微型钢板固定髌骨分层骨折的有限元模型建立和分析

摘要

目的：在膝关节损伤中，髌骨骨折发病率较高。对于髌骨骨折的治疗，虽有诸多学者提出多种不同治疗方案，但都以张力带为主，且多数是针对髌骨横行或下极骨折。然而在临床上我们也常遇到髌骨分层样骨折，对于此类型骨折的分类、治疗，目前临床上报道较少，仍缺乏统一的治疗策略。对此，我们提出应用微型钢板固定髌骨分层样骨折，并已取得初步临床疗效，现通过对微型钢板固定髌骨分层骨折建立三维有限元模型，来进一步分析该固定方式的应力分布及位移程度，并验证其可行性，为临床治疗髌骨分层骨折的新方案提供可靠的理论依据。
　　方法：利用ANSYS13.0、Mimics17.0、3-matic9.0、Geomagic Studio12.0及PTC Creo Parametric3.0分别对髌骨、钢板及螺钉进行三维建模并进行有限元分析。
　　建立三维模型：将CT扫描膝关节获取的图像数据导入Mimics软件中，利用阈值分割、区域增长、编辑蒙罩等功能创建髌骨整体及松质骨三维图像，并在Geomagic Studio软件中进行去噪、松弛、封装、快速平滑、曲面化等修饰处理，再将图像以STL格式输入3-matic中，利用布尔减运算生成髌骨皮质骨模型。利用PTC Creo Parametric软件按照实际尺寸设计微型钢板及螺钉平面草图，使用拉伸及螺旋扫描功能生成8孔T板及5孔直板各1枚，锁定螺钉11枚，并对微型钢板进行预弯处理，最终将微型钢板、螺钉模型以STL格式输入3-matic软件中，对微型钢板、螺钉及髌骨进行装配，并设计骨折线，生成面网格和体网格模型。
　　有限元参数设定：将建立的正常髌骨及髌骨骨折的有限元模型以CDB格式导入ANSYS软件中，创建模型皮肤及有限元几何体，依次设定微型钢板、螺钉、皮质骨及松质骨的材料属性，包括弹性模量及泊松比。根据实验需求设定各模块间接触面、接触类型并重新划分四面体网格。加载前约束髌骨上下极，对髌骨关节面下、中、上1/3分别施加2.0MP、3.5MP、4.4MP应力，以模拟膝关节屈曲20°、45°、90°时髌骨受力情况。
　　图像后处理：求解出各模型在不同情况下的结果后，插入各模块的等效应力及位移分布云图，并在不同层面对图像进行切割，以便观察各切面上的应力及位移分布。
　　结果：
　　1正常髌骨模型应力分布：三种屈膝角度下，髌骨上下极韧带约束处均有不同程度应力集中。另外，下极区域均有应力集中且与屈膝程度正相关，随着屈曲程度增加，髌骨整体应力逐渐向近端靠近。
　　2髌骨骨折模型应力分布：不同屈膝角度下，两极韧带约束处有应力集中外，髌骨下极应力均较集中，与屈膝程度正相关；钢板均在横行断端处应力最为集中，与屈膝程度正相关，且应力逐渐向两端递减；远、近端螺钉应力亦与屈膝程度正相关，且屈膝越大，应力越向近端螺钉集中；横行骨折断端处均有压力，与屈膝角度正相关，且压力呈现出分布不均——均匀——不均的变化趋势；分层骨折断端处亦存在较小压力，与屈膝角度正相关，且压力呈现出先分布均匀再到分布不均的变化规律。
　　3髌骨骨折模型位移分布：在不同屈膝角度下，髌骨及钢板均呈现出相似的位移规律。在 Y轴方向（即水平方向），从髌骨中间向两极，髌骨及钢板位移逐渐减小；在 Z轴方向（即垂直方向），从钉头至钉尾，位移逐渐增加，且近端螺钉位移垂直向下，远端螺钉位移垂直向上。在Y轴上，髌骨及钢板在横行骨折处的位移与屈膝角度正相关，当屈曲90°时位移最大，约为0.3mm，而髌骨分层骨块在屈曲45°时位移最大，约为0.9mm；在Z轴上，近端螺钉位移与屈膝程度正相关，当屈膝90°时位移最大，约为0.2mm，而远端螺钉在屈曲45°时位移最大，约为0.5mm。
　　结论：
　　1不同屈膝角度下，髌骨下极应力均较集中。
　　2微型钢板置于髌骨张力侧，固定牢固，对横行、分层骨折块均有不同程度加压效果。
　　3微型钢板产生的加压效果与屈膝程度正相关，有利于术后早期活动。
　　4微型钢板治疗髌骨骨折具有明显生物力学优势，特别适用于髌骨分层样骨折。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

前言

材料与方法

1 一般资料

2 方法

结果

1 正常髌骨模型应力分布

2 髌骨骨折模型应力分布

3 髌骨骨折模型位移云图

附图

附表

讨论

1 正常髌骨模型应力分析

2 髌骨分层骨折模型应力分析

3 髌骨分层骨折模型位移分析

4 髌骨分层骨折临床处理

5 有限元在骨科领域的应用

6 本研究的不足

结论

参考文献

综述:髌骨下极骨折治疗进展

致谢

个人简历

一、一般情况

二、个人经历

三、发表论文

四、获奖情况