不同直径主钉及远端锁钉对交锁髓内钉力学性能影响的三维有限元分析

目的 测定不同直径主钉及远端锁钉对交锁髓内钉刚度及应力分布的影响,为临床髓内钉的选择提供力学依据。 方法 选取临床常用的不同直径主钉及远端锁钉,建立A到F共6组髓内钉和一例股骨横断骨折三维有限元模型,导入ABAQUS进行有限元分析。测量锁钉刚度以及应力分布情况。 结果 各组模型应力均未达到屈服应力,主钉直径越大,刚度越大（P=0.005）;远端锁钉直径越大,主钉最大应力越小（P=0.009）;锁钉最大应力越小（P=0.006）。其中F组模型刚度最大,主钉最大应力,锁钉最大应力最小,分别为670.52 N/mm、276.5 Mpa、168.3 Mpa。 结论 临床常用髓内钉器械直径范围内,主钉、远端锁钉直径越大,交锁髓内钉越稳定。     

髓内持骨动力性髓内钉固定股骨干骨折的三维有限元分析

背景:交锁髓内钉并发症诸如锁钉弯曲或断裂、退出,钉尾或锁钉孔处再骨折仍然存在,基于此,作者所在课题组设计了一种新型的髓内持骨动力性髓内钉。目的:检验髓内持骨动力性髓内钉设计和强度的合理性与安全性,并就其临床应用和改进提出合理建议。方法:分别建立全股骨及髓内持骨动力性髓内钉固定股骨干横形骨折三维有限元模型。对全股骨模型和骨折模型进行垂直加载及步态分析,了解各模型的应力分布和动力加压特点。结果与结论:在承重载荷下,全股骨模型的股骨颈部及股骨干内外侧缘存在较明显应力集中,骨折模型的应力集中部位位于髓内钉顶端及锁钉周围;步态中,全股骨模型的股骨远端1/2前内侧及股骨颈部存在应力集中,骨折模型的应力集中部位位于髓内钉顶端及锁钉周围;髓内持骨动力性髓内钉有断端动力性加压功能。说明这种髓内持骨动力性髓内钉结构合理,具有良好的生物力学性能。     

桥接内固定系统髓内固定治疗锁骨中段骨折的有限元分析

背景：髓内固定治疗锁骨中段骨折已是一种有效且安全的固定方式,然而髓内钉松动移位、钉尾软组织激惹等问题突出。部分带锁髓内钉手术操作难度大,难以推广应用。髓内固定治疗锁骨骨折仍有较大的改进空间,有待设计出一种新型髓内固定产品来减少这些问题。目的：使用有限元分析方法探讨桥接内固定系统髓内固定治疗锁骨中段骨折的生物力学稳定性,为临床应用提供科学参考。方法：利用1名青年志愿者的锁骨CT数据通过相关软件建立锁骨中段横行骨折的有限元模型,根据骨折内固定原则,分别组装成锁定板、桥接内固定系统和钛制弹性钉内固定有限元模型。最后使用ANSYS 15.0软件进行网格划分、施加载荷和数据处理,比较各模型锁骨和内固定的应力分布、最大Von Mises应力及最大位移情况。结果与结论：(1)不同载荷下,桥接内固定系统髓内固定锁骨中段骨折的应力分布与钛制弹性钉固定类似,髓内连接棒在骨折断端附近出现应力集中现象,异同点是桥接内固定系统髓外锁定处出现次级应力集中,使桥接内固定系统组整体应力较钛制弹性钉组更分散;(2)轴向压缩载荷下,桥接内固定系统组锁骨最大Von Mises应力为251.96 MPa,高于其他两组;骨折面...     

有限元法分析不同固定方式在胫骨远端粉碎性骨折骨愈合中的生物力学差异

背景：胫骨远端粉碎性骨折伴软组织损伤的治疗具有挑战性，新型逆行胫骨髓内钉、外置接骨板是重要的治疗手段，但其在骨折愈合不同时期、不同负重情况时的骨折端应变、应力遮挡情况未见报道。目的：通过有限元分析法探讨骨折愈合不同时期逆行髓内钉及外置接骨板的生物力学差异，为临床应用及康复锻炼提供科学参考。方法：利用1名40岁健康男性的胫骨CT数据，建立胫骨远端粉碎骨折的有限元模型，构建胫骨逆行髓内钉、外置接骨板固定模型及骨痂模型并根据骨折的固定原则进行装配。使用ANSYS软件进行有限元分析，比较骨折愈合不同时期时逆行髓内钉及外置接骨板2种固定方式的骨折端位移、胫骨应力遮挡、骨痂应力、胫骨及固定装置应力分布情况。结果与结论：(1)胫骨骨折端相对位移随着骨折愈合的进行逐渐减小，在术后3个月后位移明显减少；术后0,1个月，外置接骨板组的垂直位移及总位移均大于逆行髓内钉组，2种固定方式的Z轴位移(水平内外侧位移)均较X、Y轴位移明显，且接骨板模型的Z轴位移差异最明显；2种固定方式的Z轴位移最大位置均位于胫骨外侧，位移最小位置均位于胫骨内侧；(2)骨折愈合的应力遮挡率随骨折时间延长而逐渐降低；逆行髓内钉的应力遮...     

髓内扩张自锁钉在股骨干骨折中的应用

髓内扩张自锁钉的设计符合股骨干的生物力学特点,其治疗股骨干骨折,不仅可以防止骨折短缩和旋转畸形,扩大了普通髓内钉的使用范围,而且具有手术创伤小,感染率低,骨折愈合率高,功能恢复快等优点.1998年10月～2000年3月我院使用髓内扩张自锁钉治疗股骨干骨折32例,取得了满意疗效.     

髓内扩张自锁钉在股骨干骨折中的应用

髓内扩张自锁钉的设计符合股骨干的生物力学特点,其治疗股骨干骨折,不仅可以防止骨折短缩和旋转畸形,扩大了普通髓内钉的使用范围,而且具有手术创伤小,感染率低,骨折愈合率高,功能恢复快等优点.1998年10月～2000年3月我院使用髓内扩张自锁钉治疗股骨干骨折32例,取得了满意疗效. 　　……     

股骨干骨折髓内钉固定的数字散斑法研究

目的以数字散斑法测试在不同拉力条件下的髓内钉锁钉的形变,为临床上分析锁钉断裂之原因提供依据。材料与方法取4根股骨,制作股骨中1/2交锁髓内钉内固定模型。交锁髓内钉置于股骨干骨髓腔。每具标本分A-D组测试顺序进行测试：A：安装交锁髓内钉模拟骨折愈合;B：在A组基础上股骨中段横形锯断2次,即中点锯断一次,中点下5 cm处行第2次锯断,模拟较复杂型骨折;C：在B组的基础上上端去除一枚锁钉;D：在C组基础上下端去除一枚锁钉。分别测量锁钉形变。在200、300N（牛顿）拉力下,电子万能试验机进行拉力测量,通过相关软件计算得出应变。结果在300N拉力下b组与c组有显著性差异（p〈0.05）。结论骨折内固定远端锁钉易发生断裂,选择髓内钉大小要合适,过大易造成进钉困难。     

国产股骨交锁髓内钉锁钉的生物力学研究

目的 :测定股骨交锁髓内钉锁钉的生物力学变化 ,分析易发生疲劳断裂的锁钉位点。方法 :取成人全长新鲜股骨标本 6例 ,远端用牙托粉包埋固定 ,安装交锁髓内钉与锁钉 ,于MTS试验机轴向加载 0～ 1 0 0 0N ,速度为 50N/s。每 1标本模拟 6个状态 :a正常股骨 ;b骨折愈合 ;c稳定骨折 ;d稳定骨折、远端1枚锁钉固定 ;e不稳定骨折 ;f不稳定骨折、远端 1枚锁钉固定。结果 :各种状态下近端锁钉间应变均无显著性差异 (P >0 .0 5) ;近、远端锁钉之间应变存在显著差异 (P <0 .0 5) ;远端锁钉间应变除a及c外均有显著差异 (P <0 .0 5) ;远端仅 1枚锁钉固定时应变增大 ,第 3枚锁钉在所有状态间应变均有明显差异。结论 :骨折线远端的锁钉易发生断裂 ,尤其是靠近骨折线者 ;尽量以 2枚锁钉固定远端并远离骨折线     

三合一骨融合治疗儿童先天性胫骨假关节的三维有限元分析

背景:对腓骨完整型先天性胫骨假关节进行三合一骨融合可增加假关节愈合处横断面积、减少再骨折发生率,但也改变了胫腓骨的形态及承重生物力学,而这种生物力学改变目前尚不明确.目的:建立三合一骨融合治疗先天性胫骨假关节实现骨性愈合后的骨骼三维有限元模型,分析其在不同应力状态下的Von Mises应力峰值及分布特点.方法:选择湖南...     

不同固定方式治疗儿童肱骨近端骨折的有限元分析

目的 通过有限元方法比较外固定架、克氏针、弹性髓内钉固定儿童肱骨近端骨折的生物力学特性。方法 挑选1名8岁患儿健侧肱骨CT数据,将图像数据导入Mimics 21.0软件,建立粗略肱骨模型,再导入Geomagic 2013构建得到肱骨松质骨与皮质骨三维模型。将上述模型在SolidWorks 2018中与外固定架、克氏针、弹性髓内钉3种固定物完成装配后导入ANSYS 2019中,模拟上肢安静以及前屈、后伸、内收、外展、内旋、外旋7种工况,分析肱骨远端最大位移、固定物最大应力、远端骨折面最大位移。结果 外固定架、克氏针、弹性髓内钉固定模型肱骨远端最大位移的最小值分别出现在后伸(2.406 mm)、外旋(0.203 mm)、外旋(0.185 mm)工况下。结论 外固定架固定儿童肱骨近端骨折最不稳定,弹性髓内钉的生物力学性能优于外固定架以及克氏针固定。     

股骨转子间骨折不同外侧壁分型髓内钉治疗的有限元分析

背景：目前针对外侧壁破损型股骨转子间骨折的手术内固定方式存在争议,以股骨近端防旋髓内钉固定为主流方案,不同外侧壁分型的股骨转子间骨折髓内固定的生物力学研究较少。目的：通过有限元分析比较股骨近端防旋髓内钉治疗不同外侧壁分型股骨转子间骨折的生物力学特点,探讨外侧壁对股骨转子间骨折内固定的影响。方法：选择1例健康老年女性患者,根据股骨近端CT扫描数据,应用Mimics 21.0,Geomagic Wrap,Creo 6.0,Abaqus 2020软件建立股骨近端和股骨近端防旋髓内钉的三维有限元模型,模拟外侧壁稳定型、危险型及破裂型股骨转子间骨折,建立股骨近端防旋髓内钉内固定装配模型。观察在静止及行走2种状况下赋予同等载荷时3种骨折内固定模型的等效应力及位移分布云图。结果与结论：(1)A3.3型股骨转子间骨折在动态载荷时最大等效应力及位移均最大,最大等效应力约为A2.3型的2倍,A1.3型的2.7倍,最大等效位移约为A2.3型的1.5倍,A1.3型的3倍,静态时各型差别不明显;(2)动静态载荷时股骨颈、骨折端及主钉处等效应力A3.3型较A1.3和A2.3型增大,以主钉处明显;(3)动态载荷时股...     

人工股骨头置换治疗严重股骨转子间骨折的有限元分析

目的　建立股骨转子间骨折、人工关节假体的三维数字模型,应用有限元对人工股骨头置换术后的股骨应力分布进行分析,评价置换术后的初始稳定性。 方法　利用螺旋CT对志愿者的左侧股骨进行断层扫描获取图像数据,经Mimics软件和Unigraphics建模软件处理,重建股骨三维模型。在此基础上,建立股骨转子间骨折、标准柄股骨假体三维实体模型,最后利用有限元分析软件Ansys10.0建立人工股骨头置换术治疗股骨转子间骨折的三维有限元模型,并对该模型进行生物力学分析。 结果　应力分析显示：正常股骨的应力由近端向远端逐渐上升,并于中下段达到最高。同时人工股骨头假体的应力集中于中段,与正常股骨的应力变化基本一致。人工股骨头置换没有改变股骨总体的应力模式,股骨距部位未见明显的应力集中区,依然是由近端向远端逐渐增加,应力峰值区域亦于全长股骨的中下段。 结论　标准柄人工股骨头置换治疗股骨转子间骨折不会引起股骨应力分布的明显改变,可以获得重建后的初期稳定。     

三种不同内植物固定治疗老年股骨转子间骨折

背景：治疗高龄患者股骨转子间骨折的内植物有传统的动力髋螺钉、防旋型股骨近端髓内钉、股骨近端解剖型锁定钢板,然而目前哪种内植物治疗方法较好仍存在争议。 目的：分析动力髋螺钉、防旋型股骨近端髓内钉、股骨近端解剖型锁定钢板3种内植物治疗老年股骨转子间骨折的临床疗效。 方法：回顾性分析159例老年股骨转子间骨折患者的临床资料,比较动力髋螺钉、防旋型股骨近端髓内钉、股骨近端解剖型锁定钢板治疗转子间骨折的差别。 结果与结论：①置入后1周、6个月、1年髋关节功能Harris评分：防旋型股骨近端髓内钉组优于股骨近端解剖型锁定钢板组(P < 0.05),股骨近端解剖型锁定钢板组优于动力髋螺钉组(P < 0.05)。②置入后3,6,12个月X射线片显示骨折愈合情况：防旋型股骨近端髓内钉组优于股骨近端解剖型锁定钢板组(P < 0.05),股骨近端解剖型锁定钢板优于动力髋螺钉组(P < 0.05)。提示防旋型股骨近端髓内钉置入治疗老年转子间骨折具有创伤小、固定牢靠、操作简单、骨折愈合率高、愈合时间短、术后髋关节功能恢复好等优点,对于老年股骨转子间骨折患者应优先选择。     

TC股骨转子间骨折半髋假体系统的研制及力学测试

目的针对老年不稳定型股骨转子间骨折,研制一套新型半髋假体系统———TC(Trochanteric Prosthesis Sys-tem)半髋假体系统,以保存粗隆部骨量,达到早期功能锻炼的要求。方法选择1名正常成年男性志愿者,对其双侧股骨进行CT薄层扫描,所得图像信息以DICOM格式储存,导入有限元建模软件建立股骨中上段三维模型。利用计算机Pro/E软件进行半髋假体的辅助设计,计算机数控快速成型技术制造半髋假体的金属模型,在尸体骨上反复验证和修改完善后,开模铸造正式假体。将所研制假体模拟植入人体股骨后进行三维有限元分析。选择1名老年男性的新鲜尸体股骨标本,制作A2.2型(AO分型)股骨转子间骨折模型,模拟手术植入装配所研制的半髋假体系统。按照国家行业标准YY0117和YY0118的要求进行材料的性能测试、假体头颈部疲劳测试、假体柄部疲劳测试以及模拟植入新鲜尸体股骨后的抗压、抗扭转等生物力学性能测试。结果新型股骨转子间骨折半髋假体试样的头颈部、柄体部的疲劳性能测试结果 500万次(8 Hz),假体未断裂或失效;植入新鲜尸体股骨后抗压达到2 kN,试样未失效,抗扭转最大扭矩达到15.5 N.m。有限元分析应力云图显示假体柄与股骨接触应力主要由股骨转子部以下的骨干部所承担,最大平均Von Mises应力值为17.6～26.4 MPa,而大、小转子处的应力水平较低,最大平均Von Mises应力值分别为2.7、4.9 MPa。结论本研究所研制的老年不稳定型股骨转子间骨折半髋假体系统具有操作简便、固定牢靠、充分保存转子部骨量的特点,并且能够达到早期功能锻炼的生物力学要求。     

不同手术方法治疗老年股骨粗隆间骨折效果及其生物力学研究

目的分析股骨近端锁定钢板(locking proximal femoral plate,LPFP)和股骨近端抗旋髓内钉(proximal femoral nail anti-rotation,PFNA)内固定术治疗老年股骨粗隆间骨折的疗效及生物力学性能。方法 106例老年股骨粗隆间骨折患者随机分为LPFP治疗组53例和PFNA治疗组53例,于治疗干预后分别统计两组患者的手术时间、术中出血量、负重时间、骨折愈合时间及术后9个月Harris髋关节功能评分,统计两组患者术后并发症的发生率。取新鲜老年股骨标本10具制备老年股骨粗隆间骨折模型,并将其随机分为PFNA组和LPFP组各5具,于治疗干预后采用力学试验机进行轴向压缩实验、破坏载荷实验和扭转刚度实验,记录生物力学性能指标。结果 PFNA组平均手术时间、负重时间及骨折愈合时间均短于LPFP组(P 0.05),平均术中出血量少于LPFP组(P 0.05),平均Harris评分高于LPFP组(P 0.05)。PFNA组、LPFP组术后并发症总发生率分别为7.56%、18.87%,差异有统计学意义(P 0.05)。骨折模型治疗干预后,PFNA组平均轴向压缩、破坏载荷、扭转刚度均高于LPFP组(P 0.05)。结论 PFNA治疗老年股骨粗隆间骨折创伤小,其良好的生物力学性能可有效促进骨折愈合和髋关节功能的恢复,并显著减少髋内翻和螺钉松动与切割并发症的发生率。     

三维有限元分析角度基台对种植体骨界面应力分布的影响

目的采用三维有限元的方法,分析各种角度基台对种植体骨界面应力、应变分布的影响,为临床使用提供理论参考。方法采用CT薄层扫描,建立含种植体的下颌骨三维有限元模型。模拟咀嚼肌加载,用ALGOR软件分析直基台和10°、20°、30°角基台修复时,种植体骨界面应力、应变分布的不同。结果发用数值和图的形式显示综合应力、最大和最小主应变。直基台修复时,综合应力集中于种植体颈部骨皮质,种植体底部次之。随基台角度的增加,种植体骨界面综合应力、最大和最小主应变值均从集中于种植体颈部转移至底部。结论随基台角度的增加,种植体骨界面应力、应变均增大;30°角基台修复时,其应力、应变增大显著。     

Effects of the bone-plate material and the presence of a gap between the fractured bone and plate on the predicted stresses at the fractured bone

In the present study, 3D finite element models for fractured bones with function-graded (FG) bone-plates and traditional bone-plates made of stainless steel (SS) or titanium (Ti) alloy are generated using the ABAOUS code. The predicted Von Mises stresses at the fracture site and underlying bone-plate are examined at different healing stages. The effects on the predicted Von Mises stresses at the fracture site of the presence of a gap between the plate and fractured bone are also studied. Based on the analytical results, it is found that the stress shielding at the fracture site at the fully healed stages decreases when using FG bone-plates compared to Ti alloy or SS bone-plates. In the initial healing stages, the Von Mises stresses at the fracture site increase (stress shielding decreases) by 17% and 11% when using FG bone-plates as compared to SS bone-plates for contacted and non-contacted bone-plate system, respectively. The significant effects of using an FG bone-plate with a gap on the resultant Von Mises stresses on the bone underneath the plate and on the bone stress shielding should be taken into consideration during fractured bone fixation.     

The potential application of functionally graded material for proximal femoral nail antirotation device

Proximal femoral nail antirotation (PFNA) device is an intramedullary nail system designing for the treatment of trochanteric fractures. It is composed of a helical neck blade, a nail and a distal locking bolt. There were some reports of femoral shaft fractures even after the fractures were healed. The stress shielding effects of the PFNA device made of stiff titanium alloy on the bone-remodeling behavior of the host femur and the uneven distribution of interface shear stress may contribute to this complication. Recently, a new class of composite called functionally graded material (FGM) was developed, that consisted a gradual pattern of material composition and/or microstructures, and was introduced in dental implant and cementless hip stem. Accordingly, in this paper, we hypothesized that FGM might be used as the material of the nail in PFNA device with the material composition of the nail gradually shifting from more stiff at the proximal side of the femur to more flexible 'iso-elastic' towards the distal side. This hypothesis can be evaluated from the long-term remodeling behavior of host femur and the stress distributions in the PFNA device and bone.     

新型锁定钢板与AO-PHILOS钢板固定肱骨近端四部分骨折的三维有限元分析

目的比较分别使用新型锁定钢板固定和AO-PHILOS钢板固定肱骨近端四部分骨折的生物力学表现。方法建立肩关节、肱骨近端四部分及骨折内固定三维有限元模型。通过有限元分析,比较两种骨折内固定模型在肩关节4种外展不同功能位置时应力、位移分布情况。结果肩关节外展0°、30°、60°、90°时,新型锁定钢板的最大位移分别为6.644、7.079、5.850、3.005 mm,而AO-PHILOS钢板的最大位移分别为6.293、6.826、5.774、3.023 mm。两种内固定的最大位移在变化中接近,表明在固定肱骨近端骨折中的稳定性无明显差别。肩关节外展0°、30°、60°、90°时,新型锁定钢板的最大Von Misses应力分别为1 033.0、904.1、888.1、1 062.0 MPa,而AO-PHILOS钢板的最大Von Misses应力分别为743.1、692.4、486.4、393.5 MPa。在不同肩关节外展位过程中,两者总体应力都在逐渐减小,但新型锁定钢板应力减小的范围较大,相对来说,应力分散传递明显。结论新型锁定钢板和AO-PHILOS钢板内固定治疗肱骨近端四部分骨折时,应力分布差异不明显,都表现出稳定的固定效果。但对于有骨质疏松且同时合并大、小结节的肱骨近端骨折时,新型锁定钢板独特的解剖设计及固定效果更具有优势。     

In vitro biomechanical evaluation of antegrade femoral nailing at early and late postoperative stages

The present study addresses the question of evaluating, by combining both experimental and numerical methods, the stress/strain distribution within a standardized composite femur implanted with an anterograde intramedullary nail. A transverse diaphyseal fracture has been introduced in order to evaluate the implant response in the early postoperative clinical stage. By comparing these experimental data with those obtained in the fully healed stage, in which the bone continuity had been recovered, it was possible to get information on load sharing between the bone and the intramedullary nail, location of high strain concentrations, bone relative motion at the fracture site, and stiffness reduction caused by bone discontinuity. Experimental data were correlated with those predicted by a validated 3D finite element model of the complete implant/femur assembly to investigate the full field stress distribution either in the cortical bone, in the nail or in the locking screws. The obtained results suggest that full weight bearing in the immediate post-operating stage should not be allowed since high stress levels are generated in the outer shell of the cortical bone either around the proximal screw hole or the upper locking screw hole. Long-term implant reliability should be guaranteed instead, since after fracture consolidation equivalent von Mises stresses never exceed critical levels neither in the bone nor in the implant.