胫骨平台后柱骨折钢板固定的三维有限元分析

论文摘要

目的利用相关软件建立胫骨平台后柱骨折后侧、外侧、内侧、内外双侧四种钢板固定的有限元模型；研究胫骨平台后柱骨折不同内固定模型在轴向载荷作用下平台位移、钢板应力的分布规律,探讨符合力学原理的最佳内固定及手术入路方式。方法选取一名26岁健康男性,普通X-ray摄片排除骨骼病变,应用螺旋CT扫描技术,获得膝关节图像数据,使用MIMICS10.01数字化三维医学影像交互式软件建立正常膝关节三维几何模型,然后在有限元软件MIMICS、HYPERMESH、ABAQUS中建立胫骨平台后柱骨折模型,并分别建立胫骨平台后柱骨折四种钢板固定方式的有限元模型。设定边界及载荷条件,模拟体重60kg的成人双足站立（250N）、单足站立（500N）、慢走（1000N）、快走（1500N）四种工况下胫骨平台后柱骨折四种固定方式下胫骨平台位移、应力分布及钢板螺钉承受应力情况结果（1）在Mimics、HYPERMESH软件中建立了形象、逼真、接近临床实际的胫骨平台后柱骨折钢板固定三维有限元模型。（2）同在250N轴向载荷作用下,外侧钢板固定模型平台最大轴向位移最大,为0.180mm,内侧钢板固定模型平台最大轴向位移值为0.167mm,后侧钢板固定模型平台最大轴向位移值为0.155mm、双侧钢板固定模型平台最大轴向位移值最小,为0.125mm。四种固定模型在轴向载荷为500N、1000N、1500N时,外侧钢板固定模型平台最大轴向位移都最大,内侧钢板固定模型较外侧钢板固定模型平台最大轴向位移值小,后侧钢板固定模型较内侧钢板固定模型平台最大轴向位移值小,双侧钢板固定模型平台最大轴向位移值最小（3）随着载荷增大,四种固定方式下钢板螺钉承受的应力值也随之增大,同在500N轴向载荷作用时,外侧钢板螺钉、内侧钢板螺钉、后侧钢板螺钉、内外双侧钢板螺钉承受的最大应力分别为50.7MPa、51.1 MPa、51.1MPa、59 MPa。总之,在相同载荷作用下,外侧钢板螺钉承受的应力最小,内侧钢板螺钉承受应力比外侧钢板螺钉承受应力大,后侧钢板螺钉承受应力较内侧钢板螺钉承受应力大,内外双侧钢板承受的应力最大。（4）钢板与螺钉衔接处、钉孔处、钢板拐角处应力集中。结论（1）在采用螺旋CT断层扫描影像技术获取的活体计算机数据基础上利用Mimics软件建立三维立体膝关节模型客观、逼真（2）利用Mimics、HYPERMESH、ABAQUS软件建立的胫骨平台后柱骨折有限元模型及钢板内固定有限元模型是有效可行,能反映实际。（3）国内首次以三维有限元的方法分析了胫骨平台后柱骨折不同方式钢板固定治疗的稳定性，结果表明：采用双侧钢板固定胫骨平台后柱骨折时的平台轴向位移最小,承担的应力最大,稳定性最好,是最可靠的固定方法；采用单一钢板固定,则后侧钢板固定胫骨平台后柱骨折时的平台轴向位移最小,承担的应力最大,稳定性最佳,固定最为牢靠。（4）螺钉穿过骨折线的部位是临床上断钉的危险部位,钢板与螺钉衔接处亦是临床上断钉的危险部位。（5）有限元分析分析方法和其他的实物标本的生物力学测试方法各有优点和不足之处,应该相互结合,以弥补彼此不足,最后进行综合分析,才得出更为科学、合理的结果。（6）将有限元分析分析方法应用于中医骨伤科学进行生物力学分析,为中医骨伤科学的现代化与科学化提供了新的思路。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 有限元方法应用于中医骨伤科学中的可行性
• 1.2 胫骨平台骨折三柱分型
• 1.3 有限元方法的简介
• 1.4 MIMICS与ABAQUS有限元软件的简介
• 1.5 本文的研究内容及意义
• 第二章 有限元模型的建立
• 2.1 正常膝关节三维立体模型的建立
• 2.1.1 实验标本
• 2.1.2 实验设备
• 2.1.3 实验软件
• 2.1.4 实验方法
• 2.1.5 实验结果
• 2.2 胫骨平台后柱骨折有限元模型的建立
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验软件
• 2.2.3 实验结果
• 2.3 胫骨平台后柱骨折钢板内固定有限元模型的建立
• 2.3.1 钢板模型的建立
• 2.3.2 螺钉模型的建立
• 2.3.3 钢板固定胫骨平台后柱骨折有限元模型的建立
• 2.4 模型建立的讨论
• 第三章 胫骨平台后柱骨折钢板固定的有限元分析
• 3.1 分析方法
• 3.1.1 定义边界条件
• 3.1.2 施加载荷
• 3.1.3 ABAQUS软件力学分析步骤
• 3.2 四种固定方式下胫骨平台位移分析
• 3.2.1 轴向位移（Z轴位移）分析
• 3.2.2 横向位移（X轴位移）分析
• 3.2.3 前后方向位移（Y轴位移）分析
• 3.3 四种固定方式下钢板螺钉应力分析
• 3.4 骨骼有限元模型局部应力分布情况
• 3.5 小结
• 第四章 中医正骨术中的力学原理
• 4.1 手法复位中的力学原理
• 4.2 小夹板固定中的力学原理
• 4.3 练功过程中的力学原理
• 4.4 讨论
• 第五章 本课题创新点与存在不足及展望
• 5.1 自评本课题的创新点
• 5.2 不足及待开展的工作
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录一 文献综述
• 胫骨平台后侧骨折的诊断及治疗现状
• 参考文献
• 有限元分析法在骨伤科学中的应用现状
• 参考文献
• 附录二 攻读学位期间主要研究成果及发表论文