成人髋臼发育不良髋臼内壁内移截骨的有限元分析

背景:成人髋臼发育不良晚期并发髋关节骨性关节炎常需行全髋关节置换.由于不同患者髋臼病变的严重程度有很大差别,导致重建髋臼时难度明显增加,而髋臼内壁内移截骨能良好解决对臼杯假体的包容,但对截骨后髋臼内壁的内移范围仍存有争议.目的:通过计算机辅助设计有限元分析,寻找髋臼内壁截骨的合适内移范围.方法:利用SolidWorks 2008软件建立髋臼发育不良骨盆的三维模型,模拟髋臼内壁内移截骨术式,使髋臼内壁骨从未完全陷入盆腔内保持2 mm骨性接触处开始,逐渐内移至完全陷入盆腔内7mm处,每隔1 mm为1个实验组,分成10个实验组.将每组髋臼人为划成4个象限,分别对各组假体髋臼-骨界面间进行计算机模拟对比力学实验分析,测量出髋臼假体-骨界画间的Mises应力及剪切应力值.结果与结论:第1,5,6,9,10组在后下、前上、前下3个象限内的Mises应力分布不均匀;第2,3,4,7,8组在后下、前上、前下3个象限内的Mises应力分布均匀,其中第4组Mises应力分布更为均匀.第2,3,4,7,8组在上述3个象限内的剪切应力分布均匀,第7,8组剪切应力最小.提示关节力在髋臼内的分布主要集中在后上象限,随着臼杯不断内移,臼杯与骨的接触面积会逐渐增大,从而增加接触面上的Mises应力,但剪切应力随髋臼内壁的内移而减小.因此髋臼内壁截骨合适的内移范围在未入盆腔内1 mm到完全陷入盆腔1 mm,最佳位置在完全陷入盆腔1 mm处.     

基于DICOM数据快速构建髋臼三维有限元模型

目的:为了能够提高髋臼组织有限元分析研究的水平,拟探讨利用多层螺旋CT获取髋臼骨扫描的DICOM数据,进而快速地建立高精度的髋臼骨三维有限元模型的方法。方法:2006-01采用上海长海医院多层螺旋CT对标准成年男性自愿者行髋臼CT扫描成像得到髋臼每层横截面图像,应用DICOM数据和Mimics软件行三维重建,结合有限元分析软件PATRAN2005R2构建髋臼三维有限元模型,同时在该模型上模拟单腿站立位时受力分布,对比国内外的实验结果进行检验。结果:利用所得数据建立了髋臼三维有限元模型,共19348节点,113028个单元,完整重现了髋臼复杂的形态,得到了皮质骨、松质骨、软骨等结构鲜明、直观的印象;单腿站立位的应力分析显示与以往实验结果基本相符。结论:运用Mimics软件提供了更为简单有效的建模方法,基于DICOM数据的三维有限元模型几何形状较准确,分析结果可信,所建立的髋臼三维有限元模型可以模拟髋臼生物力学实验。     

包含直径和长度连续变化种植体骨块三维有限元模型的建立

目的:利用计算机辅助设计软件与三维有限元分析软件的参数双向传递功能,建立包含直径和长度连续变化的种植体骨块三维有限元模型。方法:实验于2005-03/08在西安理工大学机械与精密仪器工程学院完成。①CAD(ComputerAidedDesign)计算机辅助设计软件(Pro/EWidefire2.0,ParametricTechnologyCorporation,USA)。AnsysWorkbench10.0有限元分析软件(SASIP,Inc,USA)。②应用CAD软件在计算机上建立包含修复体上部结构和种植体的下颌后牙区骨块。以第一前磨牙的横断切面作为基底面,将其进行近远中的拉伸形成三维的下颌骨骨块。牙槽嵴顶的皮质骨厚度变化为1.9～3.1mm,松质骨的近远中未被皮质骨包绕。模拟一圆柱形种植体,同时模拟高5mm的基台,基台和种植体简化为一个整体,在基台上模拟2mm厚的瓷修复体。设定种植体直径(D)和种植体长度(L)为变量,D变化范围为2.5～5.0mm,L变化范围为6.0～16.0mm。建成后三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性,利用AnsysWorkbench10.0软件中的Mesh命令,直接对模型进行智能网格划分,进行有限元分析。结果:在直径为3.5mm、长度为13.0mm时的颌骨VonMises应力分布云图上,VonMises峰值位于种植体颈部密质骨区。结论:应用AnsysWorkbench软件与CAD软件的参数双向传递的功能,使得种植修复中种植体直径和长度均连续变化的三维有限元模型建立得以实现。     

螺旋CT测量腭中缝骨厚度及骨密度的可行性

背景:腭部种植体支抗可以作为一种支抗形式长期承受较大的应力,其置入部位的骨厚度及骨密度是影响种植体成功的重要因素.目前口腔医学临床常用的放射检查手段,如拍摄曲面断层片及头颅侧位片均不能提供腭部骨厚度及骨密度的确切信息.目的:运用螺旋CT对腭中缝骨厚度、骨密度进行测量,期望能为腭部种植体支抗的应用提供参考.设计、时间及地点:测量试验,于2008-07/12在新疆医科大学第一附属医院医学影像中心完成.对象:选取于新疆医科大学第一附属医院医学影像中心行64排螺旋CT扫描患者194例,要求扫描图像中可见硬腭及上颌牙列,年龄18~50岁,按其年龄分为3组,分别为18~30岁组、31-40岁组、41-50岁组.方法:先在三维重建图像上以鼻根为准确定面中线平面为参考平面,在此线上选择1个位于中切牙牙颈部的点,在其矢状位图像上,选取位于口腔内侧骨皮质上距切牙孔后缘6 mm处为标测点,通过此点向硬腭做垂线确定腭骨厚度,测量范围自口腔内腭部骨皮质外侧边缘至鼻腔侧骨皮质外侧边缘.在此位点同时可进行骨密度的测量,取其皮质骨及松质骨密度的平均值.主要观察指标:口腔内侧骨皮质上距切牙孔后缘6 mm处腭中缝的骨厚度及骨密度.结果:男性在腭骨厚度及腭骨密度方面均高于女性(P<0.05),维汉民族间差异均无显著性意义(P>0.05).男性及女性3个年龄段间腭骨厚度及腭骨密度差异均无显著性意义(P>0.05).年龄、腭骨厚度及腭骨密度间无显著相关性.结论:螺旋CT可用于颌骨不同部位厚度及密度的测量分析:在辅助测量到位的情况下,腭中缝区可置入种植体作为正畸支抗.     

Mimics软件在个体化全髋关节假体翻修中的应用

背景：人工髋关节翻修中髋臼骨质缺损常常是难以定位及定量的,因而利用计算机辅助设计与计算机辅助加工技术进行置换前准备可减少髋臼重建的难度及风险。目的：探讨Mimics软件在个体化全髋关节假体翻修中的应用及意义。方法：将全髋关节翻修患者髋关节CT扫描图像数据导入Mimics软件,重建髋关节三维模型。测量髋关节假体前倾角、外翻角、颈干角、股骨头直径、髋臼壁厚度/直径以及假体松动破碎情况,对髋臼骨质缺损范围进行定位以及定量,同时通过模拟翻修,设计植骨范围,拟植入全髋关节假体规格。结果与结论：通过Mimics三维窗口,精确定位该破碎假体,碎片最大纵径预测33.68mm,距离股骨头假体距离48.93mm,距离髋臼假体20.14mm。髋臼选取130.47mm2可视区域平均阈值339.98,骨质缺损区130.47mm2可视区域平均阈值-481.25,缺损面积21.41mm×21.38mm,根据三维模型评估骨质缺损并分类：AAOS分类ⅠB型,Gross分类ⅡA型,Engh分类Ⅰ型。结果证实,在髋关节翻修中借助Mimics软件可优化置换方案及方式,减少并发症,降低置换风险。     

骨盆髋臼模型不同加载方式的力学变化及其临床意义

目的:对模仿站立及坐位两种状态对骨盆髋臼加载后进行三维有限元模型力学分析,观察相关力学参数变化。方法:①湿髋臼标本模型来源于解放军第二军医大学解剖学教研室。髋臼:对一具成年湿骨盆尸体标本行CT扫描成像得到每层横截面图像,提取边界坐标,利用有限元分析软件ANSYS5.6构建髋臼三维模型,并划分为121239个结点、112491个单元。同时将骶髂关节和耻骨联合部位锁定,模仿站立位对髋臼加载,力的方向按股骨颈力线方向,大小为400N(约80kg体质量一半)。分析加载后髋臼的三维力场分布。②骨盆模型:2004-08从自愿者中随机选取正常成年男性,然后行CT扫描。CT扫描范围从第3腰椎至坐骨结节,将扫描后图像用ANSYS5.6软件构建正常骨盆模型,并划分为356710个单元格。固定好正常骨盆模型的两侧坐骨结节,模仿坐位对骨盆加载,于腰椎上施加一竖直向下的力,大小为500N,方向与Z轴相反,通过有限元分析计算获取应力分布图像。结果:①髋臼三维有限元模型模仿站立位加载后在耻骨支、坐骨支、方区部、骶髂关节部、髋臼后壁部有较高应力出现,单元结构所受到的平均等效应力为(11.578～23.437)MPa。②骨盆三维有限元模型模仿坐位加载后在骶髂关节及坐骨结节部有较高应力出现,单元结构所受到的平均等效应力为(15.734～20.286)MPa。结论:实验结论提示,骨盆髋臼骨折的内固定应强调以满足术后早期卧床功能训练为目的的有效内固定,避免早期负重。     

非骨水泥型臼杯位置对植入假体髋臼内应力分布的影响

背景:髋臼假体植入位置对于术后假体的活动范围及防止脱位的发生是至关重要的。髋臼假体植入位置不良将会导致聚乙烯假体磨损率的增加、骨盆周围骨熔解,髋臼假体移位(无菌性松动),但目前对于髋臼植入位置仍无明确的统一标准。目的:探讨臼杯在何种置入角度下髋臼周围应力分布最为合理,验证臼杯置入角度的合理范围,从生物力学的角度为临床手术中臼杯置入的位置提供理论标准。设计:重复测量设计。单位:吉林大学第一临床医院骨关节二科。材料:健康成人男性新鲜尸体骨盆骨一具由吉林大学解剖教研室提供。方法:实验于2005-09/2006-05在吉林大学第一临床医院骨科研究所和吉林大学生物力学研究所完成。取新鲜人体骨盆标本,行螺旋CT断层扫描,得到CT数据二维图像,采用GE medical systems软件系统处理,人工识别骨盆边缘轮廓,将数据输入计算机,利用Solidworks计算机软件建立人体骨盆三维有限元模型。髋臼假体采用天津华北医疗器械厂生产的φ48生物型假体,应用中国测试技术研究院测量仪器研究所生产的CLY系列单臂三维测量仪对髋臼假体进行测量,导出坐标数据,利用三维CAD软件SliodWorks2003在计算机上进行自动化建模。模拟人体单足站立状态,而后对重建的人体骨盆模型进行力的加载与约束,分析髋臼内Mises应力及剪切应力的分布情况,预测术后假体失效的力学危险性。主要观察指标:不同髋臼植入位置下髋臼内Mises应力及剪切应力的分布情况。结果:所构建的人体骨盆三维有限元模型共有103043个节点,69271个单元。在髋臼假体外翻角为40°～50°的范围内,假体外翻角的变化对假体-骨界面间的Mises及剪切应力变化无影响(P>0.05),当髋臼假体外翻角<35°或>55°时,假体外翻角的变化对界面间的Mises及剪切应力将产生显著影响。在5°～30°范围内,髋臼假体前倾角的变化对界面间Mises及剪切应力变化无影响(P>0.05)。结论:臼杯外翻角在40°～50°的范围内,假体-骨界面间的应力分布均匀,不存在因臼杯位置的不同而出现的应力过大或过小区,是臼杯置入理想的安全范围。     

异体皮质骨板不同固定方式的生物力学比较（英文）

背景:同种异体骨内固定材料已用于临床,但因为强度小仅用于应力较小的部位,如何提高其固定的强度以扩大应用范围是目前研究的关键。目的:探讨同种异体皮质骨板采用不同固定方式的强度差异及机制。设计、时间及地点:体外生物力学实验,于2005-10/2006-03在南华大学生物力学实验室完成。材料:防腐尸体上取下股骨27根;同种异体骨板制备成110mm×10mm×3mm的骨板45块;骨螺钉90个。方法:27根股骨制作骨折模型,分为双骨板嵌合组、双骨板骨螺钉组、单骨板骨螺钉组,9个/组。双骨板嵌合组:用2块大小为110mm×10mm×3mm同种异体皮质骨板嵌合固定。双骨板骨螺钉组:用2块110mm×10mm×3mm同种异体皮质骨板和5枚骨螺钉固定。单骨板骨螺钉组:用1块110mm×10mm×3mm骨板和5枚骨螺钉固定。主要观察指标:分别对以上3组进行生物力学实验,测试其压缩、弯曲及扭转刚度和极限载荷。结果:不同固定方式显示不同的力学特征。双骨板嵌合组的抗压刚度与双骨板骨螺钉组相似,高于单骨板骨螺钉组,但抗弯和抗扭刚度显著高于后两组,差异有统计学意义(P<0.05)。双骨板嵌合组压缩、弯曲、扭转极限载荷大于双骨板骨螺钉组(P<0.05),显著大于单骨板骨螺钉组(P<0.01)。结论:同种异体皮质骨板固定的强度与固定方式有关。双板嵌合固定比骨板骨螺钉固定具强度和刚度更大,可满足临床需要。     

骨皮质形态在重建钢板三维固定治疗锁骨骨折中的作用

目的探讨重建钢板三维固定治疗锁骨骨折的生物力学依据及其临床疗效。方法第一种方法为CT扫描10副成人干燥锁骨标本，重建图象上分段测量骨皮质厚度。第二种方法在2003年1月至2006年6月采用切开复位重建钢板三维内固定术治疗锁骨骨折41例，其中粉碎性骨折38例，病理性骨折（骨转移性肿瘤）3例。结果标本CT扫描比较发现锁骨远段上方和近中段前方骨皮质较厚（P〈0．01）；全部病例随访5～15个月，38例粉碎性骨折患者无一例骨折延迟愈合或不愈合及畸形愈合，平均愈合时间3个月；病理性骨折无钢板螺钉松动、断裂。结论重建钢板三维固定治疗锁骨骨折符合锁骨骨皮质的生物力学特性和功能。     

1型糖尿病小鼠下颌骨三维结构及组织形态*

背景：糖尿病是最常见的系统性疾病之一,常引起颌骨及全身其他骨骼结构的变化,以及矿物代谢的异常改变。目的：观察1型糖尿病小鼠下颌骨三维结构以及组织病理学的改变。方法：将小鼠随机分为对照组和糖尿病组,糖尿病组按50 mg/kg 剂量连续5 d 腹腔内注射链脲佐菌素建立1型糖尿病小鼠模型,对照组腹腔注射枸橼酸盐缓冲液。结果与结论：造模3周后,运用显微 CT 技术观察两组小鼠下颌骨三维结构,对其松质骨及皮质骨骨微结构进行定量分析显示,与对照组比较,1型糖尿病小鼠下颌骨感兴趣区域内松质骨骨密度、骨体积分数、骨小梁数量及骨小梁厚度均显著减少(P <0.01,P <0.05),结构模型指数明显增大(P <0.05);皮质骨骨密度、皮质骨面积减少(P <0.05)。苏木精-伊红染色显示,1型糖尿病小鼠脱钙后下颌骨松质骨骨小梁数量及体积均变小。说明链脲佐菌素诱导的1型糖尿病小鼠下颌骨松质骨及皮质骨三维结构明显改变,且松质骨骨组织微结构改变更显著。