建立锁骨个性化锁定接骨板模型及有限元分析

中国组织工程研究第20卷第35期2016–08–26出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchAugust26,2016Vol.20,No.35P.O.Box10002,Shenyang110180·研究原著·尹峰，男，1962年生，山西省吕梁市人，汉族，副主任医师，主要从事骨科创伤与关节损伤研究。通讯作者：王晓东，医师，太原市中心医院骨科，山西省太原市030009中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2016)35-05244-06稿件接受：2016-06-27建立锁骨个性化锁定接骨板模型及有限元分析尹峰，王晓东，梁炜，任龙韬(太原市中心医院骨科，山西省太原市030009)引用本文：尹峰，王晓东，梁炜，任龙韬.建立锁骨个性化锁定接骨板模型及有限元分析[J].中国组织工程研究，2016，20(35):5244-5249.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.35.011ORCID:0000-0002-5929-1119(尹峰)文章快速阅读：文题释义：Abaqus软件：是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，可模拟任意几何形状，深入反映细微的结构现象和现象间的差别，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。除常规的金属弹塑性材料外，还可以有效地模拟高分子材料、复合材料、土体、岩石和高温蠕变材料等特殊材料。直型接骨板与“S”型接骨板的三维有限元模型：①直型接骨板三维有限元模型：在近端固定，远端向下垂直钛板长轴方向折弯，应力最大部位均位于中间孔及周围；②“S”型接骨板三维有限元模型：在近端固定，远端轴向扭转，其应力最大部位集中部位均位于中间孔及周围，应力分布无明显变化，但“S”型接骨板较直型接骨板应力更加分散｡摘要背景：应用有限元分析的方法构建人体骨骼三维立体模型及设计骨外科医疗器械更为精准和快捷。目的：根据锁骨模型建立锁骨锁定接骨板模型，分析在折弯和扭转条件下，评估锁定接骨板有限元模型的应力分布情况。方法：采用64排螺旋CT对青年成年健康男性胸部进行平扫，得到该男性锁骨的二维图像数据，运用Mimics10.0软件将所得数据分析、建立锁骨三维有限元模型，根据锁骨模型运用UG软件建立锁骨锁定接骨板模型。利用abaqus软件评估锁定接骨板分别向下给予200N的力进行折弯及200N•mm进行轴向扭转，模拟锁骨锁定钛板的受力情况，进一步对其应力分布进行分析。结果与结论：根据CT扫描原始数据构建的锁骨钛合金接骨板的三维实体模型，与骨的贴合性良好，此模型可通过3D打印技术得到适合单个个体的个性化接骨板。有限元分析结果基本可以模拟接骨板的实际受力情况。直型接骨板和“S”型接骨板在侧方折弯及轴向扭转受力情况下，得出7孔钛板的最大应力分布位于中心孔正中。实际手术操作中，锁骨骨折断端与旷置锁定孔正中存在应力叠加，钛板放置若能避开该应力集中处，可有效避免植入后断板发生，为临床实际操作提供理论指导，并为之后对其他类型钛质接骨板的生物力学分析提供了参考以及技术路线。关键词：骨科植入物；数字化骨科；锁骨骨折；个性化锁定钛质接骨板；接骨板断裂；3D打印技术；锁骨锁定接骨板模型；生物力学特性；三维有限元模型；三维有限元分析主题词：钛；有限元分析；组织工程根据锁骨模型建立锁骨锁定接骨板模型：有限元法评估其应力分布CT扫描得出原始数据Abaqus软件进行锁定锁骨钛板有限元分析Mimics软件构建锁骨三维实体模型UG软件构建锁骨锁定钛板的三维有限元模型根据分析结果指导锁骨骨折术中钛板最佳放置位置尹峰，等.建立锁骨个性化锁定接骨板模型及有限元分析ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH5245:WangXiao-dong,Physician,DepartmentofOrthopedics,TaiyuanCityCentralHospital,Taiyuan030009,ShanxiProvince,ChinaEstablishmentofpersonalizedlockingclavicleplatemodelandfiniteelementanalysisYinFeng,WangXiao-dong,LiangWei,RenLong-tao(DepartmentofOrthopedics,TaiyuanCityCentralHospital,Taiyuan030009,ShanxiProvince,China)AbstractBACKGROUND:Thefiniteelementanalysismethodismoreaccurateandfasttoconstructthethree-dimensionalmodelofthehumanskeletonanddesignthebonesurgicalmedicalinstrument.OBJECTIVE:Toestablishlockingplatemodelaccordingtotheclaviclemodel,analyzeandevaluatestressdistributionoflockingplateofthefiniteelementmodelunderbendingandtorsionconditions.METHODS:Chestscanwascarriedoutinahealthyyoungadultmalebyadopting64-rowspiralCTandhistwo-dimensionalimagedataweregotten.TheobtaineddatawereanalyzedwithMimics10.0softwaretoestablishthethree-dimensionalclaviclefiniteelementmodel.TheclaviclelockingfixationplatemodelwasestablishedbyapplyingtheUGsoftware.Thelockingfixationplatewasevaluatedbyutilizingtheabaqussoftwarewhentheplatewasbentwhiledowntogiveforceof200N,andtwistedwhile200N•mm,tosimulatetheforceandanalyzethestressdistributionofthelockingplate.RESULTSANDCONCLUSION:BasedontheoriginalimageparametersprovidedbyCT,thisexperimentproducedathree-dimensionalmodeloftheclavicaltitaniumplatewhichfittedbettertobones.Thismodelcanobtainasingleindividual,personalizedplatebythree-dimensionalprintingtechnology.Thefiniteelementanalysisbasicallycansimulatetheactualstressoftheplate.Forstraightplateand“S”-shapeplate,inlateralbendingandaxialtorsionloads,themaximumstressdistributionoftheseven-holetitaniumplateislocatedinthecenterofthecenterhole.Duringactualsurgicalprocedures,claviclefracturefragmentsandmiddlelockingholehadstresssuperposition.Ifthetitaniumplatecanavoidthestressconcentration,itcaneffectivelyavoidtheoccurrenceofthebrokenplateafterimplantation,providetheoreticalguidanceforclinicalpractice,andprovidereferenceandtechnicalrouteforbiomechanicalanalysisofothertypesoftitaniumplate.Subjectheadings:Titanium;FiniteElementAnalysis;TissueEngineeringCitethisarticle:YinF,WangXD,LiangW,RenLT.Establishmentofpersonalizedlockingclavicleplatemodelandfiniteelementanalysis.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2016;20(35):5244-5249..0引言Introduction锁骨骨折占全身骨折的6%左右，各年龄段均可发生，尤以青壮年及儿童常见，主要由于直接暴力或间接暴力为主造成，根据患者病史、症状、体征以及X射线图像可明确诊断。锁骨位于肩峰及胸骨之间，在肩部遭受暴力后间接受力，可能出现锁骨骨折，临床实验研究表明锁骨骨折的部位多发生于锁骨内侧弧与外侧弧的移行处，即锁骨中外1/3处[1-15]。在临床工作中，作者所在课题组收集到8例锁骨骨折术后接骨板断裂的病例，全部发生在锁骨中段骨折术后，为什么锁骨其他部位的骨折未发现接骨板断裂仅仅在中段骨折中出现接骨板断裂呢？一种新型、现代的计算方法——有限元分析逐渐发展起来。近年来国内外在医学方面利用其模拟设计方案的研究较广。此分析方法于1972年由Brekelmans等[16]和Rybicki等[17]应用在骨科领域的研究当中。有限元分析方法具有以下优点：图像逼真，接近实际，花费低，可进行定量及定性研究，应用领域很广，具有很强的适应性，并获得实体实验无法完成的研究结果，其模型可反复利用，充分节约了实验开支[18]。关于生物力学与医学领域的研究，应用有限元分析的方法进行研究的范围也日趋广泛。随着生物医学以及数字化医学的迅猛发展，应用有限元分析方法，使构建人体骨骼三维立体模型、设计骨外科医疗器械的方法更加精准、快捷[19-33]。作者此项课题所构建的锁骨直型与“S”型接骨板是针对某个体专门设计加工合成的，故具有较好的贴合性，其后再研究其生物力学特性，而应用有限元分析较为快捷，经济，同时建立相对完善的有限元分析方法。实验得出锁骨钛板接骨板应力相对集中部位，为锁骨骨折术中钢板放置提供理论依据，有效防止术后断板发生，并可对锁骨接骨板优化设计起到一定的指导作用。因此文章拟从生物力学方面进行探讨，实验采用有限元分析方法建立锁骨锁定接骨板模型，分析在折弯和扭转条件下，评估锁定接骨板有限元模型的应力分布情况。尹峰，等.建立锁骨个性化锁定接骨板模型及有限元分析P.O.Box10002,Shenyang110180设计有限元分析。1.2时间及地点实验于2014年2月至2015年9月在太原市中心医院及太原理工大学完成。1.3对象1名成年健康男性，38岁，既往无锁骨外伤史及其他疾病史。实验经太原市中心医院伦理委员会审查同意，并获得参与者的知情同意。1.4方