胫骨远端骨折有限元模型的建立及稳定性分析

中国组织工程研究第20卷第17期2016–04–22出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchApril22,2016Vol.20,No.17P.O.Box10002,Shenyang110180·研究原著·杨志刚，男，1978年生，江苏省南通市人，汉族，2007年南通大学毕业，硕士，主治医师，主要从事关节周围骨折方面的研究。中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2016)17-02540-06稿件接受：2016-02-14，甘霖2，叶俊星1(1南通大学第三附属医院，无锡市第三人民医院，无锡市中西医结合医院骨科，江苏省无锡市214000；2南京医科大学附属无锡市第二医院，江苏省无锡市214000)引用本文：杨志刚，甘霖，叶俊星.胫骨远端骨折有限元模型的建立及稳定性分析[J].中国组织工程研究，2016，20(17):2540-2545.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.17.015ORCID:0000-0002-2453-8126(杨志刚)文章快速阅读：文题释义：踝关节有限元模型：参照既往相关研究方法，试验建立了可靠、有效的踝关节有限元模型，对于骨骼的模拟应对皮质骨、松质骨、骨髓腔分别赋予材料参数，但实际操作中却给单元网格的划分增加了难度，为了简化计算在准静态载荷下，骨及软骨可定义为均一、各向同性材料。足踝部韧带及腱膜在关节稳定及平衡中起了重要作用，大多将其看成线弹性、各向同性材料，以杆单元模拟连接骨骼端起止点。胫骨远端骨折有限元模型：胫骨远端骨折较重，多出现骨折移位，关节面多受累。试验在踝关节有限元模型基础上，对不同种类胫骨远端骨折(Pilon骨折)进行模拟，分析不同关节面受累比例及骨折块高度与骨折移位程度的关系。摘要背景：传统足踝部生物力学研究具有局限性，由于踝关节结构极为复杂、活动度大，故对于踝关节有限元模型的建立及不同骨折类型的分析也极为困难。目的：建立胫骨远端骨折模型并进行稳定性分析。方法：收集成年人正常足踝CT数据，采用Minics软件对志愿者右足踝部关节进行三维重建，并进行有效性验证。通过Solidwork软件假设不同关节面受累比例及骨折块高度，并制作出相应的胫骨远端骨折模型。通过ANSYS软件应用有限元法进行骨折稳定性分析。结果与结论：胫骨远端骨折模型符合相关文献数据，可进一步行有限元分析，关节面受累比例与骨折块高度与骨折移位呈显著正相关，即与骨折稳定性呈负相关。提示踝关节及胫骨远端骨折三维有限元模型建立成功、有效，胫骨远端骨折稳定性与关节面受累比例及骨折高度相关。关键词：骨科植入物；数字化骨科；胫骨远端骨折；踝关节；有限元分析；稳定性主题词：胫骨骨折；踝关节；有限元分析，组织工程胫骨远端骨折稳定性与关节面受累比例及骨折高度的关系建立志愿者踝关节三维有限元模型。模型有效性验证后基于踝关节三维有限元模型，制作两种胫骨远端骨折模型：(1)后外侧型骨折；(2)内侧延伸型骨折。分别模拟不同关节面受累比例及骨折块高度，分析其与骨折移位程度的关系。结果显示：(1)踝关节及胫骨远端骨折三维有限元模型建立成功、有效；(2)胫骨远端骨折稳定性与关节面受累比例及骨折高度相关。杨志刚，等.胫骨远端骨折有限元模型的建立及稳定性分析ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH2541’sHospital,ThirdAffiliatedHospitalofNantongUniversity,Wuxi214000,JiangsuProvince,ChinaConstructionandstabilityoffiniteelementmodelsofdistaltibialfracturesYangZhi-gang1,GanLin2,YeJun-xing1(1DepartmentofOrthopedics,WuxiIntegratedTraditionalChineseandWesternMedicineHospital,WuxiThirdPeople’sHospital,ThirdAffiliatedHospitalofNantongUniversity,Wuxi214000,JiangsuProvince,China;2theSecondHospitalofWuxiCityAffiliatedtoNanjingMedicalUniversity,Wuxi214000,JiangsuProvince,China)AbstractBACKGROUND:Traditionalstudiesonfootandanklebiomechanicshavelimitation.Anklejointwascomplicatedandhadbigrangeofmotion,soitisdifficulttoestablishfiniteelementmodelsandtoanalyzethetypeoffracture.OBJECTIVE:Toconstructthefiniteelementmodelsofdistaltibialfracturesandanalyzethestability.METHODS:CTdataofanklewerecollectedfromanormalmalevolunteerandthethree-dimensionalreconstructionofvolunteerwasmadebyMimicssoftware,andtheeffectivenesswasverified.TheratioofdifferentjointinvolvementandheightoffractureblockwereassumedwithSolidworksoftware,andfiniteelementmodelsofdistaltibialfractureswereestablished.FracturestabilitywasanalyzedbyANSYSsoftwareusingfiniteelementmethod.RESULTSANDCONCLUSION:Thedistaltibiafracturemodelwasconsistentwiththerelevantliteraturedata,andfiniteelementanalysiscouldbefurtherconducted.Theratioofarticularsurfaceinvolvedwaspositivelyassociatedwithfragmentheightandfracturedisplacement,andnegativelyassociatedwithfracturestability.Theseresultsindicatethatthethree-dimensionalfiniteelementmodelsofdistaltibialfracturesweresuccessfullyestablished.Fracturestabilitywasassociatedwiththeratioofarticularsurfaceinvolvedandfragmentheight.Subjectheadings:TibialFractures;AnkleJoint;FiniteElementAnalysis;TissueEngineeringCitethisarticle:YangZG,GanL,YeJX.Constructionandstabilityoffiniteelementmodelsofdistaltibialfractures.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2016;20(17):2540-2545.0引言Introduction足踝在人们日常生活中占据着重要的地位，足踝部的正常功能可以增加人的活动范围，是人们正常生活的重要保证。足踝部损伤是日常生活中较多运动型损伤，随着骨科医学的迅速发展，人们对足踝部功能的重视程度也日益提高，足踝部是人体较为复杂的关节，承受人体全部的质量，骨骼形态不规则、组合复杂，承载人体活动较多，对于其生物力学研究极为困难[1-4]。踝关节是人体下肢的一个大关节，具有运动功能，且参与机体负重，在运动性损伤中的发生率高达15%。踝关节各结构结合紧密，周围骨骼、韧带、软组织共同协作参与其力学功能，对于人体日常活动意义巨大[5-6]。踝关节由于使用频繁，极易因各种创伤导致结构的不稳定，产生红肿、热痛等症状，后期可反复发生关节炎[7]。三维重建技术是当前生物力学领域的新技术，可以模拟实现现实中无法解决的问题,使用有限元法可对人体的复杂结构进行力学模拟研究。有限元法目前在医学领域具有极大的应用价值，传统力学研究对于复杂关节研究难以完成，而有限元法则可以较为精确的进行模拟，进而进行下一步实验[8-11]。通过三维有限元模型可大幅降低生物力学研究的人力、财力，避免传统力学繁琐的计算过程，可重复实验并设定不同的条件假设，尤其在医学领域的优势明显。通过相关设备得出的三维图形可通过不同视角进行观察，并在计算机中完成各结构的拆分、组合，避免单纯标本观察的局限性，且能够获得多组结果进行对比分析[12-15]。文章为了进一步探索胫骨远端骨折的生物力学特性，对志愿者的踝关节进行三维重建，建立有限元模型，并对不同种类胫骨远端骨折(Pilon骨折)进行模拟，探讨影响其力学稳定性的相关因素，为临床相关疾病诊断及治疗提供依据。1材料和方法Materialsandmethods1.1设计三维有限元试验。1.2材料资料数据：男性志愿者1名，26岁，身高175cm，体质量66kg，无足外伤史，影像学检查排除足部肿瘤、畸形等病变。Brilliance64排CT，参数设置：电压120kV，电流240-300mA，螺距1.375-1.750，层厚0.625mm，矩阵512×512，曝光时间0.4s/r。志愿者右足中立，自踝关节上10cm处起始自胫腓骨远端向下扫描至足底，通杨志刚，等.胫骨远端骨折有限元模型的建立及稳定性分析P.O.Box10002,Shenyang110180机获得足部横断面图片，共计456张(DI-COM格式)，刻录成光盘，保证图片洁净，转移过程中避免损害，该方式后续处理较为方便、快捷。1.3方法1.3.1三维重建采用Mimics14.0(Materialise公司)软件对志愿者右足CT图像进行三维重建，输入图像数据，进行数据处理并建立模型,以CAD格式输出图形文件。采用图形处理软件，可通过三维编辑工具对复杂图像进行拆分，通过对各层次图像资料处理，可产生整体结构框架，并获得不同颜色标示的结构区域。三维重建过程可采用全自动的阈值及区域增长技术，应用编辑工具对各层次图像进行标注、修改操作，对在自定义区域研究可通过局部阈值化技术达成。最终将踝关节、腓骨、胫骨三维数据导入逆向工程软件Geogamic中。1.3.2踝关节模型有效性验证根据既往文献报道方法，将胫骨、腓骨、距骨、关节软骨等导入ANSYS进行装配，见图1；踝关节各部分材料属性见表1，建立踝关节三维有限元模型。在中立位对胫骨下端上截面施加600N载荷，垂直加载，距骨施加约束，进行有效性验证。1.3.3胫骨远端骨折