Pilon骨折受伤机制的有限元分析

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目的:利用有限元方法中的静力载荷加载和碰撞过程模拟方法对pilon骨折发生机制力学分析,探求规律,为pilon骨折的诊治提供参考和依据方法:选取下肢健康、青年男性为实验对象,利用高分辨率Philips 16排螺旋CT对其下肢进行扫描:扫描数据以DICOM格式导入mimics软件中进行三维重建,建立有限元分析模型;结果以IGES的格式导入到三维有限元软件Hypermesh9.0,在Hypermesh9.0中进行二次几何清理,并用四结点四面体单元进行网格划分以及对单元进行加工处理;模型建成以后分别将模型导入ansys及pam-crash软件,根据骨的物理学性质及参数值对其进行赋值,并根据pilon发生机制以及踝关节的特点进行不同受力状态的工况设定,分别进行静力载荷加载作用以及碰撞过程进行模拟分析计算。结果:胫腓骨骨干的应力分布:静载荷在中立位加载时应力分布于胫骨中远1/3处,而碰撞过程显示胫腓骨中远1/3处变形最大;在背伸15度碰撞过程显示变形最大部位在干骺端以上,胫骨中远1/3以远部位;跖屈位对胫骨后面产生较大作用;从静载荷作用结果看,外翻位胫腓骨应力分布也于胫腓骨中远1/3位,相比中立位,从前面观察,位置由胫骨前内侧皮质外移至胫骨中下段前外侧,并对腓骨中下段产生明显应力作用;内翻位静载和碰撞变形显示应力分布于胫腓骨中远1/3处。胫腓骨干骺端的应力分布:除中立位外,碰撞过程胫腓骨关节面以外的应力都最先出现于胫骨或胫腓骨的干骺端。而中立位则出现于胫骨中远1/3骨干上;胫腓骨踝穴关节面的应力分布:在中立位下,静载分布于踝间线以前之内踝,胫骨踝穴顶前缘,外侧缘以及外踝,碰撞情况下,在0-1.7ms时间段内,踝关节保持中立位碰撞,应力分布与静载时一致,并且无先后之分;背伸位静载荷主要分布于外踝及胫骨踝穴顶前部,界限于踝间线前方;而碰撞过程显示应力分布从内踝踝间线前部开始,迅速扩展到胫骨踝穴顶前以及外踝关节面,范围逐渐扩大,在保持背伸位情况下应力分布于踝间线以前;跖屈位静载分布于胫骨踝穴顶之踝间线后部,力的大小以外踝关节面为长,而碰撞下力分布于胫骨踝穴顶之踝间线后及外踝关节面;内翻位静载荷下应力主要分布于外踝关节面以及胫骨踝穴顶外侧部,前缘以及内踝踝间线前部亦有分布,应力大小以腓骨外踝关节面为长,而碰撞条件下应力由胫骨踝穴顶前外侧缘起逐渐扩展到胫骨踝穴顶外部(<1/2踝穴横径范围)及外踝;外翻位静载荷力的应力分布以内踝踝间线以前和外踝关节面,其中以外踝处为长,胫骨踝穴顶前缘亦有分布;碰撞过程为由内踝踝间线前部及外踝始逐渐分布到踝间线前部,以内踝部位应力为巨;腓骨关节面在静载荷作用下的关节面的应力分布中都处于高应力分布状态下,碰撞过程中亦是如此而且往往最早接受应力分布。结论:腓骨为pilon骨折不可分割的一部分;胫腓骨远端关节面在骨折发生中存在四个主要应力分布区,即:内踝部、胫骨远端关节面踝间线以前部、胫骨远端关节面踝间线以后部、胫骨远端关节面外侧与外踝关节面部,并且以此应力区向近端延伸为内、外、前、后四个柱,这与四柱分型理论一致。
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