不同术式治疗肩锁关节脱位的三维有限元分析

来源 :山东第一医科大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhang123gang
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目的:建立不同术式治疗肩锁关节脱位的三维有限元模型并对其进行力学分析,本文主要通过对TightRope钢板和Orthocord线两种手术方式的模拟,应用Ansys18.0软件,测量两种手术在垂直、水平及轴向方向上再脱位的阈值力量,结合临床进行对比研究,分析并评估治疗肩锁关节脱位的不同手术方式,为临床制定合理、有效、针对性强的治疗方案提供科学依据。方法:本文选取1名健康的成年男性志愿者,年龄27岁,既往无外伤及手术史,无家族遗传病史,无慢性病史。试验已获得参与者知情同意。使用CT扫描志愿者右肩关节的图像,通过CT扫描获得右肩关节骨的边界。扫描的图像数据以DICOM格式导出和存储,以获得用于重建肩锁关节模型的数据源。将DICOM格式的CT扫描图像数据导入Mimics17软件,成功构建了肩胛骨、锁骨和肱骨的三维实体模型。通过Geomagic Studio12软件,对模型进行关节分离和表面光滑处理等逆向处理,以获得一个图像清晰、外表平滑、形态逼真、空间位置相对准确并可任意角度观察的三维实体模型。然后,根据肩锁韧带、喙锁韧带(锥状韧带、斜方韧带)和喙肩韧带的尺寸及附着点建立了韧带模型。本文还通过ANSYS18.0软件创建了肩锁关节的三维有限元模型,删除肩锁韧带和喙锁韧带以模拟肩锁关节脱位并建立上述两种手术模型,按照实验要求及参考文献规定骨骼和韧带均为正交各向同性的弹塑性材料,并设置各材料的相关参数,分别计算两种手术在垂直、水平及轴向方向上再脱位的阈值力量并测量垂直方向上喙锁间距的变化,结合临床进行对比研究,分析并评估治疗肩锁关节脱位的不同手术方式,为临床制定合理、有效、针对性强的治疗方案提供科学依据。结果:通过三维有限元计算发现:TightRope钢板术式在垂直方向上再脱位的阈值力量为493N,喙锁间距上移3.05mm(正常模型喙锁间距为10.56mm),在水平方向上再脱位的阈值力量为150N,在轴向方向上再脱位的阈值力量为150N;Orthocord线术式在垂直方向上再脱位的阈值力量为800N,喙锁间距上移1.68mm,在水平方向上再脱位的阈值力量为720N,在轴向方向上再脱位的阈值力量为850N。可以发现,Orthocord线术式在垂直、水平及轴向方向上再脱位的阈值力量均明显大于TightRope钢板术式,说明Orthocord线术式较TightRope钢板术式固定更牢靠。在垂直荷载的作用情况下,TightRope钢板术式在内固定材料断裂时(即阈值力量时)的喙锁间距是13.61mm,上移28.88%;在垂直荷载的作用情况下,Orthocord线术式在内固定材料断裂时(即阈值力量时)的喙锁间距是12.24mm,上移15.91%。在荷载更大的情况下,Orthocord线术式上移的距离反而小于TightRope钢板术式,也进一步说明Orthocord线术式较TightRope钢板术式固定更牢靠。TightRope钢板术式在水平及轴向方向再脱位的阈值力量相对较小,这是由锁骨骨道和喙突骨道对内固定材料的剪切作用导致,使其在锁骨骨道口或喙突骨道口均可能发生断裂;而Orthocord线术式只存在锁骨骨道的剪切作用,在锁骨骨道口断裂的概率较其他位置略高,又因其是多股固定,应力相对分散并且Orthocord线可沿喙突表面和锁骨骨道进行轻微滑动,故断裂的阈值更大。此外,通过计算观察到两种手术方式只有在内固定物断裂的情况下才会出现再脱位的现象,而且计算过程中并未出现锁骨或喙突骨折的现象。结合临床,两种手术方式均可达到满意复位,关节镜下TightRope钢板治疗肩锁关节脱位具有创伤小、恢复快、无需二次手术取出内固定、美观等优点。然而,该材料昂贵且关节镜技术具有较长的学习周期;Orthocord线治疗肩锁关节脱位具有恢复快、无需二次手术取出内固定、材料价格低、易操作等优点,但创伤较关节镜手术略大。结论:1.Orthocord线术式再脱位的阈值力量明显大于TightRope钢板术式,Orthocord线术式固定更加牢靠。2.两种手术方式治疗肩锁关节脱位均能达到满意复位、牢靠固定,通过结合临床,明确两种手术方式的优缺点,选择更适合患者的手术。3.三维有限元分析可以模拟不同手术方式治疗肩锁关节脱位,客观地计算出不同手术方式模型再脱位的阈值力量,对评价手术效果有一定的参考价值,为临床工作提供科学依据,然后制定更合理、有效和有针对性的治疗方案。
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