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。

不同载荷条件下三种内固定方式治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折的有限元分析

背景:治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折的最佳内固定方式仍未达成共识,既往相关有限元分析大多采用单一简化载荷条件,对于常用内固定装置的生物力学特性还需进一步探究。目的:通过有限元方法分析空心加压螺钉、动力髋螺钉和股骨颈系统治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折在单腿站立载荷及侧方跌倒载荷条件下的生物力学特性。方法:通过CT扫描获取健康成人股骨DICOM数据,导入Mimics 15.0软件,得到骨组织的粗糙模型,再通过Geomagics软件对Mimics导出的数据进行优化处理,然后根据空心加压螺钉、动力髋螺钉和股骨颈系统的临床应用参数采用Pro/E软件建立3种内固定模型并与股骨模型组装,最后导入Ansys软件进行加载、计算,分析3种内固定模型在单腿站立载荷及侧方跌倒载荷的不同工况下股骨和内固定的应力分布和位移情况,以及股骨距和Ward三角区的应力特点。结果与结论:(1)单腿站立载荷及侧方跌倒载荷下,3种内固定模型的股骨近端应力均主要分布在股骨颈骨折端内上方,3种内固定模型的股骨近端、骨折端、Ward三角以及股骨距的应力峰值均为股骨颈系统内固定模型最小,空心加压螺钉内固定模型最大;(2)单腿站立载荷及侧方跌倒载荷下,3种内固定模型的股骨近端位移峰值均位于股骨头顶端,且位移峰值均为股骨颈系统内固定模型最小,空心加压螺钉内固定模型最大;(3)3种内固定模型在单腿站立及侧方跌倒载荷条件下内固定的位移峰值均位于内固定装置上方顶端,且位移峰值均为股骨颈系统内固定模型最小,空心加压螺钉内固定模型最大;(4)3种内固定模型在单腿站立及侧方跌倒载荷条件下内固定的应力均主要集中在内固定装置的骨折端附近区域,且内固定应力峰值均为股骨颈系统内固定模型最小,空心加压螺钉内固定模型最大;(5)结果表明,股骨颈系统的机械稳定性最佳,但是可能存在对于骨折端和股骨距应力遮挡的风险;股骨颈系统的内固定装置应力更为分散,内固定断裂风险更低。