Crowe I型髋关节发育不良Ganz截骨术不同固定方式的有限元分析

来源 :天津医科大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiao040223
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目的:(1)建立成人髋关节发育不良的三维有限元模型及模型的有效性验证.(2)基于有限元法探究CroweⅠ型髋关节发育不良Ganz截骨矫形后不同固定方式对骨盆力学特性的影响.  方法:(1)对成人髋关节发育不良的患者骨盆进行CT扫描,获取DICOM数据,运用MIMICS17.0软件、Geomagic Studio2014软件、Hypermesh2013软件、Abaqus6.12软件建立完整骨盆三维模型并进行有限元法的有效性验证.(2)利用模型设计软件Solidwork按标准Ganz截骨矫形步骤对骨盆右侧发育不良髋臼进行截骨矫形,同时建立不同固定方式所需要的螺钉及钢板并装配,本研究中设定的四种固定方式的分组分别为平行组、髂骨三维组、髋臼三维组、螺钉联合钢板组.平行组的固定方式为3枚相互平行的螺钉由髂嵴进钉,穿入髋臼骨块内;髂骨三维组的固定方式为3枚两两不平行的螺钉由髂嵴进钉并穿入髂骨块内,且3枚螺钉形成一个类似立体三角形的三维固定结构;髋臼三维组在髂骨进钉的两枚螺钉分别固定髂坐柱和髂耻柱,另1枚螺钉在髋臼骨块的髂前下棘下缘进钉,方向指向骶髂关节,且3枚螺钉两两不平行;螺钉联合钢板组的固定方式为1枚螺钉联合1块骨盆重建钢板,螺钉的位置与髋臼三维固定组的髋臼进钉的螺钉位置相同,重建钢板帖附于截骨矫形后骨盆内侧壁.(3)在Abaqus软件中设置力学加载条件,施加载荷部位为骶骨椎体上终板处,方向为垂直向下,大小依次加载500N、1000N、2000N、4000N,载荷逐渐增大以模拟人体不同负重条件下髋臼受力增加的过程,此过程不考虑步态中髋关节周围肌肉的作用力及髋臼受力方向的改变.有限元模型的边界条件为限定骨盆两侧髋臼完全固定(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3).通过模拟不同负重条件下的Ganz截骨的不同固定方式对骨盆的应力和位移的影响.  结果:(1)通过CT数据采集、软骨及韧带的重建、模型网格的划分等步骤,成功建立髋关节发育不良的完整骨盆的三维有限元分析模型.对比以往文献报道的结果,与本研究所用骨盆模型的应力和位移结果基本一致.本研究建立的骨盆模型可靠.(2)在位移云图上可明显看出骨盆的位移髋臼三维组和螺钉联合钢板组要优于其余两组,表明该两组固定方式的稳定性更好.在相同载荷下,骨盆应力最大值及位移最大值对比结果均为:平行组>髂骨三维组>螺钉联合钢板组>髋臼三维组,表明髋臼三维方式发生固定物周围骨折的可能性更小,骨盆更加稳定.内固定物应力最大值及位移最大值对比结果均为:平行组>髂骨三维组>螺钉联合钢板组>髋臼三维组;有文献报道钛合金的破坏载荷约为600Mpa,结果显示在施加载荷在4000N时,平行组和髂骨三维组均已到达或超过破坏载荷.  结论:(1)本研究利用MIMICS17.0、Geomagic Studio2014、Hypermesh2013软件建立骨盆模型,骨盆模型的有效性验证结果表明此模型可靠,并可用于后续的有限元分析的研究(2)在对髋臼畸形角度较小的CroweⅠ型髋关节发育不良Ganz截骨的最佳固定方式的初步探究中表明,不同固定方式直接影响Ganz截骨术后内固定物及骨盆的Von Mises应力分布;三维固定较二维固定的骨盆稳定性更好,固定物松动或周围骨折的可能性更低;髋臼三维固定可以作为髋关节发育不良Ganz截骨术的有效固定方式.
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