髕骨骨折張力帶內固定有限元模型的建立和分析.pdf

1、髕骨是人體最大的籽骨,形狀為上寬、下尖、前后扁,前面粗糙,其上連接股四頭肌,下通過髕韌帶連接于脛骨結節(jié)。后面為光滑的關節(jié)面,與股骨髕面構成髕股關節(jié)。髕骨是構成膝關節(jié)的骨之一。
　　 髕骨位置表淺,只有皮膚、薄層皮下組織及髕前滑囊在髕骨之上,故髕骨易因直接暴力及跌打而受傷。近年來隨著科學與技術的發(fā)展,生產生活的日益加速,骨折的發(fā)生也隨之增加。髕骨骨折是臨床常見的關節(jié)內骨折,占全身骨折的1.65％。
　　 對于分離移位較大的

2、髕骨骨折,較為理想的治療方法是切開復位內固定手術,其有利于關節(jié)的早期活動和膝關節(jié)功能的恢復。目前對于髕骨骨折的內固定方法有很多種,常見的方法有克氏針張力帶、螺釘鋼絲張力帶、NT-PC(NiTi-patella concentrator,鎳鈦-聚髕器)、Cable—pin系統(tǒng)、五角網縫合和絲線荷包縫合等,各有其優(yōu)缺點。究竟選擇哪種較為恰當?
　　 因此如何比較各種內固定的力學性能,為臨床選取最佳的手術治療方案尤為重要。
　　

3、 當前大多數學者從三個方面進行髕骨骨折內固定方式的比較研究。一是對臨床病例進行觀察及比較研究,大多以Bostman評分標準進行比較,Bostman評分標準包括:關節(jié)運動范圍的大小、有無疼痛及疼痛程度、對工作的影響、股四頭肌的萎縮、是否需手杖、有無關節(jié)積液、有無打軟腿、爬樓梯是否困難等多方面進行綜合評價。該方法主要以臨床恢復效果來間接評估髕骨骨折內固定方式的優(yōu)劣,無法直接了解在相同應力條件下不同髕骨骨折內固定變化程度的差異。二是在新鮮尸

4、體膝關節(jié)進行髕骨骨折內固定模擬,進行比較。該方法系正統(tǒng)地對髕骨骨折內固定進行生物力學的研究,可以直接從生物力學角度比較,但在實驗方法上仍受到不少制約。比如新鮮尸體標本的來源比較困難；需要專業(yè)的生物力學工程實驗室；一具尸體標本只能應用一次,不能重復應用,實驗成本大；無法直接觀察內部克氏針的變形及骨折內部的位移情況；實驗結果不夠直觀形象等。三是理論生物力學研究,即以數學力學模型來進行數值應力分析。
　　 有限元分析即屬于理論生物力學

5、研究。與實驗生物力學相比,有限元分析具有以下特點:(1)有限元法能在不同狀態(tài)下進行模擬,得到不受實驗條件影響的結果,排除了因為實驗條件不同造成的誤差。(2)用有限元分析法對模擬體的結構形狀、材料性能、邊界條件等均可用數學形式概括出來?？芍貜陀嬎?節(jié)約了實驗成本。(3)可以很逼真地建立三維模擬實驗體的模型,并賦予其生物力學材料特性。通過仿真實驗,得到很多其它實驗方法無法得到的數據。
　　 由于以上優(yōu)勢,有限元分析在骨科臨床研究中得

6、到較廣泛地應用,但有關髕骨骨折內固定的有限元研究較少,大多集中在臨床病例觀察及總結性研究和生物力學研究。
　　 雖然南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院骨科陳履平等曾在1989年利用平面九節(jié)點法對髕骨及張力帶內固定以平面問題進行演算,但隨著計算機及軟件的進一步發(fā)展,應用大型有限元軟件進行分析無疑比以前更加準確、全面、形象。
　　 為什么對髕骨骨折內固定采用大型有限元軟件分析較少,考慮原因在于當前髕骨骨折內固定主要是以張力帶內固定的

7、方式,因為固定的鋼絲及克氏針均較細小,以CT或MRI直接掃描方式進行重建較困難,若利用大型建模軟件進行模擬重建,最難的是建立鋼絲張力帶,其構建有3個難點:一是鋼絲張力帶是貼附在髕骨前表面；二是鋼絲張力帶與克氏針接觸的四端,不僅要與髕骨前表面貼附,而且還要與克氏針表面相貼附；三是鋼絲結的構建。由于髕骨前方表面本身非常不規(guī)則,更增加了構建符合上述標準的鋼絲張力帶的難度。因此制約了髕骨骨折內固定有限元的研究。
　　 本課題利用先進的計

8、算機輔助建模、分析技術,對成人正常髕骨進行三維建模、模擬髕骨骨折、張力帶內固定,克服髕骨骨折張力帶內固定的建模難題,成功建立兩種不同髕骨骨折張力帶內固定有限元模型,并進行有限元分析,探討應有現代多種大型軟件對髕骨骨折內固定進行有限元分析的方法和可行性,并通過有限元分析比較兩種髕骨骨折內固定方法的優(yōu)劣。
　　 目的：
　　 1、建立髕骨骨折不同張力帶內固定的三維有限元模型,并對所建模型進行有限元力學分析。
　　 2

9、、探討應用現代多種大型軟件對髕骨骨折內固定進行有限元分析的方法和可行性。
　　 3、通過有限元分析比較兩種髕骨骨折內固定方法的優(yōu)劣。
　　 方法：
　　 1、髕骨模型的建立:選擇1名成年女性志愿者,成年女性志愿者仰臥在CT(Computed tomography,電子計算機斷層攝影)掃描臺上,使用16層螺旋CT掃描機(SIMENS SENSATION16)對該志愿者自足底至大腿中段進行薄層掃描,間距1.25 mm

10、,共獲得489層斷層掃描圖像。將圖像數據以DICOM(Digitalimaging and communications in medicine,醫(yī)學數字成像和通信)格式存入可讀寫光盤,并導入三維醫(yī)學圖像建模軟件Mimics10.01軟件,通過Region growing選擇右側髕骨區(qū)域,提取右側髕骨Polylines,共40層,以IGES(Initial graphicsexchange specification,初始化圖形交換規(guī)范

11、)格式導出后導入Geomagic studio10.0軟件進行去噪、封裝、光滑化,利用該軟件強大的曲面建模功能建立髕骨幾何模型。
　　 2、AO/8字形張力帶鋼絲模型的建立:將Geomagic studio10.0軟件中建立的髕骨幾何模型以IGES格式導出后導入Pro/ENGINEER Wildfire2.0軟件中生成髕骨幾何體,再利用Pro/ENGINEER Wildfire2.0軟件進行測量,取髕骨橫軸分成四等分,縱軸三等分

12、,取外、內1/4,前1/3處作為克氏針固定軸,利用掃描功能,生成兩根折彎的克氏針,直徑1.5 mm,根據AO張力帶和8字形張力帶中鋼絲的捆扎方式分別繪出鋼絲曲線,利用掃描混合生成鋼絲,鋼絲直徑0.6mm。
　　 3、髕骨骨折的建立:取縱軸中點,利用Pro/ENGINEER Wildfire2.0軟件,拉伸生成一與髕骨相垂直平面(Z向),進行分割,分別生成平面上段髕骨(近端骨折塊)和平面下段髕骨(遠端骨折塊),模擬髕骨橫型骨折。<

13、br>　　 4、髕骨骨折AO/8字形張力帶內固定模型(Pro/E)的建立:將建成的髕骨骨折塊、克氏針、捆扎鋼絲在Pro/ENGINEER Wildfire2.0進行裝配,生成髕骨骨折AO/8字形張力帶內固定模型。
　　 5、髕骨骨折AO/8字形張力帶內固定的ANSYS模型的建立:激活ANSYS10.0軟件安裝選項中包含與Pro/ENGINEER Wildfire2.0軟件的接口模塊“Connection for ProEngi

14、neer”。將Pro/ENGINEER Wildfire2.0中的文件直接導入ANSYS10.0軟件中,其中考慮髕骨分為骨皮質和骨松質,為了進行有限元分析時方便建立接觸分析,利用Geomagic studio10.0中的偏移功能,將整個髕骨表面內移1 mm,生成骨松質髕骨模型,在ANSYS10.0中進行布爾運算,生成骨皮質髕骨模型,將骨皮質髕骨模型與骨松質髕骨模型通過Glue黏合在一起,建立完整的兩個髕骨骨折塊。將克氏針及纏繞鋼絲導入A

15、NSYS10.0中,進行裝配,生成髕骨骨折AO/8字形張力帶內固定ANSYS模型。
　　 6、髕骨骨折AO/8字形張力帶內固定的有限元模型的建立:按下表對髕骨骨折兩種張力帶內固定ANSYS模型中各實體進行賦予單元類型及材料參數,進行網格劃分,設置接觸對。生成髕骨骨折AO/8字形張力帶內固定的有限元模型。其中髕骨骨折AO張力帶內固定有限元模型總節(jié)點數:404343,總單元307719；髕骨骨折8字形張力帶內固定有限元模型總節(jié)點數:

16、401853,總單元數:296078。
　　 完整髕骨骨折張力帶內固定模型單元類型、材料特性表
　　 7、邊界條件和荷載的設置
　　 由于髕骨活動度不同關節(jié)面接觸部分不同,屈膝活動90°時,髕骨關節(jié)接觸面在髕骨上方,我們固定髕骨上下方約髕韌帶大小的部分(對髕骨最下端和最上端髕韌帶附著區(qū)進行全約束),在髕骨近端骨折塊上90°關節(jié)面區(qū)施加正向壓力600N,分析模擬屈膝90°時髕骨骨折兩種張力帶內固定術后受力后的位移和

17、變形特點。
　　 結果：
　　 1、髕骨骨折塊應力后向前發(fā)生位移(Z正向),自關節(jié)面?zhèn)?后側)至前側,呈大到小變化,因此張力帶有明顯的Z向加壓作用。(Z軸移位是前后移位,正向為向前)
　　 2、髕骨骨折塊,無論是在雙克氏針平面以上或在雙克氏針平面以下,在應力后均以下位移為主(Y負向),因此張力帶有明顯的對抗股四頭肌的向上拉應力作用。(Y軸移位是上下移位,Y軸正向為向上)
　　 3、髕骨骨折塊在應力后,雖然

18、在雙克氏針平面以上和在雙克氏針平面以下的位移云圖有所不同,但兩者向下移位(Y方向)的絕對值從骨折中心到周圍位移均逐漸減少,因此張力帶有明顯的周圍向骨折端及中心加壓作用。
　　 4、髕骨骨折塊在應力后,在雙克氏針平面以下,右側到左側(X方向)的位移絕對值由大到零再到大,即有明顯的中心向兩側分散作用。而在雙克氏針平面以上,雖有明顯中心向兩側分散作用,但由于鋼絲環(huán)扎的作用,兩側又形成兩個中心,從中心到周圍位移絕對值逐漸減小,有周圍向兩

19、中心加壓作用,起到阻止兩側分散的作用。(X軸移位是右左移位,X軸正向為向左)
　　 5、兩枚克氏針存在著明顯的變形,其變形以骨折端為中心向兩側遞減,起到彈性固定作用,而且兩枚克氏針的變形是不對稱的。
　　 6、克氏針、鋼絲的最大位移主要集中在骨折端上方。
　　 7、克氏針的最大變形位移大于鋼絲的最大變形位移,因此張力帶充分利用了克氏針折彎要優(yōu)于鋼絲的性能。
　　 8、8字形張力帶內固定髕骨骨折在相同荷載下

20、的位移小于AO張力帶內固定髕骨骨折。
　　 結論：
　　 1、AO/8字形張力帶有多向加壓作用,可將髕股作用力轉化拮抗股四頭肌向上的拉應力。
　　 2、對于髕骨橫骨折,8字形張力帶內固定要優(yōu)于AO張力帶內固定。
　　 3、有限元分析結果與生物力學結果相符,建立的髕骨骨折AO/8字形張力帶內固定有限元模型有效；利用現代多種大型軟件對髕骨骨折內固定進行有限元分析的方法可行,可通過有限元分析比較髕骨骨折內固定方