三维重建和有限元分析股骨髁上截骨对矫治膝内翻有积极作用

背景:从生物力学方向研究股骨髁上截骨矫治膝内翻的治疗效果,对以截骨方式治疗膝内翻畸形矫治手术的理解具有积极作用。目的:基于CT数据构建股骨髁上截骨手术前后膝关节三维模型,介绍一种可供参考的组织建模方法,通过生物力学分析验证方法的可行性及股骨髁上截骨的积极作用。方法:随机选取1例股骨髁上截骨患者手术前后的CT数据,基于图像分割建立膝关节骨骼模型,基于轮廓延展建立膝关节间半月板假体和主要韧带的三维模型,经网格划分、材料定义后,以同等工况(1 000 N,下肢力线方向)施加载荷,对手术前后模型进行有限元仿真分析,与前期学者研究结果对比验证建模方法的可行性,研究手术前后膝关节胫骨近端的应力差值和应力峰值点随时间的受力变化情况。结果与结论:(1)术后胫骨内侧最大接触应力为2.334 MPa,胫骨外侧最大接触应力为2.819 MPa,与前期研究比较差异,验证了模型的有效性及建模方法的可行性;(2)测得术前胫骨可承受最大应力(7.085 MPa)远大于术后胫骨可承受最大应力(2.819 MPa),同时伴随时间的变化,术前胫骨应力集中情况明显,术后胫骨应力集中得到改善;(3)结果表明,股骨髁上截骨对矫治膝内翻具有积极作用。

定心矫形骨外固定机器人设计与分析

骨外固定技术为肢体矫形的重要治疗手段。针对现有骨外固定矫形机构在肢体旋转和牵伸矫形时存在的运动耦合、旋转错位等问题,借鉴RCM机构的构型优势,在传统Ilizarov外固定器的基础上设计了一种具有定心运动特征,易于实现单自由度独立运动的2R1T定心矫形骨外固定机器人。基于旋量理论,开展了传统Ilizarov骨外固定支架矫形的数学分析,并在此基础上,建立了2R1T定心矫形骨外固定机器人的旋量系与反旋量系,进行了支链选型与构型综合。最后,分析了机器人运动学位姿及工作空间,并结合矫形要求对机器人进行了矫形运动仿真分析和样机实验,基于胫骨的运动轨迹,得出机器人转动矫形范围为-15°~15°,误差范围为±0.5°,牵伸矫形范围为0~30 mm,误差范围为±0.2 mm,实现了矫形的量化与精准调控,保障了肢体矫形的安全性。