威;股骨髁上骨折四種內(nèi)固定的生物力學(xué)評估[J];醫(yī)用生物力學(xué);2002年02期
本文編號：2820804
本文鏈接：http://sikaile.net/yixuelunwen/eklw/2820804.html
【學(xué)位單位】：南華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2008
【中圖分類】：R726.8
【部分圖文】：
從股骨頭開始，向下提取股骨的1%層CT圖像的外輪廓線和內(nèi)輪廓線，再對呈鋸齒狀的股骨內(nèi)外輪廓進(jìn)行精簡并進(jìn)行表面光滑處理，生成二維三角形單元包裹的幾何面，然后得到股骨近端殼三維模型，見圖1。處理后的數(shù)據(jù)以通用輸入輸出圖形格式MCS文件存儲。圖1不同側(cè)面的兒童股骨近端(包含軟骨和骨蛋)殼三維模型1.2.3兒童股骨近端三維有限元模型的建立利用醫(yī)學(xué)影像交互式軟件M汕icsn.n的有限元分析功能進(jìn)行REMESH生成二維三角形面單元 (sHELL93)，根據(jù)合適的參數(shù)進(jìn)行二維面網(wǎng)格劃分，將其保
圖6不同側(cè)面的兒童股骨頸骨折三維有限元模型網(wǎng)格劃分2.正常兒童雙腿站立時(shí)欲關(guān)節(jié)不同外展角度時(shí)股骨頸的應(yīng)力分布的有限元分析Wo堆理論認(rèn)為，骨的生長與骨的應(yīng)力環(huán)境關(guān)系密切l(wèi)lsl。生物力學(xué)研究也證實(shí)，應(yīng)力刺激使骨更具有活性，愈合能力更加強(qiáng)盛協(xié)’J]。在臨床治療股骨頸折的過程中，可通過患者俄關(guān)節(jié)外展不同角度來調(diào)整股骨頸的應(yīng)力分布，使待愈合部位處于合理的應(yīng)力環(huán)境下，獲得良好的生長條件。因此，骸關(guān)節(jié)外展不同角度下股骨上段的應(yīng)力分布是臨床上比較關(guān)心的生物力學(xué)問題之一。本部分使用已經(jīng)建立的兒童股骨近端三維有限元模型，通過有限元法分析正常兒童雙腿站立時(shí)骸關(guān)節(jié)不同外展角度時(shí)股骨頸的應(yīng)力分布，為臨床上研究治療股骨頸骨折的最佳力學(xué)
節(jié)外展10、巧、20、25和30度等不同角度，分別建立不同的骸關(guān)節(jié)外展模型。對于每個(gè)模型施加相似的載荷條件:固定股骨體下表面，對股骨頭最高點(diǎn)處施加一相當(dāng)于正常兒童質(zhì)量一半時(shí)的壓力約300N。模型的加載模式如圖7所示。磨j飛屯凈戶卜:必龍辛八人刃尸曦仁飛會拳戶，淤、必沂卜抓獷f圖7兒童股骨近端三維有限元模型加載2.4應(yīng)力計(jì)算分析將上述邊界條件和負(fù)荷輸入 ANSYS10.0，加載于兒童股骨近端三維有限元模型上，進(jìn)入 ANSYS10.0的求解器solution模塊，進(jìn)行兒童股骨頸應(yīng)力 (VonMises應(yīng)力)分布的分析，同時(shí)計(jì)算出不同模型的股骨頸不同方位應(yīng)力值。
【參考文獻(xiàn)】
相關(guān)期刊論文 前10條
1 許碩貴,張春才,蘇佳燦,劉曉華,吳亦農(nóng),吳建國,薛召軍,丁祖泉;天鵝型記憶接骨器治療肱骨骨折和骨不連的三維有限元分析[J];第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào);2001年10期
2 張輝,靳安民,張美超;腰椎峽部裂記憶合金節(jié)段內(nèi)固定器的有限元分析[J];第一軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào);2002年12期
3 張美超,史風(fēng)雷,趙衛(wèi)東,歐陽鈞,鐘世鎮(zhèn);髖關(guān)節(jié)外展不同角度股骨頸應(yīng)力分布的有限元分析[J];第一軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào);2005年10期
4 羅承剛,龔憲生;近端股骨的非均勻及各向異性有限元模擬[J];重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2004年02期
5 張愛平,許書亮,周恩昌;塑形夾板治療尺橈骨雙骨折的有限元分析[J];福建中醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào);2002年04期
6 龔憲生,王超;一種新型無柄股骨假體的設(shè)計(jì)研究[J];工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào);2005年05期
7 帥玉妹,曹清;氣壓膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的三維有限元分析[J];江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào);2000年02期
8 蘇永松,許忠信,李浩宇;髖關(guān)節(jié)模擬手術(shù)中有限元分析方法的應(yīng)用[J];計(jì)算機(jī)工程;2003年22期
9 汪光曄;張春才;許碩貴;任可;;髖臼三維記憶內(nèi)固定系統(tǒng)治療髖臼后壁骨折的有限元分析[J];中國組織工程研究與臨床康復(fù);2007年13期
10 鄭琦,畢大衛(wèi),王以進(jìn),顧軍,劉耀升,謝水法,魏威;股骨髁上骨折四種內(nèi)固定的生物力學(xué)評估[J];醫(yī)用生物力學(xué);2002年02期
本文編號：2820804
本文鏈接：http://sikaile.net/yixuelunwen/eklw/2820804.html
