【摘 要】
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研究背景胫骨远端骨折是常见的骨折类型。此处小腿皮肤与皮下软组织直接覆盖在远端的胫骨皮质外侧,皮肤与皮下软组织受到由内固定植入引起的机械挤压常有软组织压力性损伤表现。局部皮肤软组织环境持续恶化将直接影响胫骨远端骨折恢复效果。研究目的通过数值模拟和结构优化方法,探讨一种可用于改善胫骨远端骨折内固定后对局部皮肤软组织生物力学影响的新型内固定植入物的构建方法。材料与方法1.采集志愿者磁共振与计算机断层影像
【基金项目】
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广东省基础与应用基础研究基金（2020B1515120001）； 广东省科技计划,2018B090944002,医疗功能模型3D打印技术在软硬组织外科中的应用,1000万,2018.12-2021.12；
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研究背景胫骨远端骨折是常见的骨折类型。此处小腿皮肤与皮下软组织直接覆盖在远端的胫骨皮质外侧,皮肤与皮下软组织受到由内固定植入引起的机械挤压常有软组织压力性损伤表现。局部皮肤软组织环境持续恶化将直接影响胫骨远端骨折恢复效果。研究目的通过数值模拟和结构优化方法,探讨一种可用于改善胫骨远端骨折内固定后对局部皮肤软组织生物力学影响的新型内固定植入物的构建方法。材料与方法1.采集志愿者磁共振与计算机断层影像数据,测量与分析志愿者小腿远端皮肤与皮下软组织、血管的形态结构与位置关系;通过动物实验研究下肢远端皮肤与软组织等生物材料的材料性质,用以模拟内固定板植入后下肢的力学环境。2.通过理论模型描述内固定体积和皮肤软组织应力、应变、张力等物理量之间的相互关系。通过对志愿者胫骨的三维重建与灰度赋值,构建并验证胫骨远端骨折内固定数值模拟模型,利用拓扑学方法模拟动物骨小梁的分布规律,然后在生理载荷下重新设计内固定结构的布局,并在一系列递进载荷下检验结构优化前后的固定效果与安全性。3.建立胫骨远端骨折内固定植入术后软组织超弹性模型,用以评价结构优化前后,不同体积的内固定结构对局部皮肤软组织形变的影响;建立小腿远端血管流体模型,用以进一步评价不同体积的内固定结构对局部血流动力学的影响。结 果优化后内固定结构（Redesign Plate,RP）与原型内固定结构（Locking Plate,LP）相比:内固定体积缩小了 30%;应变能和最大节点位移的差异没有统计学意义（P＞0.05）;峰值米塞斯应力的差异没有统计学意义（P＞0.05）。在两倍生理载荷条件下,RP中89%的钢板单元和LP中85%的钢板单元低于钢板的宽松允许应力（410 MPa）。对超过严格允许应力（275 MPa）的单元的中心米塞斯应力进行了分析,在轴向压缩载荷条件下,两种结构之间的差异无统计学意义（P＞0.05）;在扭转载荷条件下,RP中内固定结构比LP的低3.08%（P＜0.05）。优化前后LP与RP对皮肤软组织造成的峰值米塞斯应力分别为2726.67 Pa与1832.21 Pa;峰值应变分别为60%与45%。模拟小腿远端三个心动周期内大隐静脉血流显示:LP与RP模型之间,出入口压力差分别为:23.63 Pa与23.12 Pa且出入口之间流速差分别为3.71mm/s与3.80mm/s。结论1.拓扑优化设计的内固定与原有内固定结构在固定模型骨折快位置,限制骨折断端位移的效果一致程度较高;生理载荷下优化后内固定的失效风险较低。2.优化后的内固定对局部皮肤软组织的影响较优化前更小。
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