钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗高龄SeinsheimerⅤ型股骨转子下骨折的有限元分析

目的探讨骨水泥钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗高龄SeinsheimerⅤ型股骨转子下骨折的可行性。方法选取1名志愿者的CT资料导入Mimics 19.0和Geomagic studio 2017软件中进行提取、优化,得到右侧股骨三维模型;运用Solidworks 2017软件画出内固定模型并与股骨模型按照标准手术技术装配,以STEP格式导入Hypermesh14.0软件中截骨得到SeinsheimerⅤ型普通股骨近端防旋髓内钉股骨转子下骨折模型,将螺旋刀片近端周围松质骨重新定义为骨水泥,得到钉道强化股骨近端防旋髓内钉模型。设置材料属性参数、边界条件、施加载荷,分别储存为K文件导入LS-DYNA软件求解。结果(1)与普通PFNA模型相比,钉道强化PFNA模型螺旋刀片基本无切割,头颈骨块的内翻和旋转角度较小,虽然局部应力稍大,但整体更趋稳定;(2)骨水泥强大的锚固力能稳定螺旋刀片,增强三点支撑的内侧作用点,并能传导、分散压力。结论与普通股骨近端防旋髓内钉相比,钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗高龄SeinsheimerⅤ型股骨转子下骨折可以有效减少头颈骨块内翻的旋转,避免螺旋刀片切割,更趋稳定。

有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系

背景:股骨近端防旋髓内钉是治疗股骨转子间骨折较为理想的一种内固定方式,但仍有6%-21%的内固定失败率,而尖顶距被认为是股骨近端防旋髓内钉术后失效的一个重要原因。尖顶距是指正侧位X射线片上所测量的从拉力螺钉尖端到股骨头顶点距离的总和,现大多数学者认为保证头髓钉尖顶距≤25 mm预后较好,但仍存在较多争议。目的:探讨不同尖顶距影响股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折的生物力学差异,为临床治疗转子间骨折提供新思路和实验基础。方法:选取1例左侧股骨转子间骨折患者CT资料,导入Mimics 19.0和Geomagic studio 2017软件中进行提取、优化得到右侧股骨三维模型。运用Solidworks 2017软件画出内固定模型并与切割为AO2.1型骨折的股骨模型按照标准手术技术装配,分别得到尖顶距为15,20,25,30 mm的4个模型,导入Hypermesh 14.0软件中划分网格,再以inp格式导入Abaqus 2016中,设置材料属性参数、边界条件、施加载荷后提交求解,在可视化模块中查看运算结果。结果与结论:①尖顶距值过大(30 mm)或过小(15 mm)时,股骨近端应力虽减小,但股骨头颈骨块和小转子骨块位移较大,内翻较严重;尖顶距值居中(20,25 mm)时,股骨头颈骨块位移和内翻较小,小转子骨块基本无移位;②股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折应调整尖顶距值于20-25 mm之间,骨折端稳定、移位小,具有较好的生物力学效果。

基于Hypermesh 14.0和LS-DYNA的老年转子间骨折有限元建模分析

背景:目前运用有限元法分析股骨转子间骨折多局限于应力分布情况,多类型转子间骨折有限元断裂模型国内外未见报道。目的:运用Hypermesh 14.0及LS-DYNA模拟股骨近端侧方跌倒受力建立多型转子间骨折有限元断裂模型,评估模型效果,分析转子间骨折的力学发生机制。方法:选取1例单侧老年转子间骨折患者,获取健侧髋部CT影像资料,导入Mimics 19.0建立股骨近端几何模型,经Geomagic studio 2013光滑等处理,Hypermesh 14.0划分网格,设置材料参数,确定边界条件并赋予载荷参数,导入LS-DYNA求解器进行分析运算,在Hyper View中查看运算结果。结果与结论:(1)股骨近端的应力分布情况与既往研究高度符合,在持续剪切应力作用下获得EvansⅠ型转子间骨折模型,调整载荷后共获取6型骨折模型;(2)结果发现,基于Hypermesh14.0和LS-DYNA的有限元法可以较好的模拟转子间骨折断裂情况,剪切应力在转子间骨折的发生中起重要作用,以上结论可为转子间骨折防治提供一定的实验参考。

股骨近端防旋髓内钉不同进钉点治疗外侧壁破裂型股骨转子间骨折的有限元分析

目的运用有限元法探讨股骨近端防旋髓内钉(PFNA)不同进钉点治疗外侧壁破裂型股骨转子间骨折的生物力学。方法基于志愿者髋部CT资料,通过Mimics、Geomagic等软件提取和优化右侧股骨三维模型,导入Solidworks软件中与PFNA模型装配不同进钉点并分割模拟不同外侧壁骨折线得到3个A模型(股骨外侧壁粉碎,内侧支撑存在)和3个B模型(股骨外侧壁粉碎,内侧支撑缺失),导入Abaqus软件中设置材料参数、边界条件等后运算,查看模型的Von Mises云图。结果A模型中外侧壁上部进钉形成应力集中,中部进钉移位较大,下部进钉应力分布均匀且移位较小;B模型外侧壁上部进钉移位较大,中部进钉应力较大且应力集中,下部进钉应力分散且移位较小。结论PFNA在外侧壁下部进钉治疗外侧壁破裂型股骨转子间骨折的生物力学效果最佳。

骨质疏松影响股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折的有限元仿真

背景:股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折在临床应用广泛,但仍有部分术后内固定失效病例,股骨近端骨质疏松被认为是一个重要原因。Singh指数是评价股骨近端骨质疏松严重程度的一个重要指标,基于Singh指数探讨不同骨质疏松程度对股骨近端防旋髓内钉治疗转子间骨折疗效的影响,对减少内固定失效概率,增加手术成功率具有重要意义。目的:探讨不同骨质疏松程度对股骨近端防旋髓内钉治疗转子间骨折疗效的影响,为临床治疗转子间骨折提供新思路和实验基础。方法:选取1例左侧股骨转子间骨折患者的CT资料,导入Mimics 19.0和Geomagic studio 2017软件中进行提取、优化得到右侧股骨三维模型。运用Solidworks2017软件画出内固定模型并与股骨模型按照标准手术技术装配,以STEP格式导入Hypermesh 14.0软件中截骨得到AO 2.1型股骨转子间骨折模型,参照Singh指数1-6划分应力骨小梁得到A-F模型,设置材料属性参数、边界条件、施加载荷,分别储存为K文件导入LS-DYNA软件求解。结果与结论:①当股骨头受力时,Singh 6-Singh 1股骨头颈骨块中螺旋刀片产生切割,普通骨小梁消失,包裹螺旋刀片的应力骨小梁不但没有消失,且承载和分散了部分应力,使得螺旋刀片仍具有较大的接触面积和把持力,维持着骨折的复位,减少了股骨头颈骨块的内翻和旋转;②从Singh 6-Singh 1,随着应力骨小梁的消失,骨质疏松越严重,股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折就越容易失效;③股骨近端海绵状的丰厚骨小梁,特别是应力骨小梁,通过抵抗、缓冲弯曲应变而在维持股骨的弹性稳定起着重要作用,是股骨近端弹性稳定的重要结构。

骨水泥增强股骨近端防旋髓内钉治疗高龄不稳定型股骨转子间骨折的有限元分析

目的探讨普通股骨近端防旋髓内钉和骨水泥增强股骨近端防旋髓内钉治疗高龄不稳定型股骨转子间骨折的生物力学差异。方法选取1名志愿者CT资料导入Mimics 19.0和Geomagic studio 2017软件中进行提取、优化得到右侧股骨三维模型;运用Solidworks 2017软件画出内固定模型并与股骨模型按照标准手术技术装配,以step格式导入Hypermesh14.0软件中截骨得到EvansⅤ型股骨转子间骨折模型,截取螺旋刀片近端周围部分松质骨重新定义为骨水泥部件,分别存为A模型(普通股骨近端防旋髓内钉)和B模型(骨水泥增强股骨近端防旋髓内钉),设置材料参数、边界条件、施加载荷,分别储存为K文件导入LS-DYNA软件进行分析,观察螺旋刀片切割程度、股骨颈内翻变化、股骨颈旋转程度、股骨近端应力分布和股骨近端位移。结果骨水泥增强股骨近端防旋髓内钉模型的螺旋刀片切割程度较轻,股骨头颈骨块内翻和旋转角度、骨折端应力和位移均较小。结论骨水泥增强股骨近端防旋髓内钉治疗高龄EvansⅤ型股骨转子间骨折较普通股骨近端防旋髓内钉具有更好的生物力学效果。

基于有限元分析法的老年粗隆间骨折建模仿真

目的针对国内粗隆间骨折有限元模型建立的空白,采用LS-DYNA等软件,建立粗隆间骨折模型,为粗隆间骨折的防治提供实验参考。方法选取2017年3~4月于广州中医药大学第一附属医院骨科住院治疗的老年单侧粗隆间骨折患者1例,获取健侧髋关节CT影像资料,导入Mimics 19.0软件中,通过区域增长、腔隙填充、编辑蒙罩等步骤,建立健侧的股骨近端仿真几何模型;经Geomagic studio 2013进行删除钉状物等模型处理;Hypermesh 14.0软件,进行网格划分,赋予材料参数及属性,设置边界条件及载荷等,最后导入LS-DYNA软件中进行有限元分析运算,并在Hyper-View 14.0中查看运算结果。结果有限元模型中股骨近端内侧最先出现应力集中,持续应力下该部位开始出现断裂,骨折线由内侧往外上侧延伸,最终获得EvansⅠ型粗隆间骨折模型。结论基于LS-DYNA软件的有限元分析法可以真实地模拟出粗隆间骨折的动态断裂情况,为揭示粗隆间骨折的发生机制及防治提供一定的实验参考。

基于断裂力学认识老年股骨转子间骨折后内固定取除的可行性

背景:股骨转子间骨折患者日益增多,临床最常用股骨近端防旋髓内钉治疗。对于骨折愈合后要求取除内固定患者,究竟该如何去评判取除内固定的标准?取除内固定后是否需要植骨?又该何时下地及怎样行术后康复?国内外对此研究甚少。目的:基于断裂力学分析股骨转子间骨折术后股骨近端防旋髓内钉取除的可行性,为临床医生评估老年股骨转子间骨折后取除内固定可行性提供依据和风险预测。方法:将1例健康志愿者的CT资料导入Mimics 19.0和Geomagic studio 2017软件,提取优化获得右侧股骨三维模型。在Solidworks 2017软件中按临床标准手术技术装配内固定模型和股骨模型,然后删除内固定,得到遗留骨隧道的股骨模型并导入Hypermesh 14.0软件中划分网格、定义不同皮质骨、松质骨及应力骨小梁得到基于Singh指数1-6级的模型A-F,设置材料属性参数、边界条件、施加载荷后分别提交LSDYNA软件中求解,在HYperview14.0中查看运算结果。试验于2019-03-14经广州中医药大学第一附属医院伦理委员会批准,医院伦理批件号Y[2019]164。结果与结论:①模型A-C和D-F起始断裂应力相近,但前者整体应力明显小于后者,模型A-F断裂应力整体呈递增趋势,而起始断裂时间则呈递减趋势;②从加载应力到股骨颈完全断裂,6个模型断裂消失的松质骨整体数量均较少,内侧股骨矩是主要的支撑结构;③模型A-F最终都形成股骨颈骨折,且Pauwels角及股骨头内翻角度都呈递减趋势;④随着患者骨质疏松越严重,股骨转子间骨折取除股骨近端防旋髓内钉术后越容易发生二次断裂;⑤对于严重骨质疏松患者,取除股骨近端防旋髓内钉时可采取打压植骨方式,填充骨隧道,增加稳定性。

InGaAs/InGaAsP/InP长波长雪崩光电二极管研究

研制了高速、高效、低噪声的InGaAs/InGaAsP/InP长波长(1.0～1.7μm)台面型雪崩光电二极管(φ=75μm),器件采用分离的吸收区、雪崩区和能隙过渡区的SAGM结构。研究了器件最佳结构参数设置、在InP上匹配生长InGaAs、InGa AsP及其厚度和载流子浓度的控制问题。器件最大倍增因子大于50,灵敏度大于0.70μA/μW,暗电流I_D的典型值约为20nA(V_r=0.9V_B)。

钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折:最佳骨水泥量有限元分析

背景:骨质疏松和骨折类型是影响股骨近端防旋髓内钉内固定后失效的两个重要原因,而钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年AO31-A3.3型股骨转子间骨折可以有效降低术后失败率,但注入骨水泥的具体数量仍有待商榷。目的:探讨钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折的最佳骨水泥量。方法:选取1名志愿者CT资料导入Mimics 19.0和Geomagic studio 2017软件中进行提取、优化得到右侧股骨三维模型;运用Solidworks 2017软件画出内固定模型并与股骨模型按照标准手术技术装配,再导入Hypermesh 14.0软件中截骨得到AO31-3.3型股骨转子间骨折模型,将螺旋刀片近端周围松质骨重新定义为骨水泥,分别得到A(2.2 mL)、B(4.2 mL)、C(6.4 mL)3个不同骨水泥注入量的钉道强化股骨近端防旋髓内钉模型,设置材料属性参数、边界条件、施加载荷,分别导入LS-DYNA软件求解。结果与结论:①3个模型头颈骨块内翻和旋转角度、股骨近端整体应力无明显差异,但B、C模型螺旋刀片切割严重且出现螺旋刀片断裂,A模型螺旋刀片切割轻微无断裂;②骨水泥强大的锚固力能稳定螺旋刀片,但容易导致局部应力集中;③钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折注入的骨水泥量不宜过多,可能不超过3 mL具有最佳的生物力学效果。

钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折的有限元分析

背景:骨质疏松和骨折类型是影响股骨近端防旋髓内钉内固定后失效的两个重要原因。AO31-A3.3型股骨转子间骨折因其骨折累及内外侧壁,极大地增加了骨折不稳定性,加之老年人多为骨质疏松患者,故老年AO31-A3.3型股骨转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定失败和术后并发症概率较高。目的:探讨钉道强化和普通股骨近端防旋髓内钉治疗AO31-A3.3型股骨转子间骨折的生物力学差异。方法:选取1例75岁女性AO31-A3.3型股骨转子间骨折志愿者的CT资料,导入Mimics 19.0和Geomagic studio 2017软件中进行提取、优化,得到右侧股骨三维模型。运用Solidworks 2017软件画出内固定模型并与股骨模型按照标准手术技术装配,以STEP格式导入Hypermesh14.0软件中截骨得到AO31-3.3型普通股骨近端防旋髓内钉股骨转子间骨折模型,将螺旋刀片近端周围松质骨重新定义为骨水泥,得到钉道强化股骨近端防旋髓内钉模型。设置材料属性参数、边界条件、施加载荷,分别储存为K文件导入LS-DYNA软件求解。结果与结论:(1)与普通股骨近端防旋髓内钉相比,骨水泥钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年AO31-A3.3型股骨转子间骨折的螺旋刀片切割程度更轻,股骨头颈骨块内翻和旋转角度、位移均更小,具有更好的生物力学效果;(2)完整的外侧壁可以有效支撑股骨头颈骨块,对抗头颈骨块的内翻和旋转倾向,并作为三点支撑的外侧作用点,有效防止头颈螺钉退出;(3)骨水泥强大的锚固力能稳定螺旋刀片,增强三点支撑的内侧作用点,并能传导、分散压力。

不同长度股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折的有限元分析

目的运用有限元法探讨治疗老年A3.3型股骨转子间骨折最佳长度的股骨近端防旋髓内钉。方法基于1例江西省丰城市中医院的患者志愿者髋部CT资料,导入Mimics 19.0和Geomagic 2017等软件进行处理后得到仿真股骨近端模型,再将模型导入Solidworks 2017软件中进行分割,模拟A3.3型骨折,并与不同长度股骨近端防旋髓内钉进行装配分别得到A(短钉)、B(中长钉)、C(长钉)模型,以step格式把模型逐个导入Abaqus 2016软件中设置材料参数、边界条件等后进行运算,查看模型的Von Mises云图并观察股骨整体应力、内固定应力、骨折端间隙和股骨头颈骨块内翻。结果B模型股骨整体应力最小,C模型最大,A模型居中。股骨近端防旋髓内钉是头颈骨块的主要支撑结构,承载了大部分的应力,应力峰值位于螺旋刀片与主钉的连接处,次峰值位于股骨外侧壁进钉点。骨折端间隙和头颈骨块内翻角度与主钉长度呈反比,A模型骨折端间隙和头颈骨块内翻角度最小,C模型最大,B模型居中。结论运用短股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折,骨折端间隙小,骨折端更加稳定,生物力学效果更佳。

不同空心螺钉内固定方式治疗LetenneurⅠ型Hoffa骨折的有限元分析

目的运用有限元法比较两种不同空心螺钉内固定方式治疗LetenneurⅠ型Hoffa骨折的生物力学差异。方法基于1名钟祥市人民医院创伤骨科住院患者的股骨CT资料,经过Mimics 19.0和Geomagic studio 2017软件处理后得到仿真右侧股骨三维模型,导入Solidworks 2017软件中与空心钉模型按照标准手术技术装配,通过切割命令模拟LetenneurⅠ型Hoffa骨折,将置钉方向为从前往后定义为A模型,从后往前定义为B模型,A、B模型的股骨、内固定在材料参数、施加载荷、接触摩擦、边界条件等均保持一致,提交运算后在查看股骨应力、内固定应力、骨折端位移和骨折端成角。结果①B模型应力(260.6 MPa)远小于A模型整体应力(522.4 MPa),A模型整体出现较明显的应力集中,螺钉尾端均是A、B模型内固定的应力集中处;②A模型骨块位移(0.40 mm)大于B模型位移(0.32 mm),A模型骨折端成角为3.9°,大于B模型的2.6°。结论单纯空心拉力螺钉治疗LetenneurⅠ型Hoffa骨折,从后往前置钉会具有更好的生物力学效果,更有利于患者的术后康复。

动态载荷下松质骨对骨质疏松性股骨颈骨折断裂力学影响的有限元分析

背景:目前髋部骨折有限元模型亦多简化为实心的、线性或非线性的各向同性材料,对髋部骨折的有限元分析多基于静态载荷下的应力分布来预测骨折发生的部位,然而在静态下,骨折发生的确切起点及骨质断裂过程仍然无法客观模拟及观测。目的:探究动态载荷下松质骨对股骨颈骨折的影响及生物力学机制。方法:选取1名健康志愿者的原始股骨CT数据,在Mimics创建三维模型后在Hypermesh中重建为简化的实心模型、仅包含皮质骨的空心模型、含松质骨及主要应力骨小梁的仿真股骨近端模型,并分别赋予材料属性、参数,设置载荷时间函数为F=2 500 t,t≤2 s(单位:MPa),方向与冠状面、矢状面、水平面均呈30°,边界条件设置为大转子与股骨干固定,导出求解文件并在LS-DYNA运算,在Hyperview中观察骨折过程并记录裂纹起始点、时间、应力变化等结果。结果与结论:(1)实心模型的起始裂纹在股骨颈后外侧,空心模型与仿真模型则起始于股骨颈内下方,仿真模型的起始裂纹小于实心模型、空心模型;(2)3种模型皮质骨断裂时的最大应力均分布在股骨颈后外侧,空心模型与仿真模型的应力分布较实心模型更广泛分布于转子间区域;(3)实心模型起始裂纹靠近最大应力区的中央,而空心模型与仿真模型的起始裂纹位于最大应力区的边缘,靠近股骨颈的内下方;(4)3种骨折模型均发生了嵌插,其中实心模型的骨折线较单一且平整,空心模型与仿真模型的骨折线较粗糙,并延伸至转子间,且骨折成角较实心模型大;(5)各模型在断裂时刻的应力最大,后下降,最大值见于实心模型,仿真模型的最大应力下降趋势最平缓及压力与张力侧的波动最对称;(6)结果提示,在抵抗骨折裂纹扩展中松质骨与皮质骨可能起协同作用。

股骨转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定切割失效的有限元仿真

背景:螺旋刀片切割是股骨近端防旋髓内钉固定失效的主要类型。目前股骨转子间骨折内固定有限元研究主要通过分析静态受力分布(VonMises应力云图)预测内固定失效发生的起始部位,但不能直观展示内固定失效的过程。单元删除法可直观展示构件断裂的扩展过程,将此方法应用于内固定失效的有限元研究具有实际意义。目的:仿真模拟转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定后切割失效的生物力学过程。方法:选取1名健康志愿者的原始股骨CT数据导入Mimics19.0中,经过区域增长、腔隙填充、编辑蒙罩、包裹、光滑等步骤初步建立三维模型,并在GeomagicStudio进行优化处理,得到股骨的仿真三维模型。在SolidWorks中按照股骨近端防旋髓内钉规格参数构建股骨近端防旋髓内钉三维模型,装配组件,然后导入优化的股骨仿真三维模型,根据临床手术操作技术将股骨近端防旋髓内钉固定到到股骨近端,建立股骨与股骨近端防旋髓内钉装配模型。将装配模型导入Hypermesh对模型进行四面体网格划分,构建AO31-A2.1型骨折,设置材料参数及摩擦系数,导出K文件在LS-DYNA求解。结果与结论:①股骨颈骨折块向远端骨折块滑移与小转子、股骨干相接触,螺旋刀片周围松质骨开始断裂、压缩,而后股骨头开始内翻、旋转,小转子阳性支撑使得内翻速度大于旋转速度,当小转子失去支撑后股骨颈旋转速度大于内翻速度,最终导致内固定失效;②起始时应力主要集中在外侧壁及转子下,随着载荷增加,小转子骨块的应力逐渐增大,并逐渐分散分布于转子间及转子下;③失效应变主要集中在接触界面,如与螺旋刀片相接触的外侧壁、股骨颈骨折端与小转子接触处、小转子与股骨干接触处;④股骨颈与小转子骨块是主要的不稳定部分,在失效过程中位移最明显,其中股骨头后方位移最大;⑤结果提示,AO31-A2.1型转子间骨折股骨近端防旋髓内钉内固定失效是个复合过程,包含了股骨颈短缩、内翻、旋转等失效类型。

有限元法分析不同侧方跌倒角度下股骨颈骨折裂纹扩展的断裂力学特征

背景:目前骨折发生机制的分析主要通过分析静态受力分布(Von Mises应力云图)来判断应力集中部位,预测骨折发生的起始点。然而骨骼是各向异性的弹塑性材料,传统准静态有限元分析无法给出具体断裂起始点及骨折发生发展过程。因此,在骨科有限元研究领域引入断裂力学的概念是具有实际意义的。目的:模拟不同侧方跌倒角度对股骨颈骨折裂纹扩展的影响。方法:选取1名健康志愿者的股骨原始CT数据,导入Mimics 19.0软件,经区域增长、编辑笼罩、光滑、包裹等重建股骨近端三维有限元模型,并在Hypermesh 14.0中进行网格划分、定义材料属性、设定边界条件、加载载荷,模拟股骨中立位0°、内旋30°、外旋30°、内收30°跌倒状态等前处理,将生成的K文件导入LS-DYNA求解器中运算。结果与结论:(1)股骨内收模型最早发生股骨颈断裂失效,外旋模型最迟;(2)4种模型的应力集中及骨质断裂均最早出现在股骨颈外上侧,内下侧继而出现裂纹并与之相融合,形成GardenⅡ型骨折;(3)股骨颈骨折Linton角以内收模型最小,外旋模型其次,中立位模型与内旋模型差异无显著性意义(P=0.387);(4)股骨颈外上侧为压力侧,内下侧为张力侧;除内收模型,其余模型的股骨颈内下侧可出现压力向张力转换的应力分布;(5)提示不同侧方跌倒角度在时间和空间上会影响股骨颈骨折裂纹扩展行为。

去势大鼠骨质疏松性骨小梁的压缩断裂仿真

背景:目前已有相关有限元模型仿真模拟了股骨骨折,并探讨了载荷速率、载荷角度及松质骨在髋部骨折中的影响,但骨小梁的断裂仿真仍缺乏相关研究。目的:仿真模拟去势大鼠骨质疏松性骨小梁压缩断裂的生物力学过程。方法:取去势大鼠右侧股骨于Micro-CT扫描股骨远端,获得大鼠股骨感兴趣区域骨微结构参数及三维模型,在Geomagic Studio几何优化后在Hypermesh 14.0前处理,包括体网格划分、设置材料属性参数、边界条件,设置载荷1200 N,作用时间2 ms,在LS-DYNA软件中进行运算。结果与结论:①感兴趣区域骨小梁显示空间分布不均;②骨小梁体积小、数量少的部位最先开始出现变形断裂,板状及较大体积的骨小梁最后发生断裂塌陷;③Von-mises应力变化趋势与骨小梁断裂塌陷趋势大致相同;④感兴趣区域骨小梁断裂塌陷过程包括了垂直塌陷和水平扭转,其中水平扭转程度及速率低于垂直塌陷,使得横断面扭转成角大小及成角速率小于冠状面成角;⑤破坏单元的剪切应力增幅及峰值较Von-mises应力小;⑥提示骨小梁断裂塌陷是个复杂的过程,包含了不同平面的变形、成角。

动态载荷下股骨转子间区域皮质骨厚度对骨折类型影响的有限元分析

目的髋部骨折的有限元研究多以股骨颈骨折为模型,而转子间骨折模型较少。文中旨在采用有限元分析方法,探讨股骨转子间皮质骨厚度对髋部近端骨折类型的影响。方法选取2017年10月广州中医药大学第一附属医院健康男性志愿者1例。初步建立三维模型,进行网格划分、定义材料属性及设置边界条件,构建厚皮质骨、中厚皮质骨、薄皮质骨模型。测量模型断裂时刻及该时刻的Von Mises应力云图、骨折线走行、最早失效单元的时间-压力曲线。结果薄皮质骨模型最易发生骨折,厚皮质骨模型最迟发生骨折。Von Mises应力云图显示,断裂发生起始时,各模型应力主要分布在股骨颈的后侧与转子间,并向下延伸至小转子后下方;随着转子间皮质厚度降低,股骨颈的最大应力范围逐渐缩小,并向股骨颈后下方及转子间转移;其中薄皮质骨模型的最大应力区域明显缩小,并主要分布于股骨颈基底部与转子间交界处;随着皮质骨变薄,小转子亦逐渐变成应力区。薄皮质骨模型在转子间及小转子周围均出现骨折线。最早失效单元的时间-压力曲线显示,薄皮质骨模型最早发生断裂,最大应力为51.6 Mpa;厚皮质骨模型最迟发生断裂,最大应力为96.4 Mpa;中厚皮质模型最大应力为89.7 Mpa。结论股骨转子间皮质骨厚度是影响髋部骨折类型的重要因素。

载荷速率对股骨颈骨折裂纹扩展影响的有限元分析

背景:骨折发生发展是个动态过程,传统有限元方法不能很好地预测及展示骨折发生的确切起点、骨质断裂过程及该过程的应力、应变、裂纹扩展情况。目的:模拟不同跌倒载荷速率对股骨颈骨折裂纹扩展的影响。方法:将1名健康志愿者的股骨原始CT数据导入Mimics19.0软件,经区域增长、编辑笼罩、光滑、包裹等重建股骨近端三维有限元模型,并在Hypermesh14.0中进行松质骨、皮质骨网格划分、定义材料属性、设定边界条件、模拟股骨内旋、内收位跌倒状态、加载载荷-时间函数[F1=2500t、F2=(10000/3)t、F3=5 000t、F4=10 000t]等前处理,将生成的K文件导入LS-DYNA求解器中运算。结果与结论:(1)骨折起始裂纹均出现在股骨颈下后方,初始裂纹长度呈载荷速率依赖性;(2)皮质骨断裂时的最大应力均分布在股骨颈后外侧,随着载荷速率升高,应力分布从转子间逐渐向股骨颈缩小;(3)股骨颈的压缩应变主要集中在股骨颈下后方,在裂纹走行处出现最大应变值;(4)载荷速率越高皮质骨越早发生断裂,断裂历程越短,裂纹扩展速率越高,骨折线逐渐变粗糙并上移,形成头下型骨折,同时Pauwels角也随之增大;(5)结果说明,载荷速率会改变股骨颈骨折裂纹扩展行为,进而影响髋部骨折类型。

基于ABAQUS软件股骨颈骨折的扩展有限元建模分析

背景:与基于面骨密度的临床工具相比,特定载荷条件下的有限元模型强度分析越来越多用于改善对骨折风险的评估。然而,大多数有限元模型仅限于估计骨强度和可能发生骨折的位置,不能对骨折过程本身进行建模。目的:在ABAQUS软件中使用扩展有限元法对股骨颈骨折裂纹进行模拟,采用基于最大主应力和能量的准则来确定裂纹的起裂位置和裂纹扩展路径。方法:收集1名健康志愿者股骨近端CT数据,以DICOM格式导入Mimics重建三维模型,赋予皮质骨、松质骨相应材料参数。最初进行静态分析,以评估骨应力分布并确定骨折危险区域。基于应力结果和排除边界附近的单元,定义了允许在扩展有限元法分析中发生断裂的富集区,当主应力超过116 MPa时单元发生裂纹萌生,预测裂纹位置与演变过程。结果与结论:(1)静力学分析:在站立位载荷下,股骨颈出现应力集中,最大等效应力为711.8 MPa,根据第四强度理论,股骨皮质骨屈服强度为116 MPa,当前载荷下股骨颈将发生不可逆的塑性破坏。此外,最大主应力集中于股骨颈外侧,最大值超过116 MPa。(2)裂纹扩展分析:裂纹的产生是一个蓄积能量的过程,随着应力不断增大并超过阈值时,股骨颈外上方开始出现单元损伤,此时为黏性裂纹状态,仍有抗断能力。随着应力继续增大,该单元完全失效,此时裂纹面周围及尖端应力值迅速降低,应力集中向单元两侧分布。裂纹先后向股骨颈前上、后下方向延伸,最终形成股骨颈骨折。(3)基于断裂力学建立的股骨近端骨折模型,既能很好地预测弹性行为,又能很好地预测站立载荷下的断裂裂纹路径及评估力学性能和临界主应力的影响,同时强调了充分校准断裂标准的重要性。该方法较强度理论建模方法提供了更多关于骨折裂纹扩展机制的信息,有助于对骨折潜在风险的深入探究。