计算机辅助设计股骨远端个性化解剖型接骨板

背景：现有解剖型接骨板在个性化方面存在缺点及不足。 目的：用CT原始数据建立股骨远端骨折模拟复位后的三维实体模型,并设计个性化解剖型接骨板的三维实体模型。 方法：选取1例左股骨远端骨折患者的CT扫描原始数据。导入Mimics软件,得到股骨远端骨折模拟复位的三维实体模型;用Geomagic软件转换为符合要求的NURBS封闭曲面模型;接着用UG软件设计出接骨板的内外表面,得到模型数据,确定螺钉孔的位置并设计螺钉孔,并对设计好的接骨板进行数控编程。将生成的NC代码输入数控机床,加工出股骨远端个性化解剖型接骨板。 结果与结论：①建立了股骨远端复杂骨折模拟复位后的三维实体模型。②建立了股骨远端个性化解剖型接骨板的三维实体模型及股骨远端个性化解剖型接骨板螺钉系统装配的三维实体模型。③加工出了股骨远端个性化解剖型接骨板模型及股骨远端骨骼模型。模型外形逼真,接近真实情况,具有良好的骨面贴合性和特殊的螺钉孔设计。     

记忆加压接骨器在肱骨骨折治疗中的生物力学分析

目的 分析接骨器对于肱骨骨折的愈合提供的应力环境，分析接骨器在骨折愈合过程中的应力遮挡效应，同时应用骨重建理论分析接骨器加压支提供的应力环境对于骨折愈合的影响。方法 运用三维有限单元法，对新型记忆加压接骨器以及肱骨分别进行三维有限元计算。结果 肱骨骨折段始终处于三向压应力状态，剪应力不会引起骨内部的剪切破坏，同时接骨器固定后肱骨产生的变形很小。接骨器在环抱支的腕部产生大的弯矩，产生的应力较大。结论 加压支提供的持续压应力使接骨器产生的应力遮挡效应消失，肱骨的压应力刺激在骨折愈合过程中不断得到改善。     

锁定加压接骨板固定股骨骨干骨折生物力学特征的三维有限元分析

基于人体股骨CT数据,结合股骨骨折不同阶段的结构特征,建立了锁定加压接骨板(LCP)固定股骨中部骨折的医学装配模型,运用三维有限元分析(3D-FEA)方法,选择一倍体重(70kg)生理载荷和约束条件,计算分析锁定加压接骨板固定股骨骨折在不同愈合阶段时股骨及LCP中的应力分布。结果表明,在骨折部位未发生愈合阶段与软组织形成阶段,股骨及LCP中应力分布相近,股骨内最大应力值(371.23、272.76MPa)远高于自然股骨,且应力主要分布于骨折处以上部位股骨;在骨痂形成阶段,部分股骨内应力向下转移,最大应力值(68.17MPa)较前两阶段明显降低且低于正常骨的极限强度,安排适当的康复训练有利于新骨生长和患者康复。     

肿瘤型膝关节置换后股骨-假体-胫骨复合体生物力学响应

目的研究肿瘤型铰链式膝关节置换术后股骨-假体-胫骨复合体正常站立状态下的生物力学响应,探讨病人术后发生股骨穿孔的原因,为肿瘤型铰链式人工膝关节假体的优化设计与制造提供理论基础。方法兼顾CT及三维光学扫描数据建立股骨远端骨肉瘤瘤段切除肿瘤膝关节置换后的病人股骨-假体-胫骨有限元模型,并进行相关有效性验证,从而进一步分析人体站立状态下股骨-假体-胫骨复合体的应力分布及应力遮挡现象。结果 (1)在站立加载状态下,相对胫骨,股骨的应力明显更大且集中分布趋势显著,股骨前1/3区域应力较大,呈现应力遮挡效应。(2)由于模型基于临床病人几何及骨质特征建立,股骨应力集中位置与临床中病人股骨穿孔位置接近,表明在施加自身重力状态下可能发生与病人病症一致的股骨损伤行为。结论肿瘤型铰链式膝关节假体植入后,由于假体髓针深入骨髓腔,正常站立状态下亦对骨髓腔产生一定的压力;由此产生的应力遮挡效应以及假体髓针与特定骨髓腔的匹配情况均可能引起股骨应力集中,从而将可能引起股骨开裂,甚至穿破,影响手术质量。建议术前优化假体设计以减轻或避免此类现象,从而减少术后患者的并发症发生率。     

动力髋螺钉与锁定加压接骨板置入内固定治疗高龄老年股骨转子间骨折的效果比较

背景：治疗股骨转子间骨折的内固定有动力髋螺钉、Gamma钉、股骨近端交锁髓内钉等,究竟使用何种内固定目前仍存在争议。 目的：比较传统动力髋螺钉与锁定加压接骨板治疗老年股骨转子间骨折临床疗效的差异。 方法：2007-06/2010-03收治老年股骨转子间骨折96例,分别采用动力髋螺钉与锁定加压接骨板治疗各48例,两组患者性别、年龄、骨折类型、致伤原因等情况匹配。股骨近端锁定加压接骨板采用00Cr18Ni14Mo3不锈钢、Ti6Al4V钛合金或纯钛,部分钛合金或纯钛产品表面经阳极化处理,非灭菌包装。动力髋螺钉内固定弹性模量接近人体骨,耐体液电解,耐腐蚀强,性质稳定。比较两组患者手术时间、术中出血量、伤口引流量、骨折愈合时间及内固定后髋关节功能恢复情况。 结果与结论：与动力髋螺钉组相比,锁定加压接骨板组的手术时间及骨折愈合时间均明显缩短,术中出血量明显减少(P  < 0.01)。锁定加压接骨板组髋关节功能恢复优良率显著高于动力髋螺钉组(94.6%,87.9%,P < 0.01)。提示与传统动力髋螺钉相比,锁定加压接骨板内固定治疗高龄股骨转子间骨折生物力学更合理,操作简便、微创、固定稳固、骨折易愈合,尤其适用于骨质疏松或老年患者。     

锁定接骨板外置治疗42A3型骨折的生物力学分析

目的：构建锁定接骨板外置治疗胫骨干横形骨折（AO-OTA分型：42A3型）的模型，运用有限元分析的方法，分析不同骨折断端分离间隙时，接骨板、螺钉及胫骨的应力及分布情况，并为该治疗方案提供理论依据。方法：获得1名健康志愿者左侧胫骨的CT扫描DICOM图像，使用Mimics 21.0软件、Geomagic Studio 2014软件、SolidWorks软件、Hypermesh14.0软件、MSC.Patran 2019软件和MSC.Nastran 2019软件建立接骨板外置治疗不同骨折分离间隙的42A3型骨折有限元模型，并通过有限元分析胫骨、接骨板及螺钉的最大应力值及分布情况。结果：在0.2～2.0 mm分离间隙下，随着骨折断端分离间隙增大，力加载终止时刻及力加载全程胫骨、接骨板、螺钉最大应力值均呈上升趋势；且接骨板最大应力值>螺钉最大应力值>胫骨最大应力值；接骨板最大应力值在接骨板第3、4、5板孔附近；螺钉最大应力值在第3螺钉尾部；胫骨最大应力值出现在骨折断面处；胫骨、接骨板、螺钉力加载全程最大应力值均大于其自身力加载终止时刻最大应力值。结论：当42A3型骨折断端分离间隙小...     

新型无柄股骨假体应力分布的有限元分析

目的　通过对比传统有柄股骨假体的应力分布来研究新型无柄股骨假体的生物力学性能。方法　利用真实人体股骨上端的CT扫描图像，建立完整股骨、两个或三个固定螺钉的无柄假体、传统有柄假体的三维有限元模型。模拟人单腿直立的载荷情况，分析和比较每种模型的Von Mises应力分布。结果　(l)无柄假体股骨上的Von Mises应力比传统有柄假体和完整股骨上的都要高；(2)与传统有柄假体相比，防止了应力遮挡效应的产生。(3)两个或三个固定螺钉的无柄假体在股骨的Von Mises应力分布上没有明显差别。结论　新型无柄假体可以防止应力遮挡效应，和传统有柄假体相比能够使股骨上的应力分布更加符合实际的生理情况。     

一种股骨头假体个性化设计方法研究

为解决人工髋关节置换手术后假体无菌松动等并发症,适应假体个性化快速设计和制造的需求,对假体设计方法进行研究.采用医用CT技术、计算机辅助设计和有限元计算分析相结合的方法,依据患者股骨髓腔解剖形状和置换要求设计髋关节假体;用有限元软件ANSYS建立股骨的三维有限元模型,并自主开发计算机程序计算得到股骨的材料参数,在股骨有限元模型中实现股骨材料的非均匀及各向异性描述;用计算机仿真植入了定制髋假体的股骨--假体系统后的接触问题;分析对比股骨在术前术后的应力、应变大小及分布,检验假体设计的合理性;定量地确定股骨在手术后所产生的应力遮挡效应的程度,研究结果表明这种假体设计和分析方法更为合理、可靠,为优化设计假体和评估假体植入后的长期稳定性提供了基本方法.     

应力松弛接骨板对骨应力遮挡率影响的实验研究

将螺孔部衬有不同数量、不同厚度聚乙烯垫圈的３１６Ｌ不锈钢接骨板置于２０根聚甲基丙烯酸甲酯模拟骨中段。分别在固定后不同时期测定不同载荷下接骨板内二螺孔间的外表面及接骨板对侧模拟骨中段的应变值，从而计算出应力遮挡率。结果发现，有垫与无垫接骨板组在术后１０周内的应力遮挡率无统计学差异，１０周以后两组间出现显著性差异，无垫组保持不变，有垫组的应力遮挡率逐渐下降。在垫圈厚度相同时，衬垫数量越多（本实验最多采用４孔４垫），后期应力遮挡率下降越明显。表明应力遮挡率的变化与垫圈数量关系密切。     

应力松弛接骨板对骨应力遮挡率影响的实验研究

将螺孔部衬有不同数量、不同厚度聚乙烯垫圈的３１６Ｌ不锈钢接骨板置于２０根聚甲基丙烯酸甲酯模拟骨中段。分别在固定后不同时期测定不同载荷下接骨板内二螺孔间的外表面及接骨板对侧模拟骨中段的应变值，从而计算出应力遮挡率。结果发现，有垫与无垫接骨板组在术后１０周内的应力遮挡率无统计学差异，１０周以后两组间出现显著性差异，无垫组保持不变，有垫组的应力遮挡率逐渐下降。在垫圈厚度相同时，衬垫数量越多（本实验最多采用４孔４垫），后期应力遮挡率下降越明显。表明应力遮挡率的变化与垫圈数量关系密切。     

全髋表面置换术后与正常股骨近端生物力学比较

目的 通过三维有限元方法研究全髋表面置换术后股骨近端骨质区应力分布的变化。方法 采用64排螺旋CT扫描获得正常股骨近端图像数据,重建股骨近端的三维有限元模型,对金属对金属全髋表面置换术后股骨近端和正常股骨近端应力分布进行量化研究,分析术后生物力学环境的变化。结果 髋关节表面置换术后,股骨头近端上、前、后、下方4个区域均出现明显应力遮挡,应力峰值分别为0.60、0.57、0.66、0.79 MPa,遮挡率分别为99.80%、99.16%、98.92%、96.66%。股骨头远端大部分区域出现了应力增加,其中应力遮挡只出现在股骨头远端的后方区域,遮挡率为4.92%。术后股骨颈近端前方区域出现了应力增加,在上、下、后方区域出现了应力遮挡,遮挡率分别为16.48%、22.75%和7.83%;股骨颈远端下方区域出现了应力增加,其余区域出现应力遮挡。大粗隆区出现应力增加9.22%;小粗隆区域和股骨颈基底区出现应力遮挡,遮挡率分别为2.49%、14.44%。结论髋关节表面置换术后股骨近端大部分区域的应力分布和正常股骨相比非常接近,应力传递接近生理状态,可有效避免术后股骨近段明显的应力遮挡,同时保留了骨量,有利于患者正常的生理活动。     

股骨颈内固定系统固定股骨颈基底部旋转截骨的有限元分析

目的 采用有限元分析法比较股骨颈内固定系统（FNS）和空心螺钉作为治疗股骨头坏死的旋转截骨术中内固定装置的生物力学特性。方法 采用虚拟有限元建立中日友好医院分型L2型股骨头坏死模型,模拟前旋90°和后旋180°的旋转截骨术,分别模拟植入FNS（FNS组）及空心螺钉（空心螺钉组）,分析股骨近端截骨块、内固定装置、坏死区的应力分布及位移和股骨的位移。结果 前旋90°和后旋180°模型中,FNS组股骨近端截骨块、坏死区的应力和股骨近端截骨块、内固定装置、坏死区、股骨的位移均小于空心螺钉组。FNS组股骨近端截骨块和坏死区的应力峰值比空心螺钉组减少明显,近端截骨块应力峰值减小47.45%和13.64%,坏死区应力峰值减少44.96%和35.52%。结论 与空心螺钉相比,无论截骨后向前旋90°还是向后旋180°,FNS提供了更好的生物力学稳定性。     

不同材料人工髋关节假体对骨界面应力分布及生物力学的影响

BACKGROUND: During joint replacement, different materials of prosthesis can be used. Different prosthesis can produce different effects and the stress distribution of bone interface. OBJECTIVE: To explore the effects of different materials on the stress distribution and biomechanics of the bone interface of artificial hip joint. METHODS: The CT scan of the hip was carried out. The image data were saved in DICOM format and processed by MIMICS software. The 3D finite element model of the femur was obtained by ANSYS. A three dimensional finite element model of the femur was made with the material properties of the femur. Three kinds of different replacement prosthesis materials (Co Cr Mo alloy, titanium alloy and composite materials) were selected, and the specific requirements of the actual joint replacement were selected, and different types of prosthesis were designed in CAE software. In the STL format, the prosthesis model was imported into MIMICS, and the femur and prosthesis were assembled. The stress status of different prosthesis was analyzed, and the stress shielding rates of exterior and interior sides of middle and lower parts of the femur, right to and 30 mm below lesser trochanter and right to lesser trochanter of the proximal femur were calculated. RESULTS AND CONCLUSION: Through three-dimensional finite element analysis, a direct and accurate model of the femur and the three-dimensional model of the prosthesis were established. According to the actual situation, material assignment of the femoral three-dimensional finite element model was conducted to obtain the corresponding model. Thus, the properties of different materials of the femur were shown visually. The femoral stress of cobalt chromium molybdenum alloy, titanium alloy, and composite material was simulated after replacement. Results found that the stress shielding rate can decrease in the middle and lower parts of the femur. After replacement, the femoral stress is higher than that of the intact femur. The experimental results show that the stress shielding of the joint was performed after joint replacement with Co Cr Mo alloy, titanium alloy and composite materials. Among them, the composite material is more close to the actual physiological environment of the human body, and it can better reduce the stress shielding effect, and is beneficial to the stress from the prosthesis to the femur.      

钉棒内固定Tile B2型骨盆骨折的生物力学效果

目的通过对比钉棒系统和钢板内固定Tile B2型骨盆骨折的生物力学行为,研究钉棒系统固定骨盆骨折的有效性。方法构建包含韧带结构的正常骨盆和2钉、3钉患侧、3钉健侧、钢板内固定Tile B2型骨盆有限元模型,在S1椎体上施加500 N均布载荷,模拟骨盆在双腿站立、单腿站立和坐位下的受力情况,对比正常骨盆与钉棒内固定、钢板内固定骨盆的位移和应力分布。结果钉棒系统和钢板均能对骨盆骨折进行有效固定,两者显示出与正常骨盆相似的位移和应力分布。各内固定中,3钉患侧内固定骨盆的最大位移在各工况下均最小,同时其应力水平明显低于其他内固定,双腿站立下其最大等效应力比2钉、3钉健侧和钢板内固定分别降低30.4%、20.8%、20.3%;坐位下分别降低31.8%、25.4%、18.5%;单腿站立下分别降低-6.5%、28.0%、61.1%。结论钉棒系统能够对Tile B2型骨盆骨折进行有效固定,且3钉患侧固定效果最佳。研究结果能够为临床骨盆骨折的方案选择提供理论依据。     

有限元分析LISS-DF治疗股骨远端骨折近端螺钉单双皮质不同组合固定方式的应力分布*☆

背景：如何确定LISS-DF近端螺钉单双皮质合理搭配的固定方式,以便达到骨折两端螺钉固定强度的相对平衡,降低锁定钢板、螺钉和骨皮质之间的剪切应力,避免螺钉的应力集中,产生更有效的治疗结果是避免内固定失败的关键。 目的：对LISS-DF钢板治疗股骨远端骨折近端螺钉单双皮质不同组合的固定方式进行有限元分析及力学评价。 方法：在ANSYS 9.0软件中建立LISS-DF钢板固定股骨远端骨折(AO/OTA33-A3型)的实体模型和有限元模型。在近端螺钉单、双皮质不同组合固定方式下,通过模拟生理应力做轴向加压、扭转实验,同时评估近端螺钉的应力变化。 结果与结论：在16种不同组合方式中,当近端螺钉组合为1,3单2,4双皮质固定时,近端4枚螺钉的应力均值最小为24.219 75 N,同时剪切应力均值亦为最小,位移变化与其他组合固定方式相当且均较小。提示近端螺钉靠近骨折端处双皮质固定,其余螺钉依次单双皮质交替固定时,LISS-DF系统应力分散,抗拔出和抗扭转效果好,从而减少钢板螺钉早期的松动脱落。 关键词：应力分布;LISS-DF;股骨远端骨折;内固定;有限元分析 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.04.002     

钢板固定对犬胫骨生物力学性能影响的实验研究

钢板内固定后所致的局部骨质疏松是钢板取出后再骨折的主要原因。方法:本实验采用316l医用不锈钢制成的三种不同力学性能的4孔钢板固定在犬完整胫骨中段,以单纯普通皮质骨螺丝钉固定作对照组。用静态应变仪测量不同条件下的胫骨应变值,观察活体骨组织不同时期骨CT片灰度变化及测试扭力。结果:上述不同的方法固定均可使局部产生骨质疏松,其程度与钢板的刚度成正比关系,但随时间延长这种骨质疏松可逐渐减轻。生物力学测试表明随着骨质疏松的减轻,骨质的力学性能亦逐渐恢复,但术后5个月时仍未恢复到固定初期水平。     

髋关节置换前后不同步态下股骨应力分布

目的探讨人工髋关节置换(total hip replacement,THR)前后慢走及上下楼梯两种不同步态下股骨的生物力学性能,为髋关节假体的优化设计和制造提供理论基础。方法建立人工髋关节股骨的三维有限元模型,并进行有效性验证;计算慢走和上下楼梯时THR前后股骨的应力分布及应力遮挡率。结果慢走运动时,THR前股骨应力由近端到远端逐渐递增,在股骨中下段达到最大,最大应力为90.6 MPa;THR后股骨出现应力遮挡现象,股骨的应力幅值有所下降,最大应力为82.5 MPa,股骨近端假体周围大转子附近股骨遮挡率最大,总体遮挡率为14.9%~99.0%。此外,假体颈部出现过大的应力集中现象。上下楼梯运动时,股骨应力分布的变化规律与慢走运动时大体相似,但应力遮挡效应更为明显。结论植入假体后,上下楼梯时股骨近端出现较大应力遮挡,并且假体自身出现过大应力集中,会影响THR手术质量,建议病人在术后应尽量减少关节角变化较大的运动。