基于临床CT数字体相关和有限元分析的股骨内部变形场研究

目的验证基于临床CT的数字体相关(digital volume correlation,DVC)方法在测量股骨内部变形场时的准确性,并通过DVC进一步测量股骨在跌倒情况下的内部变形,验证基于临床CT的有限元分析方法(finite element analysis,FEA)在计算股骨内部变形场的准确性。方法使用猪股骨,模拟侧向跌倒姿态,进行分步力学加载实验,同步进行多次CT成像。通过重复扫描和虚拟位移验证DVC方法的准确性。DVC以子体积作为配准两组图像的研究对象,分别设置8、12、16和20 mm的子体积进行测试。量化误差指标包括位移系统误差-平均值(mean)、位移随机误差-标准差(standard deviation,SD)、应变准确度-平均绝对误差(mean absolute error,MAER)和应变精确度-标准差误差(standard deviation of the error,SDER)。基于CT图像建立股骨有限元模型,模拟实验条件,计算股骨内部位移,与DVC测量的内部变形场对比验证。结果基于临床CT的DVC方法重复扫描位移偏差小于0.013 mm,MAER和SDER均小于200με;虚拟位移偏差小于0.098 mm,MAER为1093~1687με,SDER为604~1267με,远小于骨组织屈服应变。FEA计算的位移和DVC测量的位移之间具有较强的相关性(R^(2)≥0.76,P<0.05)。结论基于临床CT的DVC方法可以准确测量股骨内部变形场,并且基于临床CT的有限元模型可以准确计算股骨内部变形场。

固定器刚度对不同类型骨折愈合的影响

目的系统探讨固定器刚度变化(0.05~7.50 kN/mm)对AO/OTA分型下7种不同类型骨折(A1:简单螺旋、A2:简单斜形、A3:简单横形、B2:楔形螺旋形、B3:楔形碎片形、C2:复杂多段、C3:复杂不规则)愈合效果的影响。方法以长骨骨折髓内钉固定为研究对象,基于应变调控组织分化理论,结合模糊逻辑控制算法和有限元分析技术,数值模拟骨折愈合过程。结果中等固定器刚度(1.5~2.5 kN/mm)可以在保证骨折生物力学性能恢复的情况下缩短愈合时间。但是,每种骨折类型对应的适宜刚度不尽相同,且其愈合效果对固定器刚度变化的敏感度不一。对于A型骨折,当固定器刚度为1.5 kN/mm时,骨折断端生物力学性能恢复最佳,并且固定器刚度变化对愈合效果影响较大;对于B、C型骨折,当固定器刚度在1.5 kN/mm以上时,刚度变化对生物力学性能恢复没有显著影响。结论骨折愈合效果受固定器刚度和骨折类型的共同影响。在临床骨折治疗中,固定器的选用应充分考虑骨折类型。

结合体外实验和数字体积相关方法验证优化股骨CT有限元模型

目的股骨作为骨折后果最为严重的部位之一,准确评估股骨骨折风险对预防股骨骨折具有重大意义。通过体外力学实验,结合数字体积相关方法(DVC)和有限元分析方法(FEA),建立一种可以准确描述线弹性范围内股骨应变场及位移场的有限元模型。方法利用猪股骨进行体外实验,模拟侧向跌倒时股骨受力状态,结合临床CT机,获取股骨在梯度载荷下的CT图像。