论文摘要
研究目的通过构建髋臼三维有限元模型，研究如何提高数字化力学模型的仿真度，分析影响有限元骨骼模型仿真度的主要因素。将髋臼有限元模型按不同面积后壁骨折进行拆分，加载并分析髋臼在后壁完整及不同面积骨折情况下应力大小及分布变化；同时探索利用数字化力学模型进行生物力学实验的方法。1、正常髋臼三维有限元模型的构建：通过对大体标本进行薄层CT扫描，利用相关软件重建三维可视髋臼，研究利用平面图像重建高仿真三维影像的方法；再利用有限元分析软件将髋臼力学参数赋值于可视模型上，使其具备力学性能，同时研究如何改进赋值方法，使有限元模型力学性能更接近于大体标本。2、髋臼后壁骨折有限元模型的加载与应力分析：根据临床髋臼后壁骨折常见部位，按不同后壁骨折面积将髋臼三维有限元标本进行拆分，再分别进行加载测试，获取模型应力分布图，记录髋臼各壁的应力改变。结合临床病例资料，分析后壁骨折对髋臼受力分布的影响，对髋臼后壁骨折的整复提出建议，同时研究利用数字化有限元模型替代传统大体标本进行生物力学实验的方法。实验方法1、选择新鲜成人男性大体骨盆标本一具，先行X线检查以排除损伤、退变等病理变化；再对标本进行螺旋CT扫描，成像过程中要求标本保持相对静止。获取骨盆系列断层图像，将图像按顺序导入利用Mimics10.01软件，重建骨盆三维可视模型；再利用FreeForm软件对模型进行修饰处理，并截取髋骨模型；然后将三维髋骨以IGES格式导入有限元软件Ansys8.0进行力学参数赋值，建立髋臼三维有限元模型。2、按髋臼骨折Letournel分类标准并根据临床髋臼后壁骨折病例常见骨折线位置，进行简化设定，依次按后壁1／3，2／3，3／3面积骨折将髋臼三维有限元模型后壁进行拆分，获得三种髋臼后壁骨折状态的有限元模型；再模拟双足直立位对髋骨约束设定，分别对后壁正常及不同面积骨折状态模型进行加载，获取各模型应力分布图并记录臼顶负重区、髋臼前壁和剩余后壁在不同后壁骨折状态下应力分布大小及改变。结果1、正常髋臼三维有限元模型通过Mimics10.01软件对骨盆断层CT图像进行三维重建，获得骨盆三维可视模型；然后在FreeForm软件系统中对模型进行修饰，平滑模型表面，设定各受力面与界线；并成功截取出髋骨三维可视模型；再将模型导入Ansys8.0中进行各部分材料赋值及网格划分，建立了正常髋臼三维有限元模型，共含节点69440个，三维四面体单元45209个。2、正常髋臼及不同面积后壁骨折条件下应力分布情况按设定骨折线在模型上将髋臼后壁进行拆分后获得髋臼后壁1／3、2／3、3／3骨折的三维可视模型和有限元网格模型。模拟双足直立位，在骶髂关节面垂直向下加载，载荷为300N。正常髋臼模型测试后应力分布图显示骶髂关节面中下部、髋臼前上方、臼顶及上部后壁存在应力集中区域。骨折模型提取数据分析表明随后壁骨折面积的增大，臼顶负重区应力依次增加20％、26％、33％(相对于髋臼后壁完整状态)；以垂直方向应力最为显著；前壁应力依次降低22％、30％、35％；剩余后壁应力依次增加39％、47％、54％。结论1、通过Mimics10.01软件、FreeForm软件、Ansys8.0软件，可以利用大体骨骼标本薄层断面图像构建出其三维可视模型与三维有限元模型。该模型具有较高的形态学及力学仿真度，利用骨骼三维有限元模型进行状态设定、加载分析是一种较好地生物力学测试方法，可以在一定程度上代替大体标本，同时具有信息丰富、经济、可重复性好等优点。2、后壁骨折明显改变了正常状态下髋臼各壁相对均匀的应力分布状态，减弱了髋臼向周边分散负荷的整体效应，使臼顶负重区应力集中，尤其是垂直方向应力增加显著，前壁负重降低，残余后壁应力增加。当髋臼后壁骨折缺损达1／3时，髋关节的负重特征即已发生明显的改变，需要切开复位内固定，修复关节面以维持稳定。