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骨质疏松骨折内固定的有限元分析

发布于:2016-07-31 22:05
有限元分析

      随着社会老年化,股骨近段的骨质疏松骨折呈逐年增加趋势。其中50%为股骨粗隆间骨折,临床常采用动力髋螺钉(Dynamic Hip Screw,DHS)固定。由于骨量下降和骨结构破坏,过多、过早负重导致髋螺钉在股骨头内切割及皮质骨螺钉在股骨干上拔出。有些研究者使用聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)进行内固定增强,但PMMA不能降解,且有发热、妨害骨折愈合等缺点。可注射型硫酸钙(Calcium Sulfate Cement,CSC)是一种新型的生物型骨水泥,具有生物相容较好的特点,凝固时无发热反应,不会引发化学性骨坏死等优点;并能随新骨长入逐渐被吸取替代。新一代的CSC如MIIGTMX3具备较大的抗拉、抗压的力学性能,因此备受关注。
      本研究通过骨质疏松大鼠体内研究,证实CSC促进内植物与骨整合,增强其力学强度。鉴于大鼠的负重特性与人体有较大差异,本研究对股骨粗隆间骨折DHS内固定CSC增强进行了有限元分析(Finite Element Analysis,FEA),得出在人体正常生理负荷下,CSC能有效地提高DHS固定系统稳定性的结论。
      模型数据来源于88岁严重骨质疏松女性志愿者(T≤-2.5),体重60 kg,无骨代谢相关的疾病,无髋部骨折等病史.使用飞利浦BrillianceTM16层螺旋CT进行股骨中上端扫描,并测量股骨皮质及股骨头颈部、股骨粗隆间、股骨粗隆远侧部松质骨的CT值(Hounsfield Unit,HU),将扫描图像输入Mimics 8.1App,将图像集转化,分离出的掩模上生成轮廓线,生成局部轮廓线模型,导出IGS文件,提供给CATIA V5R16App,建立CAD文件。使用ANSAApp建立FEA网格模型,通过自适应方式划分有限元模型网格,采用四面体单元建立骨质疏松股骨中上端的有限元模型。
      在股骨中上端有限元模型上,模拟股骨粗隆间骨折(31-A1,A0分类),其骨折平面与股骨的长轴呈30°。在2种条件下进行分析:一种为单独使用DHS内固定,另一种为CSC增强的DHS内固定,股骨头表面与髋螺钉头部距离为10 mm,且髋螺钉位于股骨头中心,设定CSC覆盖距髋螺钉头部1.2mm,距螺纹10.2 mm,其分布范围参照文献。
      本研究使用的未增强的股骨粗隆间骨折DHS固定的有限元模型,共有75967个节点、373347个体单元,CSC增强的有限元模型,共有78572个节点、377070个体单元。
      通过CT值推导骨质疏松股骨的骨表观密度,然后,根据公式E=7281ρ1.52α推算材料的弹性模量,并设材料泊松比为0.3,皮质骨、松质骨股骨头部、松质骨股骨粗隆间、松质骨股骨粗隆远侧部、CSC(MIIGTMX3)、DHS的E分别为16.723,0.568,0.466,0.364,5.400,200.000 GPa。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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