斜T型钢板内固定治疗桡骨远端骨折的有限元分析

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目的1建立包含前臂骨间膜、远端背侧尺桡韧带及远端掌侧尺桡韧带的尺骨、桡骨三维有限元模型,并分析其正常受力情况下(包括轴向压缩、轴向拉伸、内旋、外旋等4种情况)的应力分布及传导,验证该尺骨、桡骨三维有限元模型的科学性。为进一步的相关研究建立可靠的基础和平台。2建立桡骨远端骨折(AO:23A2.2)的三维有限元模型及AO斜“T”型钢板的三维有限元模型,在此基础上进一步建立使用AO斜“T”型钢板内固定治疗桡骨远端骨折的三维有限元模型(AO/ASIF指的Association For Osteosynthesis,简称国际内固定研究会)。3分析在压缩、拉伸、内旋、外旋4种工况下使用AO斜“T”型钢板内固定治疗桡骨远端骨折时的应力分布与传导以及发生的位移。分析该内固定方式的稳定性,验证该固定方法的科学性,为临床应用该方式进行内固定提供生物力学理论依据。材料与方法1采用正常尸体上肢标本为对象,应用CT扫描技术、图形数字化方法获取其二维图像与三维坐标,输入重建软件MIMICS8.1,经过图形分割等处理后,建立尺骨、桡骨的三维几何可视化模型。将图形输入Freeform软件进行图形加工光滑化处理,使其更容易进行后续的有限元分析研究。后输入ANSYS8.1,网格划分后赋予其材料性质,建立尺骨、桡骨的三维有限元模型;再在尺骨、桡骨的模型上模拟骨间膜及远端背侧尺桡韧带、远端掌侧尺桡韧带,对模型进行网格划分后,赋予其各自的材料性质,建立包含前臂骨间膜和远端背侧尺桡韧带、远端掌侧尺桡韧带的尺桡骨三维有限元模型。2在尺骨、桡骨三维有限元模型上,确定边界条件,加载负荷。分别模拟从尺桡骨腕关节面轴向压缩100N;从尺桡骨腕关节面施力轴向拉伸100N;桡骨远端施加1NM扭矩进行扭转几种情况下,尺骨、桡骨模型上的应力分布和传导。3在桡骨远端腕关节面上2.5cm处取骨折线来模拟桡骨远端骨折,建立桡骨远端骨折三维有限元模型。测量取得AO斜“T”型钢板尺寸的精确数据,使用ANSYS8.1的前处理程序,建立钢板的三维有限元模型,然后通用布尔运算得出AO斜“T”型钢板内固定治疗桡骨远端骨折的三维有限元模型。4在使用AO斜“T”型钢板固定桡骨远端骨折的三维有限元模型中,确立边界条件,加载负荷。分别模拟从尺桡骨腕关节面轴向压缩100N;从尺桡骨腕关节面轴向拉伸100N;固定肘关节上尺桡骨关节面,桡骨远端施加1NM扭矩进行扭转几种情况。分析应力分布和传导以及发生的位移。结果1建立了包含前臂骨间膜及远端掌侧尺桡韧带及远端背侧尺桡韧带在内的尺骨、桡骨的三维有限元模型。建立了桡骨远端骨折的三维有限元模型(AO:23A2.2)及AO斜“T”钢板三维有限元模型,以及使用AO斜“T”钢板内固定治疗桡骨远端骨折的三维有限元模型。2分析了正常前臂在受轴向压缩100N、轴向拉伸100N、扭转1NM力矩作用情况下,尺骨、桡骨上的应力分布与传导。发现桡骨上的应力集中在远端骨折线附近(也是松质骨与皮质骨交界处)。由此可见本研究中尺桡骨模型上的应力分布及集中的情况是基本符合实际尺骨、桡骨上应力传导情况的。3分析了使用AO斜“T”钢板内固定治疗桡骨远端骨折的三维有限元模型在受轴向压缩100N、轴向拉伸100N、扭转1NM的力矩作用情况下,其应力分布、传导及发生的位移。发现在4种工况下,应力都高度集中在钢板上,压缩拉伸工况下,更是高度集中在钢板颈。而在负荷下发生的最大位移均不影响固定效果,可见钢板起到很好的应力遮挡作用,起到很好的内固定作用,是合适的内固定方式。结论1建立的包含前臂骨间膜、远端背侧尺桡韧带及远端掌侧尺桡韧带的尺骨、桡骨三维有限元模型能模拟尺骨桡骨解剖结构,可以在该模型上进行进一步的有限元分析。2使用AO斜“T”钢板内固定治疗桡骨远端骨折的三维有限元分析中,发现钢板应力分布、传导、应力集中良好。由此可见使用AO斜“T”钢板内固定治疗桡骨远端骨折时(AO:23A2.2)具有良好的生物力学特征,该固定方式是合理可行的,可以为临床上的应用提供有益的参考。本研究的创新之处1本研究建立了尺骨桡骨三维有限元模型,该模型包括了前臂骨间膜、远端背侧尺桡韧带及远端掌侧尺桡韧带。研究的基础CT数据的平均层厚为0.6mm,是目前国内外有报道的尺骨、桡骨三维有限元模型中精确度最高的。2目前对于桡骨远端骨折内固定、外固定的有限元分析及生物力学研究中,大多只是模拟压缩这一种工况,本研究中除了模拟压缩外,还模拟了拉伸、扭转3种工况,使试验模拟更加符合尺骨、桡骨真实受力情况。3本课题率先进行了斜“T”型钢板内固定治疗桡骨远端骨折的有限元分析。为临床上使用斜“T”型钢板内固定治疗桡骨远端骨折(AO:23A2.2)提供生物力学理论依据。
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