后踝骨折對脛距關(guān)節(jié)生物力學(xué)性能影響的有限元研究.pdf

1、目的：
　　 通過有限元技術(shù),建立正常人體站立位踝關(guān)節(jié)三維有限元模型,在模型有效性驗證的前提下,研究如何提高模型的仿真性能。并按照脛骨遠端關(guān)節(jié)面投影圖像,在模型上對后踝部分進行不同范圍的切割,研究在正常應(yīng)力加載下后踝不同范圍骨折脛距關(guān)節(jié)接觸面積、應(yīng)力變化及位移趨勢,在生物力學(xué)方面探討后踝骨折的手術(shù)適應(yīng)癥,并對應(yīng)用有限元數(shù)字模型替代傳統(tǒng)尸體標本的前景進行探討。
　　 方法：
　　 1、對一正常健康成年男性的右側(cè)踝關(guān)

2、節(jié)模擬站立位位置行CT掃描,掃描范圍為踝穴上方15cm至足底,獲得279張橫斷面序列圖像(dicom3.0格式保存為原始數(shù)據(jù))。并輸入有限元建模軟件進行三維有限元重建,通過醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics10.0及逆向工程軟件Geomagic9.0和通用有限元分析軟件ansys10.0,設(shè)定好參數(shù)后得到踝關(guān)節(jié)三維有限元模型,并添加距腓前韌帶、距腓后韌帶、脛腓前韌帶、脛腓后韌帶、三角韌帶等共五組線段組成的韌帶,得到幾何模型后并導(dǎo)入有限元軟件進

3、行網(wǎng)格劃分。最終建立正常的踝關(guān)節(jié)三維有限元模型。并對模型的有效性進行驗證。2、以脛骨遠端橫斷面外側(cè)緣為基準,按照不同的比例沿由內(nèi)向外的方向?qū)篚撞糠诌M行切割,分別模擬后踝1/5、1/4、1/3、1/2程度的骨折。測量人體站立位體重加載下脛距關(guān)節(jié)軟骨接觸面積(contact area)、最大接觸壓力(max contact press)、平均接觸壓力(mean contact press)、最大米塞斯應(yīng)力(max mises stress

4、)、最大位移(max displacement)等參數(shù)。
　　 結(jié)果：
　　 隨著后踝骨折范圍的增加,脛距關(guān)節(jié)軟骨接觸面積呈逐漸減小趨勢,脛骨軟骨的平均接觸應(yīng)力值、最大接觸壓力逐漸增大,最大米塞斯應(yīng)力增加,脛骨相對位移增加。脛距關(guān)節(jié)的應(yīng)力區(qū)主要集中在踝穴的外側(cè)及前外側(cè),當(dāng)后踝骨折面積超過1/3時,關(guān)節(jié)負重區(qū)面積明顯縮小,關(guān)節(jié)位移趨勢明顯增加。
　　 結(jié)論：
　　 1、當(dāng)后踝骨折范圍不超過脛骨遠端關(guān)節(jié)面的1

5、/3時,脛距關(guān)節(jié)接觸面積基本未見變化,可見作為脛骨后結(jié)節(jié)的后踝并不是全部作為有和距骨有效應(yīng)力接觸的區(qū)域。只有后踝骨折面積超過1/3時,涉及脛距關(guān)節(jié)的負重區(qū),影響脛距關(guān)節(jié)的接觸。此時關(guān)節(jié)接觸面積明顯減小,應(yīng)力變化明顯增加,并出現(xiàn)應(yīng)力集中及距骨后脫位趨勢,關(guān)節(jié)相對位移趨勢增加,從而直接導(dǎo)致脛距關(guān)節(jié)軟骨的退變,造成創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎及關(guān)節(jié)失穩(wěn),預(yù)后不佳,具有手術(shù)復(fù)位固定的指征。踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的失常相對接觸性能來說可能是造成創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎另一個重要的因素