垂直应力作用下骨盆旋转位时的生物力学研究

目的运用生物力学实验技术在扭转实验机上对垂直并旋转不稳定型骨盆骨折的生物力学特点及其发病机制进行了初步探讨。方法选取正常成人骨盆实验标本12具,模拟正常人在单纯垂直应力作用下、单纯旋转应力作用下、垂直并旋转应力作用下、不同工况时,骶髂关节、髋臼、耻骨支等骨盆关键部位的受力状况,用应变仪获得骨盆各关键点的主应变、主方向,以及骨盆的极限应力及极限扭矩。结果①单纯垂直压缩状态下,在骨盆环结构中,骶髂关节附近(尤以骶骨侧)承载压、拉应变最大,耻骨、坐骨支最小。②单纯扭转状态时,骨盆各点所受拉应变明显增加,尤以耻骨上支处增加最为明显;各实验点中以左骶髂关节髂骨侧所受拉应变最大,而左骶髂关节骶骨侧所受压应变最大,且应变值随着扭矩增加而增加。③骨盆标本在单纯垂直应力状态下的屈服点载荷均值为2860N,极限载荷3600N;在单纯扭转状态下的屈服点扭矩均值为12.5°,极限扭矩15°。④无论在垂直应力或扭转应力下,髋臼前柱应变值均明显高于后柱。⑤耻骨支仅参与维持骨盆环的旋转稳定性,而骶髂关节对于维持骨盆环的垂直及旋转稳定性均至关重要。结论①垂直应力作用下骨盆旋转位时各实验点应变值远高于单纯垂直应力状态或单纯扭转状态。②骶髂关节等后环结构对于维持骨盆环在垂直及旋转应力下骨盆环的稳定性至关重要。     

外旋载荷对骨盆作用机制的三维有限元分析

目的利用骨盆的三维有限元模型研究外旋应力对骨盆的作用机制。方法 1例健康成年男性志愿者进行PET-CT扫描,结果以DICOM格式输出,在PC机上进行三维重建,建立正常骨盆的有限元模型。对模型施加外旋载荷,经计算得到应力、应变及位移云图。结果水平向后加载500N于左侧髂前上棘,应力沿两条途径传导:一条是向内后方经同侧骶髂关节前部至骶骨上部,另一条是向前方经耻骨支、耻骨联合至对侧耻骨;且骨盆前环受力较大。应变以同侧骶髂关节前下方最大,前方的耻骨联合处应变也较大。位移以受力点同侧髂前上棘处最大,同侧髂骨、坐骨及耻骨支位移均较大。结论外旋载荷易造成耻骨支骨折、骶髂关节损伤,或骶骨压缩骨折。     

骨盆前环骨折经皮空心拉力螺钉固定的生物力学研究

目的：通过骨盆生物力学的研究,为前环骨折提供可供选择的临床治疗方式。方法：15具防腐湿性尸体,随机分成三组每组5具。A组骨盆完整,行预试验;B、C两组制成前环骨折模型,B组采用空心拉力螺钉固定,C组采用重建钢板固定。各组均接受不超过500次的循环压力负荷,直至结构衰竭,经动态机械性能分析（DMA）并记录压应力和各方向位移。结果：A组在150N／3Hz模式下出现应力松弛,耻骨支间位移（0．7±0．32）mm;250N／5Hz负荷模式下发生结构衰竭,位移（3．0±0．88）mm。相同的压力／频率耦合模式下,发生松弛时B组位移（1．26±0．49）mm,C组位移（1．06±0．45）mm;发生衰竭时B组的应力为（1010．4±542．46）N,C组为（919．2±409．34）N。结论：拉力螺钉与重建钢板相比,应力足够坚强,基于骨盆的生物力学特点,能够改善前环骨折的治疗。     

垂直不稳定型骨盆骨折两种固定方法的生物力学研究

目的采用传统外固定架和改良外固定架两种外固定方法,研究固定后垂直不稳定型骨盆骨折的生物力学特性。方法7具骨盆标本,其中男性4具,女性3具,年龄17-38岁。制成垂直不稳定型骨盆骨折模型,对骶髂关节均采用前路钢板固定,再分别用传统外固定架及改良外固定架固定后,于静力位测试生物力学数据并进行比较。结果改良外固定架固定时：患侧骶髂关节应变为0-（806.5±76.8）με,骶髂关节纵向位移0-（3.9±0.6）mm,耻骨分离移位0-（5.0±1.3）mm,骨盆整体压缩率2.2%±0.5%,骨盆承受极限压力（1920.0±65.5）N;传统外固定架固定时：患侧骶髂关节应变为0-（1015.3±108.0）με,骶髂关节纵向位移0-（5.2±1.0）mm,耻骨分离移位0-（9.8±2.5）mm,骨盆整体压缩率2.9%±0.6%,骨盆承受极限压力（1513.7±165.7）N。结论改良外固定架固定结合内固定术式较传统术式更符合垂直不稳定型骨盆骨折稳定的要求,为临床提供了一些有参考价值的生物力学依据。     

侧向冲击载荷作用下股骨-骨盆复合体的生物力学响应

目的利用三维有限元分析方法研究股骨-骨盆复合体在人体侧向摔倒时冲击载荷作用下的生物力学行为特性。方法基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织;同时,构建一个刚体平面仿真地面。约束地面刚体,对整个股骨-骨盆-软组织复合体模型施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms。通过三维有限元分析计算获得股骨-骨盆侧摔冲击过程中应力应变变化特性。结果在13 ms时,股骨大转子处软组织与地面的接触力达到最大值7 656 N,对应的骨盆软组织上的最大等效应力值为2.64 MPa。冲击过程中,耻骨联合处骨皮质上等效应力出现极大值,为142.64 MPa,接近其屈服强度;股骨颈和大转子处应力水平较高,股骨颈处皮质骨上的最大等效应力值为76.49 MPa;股骨颈处松质骨上的最大等效应力值为8.44 MPa,最大压缩应变值为0.94%;股骨大转子处松质骨上的最大等效应力值为8.50 MPa,最大压缩应变值为0.93%。结论人体股骨-骨盆复合体在侧摔减速冲击载荷作用下股骨颈、大转子及耻骨联合处易出现骨折。     

坐位骨盆的三维有限元分析

背景：由于骨盆具有复杂的结构,目前对于坐位骨盆的生物力学研究较少,有限元法日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。 目的：以有限元法研究成人正常静态坐位骨盆应力分布。 方法：获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像,利用CT数据通过Mimics 10.0对图像数据进行重建,利用Geomagic,Proe5.0进行实体建模,输入ANSYS。再根据解剖部位建立骨盆主要韧带。对S1椎体上终板施加600 N静载荷模拟坐位时骨盆受力环境,计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。 结果与结论：垂直加载600 N载荷于骶骨上表面时重力由骶骨经骶髂关节向下传递,到达坐骨结节。此时的坐骨结节处承受较大压应力。有限元模型在静载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反应骨盆特有的力学结构特性,模型的准确性较高。计算结果与文献中报道的结果相近,建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具及满足临床研究的需要。     

站、坐位态骨盆应力分布的实验研究

目的：明确骨盆的应力分布，指导骨盆肿瘤瘤段骨切除后骨盆环的重建及人工半骨盆的设计与固定。方法：实验取完整骨盆的新鲜尸体（意外死亡）4具，采用应变计测量方法，对不同状态下骨盆的应力进行分析。结果：站立时，骶髂关节中部、耻骨支、髋关节前上方承受较大的压应变；而坐位时，坐骨支、骶髂关节中下部、耻骨支均承受较大的压应变。结论：站立时应力主要是经髋臼的前上方耻骨、骶髂关节传导，人工半骨盆置换设计与置换时，其结构应予加强，并作到确切固定，尤其是骶髂关节的中下部。     

站立位下骨盆与骨折内固定稳定性分析

目的 构建骨盆与骨折内固定三维有限元模型并验证其有效性。方法 基于骨盆CT扫描图像,利用Mimics、 ANSYS ICEM、 Hypermesh 与ABAQUS软件构建骨盆三维有限元模型,并在S1椎体上垂直向下加载600 N均布载荷,模拟站立位时骨盆受力环境,验证骨盆模型的有效性;同时建立3种不同内固定形式的T型骨折模型,验证3种内固定方式的有效性。 结果 站立位时,应力与位移分布左右对称,应力主要集中在弓状线起点处、耻骨支以及髋臼后上方。骨盆位移分布类似于以骶骨为中心向外传导并逐渐减弱的波浪形,骶骨背侧的骶正中嵴位移最大,髂骨窝、股骨位移较小,并逐渐减小直至股骨,同时发现3种内固定都可增加骨折稳定性。 结论 利用六面体网格建立的三维有限元模型,能够准确模拟站立位时骨盆力学特性,为临床研究提供直观准确的依据。     

锁定加压钢板固定骶骨不稳定骨折的三维有限元分析

目的探讨锁定加压钢板治疗骶骨不稳定骨折的生物力学性能,提供科学依据。方法应用三维有限元方法模拟骶骨Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ区伴同侧耻骨上下支骨折的不稳定骨折,分别应用骶髂螺丝钉、骶骨棒、锁定加压钢板固定骶骨骨折,采用螺丝钉固定耻骨上支骨折,对模型腰5(L_5)椎体施以500 N的轴向应力,计算固定后骶骨及耻骨上支处的位移,并将加载下的骨应力分布同正常骨盆加载下骨的应力分布进行比较。结果三种固定中,骶髂螺丝钉的固定效果最佳,锁定加压钢板的固定效果同骶骨棒相似,三种方法固定后加载下应力分布均同正常骨盆相似。结论采用锁定加压钢板治疗骶骨不稳定骨折是一种可行的方法,尤其适用于伴有髂骨翼骨折的骶骨不稳定骨折或骶骨Ⅱ或Ⅲ区粉碎性骨折。     

组配式人工半骨盆假体重建后耻骨板断裂的非线性有限元分析

背景:目前有限元法应用于骨科相关生物力学分析主要是静态载荷下的研究,评价系统应力峰值及全场应力分布情况。但由于疲劳计算和体内力学环境复杂,很难明确临床相关的生物力学问题。目的:利用步行周期动态载荷分析组配式半骨盆假体重建髋臼缺损后耻骨板断裂的生物力学基础。方法:通过骨盆环三维有限元模型模拟骨盆Ⅱ+Ⅲ区肿瘤切除后骨缺损,并通过CAD软件绘制的半骨盆假体模型进行重建。重建后的三维有限元模型通过Abaqus6.7有限元分析软件分别计算重建骨盆在站立位及步行周期下耻骨板的应力分布情况,明确应力集中位置及耻骨板应力峰值。结果与结论:有限元计算结果收敛,站立位时耻骨板应力峰值为3.5MPa,应力集中点位于耻骨板近中点处;步行周期下耻骨板的应力峰值为273.0MPa,应力集中点位于耻骨板与人工髋臼连接处,与临床观察到断裂的部位一致。提示组配式半骨盆假体耻骨板断裂的原因主要是由于步行周期载荷下耻骨板应力集中部位引起的高周疲劳断裂。     

椎弓根钉━髂骨钉系统内固定治疗骶髋关节脱位的CT影像解剖学研究

目的 探讨基于CT数据建立腰-骶-髂复合体的数字模型,应用数字骨科技术为临床上采用联合椎弓根钉-髂骨钉系统内固定治疗骶髂关节骨折脱位提供理论依据。 方法 采用40例正常骨盆CT平扫数据,用mimics10.0软件进行三维图像重建,并在虚拟的髂骨上模拟髂骨钉的置入,测量不同进钉方向时进钉角度及髂骨钉的解剖参数。 结果 进钉方向Ⅰ：髂骨内外板之间的距离（即容纳髂骨螺钉的最大直径）（6.00±0.84）mm,能置入螺钉的长度（59.97±7.99）mm,TSA（12.48±7.16）°,CSA（56.41±　6.47）°,SSA（29.91±5.55）°。进钉方向Ⅱ：髂骨内外板之间的距离（即容纳髂骨螺钉的最大直径）（6.95±　0.50）mm,能置入螺钉的长度（106.69±8.74）mm,TSA（43.93±6.09）°,CSA（39.25±6.11）°,SSA（19.24±　3.78）°。 结论　数字骨科模型能更好的指导临床上采用椎弓根钉系统治疗骶髋关节脱位。     

Finite element analysis of femoral intertrochanteric fracture treated with intramedullary nail with different lateral wall classifications北大核心

BACKGROUND: At present, there is a controversy on the internal fixation for the femoral intertrochanteric fracture with fracture of lateral wall. The main method is the proximal femoral nail antirotation. The biomechanical study of intramedullary fixation for femoral intertrochanteric fracture with different lateral wall classifications is less. OBJECTIVE: To compare the biomechanical characteristics of proximal femoral nail antirotation in the treatment of femoral intertrochanteric fracture with different lateral wall classifications by finite element analysis, and to explore the influence of lateral wall on the internal fixation of femoral intertrochanteric fracture. METHODS: A healthy elderly female patient was selected. A 3D finite element model of proximal femur and proximal femoral nail antirotation was established by using Mimics 21.0, Geomagic Wrap, Creo 6.0 and Abaqus 2020 software according to the CT scanning data of proximal femur. The proximal femoral nail antirotation assembly model was established by simulating lateral wall stable, dangerous and ruptured intertrochanteric fractures. The Von Mises stress and displacement distributions of three models of internal fixation were observed under the same load in static and walking conditions. RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum Von Mises stress and displacement of A3.3 type intertrochanteric fracture were the largest under dynamic state; the maximum Von Mises stress was about twice of type A2.3, and 2.7 times of type A1.3; the maximum Von Mises displacement was about 1.5 times of type A2.3 and 3 times of type A1.3, and there was no significant difference among the various types under static state. (2) The Von Mises stress A3.3 at femoral neck, fracture end and main nail was larger than that of A1.3 and A2.3 under dynamic and static states, especially at main nail. (3) The Von Mises displacements of femoral head, femoral neck, fracture end, lateral wall, medial wall, main nail and spiral blade in A3.3 type were larger than that in A1.3 and A2.3 types; the change was not obvious under static state. (4) These results suggest that the integrity of the lateral wall can reduce the internal fixation stress, make the stress and displacement distribution more reasonable, and help to maintain the stability of intertrochanteric fracture. © 2023, Publishing House of Chinese Journal of Tissue Engineering Research. All rights reserved.     

骨盆双源CT三维重建及其临床意义

目的 应用双源CT研究骨盆三维重建及其临床意义,为临床诊断,术前预测和手术操作提供解剖学数据.方法 利用骨盆无病变的成年男、女性CT扫描资料各30例.采用SOMATOM Definition双源CT扫描数据,进行骨盆三维重建,观测骨盆解剖标志相互关系.结果 成功重建出骨盆三维图像,该图像可任意角度,任意平面清楚显示骨盆...     

正常髋部与佩戴保护支具髋部的有限元对比分析

背景：有限元法因其具有不受样本量限制,实验误差小,重复性好等优点而成为防滑倒生物力学研究的重要手段。 目的：建立正常骨盆以及佩戴护具骨盆的三维有限元模型,分析滑倒过程中骨盆各部位的应力、应变和位移分布,验证护具的有效性。 方法：以中国数字人原始资料应用Abaqus 6.51软件构建正常骨盆以及佩戴护具骨盆的三维有限元模型,固定约束地面刚体,对整个骨盆模型加载2 m/s的速度载荷,程序运算后观测骨盆模型佩戴护具前后的应力、应变及位移随时间的变化规律和分布云图。 结果与结论：与未佩戴护具比较,佩戴护具时滑倒过程中骨盆与地面的接触力、骨盆与地面产生最大接触力时松质骨最大压缩应变、大转子以及股骨颈周围应变最大值、大转子和股骨颈附近的最大von-Mises应力值、大转子和股骨颈处的平均应力值等均明显减小。提示髋部保护支具对大转子具有保护作用,能有效降低人体滑倒时转子间骨折的发生率。     

可吸收螺钉置入固定简单外踝骨折的有限元分析

BACKGROUND: Compared with the metal screws, absorbable screws have more obvious advantages, such as does not have to conduct internal fixation removal, non-metallic components, no influence on the magnetic resonance imaging of patients after implantation, relatively simple operations, namely drilling-tapping-screws fixation, more in line with the principles of minimally invasive in orthopedics. OBJECTIVE: To investigate the biomechanical characteristics of absorbable screw fixation in repair of simple lateral malleolus fractures by means of finite element technology. METHODS: The three-dimensional model of simple lateral malleolus fractures and absorbable screw model were established, and then fixed according to standard orthopedic surgical techniques. The reference load when the load bearing of fibulotalar joint reaching the peak value in a normal adult gait cycle was loaded. The stress distribution and displacement of fibula and absorbable screws were analyzed. RESULTS AND CONCLUSION: There were totally 38 542 units, 8 790 nodes in the single screw fixation model. When the articular facet of lateral malleolus loading 300 N, the maximum stress of screws was 89.35 MPa, the maximum displacement was 0.5 mm, the maximum displacement of the distal fracture was 0.5 mm. When the articular facet of lateral malleolus loading 450 N, the maximum stress of screws was 152.58 MPa, the maximum displacement was 0.59 mm, the maximum displacement of the distal fracture was 0.77 mm. There were totally 43 115 units, 9 496 nodes in the double screws fixation model. When the articular facet of lateral malleolus loading 300 N, the maximum stress of screws was 38 MPa, the maximum displacement was 0.44 mm, the maximum displacement of the distal fracture was 0.44 mm. When the articular facet of lateral malleolus loading 450 N, the maximum stress of screws was 66.68 MPa, the maximum displacement was 0.48 mm, the maximum displacement of the distal fracture was 0.49 mm. The experiment verified the biomechanical feasibility of absorbable screw fixation in repair of simple lateral malleolus fractures. For simple involving only the lower lateral fibular fracture, absorbable screw fixation is entirely feasible, and usually requires at least two screws to maintain the stability of the articular surface of the reset.       

异常闭孔动脉的形态特点及其临床意义

目的　观察异常闭孔动脉的走形、分布,并对其盆内段进行测量和定位,为腹股沟区相关手术提供可靠的解剖学基础。 方法　解剖研究37侧成人骨盆标本,对闭孔动脉进行观测和分类,并测量闭孔动脉盆内段长度,起始端外径,闭孔管处外径,以及闭孔动脉入闭孔处和髂前上棘与耻骨联合连线中点的距离。 结果　在37侧标本中,异常闭孔动脉出现率为18.92%。异常闭孔动脉与腹壁下动脉共干（1.57±0.12）cm发出,盆内段平均长度（4.05±0.49）cm,起始处平均外径（2.52±0.87）mm,闭膜管处闭孔动脉平均外径（2.14±0.72）mm,入闭孔处和连线中点的距离（3.63±1.29）cm。异常闭孔动脉多与腹壁下动脉共干,之后绕股环或跨过股环,紧贴盆壁下降至闭孔处。 结论　正是由于异常闭孔动脉的特殊性质,在腹股沟区及骨盆、髋区骨折固定手术,甚至肿瘤治疗、淋巴结清除术中,术者当引起重视。     

髂骨翼内板相对于方形区的倾斜角数字化测量及其临床意义

目的 研究正常成人完整骨盆CT扫描三维重建数字化测量髂骨翼内板相对于方形区的倾斜角度,为临床提高髂骨与髋臼骨折复位质量提供影像解剖学参数支持。方法 回顾性研究。纳入2016年1月—2018年12月解放军中部战区总医院行CT三维重建检查的正常成人完整骨盆数据,其中男60例(120侧)、女40例(80侧),平均年龄42.18岁。将数据以DICOM格式导入Mimics 20.0软件,去除周围软组织、骶骨以及双侧股骨,建立完整双侧独立的三维髋骨模型;将髂骨翼分为前、中、后三区,依据骨盆相关骨性标志标记髂骨翼各分区相对于方形区的倾斜角并利用Mimics软件进行测量。比较同性别左右侧、不同性别间相应倾斜角的差异,以及不同部位倾斜角的差异。结果 男性和女性的前、中、后区倾斜角分别为142.40°±5.62°和142.03°±4.82°,130.78°±5.75°和126.37°±6.17°,101.27°±5.40°和100.46°±5.44°。同性别左、右侧前、中、后区倾斜角差异均无统计学意义(P值均＞0.05)。不同性别间前区与后区倾斜角差异均无统计学意义(P值均＞0.05);男性中区倾斜角大于女性,差异有统计学意义(t=5.166, P＜0.05)。髂骨翼内板相对于方形区的前、中、后三区倾斜角逐渐减小,差异均有统计学意义(P值均＜0.05)。结论 髂骨翼内板相对于方形区的倾斜角在不同性别、不同部位有一定变化,该解剖学参数可以为术中指导髂骨与髋臼骨折解剖复位提供参考依据,在一定程度上从整体角度提高骨盆髋臼骨折的复位质量,并能评价骨折的旋转移位情况,弥补Matta评价标准的不足。