微型鋼板固定髕骨分層骨折的有限元模型建立和分析.pdf

1、目的：在膝關(guān)節(jié)損傷中，髕骨骨折發(fā)病率較高。對(duì)于髕骨骨折的治療，雖有諸多學(xué)者提出多種不同治療方案，但都以張力帶為主，且多數(shù)是針對(duì)髕骨橫行或下極骨折。然而在臨床上我們也常遇到髕骨分層樣骨折，對(duì)于此類型骨折的分類、治療，目前臨床上報(bào)道較少，仍缺乏統(tǒng)一的治療策略。對(duì)此，我們提出應(yīng)用微型鋼板固定髕骨分層樣骨折，并已取得初步臨床療效，現(xiàn)通過對(duì)微型鋼板固定髕骨分層骨折建立三維有限元模型，來進(jìn)一步分析該固定方式的應(yīng)力分布及位移程度，并驗(yàn)證其可行性，為臨

2、床治療髕骨分層骨折的新方案提供可靠的理論依據(jù)。
　　方法：利用ANSYS13.0、Mimics17.0、3-matic9.0、Geomagic Studio12.0及PTC Creo Parametric3.0分別對(duì)髕骨、鋼板及螺釘進(jìn)行三維建模并進(jìn)行有限元分析。
　　建立三維模型：將CT掃描膝關(guān)節(jié)獲取的圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件中，利用閾值分割、區(qū)域增長、編輯蒙罩等功能創(chuàng)建髕骨整體及松質(zhì)骨三維圖像，并在Geomagic S

3、tudio軟件中進(jìn)行去噪、松弛、封裝、快速平滑、曲面化等修飾處理，再將圖像以STL格式輸入3-matic中，利用布爾減運(yùn)算生成髕骨皮質(zhì)骨模型。利用PTC Creo Parametric軟件按照實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)微型鋼板及螺釘平面草圖，使用拉伸及螺旋掃描功能生成8孔T板及5孔直板各1枚，鎖定螺釘11枚，并對(duì)微型鋼板進(jìn)行預(yù)彎處理，最終將微型鋼板、螺釘模型以STL格式輸入3-matic軟件中，對(duì)微型鋼板、螺釘及髕骨進(jìn)行裝配，并設(shè)計(jì)骨折線，生成面網(wǎng)格

4、和體網(wǎng)格模型。
　　有限元參數(shù)設(shè)定：將建立的正常髕骨及髕骨骨折的有限元模型以CDB格式導(dǎo)入ANSYS軟件中，創(chuàng)建模型皮膚及有限元幾何體，依次設(shè)定微型鋼板、螺釘、皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨的材料屬性，包括彈性模量及泊松比。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)定各模塊間接觸面、接觸類型并重新劃分四面體網(wǎng)格。加載前約束髕骨上下極，對(duì)髕骨關(guān)節(jié)面下、中、上1/3分別施加2.0MP、3.5MP、4.4MP應(yīng)力，以模擬膝關(guān)節(jié)屈曲20°、45°、90°時(shí)髕骨受力情況。
　　

5、圖像后處理：求解出各模型在不同情況下的結(jié)果后，插入各模塊的等效應(yīng)力及位移分布云圖，并在不同層面對(duì)圖像進(jìn)行切割，以便觀察各切面上的應(yīng)力及位移分布。
　　結(jié)果：
　　1正常髕骨模型應(yīng)力分布：三種屈膝角度下，髕骨上下極韌帶約束處均有不同程度應(yīng)力集中。另外，下極區(qū)域均有應(yīng)力集中且與屈膝程度正相關(guān)，隨著屈曲程度增加，髕骨整體應(yīng)力逐漸向近端靠近。
　　2髕骨骨折模型應(yīng)力分布：不同屈膝角度下，兩極韌帶約束處有應(yīng)力集中外，髕骨下極應(yīng)力

6、均較集中，與屈膝程度正相關(guān)；鋼板均在橫行斷端處應(yīng)力最為集中，與屈膝程度正相關(guān)，且應(yīng)力逐漸向兩端遞減；遠(yuǎn)、近端螺釘應(yīng)力亦與屈膝程度正相關(guān)，且屈膝越大，應(yīng)力越向近端螺釘集中；橫行骨折斷端處均有壓力，與屈膝角度正相關(guān)，且壓力呈現(xiàn)出分布不均——均勻——不均的變化趨勢(shì)；分層骨折斷端處亦存在較小壓力，與屈膝角度正相關(guān)，且壓力呈現(xiàn)出先分布均勻再到分布不均的變化規(guī)律。
　　3髕骨骨折模型位移分布：在不同屈膝角度下，髕骨及鋼板均呈現(xiàn)出相似的位移規(guī)律

7、。在 Y軸方向（即水平方向），從髕骨中間向兩極，髕骨及鋼板位移逐漸減??；在 Z軸方向（即垂直方向），從釘頭至釘尾，位移逐漸增加，且近端螺釘位移垂直向下，遠(yuǎn)端螺釘位移垂直向上。在Y軸上，髕骨及鋼板在橫行骨折處的位移與屈膝角度正相關(guān)，當(dāng)屈曲90°時(shí)位移最大，約為0.3mm，而髕骨分層骨塊在屈曲45°時(shí)位移最大，約為0.9mm；在Z軸上，近端螺釘位移與屈膝程度正相關(guān)，當(dāng)屈膝90°時(shí)位移最大，約為0.2mm，而遠(yuǎn)端螺釘在屈曲45°時(shí)位移最大，約