本文關(guān)鍵詞：髖臼四邊區(qū)骨折新型鋼板的設(shè)計及有限元分析

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【摘要】：目的:1、應(yīng)用逆向技術(shù)(Reverse Engineering,RE)獲取髖臼前柱及四邊區(qū)表面的點云(pointcloud)數(shù)據(jù)。2、利用計算機輔助設(shè)計(CAD-Computer Aided Design)設(shè)計貼合髖臼前柱及四邊區(qū)表面結(jié)構(gòu)的新型鋼板(簡稱四邊區(qū)鋼板),同時設(shè)計螺孔的位置及類型。3、應(yīng)用計算機輔助工程技術(shù)(Computer Aided Engineering,CAE)創(chuàng)建四邊區(qū)鋼板、真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)壁重建鋼板以及髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)壁重建鋼板固定累及四邊區(qū)的前柱伴后柱橫行骨折的有限元模型,然后進行有限元分析,比較其固定的穩(wěn)定性。方法:髖臼四邊區(qū)及前柱點云數(shù)據(jù)的獲取從重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院影像科獲取100例64排螺旋CT(SIMENS公司)掃描的成人完整骨盆CT數(shù)據(jù),男女各50例,年齡為18歲至69歲,排除骨盆髖臼骨折、腫瘤等病變。導(dǎo)入Mimics15.0軟件進行三維重建。分段測量男女骨盆骶髂關(guān)節(jié)真骨盆邊緣點A至恥骨結(jié)節(jié)頂點B的弧長AB值,計算男、女AB均值,并選出AB值與均值接近的骨盆男女各一個,將其轉(zhuǎn)換為點云文件,即獲得髖臼四邊區(qū)及前柱的點云數(shù)據(jù)。髖臼四邊區(qū)骨折新型鋼板的設(shè)計髖臼前柱及四邊區(qū)的點云文件導(dǎo)入Imageware14.0軟件進行點云三角形網(wǎng)格化處理。四邊區(qū)鋼板分為三部分:(1)真骨盆緣部分:始于骶髂關(guān)節(jié),終止于恥骨結(jié)節(jié),內(nèi)側(cè)緣與真骨盆緣保持一致,鋼板寬度為10mm。(2)髖臼前壁部分:鋼板的真骨盆緣部分在髂前下棘與髖臼前壁交界位置向前側(cè)延伸,覆蓋髖臼前壁。(3)四邊區(qū)部分:由兩個四邊區(qū)擋板組成,前擋板靠近四邊區(qū)前緣,長度約為四邊區(qū)前緣1/2;后擋板靠近四邊區(qū)后緣,長度約為四邊區(qū)后緣1/2。前、后擋板寬度均為10mm。應(yīng)用Imageware14.0軟件在骨盆表面相應(yīng)位置虛擬出上述鋼板底面形態(tài),以0.4mm為微調(diào)步距調(diào)節(jié)控制點,使鋼板底面與前柱及四邊區(qū)的形態(tài)盡量貼合。將調(diào)整完畢的鋼板底面以IGS格式導(dǎo)入UG 9.0軟件中,將其拉厚為2mm,并對其添加等半徑0.3mm圓邊、等半徑2mm圓角以及預(yù)彎槽特征。依次在鋼板的三個部分添加螺孔:(1)在鋼板真骨盆緣部分添加長徑為6mm,短徑為4mm的橢圓形普通螺釘孔,螺孔方向垂直于鋼板平面;(2)在鋼板髖臼前壁部分添加直徑為2.7mm的圓形鎖定螺釘孔,螺孔方向垂直于鋼板平面;(3)在鋼板四邊區(qū)部分添加長徑為6mm,短徑為4mm的橢圓形普通螺釘孔,螺孔方向垂直于鋼板平面。鋼板的有限元分析選取一例骨質(zhì)平滑、無缺損的正常骨盆CT薄層數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 15.0軟件中,三維重建后依次對其進行平滑化、減少三角面、包繞處理,使骨盆模型更加平滑。將處理好的骨盆模型導(dǎo)入Geomagic Studio 12軟件建立有限元分析模型,經(jīng)過點、面、多邊形以及包裹等處理,獲得用于有限元分析的骨盆模型,以IGS格式文件保存后導(dǎo)入Hypermesh12.0軟件,人為制造累及四邊區(qū)的髖臼前柱伴后柱橫行骨折。將造好骨折的骨盆模型、四邊區(qū)鋼板模型、真骨盆緣鋼板模型、髂恥緣鋼板模型、真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板模型以IGS格式導(dǎo)入Solid Works 2015軟件中,按照各種鋼板相應(yīng)的內(nèi)固定方式分別裝配在骨盆模型上得到四邊區(qū)鋼板固定模型、真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型以及髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型,將三種固定模型再次導(dǎo)入Hypermesh12.0軟件,進行模型體的網(wǎng)格劃分,以Inp格式文件保存。將上述模型導(dǎo)入Abaqus6.14軟件中,分別對鋼板、螺釘及骨盆賦予材質(zhì),將螺釘與骨質(zhì)之間設(shè)為綁定連接關(guān)系。(1)人體骨盆垂直方向靜力分析:固定約束髖臼窩部以限制六個自由度的活動,分別在三種固定髖臼骨折模型的骶1椎體上表面施以400N軸向壓縮載荷。(2)人體骨盆前后方向靜力分析:對骶骨后部施加固定約束,限制6個自由度的活動,分別在三種鋼板固定髖臼骨折模型的恥骨聯(lián)合前表面上施加400N軸向壓縮載荷。(3)人體骨盆側(cè)方靜力分析:對右側(cè)髖臼窩施加固定約束,限制6個自由度的活動,分別在三種鋼板固定髖臼骨折模型的左側(cè)髂骨外側(cè)緣表面施加400N軸向壓縮載荷。分析不同內(nèi)固定方式在三種載荷加載情況下的von Mises應(yīng)力分布和位移分布。結(jié)果:1.我們對100例正常成人骨盆模型測量后,得到了骨盆骶髂關(guān)節(jié)真骨盆邊緣點A至恥骨結(jié)節(jié)頂點B的弧長AB值男性為(117.23±6.36)mm,女性為(126.39±9.05)mm,其差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P0.05)。將選取的男女各一例骨盆模型保存為點云文件,即獲得即獲得髖臼前柱及四邊區(qū)的點云數(shù)據(jù)庫。2.將選取的兩例骨盆模型的點云文件導(dǎo)入imageware 14.0軟件進行點云三角形網(wǎng)格化處理,并在骨盆表面相應(yīng)位置虛擬出鋼板形態(tài),調(diào)節(jié)控制點,使其盡量與骨盆表面解剖形態(tài)服帖,然后將其導(dǎo)入UG 9.0軟件中拉厚至2mm,并對其添加等半徑0.3mm圓邊、等半徑2mm圓角以及預(yù)彎槽等特征。四邊區(qū)鋼板分為三部分:(1)真骨盆緣部分:男性長度為119mm,女性為124mm,始于骶髂關(guān)節(jié),終止于恥骨結(jié)節(jié),內(nèi)側(cè)緣與真骨盆緣保持一致,鋼板寬度為10mm。(2)髖臼前壁部分:鋼板的真骨盆緣部分在髂前下棘與髖臼前壁交界位置向前側(cè)延伸,覆蓋髖臼前壁。(3)四邊區(qū)部分:由兩個四邊區(qū)擋板組成,前擋板靠近四邊區(qū)前緣,男性長度為47mm,女性為40mm;后擋板靠近四邊區(qū)后緣,男性長度為50mm,女性為45mm。前后擋板寬度均為10mm。依次在鋼板的三個部分添加螺孔:(1)在鋼板真骨盆緣部分添加長徑為6mm,短徑為4mm的橢圓形普通螺釘孔,男性為10孔,女性為9孔,螺孔方向垂直于鋼板平面;(2)在鋼板髖臼前壁部分添加直徑為2.7mm的圓形鎖定螺釘孔,男性為9孔,女性為7孔,螺孔方向垂直于鋼板平面;(3)在鋼板四邊區(qū)部分添加長徑為6mm,短徑為4mm的橢圓形普通螺釘孔,男、女前擋板均為3孔,男性后擋板為4孔,女性為3孔,螺孔方向垂直于鋼板平面。3.成功構(gòu)建三組鋼板固定累及四邊區(qū)的髖臼骨折的有限元分析模型。對髖臼三種內(nèi)固定方式進行垂直方向靜力分析得到其von Mises應(yīng)力、位移分布云圖,四邊區(qū)鋼板固定模型:模型的最大位移為:0.1mm,骨盆受到最大應(yīng)力為:14.8MPa,四邊區(qū)鋼板受到最大應(yīng)力為:88MPa。真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型:模型的最大位移為:0.11mm,骨盆受到最大應(yīng)力為:19.4MPa,鋼板受到最大應(yīng)力為:37.6MPa。髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型:模型的最大位移為:0.19mm,骨盆受到最大應(yīng)力為:11.5MPa,鋼板受到最大應(yīng)力為:98.9MPa。對髖臼三種內(nèi)固定方式進行前后方向靜力分析得到其von Mises應(yīng)變、位移分布云圖。四邊區(qū)鋼板固定模型:模型的最大位移為:0.16mm,骨盆受到最大應(yīng)力為:15.8MPa,四邊區(qū)鋼板受到最大應(yīng)力為:101MPa。真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型:模型的最大位移為:0.15mm,骨盆受到最大應(yīng)力為:28.8MPa,鋼板受到最大應(yīng)力為:93.8MPa。髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型:模型的最大位移為:0.23mm,骨盆受到最大應(yīng)力為:12.2MPa,鋼板受到最大應(yīng)力為:107MPa。對髖臼三種內(nèi)固定方式進行側(cè)方靜力分析得到其von Mises應(yīng)變、位移分布云圖。(1)四邊區(qū)鋼板固定模型:模型的最大位移為:3.3mm,骨盆受到最大應(yīng)力為:149.5MPa,四邊區(qū)鋼板受到最大應(yīng)力為:349.3MPa。(2)真骨盆緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型:模型的最大位移為:2.24mm,骨盆受到最大應(yīng)力為:162.4MPa,鋼板受到最大應(yīng)力為:335.7MPa。(3)髂恥緣鋼板+真骨盆內(nèi)側(cè)重建鋼板固定模型:模型的最大位移為:4.2mm,骨盆受到最大應(yīng)力為:126.1MPa,鋼板受到最大應(yīng)力為:558.1MPa。結(jié)論1.應(yīng)用逆向技術(shù)(Reverse Engineering,RE)及計算機輔助設(shè)計(CAD-Computer Aided Design)成功獲得骨盆的點云數(shù)據(jù),以此為基礎(chǔ),設(shè)計出髖臼四邊區(qū)骨折新型鋼板。2.四邊區(qū)鋼板固定四邊區(qū)骨折的效果在垂直載荷下優(yōu)于其他兩組鋼板組合,而在前后方向及側(cè)方載荷下效果居中,但均能達到良好的固定效果。3.四邊區(qū)鋼板適用于前柱、前壁、四邊區(qū)骨折。
【學(xué)位授予單位】：重慶醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R687.3

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