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Finite Element Analysis of Coronal Shear Fractures of the Femoral Neck: Displacement of the Femoral Head and Effect of Osteosynthetic Implants
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作者 Yukino Mori Hiroaki Kijima +2 位作者 Mei Terashi Takehiro Iwami Naohisa Miyakoshi 《World Journal of Engineering and Technology》 2024年第3期651-664,共14页
Coronal shear fractures of the femoral neck (CSFF) are the most challenging to treat among proximal femur fractures, directly affecting the life expectancy of patients with osteoporosis. However, an adequate osteosynt... Coronal shear fractures of the femoral neck (CSFF) are the most challenging to treat among proximal femur fractures, directly affecting the life expectancy of patients with osteoporosis. However, an adequate osteosynthesis method has not been elucidated yet. This study investigated the displacement direction of the femoral head fragment and its effect on the bone using finite element method. A finite element model for CSFF was developed from CT image data of a patient with osteoporosis using Mechanical Finder (ver. 11). Subsequently, finite element analyses were performed on six osteosynthesis models under maximum load applied during walking. The compressive stresses, tensile stresses, and compressive strains of each model were examined. The results suggested that the compressive and tensile stress distributions were concentrated on the anterior side of the femoral neck. Compressive strain distribution in the femoral head and neck was concentrated in four areas: at the tip of the blade or lag screw, the anteroinferior side of the blade or lag screw near the fracture site, and the upper right and lower left near the junction of the blade or lag screw and nail. Thus, the distribution of both these stresses revealed that the femoral head fragment was prone to anterior and inferior displacement. Distribution of compressive strains revealed the direction of the stress exerted by the osteosynthetic implant on the bone. The same results were observed in all osteosynthetic implants;thus, the findings could lay the foundation for developing methods for placing osteosynthetic implants less prone to displacement and the osteosynthetic implants themselves. In particular, the study provides insight into the optimal treatment of CSFF. 展开更多
关键词 Finite element analysis Proximal Femur fractures Intramedullary Fixation Coronal Shear fractures femoral Neck
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Effect of screw position on bone tissue differentiation within a fixed femoral fracture
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作者 Saghar Nasr Stephen Hunt Neil A. Duncan 《Journal of Biomedical Science and Engineering》 2013年第12期71-83,共13页
Plate and screw constructs are routinely used in the treatment of long bone fractures. Despite considerable advancements in technology and techniques, there can still be complications in the healing of long bone fract... Plate and screw constructs are routinely used in the treatment of long bone fractures. Despite considerable advancements in technology and techniques, there can still be complications in the healing of long bone fractures. Non-unions, delayed unions, and hardware failures are common complications observed in clinical practice following open reduction and internal fixation of fractures [1]. Potential causes of these adverse clinical effects may be disruptive to the periosteal and endosteal blood supply, stress shielding effects, and inadequate mechanical stability. The goal of the present study was to explore the effect of screw position on the fracture healing and formation of new bone tissue with mechanoregulatory algorithms in a computational model. An idealized poroelastic 3D finite element (FE) model of a femur with a 5 mm fracture gap, including a plate-screw construct was developed. Nineteen different plate-screw combinations, created by varying the number and position of screws within the plate, were created to identify a construct with the most favourable attributes for fracture healing. The first phase of the study evaluated constructs through mechanical stress analyses to identify those constructs with high loadsupport capability. The second phase of the study evaluated healing and bone formation with a biphasic mechanoregulatory algorithm to simulate tissue differentiation for fixation within selected constructs. The results of our analysis demonstrated a 4-screw symmetrical construct with the largest distance between screws to provide the most favourable balance of stability and optimized conditions to promote fracture healing. 展开更多
关键词 femoral fracture Internal FIXATION SCREW Number SCREW POSITION TISSUE DIFFERENTIATION Finite element analysis
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A quantitative biomechanical study of positive buttress techniques for femoral neck fractures:a finite element analysis 被引量:4
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作者 Gang Wang Bin Wang +1 位作者 Yong Tang Hui-Lin Yang 《Chinese Medical Journal》 SCIE CAS CSCD 2019年第21期2588-2593,共6页
Background:Refractory femoral neck fractures cannot be anatomically reduced by closed traction reduction which may affect fracture healing.We evaluated the biomechanical effects of positive,negative,and anatomic reduc... Background:Refractory femoral neck fractures cannot be anatomically reduced by closed traction reduction which may affect fracture healing.We evaluated the biomechanical effects of positive,negative,and anatomic reduction of various degrees of displacement in Pauwels I femoral neck fractures by a finite element analysis.Methods:Five reduction models of Pauwels type I femoral neck fracture were established using the Mimics 17.0(Materialize,Leuven,Belgia)and Hypermesh 12.0(Altair Engineering,Troy,MI,USA).According to the degree of fracture displacement,there were three models of positive support,an anatomic reduction model,and a negative 2mm reduction model.Finite element analysis was conducted using the ABAQUS 6.9 software(Simulia,Suresnes,France).The von Mises stress distribution and the stress peak of internal fixation in different models,the displacement between fracture blocks,and the principal strain of the femoral neck cancellous bone model were recorded under the axial stress of 2100 N.Results:The peak von Mises stress on screw of each model was located at the thread of the screw tip.The peak von Mises stress was the lowest at the tip of the anatomic reduction model screw(261.2 MPa).In the positive 4mm model,the von Mises stress peak was the highest(916.1 MPa).The anatomic reduction model showed the minimum displacement(0.388 mm)between fracture blocks.The maximum displacement was noted in the positive 4mm model(0.838 mm).The displacement in the positive 3mm model(0.721 mm)was smaller than that in the negative 2mm model(0.786 mm).Among the five models,the strain area of the femoral neck cancellous bone was mainly concentrated around the screw hole,and the area around the screw hole could be easily cut.Conclusions:Compared with negative buttress for femoral neck fracture,positive buttress can provide better biomechanical stability.In Pauwel type I fracture of femoral neck,the range of positive buttress should be controlled below 3mm as far as possible. 展开更多
关键词 ANATOMICAL reduction femoral NECK fracture Finite element analysis
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Biomechanical analysis of the computer-assisted internal fixation of a femoral neck fracture 被引量:4
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作者 Hui Lu Hongquan Shen +2 位作者 Shuqing Zhou Weidong Ni Dianming Jiang 《Genes & Diseases》 SCIE 2020年第3期448-455,共8页
The number and spatial configuration of the screws will affect the stability and prognosis of the fractures.In our study,we assessed the biomechanical effects of the double-head cannulated compression screw(DhCCS)and ... The number and spatial configuration of the screws will affect the stability and prognosis of the fractures.In our study,we assessed the biomechanical effects of the double-head cannulated compression screw(DhCCS)and ordinary cannulated compression screw(OCCS)for the treatment of femoral neck fractures by using computer finite element analysis.The original digital imaging and communications in medicine(DICOM)data of a proximal femur were imported into Materialise’s interactive medical image control system(MIMICS)software for modeling.Both DhCCS and OCCS 3D-models were obtained by using the 3D scan technique.Using the fracture model and internal fixation assembly model with an inverted triangle,two horizontal and vertical distribution were established in UG software.Next,the displacement and stress distribution were calculated in ANSYS software.The displacement value of the femoral head in the DhCCS group was smaller than that in the OCCS group,and the displacement value in the two horizontal groups was smaller than that in the vertical group.The stress distribution in the DhCCS group was concentrated on the screw rod at the fracture block and thread end,while only at the fracture block in the OCCS group.The stress in the horizontal group was more dispersed on the screws than that in the vertical group.DhCCS has reliable stability for the fixation of femoral neck fractures and applied in the clinical work and 2 horizontal fixation can be used when two screws are selected. 展开更多
关键词 BIOMECHANICS Cannulated compression screw femoral neck fracture Finite element analysis Internal fixation
原文传递
顺行和逆行髓内钉治疗不同部位股骨干骨折的有限元分析 被引量:3
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作者 黄培镇 董航 +2 位作者 蔡群斌 林梓凌 黄枫 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2024年第6期868-872,共5页
背景:髓内钉治疗股骨干骨折取得了较好的临床疗效,但仍有部分患者并发无菌性骨不连,其原因为机械性不稳定。股骨作为人体最长最大的骨骼,不同部位骨折是否具有不同的生物力学特征,及不同进钉方式对于不同部位骨折端稳定性存在何种影响... 背景:髓内钉治疗股骨干骨折取得了较好的临床疗效,但仍有部分患者并发无菌性骨不连,其原因为机械性不稳定。股骨作为人体最长最大的骨骼,不同部位骨折是否具有不同的生物力学特征,及不同进钉方式对于不同部位骨折端稳定性存在何种影响均研究甚少。目的:分析顺行和逆行髓内钉治疗不同部位股骨干骨折的生物力学特点,评估最佳进钉方式,减少骨不连发生率。方法:选取一名志愿者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软件画出顺行和逆行髓内钉模型并与不同骨折部位股骨干骨折模型按照标准手术技术装配,以STEP格式导入Abaqus 2017软件中设置材料属性参数、边界条件、施加载荷、提交运算,于可视化模块中查看结果。其中上段股骨干骨折顺行和逆行髓内钉分别为A1、A2模型,中段为B1、B2模型,下段为C1、C2模型。结果与结论:(1)A1、B1、C2模型股骨整体应力分布更为均匀,位移、骨折端间隙与成角、股骨近折端骨块内翻均更小;(2)对于上段和中段股骨干骨折,顺行髓内钉具有更好的生物力学效果;对于下段股骨干骨折,逆行髓内钉效果更优。 展开更多
关键词 顺行髓内钉 逆行髓内钉 股骨干骨折 有限元分析 生物力学 骨不连
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股骨近端防旋髓内钉-Ⅱ治疗31-A3型股骨转子间骨折扩髓与否的有限元分析 被引量:1
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作者 刘泽民 王栋 +5 位作者 李岩 刘旻 陈斌 王钞崎 吕欣 张永红 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2024年第30期4770-4776,共7页
背景:针对股骨转子间骨折是否需要扩髓的问题尚有争议,一些人认为不扩髓缩短手术时间、减少出血、降低高龄患者术中风险,但此举是否会降低髓内钉支撑效果,尚无依据。另一些人认为扩髓可选择直径更粗的髓内钉,获得更好的力学支撑,但基础... 背景:针对股骨转子间骨折是否需要扩髓的问题尚有争议,一些人认为不扩髓缩短手术时间、减少出血、降低高龄患者术中风险,但此举是否会降低髓内钉支撑效果,尚无依据。另一些人认为扩髓可选择直径更粗的髓内钉,获得更好的力学支撑,但基础研究显示此方法存在脂肪栓塞、破坏骨质(尤其高龄骨质疏松患者)等风险。目的:通过有限元分析股骨近端防旋髓内钉-Ⅱ治疗31-A3型股骨转子间骨折时扩髓与不扩髓的力学分布特点。方法:纳入一名健康志愿者,CT扫描其股骨获取DICOM格式文件,顺序导入Mimics、Geomagic Wrap、SolidWorks、Hypermesh、Ansys软件处理文件,得到A3.1型、A3.2型及A3.3型股骨转子间骨折模型,分别与9,11 mm直径、170 mm长度的股骨近端防旋髓内钉-Ⅱ进行装配,赋予材料属性,设定各接触面相互作用关系及定义载荷及边界条件,之后进行求解。观察不同模型中股骨应力分布、内固定应力分布、股骨位移及内固定位移情况。结果与结论:①各型骨折采用扩髓髓内钉固定时股骨应力均小于非扩髓髓内钉固定,A3.3型骨折股骨最大应力值大于A3.1型和A3.2型;②各型骨折采用扩髓髓内钉固定时内固定应力均大于非扩髓髓内钉固定,A3.3型骨折内固定最大应力值大于A3.1型;③扩髓与非扩髓对股骨及内固定位移影响较小,应力影响较大;④提示采用扩髓髓内钉固定可使股骨应力减小,内固定整体承担应力增大,远端锁钉承担应力减小;与非扩髓髓内钉固定相比,采用扩髓髓内钉固定可能会提供更好的治疗效果。 展开更多
关键词 股骨转子间骨折 扩髓髓内钉 非扩髓髓内钉 股骨近端防旋髓内钉-Ⅱ 有限元分析 PFNA-Ⅱ
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利用克氏针治疗儿童股骨远端骨骺损伤的有限元分析
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作者 王晓明 王晓威 +2 位作者 白桓安 杨亚婷 颉强 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第4期651-656,共6页
目的研究不同构型克氏针治疗儿童SH-Ⅱ型骨骺损伤的稳定性差异以及对骺板的损伤情况。方法利用1名8岁患儿健侧股骨CT数据,将图像数据导入Mimics 21.0中建立粗略股骨、骨骺模型,再导入Geomagic 2013中构建得到曲面化模型。将上述模型在So... 目的研究不同构型克氏针治疗儿童SH-Ⅱ型骨骺损伤的稳定性差异以及对骺板的损伤情况。方法利用1名8岁患儿健侧股骨CT数据,将图像数据导入Mimics 21.0中建立粗略股骨、骨骺模型,再导入Geomagic 2013中构建得到曲面化模型。将上述模型在SolidWorks 2018中与3种克氏针构型(分散克氏针、双交叉克氏针、单交叉克氏针)完成装配后导入ANSYS Workbench 2019中,通过对装配体的不同力学加载模拟现实中的多种运动模式,分析骨折块的最大位移以及克氏针、骺板、骨折块von Mises应力分布及最大应力。结果分散克氏针、双交叉克氏针、单交叉克氏针组的最大位移分别发生外展(2.39 mm)、内收(2.12 mm)、外展(2.21 mm)运动时,骺板最大应力分别发生在外展(1.22 MPa)、前屈(0.20 MPa)、后伸(0.29 MPa)运动时。结论双交叉克氏构型针的稳定性优于分散布针及单交叉克氏针,并且对骨骺损伤最小。 展开更多
关键词 儿童骨折 骨折固定 骨骺 股骨骨折 克氏针 有限元分析
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不同内固定方式治疗股骨颈骨缺损骨折的静力学与模态分析
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作者 章浩伟 秦燕韩 刘颖 《北京生物医学工程》 2024年第4期352-360,共9页
目的 探讨不同内固定方式治疗股骨颈骨缺损骨折的静力学特征以及固有和约束模态对内固定的影响。方法 首先基于CT图像建立伴有股骨颈内固定系统(femoral neck system,FNS)和倒三角空心钉(cannulated screw,CS)两种不同内固定装置的股骨... 目的 探讨不同内固定方式治疗股骨颈骨缺损骨折的静力学特征以及固有和约束模态对内固定的影响。方法 首先基于CT图像建立伴有股骨颈内固定系统(femoral neck system,FNS)和倒三角空心钉(cannulated screw,CS)两种不同内固定装置的股骨颈骨折模型与股骨颈骨缺损骨折模型,然后模拟3倍体重载荷下,不同骨折内固定模型的应力、位移分布及峰值以及模态下的位移峰值、频率以及固有和约束模态振型。结果 两种内固定方式下,股骨颈骨缺损骨折的内固定应力峰值(337.69 MPa,618.58 MPa)显著高于股骨颈骨折模型(149.38 MPa,300.57 MPa),股骨头应力峰值(107.75 MPa,93.78 MPa)与位移峰值(5.244 mm,4.415 mm)也都高于股骨颈骨折模型[(95.73 MPa,85.64 MPa),(4.367 mm,3.478 mm)]。在骨折类型相同的情况下,FNS内固定模型相比CS内固定模型具有更低的位移峰值以及更加均匀的应力分布。模态分析结果显示,振动对于内固定的稳定性有一定影响,约束模态的振型频率范围要小于固有模态。固有模态下FNS的位移峰值较CS降低了6.99%,约束模态下位移峰值降低了14.02%。结论 骨缺损会严重破坏内固定的力学环境,无论是普通骨折模型还是骨缺损骨折模型,FNS固定的静态与动态特性都要优于CS固定。临床治疗中要考虑股骨及内固定器械的固有、约束频率所产生的影响,避免因共振而造成内固定失效等问题。 展开更多
关键词 股骨颈骨折 骨缺损 有限元分析 模态分析 内固定
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三种内固定装置应用于PauwelsⅢ型股骨颈骨折的有限元分析 被引量:4
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作者 齐远博 李建涛 +3 位作者 刘道宏 陶笙 王道峰 吴杰 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2024年第30期4763-4769,共7页
背景:目前临床上对于PauwelsⅢ型股骨颈骨折的内固定选用仍存在争议,选择提供稳定固定强度的内固定是实现PauwelsⅢ型骨折固定的关键基础。目的:利用三维有限元分析法测试3种类型内固定应用于PauwelsⅢ型股骨颈骨折的生物力学强度差异,... 背景:目前临床上对于PauwelsⅢ型股骨颈骨折的内固定选用仍存在争议,选择提供稳定固定强度的内固定是实现PauwelsⅢ型骨折固定的关键基础。目的:利用三维有限元分析法测试3种类型内固定应用于PauwelsⅢ型股骨颈骨折的生物力学强度差异,为其临床治疗提供借鉴。方法:使用一名健康男性志愿者的左股骨CT数据,在Mimics软件中重建出一个完整的股骨及其骨松质,运用Geomagic studio软件进行逆向建模,并在UG-NX软件中创建出倒三角空心螺钉、动力髋螺钉、股骨颈动力交叉钉系统;将3种内固定模型分别装配至股骨模型上;通过Hypermesh软件模拟PauwelsⅢ型股骨颈骨折;最后应用Abaqus软件进行有限元实验分析,分析比较不同内固定系统固定股骨颈骨折所产生的应力分布、应力峰值、应变情况及位移分布。结果与结论:①股骨近端骨块的应力主要分布在骨折端附近股骨颈下方区域,动力髋螺钉组的应力峰值最大,股骨颈动力交叉钉系统组最小;②内固定装置的应力分布主要集中在骨折线附近的螺钉表面,股骨颈动力交叉钉系统组的应力峰值最大,动力髋螺钉组最小;③股骨近端骨块的主要应变场分布于骨与螺钉接触的上表面区域,股骨颈动力交叉钉系统组的屈服应变最小,倒三角空心螺钉组最大;④内固定装置模型的主要应变场分布于股骨颈螺钉的上表面,股骨颈动力交叉钉系统组的屈服应变最小,倒三角空心螺钉组最大;⑤3种股骨颈骨折内固定模型中的股骨、近端骨块、远端骨块、内固定装置以及内固定与股骨整体的位移分布值均由近端到远端逐渐减小,其中股骨颈动力交叉钉系统固定组的位移峰值最大,动力髋螺钉组最小;⑥结果表明,在固定PauwelsⅢ型股骨颈骨折时,股骨颈动力交叉钉系统的应力分布更为均匀、力学传导特性更好,其承受了较低的屈服应变、较高的应力和较高的位移;具有相对更良好的生物力学稳定性,能为骨折的愈合提供优越的力学环境。 展开更多
关键词 骨折 股骨颈骨折 内固定 生物力学 有限元分析
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不同复位条件下股骨颈骨折最优固定方式的有限元分析 被引量:2
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作者 韩彪 李冀 +6 位作者 李彬 孙博 宗双乐 王宏润 李冬梅 李力更 王斌 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2024年第12期1810-1814,共5页
背景:股骨颈骨折的传统固定方式为3枚空心螺钉倒三角固定,对于未达到解剖复位的股骨颈骨折的最优固定方式尚无定论。目的:基于有限元分析法比较空心钉固定不同复位条件下头下型股骨颈骨折的生物力学性能。方法:选取一名健康成年男性股... 背景:股骨颈骨折的传统固定方式为3枚空心螺钉倒三角固定,对于未达到解剖复位的股骨颈骨折的最优固定方式尚无定论。目的:基于有限元分析法比较空心钉固定不同复位条件下头下型股骨颈骨折的生物力学性能。方法:选取一名健康成年男性股骨近端CT数据重建三维模型,进行头下型骨折造模,将骨折模型分为解剖复位组、髋内翻组、髋外翻组,各骨折模型组均分出3个亚组,用标准组、螺钉压低组、螺钉抬高组进行转配,于髋臼顶向股骨头施加垂直向下1400 N的应力,观察不同固定方式下股骨及内固定物的位移和应力分布,对比股骨和固定物的应力和位移最大值。结果与结论:①解剖复位时,标准组、螺钉压低组、螺钉抬高组固定物应力峰值分别为41.35,31.27,43.32MPa,螺钉抬高组的股骨应力峰值最大(28.58 MPa),股骨的位移峰值标准组最大;②髋内翻时,3个亚组的应力均相对分散且均匀;标准组的股骨应力峰值最小,但位移峰值最大,固定的稳定性可能不佳;螺钉压低组股骨的位移峰值最小;③在髋外翻时,螺钉压低组出现明显的螺钉应力集中,且位移峰值为3个亚组中最大,出现in-out-in现象;螺钉抬高组螺钉的应力峰值为3个亚组中最大,但位移峰值最小;④提示在头下型股骨颈骨折中,当完全解剖复位时,推荐采用标准的倒三角置钉方式固定;当出现复位标准允许范围内的髋内翻及髋外翻,置入螺钉时,推荐采用随髋内或外翻同方向转动相应的角度置入倒三角螺钉固定。 展开更多
关键词 股骨颈骨折 内固定 有限元分析 复位质量 生物力学
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骨水泥分布位置与含量对股骨反转子间骨折应力、位移影响的有限元分析 被引量:2
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作者 张乾龙 买合木提·亚库甫 +6 位作者 宋晨辉 刘修信 任政 刘宇哲 木牙沙尔·阿布都沙拉木 萨吉旦·艾克拜尔 冉建 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2024年第3期336-340,共5页
背景:股骨近端防旋髓内钉是治疗骨质疏松性反转子间骨折的首选治疗方案,其中骨水泥增强可减少股骨近端防旋髓内钉切出与切穿的概率,但目前没有相关生物力学研究证明骨水泥的含量及位置对骨折端应力及位移的影响。目的:通过有限元方法分... 背景:股骨近端防旋髓内钉是治疗骨质疏松性反转子间骨折的首选治疗方案,其中骨水泥增强可减少股骨近端防旋髓内钉切出与切穿的概率,但目前没有相关生物力学研究证明骨水泥的含量及位置对骨折端应力及位移的影响。目的:通过有限元方法分析骨水泥增强型股骨近端防旋髓内钉中骨水泥含量及位置对老年骨质疏松性股骨反转子间骨折应力、应变及位移的影响。方法:采用Mimics软件建立健康成年女性右侧股骨模型,并在Geometric软件中进行光滑处理,利用Solidworks软件分别建立股骨近端防旋髓内钉(无骨水泥、头端球形1 mL骨水泥、头端球形2 mL骨水泥、头端球形3.4 mL骨水泥、螺旋刀片周围圆柱形5 mL骨水泥)5种类型内固定方式及股骨反转子间骨折(AO分型31-A3.1型)模型,装配后,在Ansys软件中比较5种模型内植物的总应力分布、应力峰值及位移。结果与结论:①无骨水泥与头端球形1 mL、头端球形2 mL、头端球形3.4 mL、螺旋刀片周围圆柱形5 mL骨水泥增强型股骨近端防旋髓内钉组内植物的应力峰值分别为571.07 MPa(位于螺旋刀片与主钉交界处),495.45 MPa(位于螺旋刀片与主钉交界处)、467.20 MPa(位于主钉与远端螺钉连接处)、642.70 MPa(位于主钉与远端螺钉连接处)、458.58 MPa(位于远端与主钉交界处);②无骨水泥与头端球形1 mL、头端球形2 mL、头端球形3.4 mL、螺旋刀片周围圆柱形5 mL骨水泥增强型股骨近端防旋髓内钉组内植物的最大位移量分别为9.2605,7.5891,7.3168,6.7907,6.6157 mm,均位于股骨头近端;③结果显示,采用股骨近端防旋髓内钉内固定股骨反转子间骨折时,骨水泥增强较未增强有明显的力学稳定性,并且螺旋刀片周围5 mL骨水泥的增强效果最好,对于老年不稳定型股骨转子间骨折是优先选择。 展开更多
关键词 内植物 股骨近端防旋髓内钉 股骨反转子骨折 有限元分析 骨水泥 增强型股骨近端防旋髓内钉
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非解剖复位下股骨颈系统内固定治疗股骨颈骨折的有限元分析 被引量:1
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作者 贾继斋 殷贵鲲 +5 位作者 谢辉 傅维民 韩顺 马英杰 温准 王本杰 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2024年第21期3319-3325,共7页
背景:难复性股骨颈骨折很难获得解剖复位,作为一种新型内固定装置,目前关于股骨颈系统内固定治疗非解剖复位的股骨颈骨折尚是空白。目的:运用有限元分析方法,探讨股骨颈系统内固定治疗未能获得解剖复位的股骨颈骨折的生物力学稳定性。方... 背景:难复性股骨颈骨折很难获得解剖复位,作为一种新型内固定装置,目前关于股骨颈系统内固定治疗非解剖复位的股骨颈骨折尚是空白。目的:运用有限元分析方法,探讨股骨颈系统内固定治疗未能获得解剖复位的股骨颈骨折的生物力学稳定性。方法:收集一名健康女性成年人的髋关节CT数据,利用Mimics 21.0、Geomagic Wrap 2021和SolidWorks 2020制作Pauwels角分别为30°,50°和70°的解剖复位股骨颈骨折模型,将以上3个解剖复位模型的骨折近端沿骨折线向上移位2 mm,得到3个不同Pauwels角的阳性支撑模型;相反,得到3个阴性支撑模型。使用SolidWorks 2020制作股骨颈系统内固定,并与以上9个模型装配。使用Ansys 19.0软件进行有限元分析,记录2100 N应力下股骨和股骨颈系统的位移分布和最大位移、应力分布和最大应力。结果与结论:①Pauwels角为30°,50°,70°时,股骨颈系统最大应力均集中在螺栓与抗旋螺钉交界处,股骨最大应力集中在股骨内侧皮质,最大位移均分布于股骨头上部和股骨颈系统顶端;②Pauwels角为30°,50°时,股骨颈系统和股骨的最大位移和最大应力情况均为阴性支撑>解剖复位>阳性支撑;③Pauwels角为70°时,股骨颈系统的最大位移和最大应力情况为阴性支撑>解剖复位>阳性支撑;股骨的最大位移和最大应力情况为阴性支撑>阳性支撑>解剖复位;④随着Pauwels角的增大,阳性支撑的生物力学优势在减弱,但均优于阴性支撑;当Pauwels角为30°时,阳性支撑比解剖复位更稳定;当Pauwels角为50°时,阳性支撑与解剖复位的生物力学差异变得更小;当Pauwels角为70°时,解剖复位的稳定性略优于阳性支撑;⑤提示股骨颈骨折在术中若难以达到解剖复位,但已实现移位2 mm以内的阳性支撑,应用股骨颈系统内固定可以得到稳定的力学固定,但是需要避免阴性支撑复位。 展开更多
关键词 股骨颈骨折 股骨颈系统 内固定 非解剖复位 阳性支撑 有限元分析
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股骨颈动力交叉钉联合空心钉治疗Pauwels Ⅱ型中青年股骨颈骨折的有限元分析 被引量:1
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作者 阿里木江·玉素甫 阿卜杜吾普尔·海比尔 +1 位作者 阿不都拉·阿不来提 冉建 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2025年第15期3095-3100,共6页
背景:股骨颈骨折是一种还未被解决的骨折,虽然涌现了空心螺钉、动力髋螺钉及股骨颈动力交叉钉等效果较好的植入物,但对于Pauwels角和剪切力较大的股骨颈骨折的最佳内固定方案尚无定论。目的:采用有限元分析法研究不同置钉位置的股骨颈... 背景:股骨颈骨折是一种还未被解决的骨折,虽然涌现了空心螺钉、动力髋螺钉及股骨颈动力交叉钉等效果较好的植入物,但对于Pauwels角和剪切力较大的股骨颈骨折的最佳内固定方案尚无定论。目的:采用有限元分析法研究不同置钉位置的股骨颈动力交叉钉联合空心螺钉治疗PauwelsⅡ型中青年股骨颈骨折的生物力学特性。方法:根据提取的志愿者股骨CT数据建立Pauwels角为50°的股骨颈骨折模型,将股骨颈均分为3等分,构建4组模型:A组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈中间1/3;B组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈下1/3;C组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈下1/3+空心螺钉位于股骨颈上1/3;D组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈中间偏前内侧1/3+空心螺钉位于股骨颈中间偏后内侧1/3。在1200 N的载荷下测量4组股骨、内固定模型的应力分布及峰值、最大变形情况和骨折断面的应力分布。结果与结论:①通过有限元分析可知,C组的股骨及内固定模型的应力分布及峰值、最大变形情况和骨折断面的应力均小于其余3组;②B组相较于A组有着更小的股骨骨质、内固定物和骨折断面应力和位移,说明股骨颈动力交叉钉头钉放置于股骨颈下1/3比中1/3更稳定;③结果表明,股骨颈动力交叉钉头钉位于股骨颈下1/3联合股骨颈上1/3平行放置螺钉对青壮年PauwelsⅡ型股骨颈骨折具有更好的稳定性,是治疗该类型骨折的有效选择。 展开更多
关键词 股骨颈骨折 股骨颈动力交叉钉系统 空心螺钉 有限元分析 生物力学
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髓内与髓外固定股骨颈基底部骨折的有限元分析:PFNA与FNS
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作者 覃祺 阿里木江·玉素甫 +3 位作者 刘宇哲 刘修信 任政 冉建 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2025年第21期4407-4412,共6页
背景:股骨颈基底部骨折生物力学稳定性差,治疗方案与传统股骨颈骨折有所差别,目前临床上治疗青年股骨颈基底部骨折的手术方案仍未达成统一。目的:通过有限元分析比较股骨近端防旋髓内钉与股骨颈动力交叉钉治疗股骨颈基底部骨折的生物力... 背景:股骨颈基底部骨折生物力学稳定性差,治疗方案与传统股骨颈骨折有所差别,目前临床上治疗青年股骨颈基底部骨折的手术方案仍未达成统一。目的:通过有限元分析比较股骨近端防旋髓内钉与股骨颈动力交叉钉治疗股骨颈基底部骨折的生物力学特征。方法:首先使用Mimics Medical 21.0软件提取健康青年女性志愿者右侧股骨CT数据建立初步模型;然后将该模型导入Geomagic Wrap 2021软件进一步光滑处理;利用SOLIDWORKS 2021软件建立股骨颈基底部骨折模型、股骨近端防旋髓内钉模型、股骨颈动力交叉钉模型并进行装配;最后将装配后的模型导入Workbench 2021 R1软件进行生物力学分析。结果与结论:(1)应力分布:股骨近端防旋髓内钉组股骨模型应力分布主要在骨折线附近及股骨内侧,应力峰值为151.90 MPa;股骨颈动力交叉钉组股骨模型应力分布主要在骨折线附近,应力峰值为290.74 MPa;股骨近端防旋髓内钉内固定应力主要分布在螺旋刀片及主钉近端,应力峰值为102.95 MPa;股骨颈动力交叉钉内固定应力分布主要由支撑棒向两边延伸,应力峰值为184.69 MPa;(2)总位移:股骨近端防旋髓内钉组股骨模型最大位移为4.032 3 mm,股骨颈动力交叉钉组股骨模型最大位移为4.648 9 mm,最大位移均位于股骨头;股骨近端防旋髓内钉组内固定与股骨颈动力交叉钉组内固定位移峰值分别为2.709 4 mm与3.130 3 mm,两组内固定位移均主要集中在内固定近端,逐渐向远端递减;(3)提示在股骨颈基底部骨折的模型中,无论是股骨模型还是内固定模型,股骨近端防旋髓内钉相较于股骨颈动力交叉钉应力分布更分散、应力峰值更低、股骨头位移更小,生物力学稳定性更优。 展开更多
关键词 股骨颈基底部骨折 有限元分析 股骨近端防旋髓内钉 股骨颈动力交叉钉系统 生物力学
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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 被引量:1
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作者 王家宁 符绩智 +2 位作者 冯文天 宋霏 杨海胜 《北京生物医学工程》 2024年第1期9-14,42,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 CT图像 有限元分析 数字体相关 骨质疏松 股骨骨折
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菱形与非平行空心加压螺钉治疗股骨颈骨折的有限元分析
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作者 李志远 南宠 +4 位作者 田金辉 江仲超 李晓东 刘炳智 苗洁 《科学技术与工程》 北大核心 2024年第19期8018-8024,共7页
为对比分析菱形与非平行空心加压螺钉治疗3种类型(PauwelsⅠ、Ⅱ、Ⅲ)股骨颈骨折在模拟生物载荷下的力学差异。通过使用计算机三维处理软件(Minics、Solideworks、Geomagic)分析临床提供的CT数据进行建模,包括3种类型(PauwelsⅠ、Ⅱ、Ⅲ... 为对比分析菱形与非平行空心加压螺钉治疗3种类型(PauwelsⅠ、Ⅱ、Ⅲ)股骨颈骨折在模拟生物载荷下的力学差异。通过使用计算机三维处理软件(Minics、Solideworks、Geomagic)分析临床提供的CT数据进行建模,包括3种类型(PauwelsⅠ、Ⅱ、Ⅲ)及两种不同排列方式的空心加压螺钉模型;导入Ansys进行网格划分、材料赋值,模拟生理载荷,观察最大形变和内固定的等效应力和剪切应力的方法。对于菱形和非平行空心钉模型,在PauwelsⅠ型(20°)骨折中,最大形变0.5602、0.5610 mm,最大等效应力23.68、24.49 MPa,最大剪切应力3.715、4.160 MPa;在PauwelsⅡ型(40°)骨折中,最大形变0.5620、0.5653 mm,最大等效应力24.64、25.32 MPa,最大剪切应力4.540、5.549 MPa;在PauwelsⅢ型(60°)骨折中,最大形变0.5708、0.5723 mm,最大等效应力25.91、26.08 MPa,最大剪切应力6.668、7.089 MPa。可见在同等受力条件下,菱形空心钉模型的形变更小,内固定所承担的等效应力、剪切力更小,应力分布更为平均,更具有力学稳定性。 展开更多
关键词 股骨颈骨折 空心钉 有限元 生物力学
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不同内固定方式治疗股骨干粉碎性(Winquist-Hansen Ⅲ级)骨折有限元分析
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作者 董逸北 杨君健 +3 位作者 郭建平 张立岩 白长双 杨知伦 《北华大学学报(自然科学版)》 CAS 2024年第5期647-652,共6页
目的探讨髓内钉联合锁定钢板、单纯髓内钉、双锁定钢板及髓内钉联合钢丝治疗股骨干粉碎性骨折(Winquist-HansenⅢ级)的生物力学性能,以选择最佳的内固定方式,从而有效刺激骨痂形成,促进骨折愈合,缩短骨折愈合时间。方法应用有限元分析方... 目的探讨髓内钉联合锁定钢板、单纯髓内钉、双锁定钢板及髓内钉联合钢丝治疗股骨干粉碎性骨折(Winquist-HansenⅢ级)的生物力学性能,以选择最佳的内固定方式,从而有效刺激骨痂形成,促进骨折愈合,缩短骨折愈合时间。方法应用有限元分析方法,对股骨干粉碎性骨折(Winquist-Hansen Ⅲ级)模型施加700 N轴向载荷,比较4种不同内固定方式下的股骨整体应力及位移。结果有限元分析结果表明:髓内钉联合锁定钢板内固定方式的股骨整体应力低于单纯髓内钉及髓内钉联合钢丝,高于双锁定钢板;在施加700 N轴向载荷下,髓内钉联合锁定钢板内固定方式的股骨整体位移为0~1.13 mm,单纯髓内钉位移为0~2.31 mm,双锁定钢板位移为0~0.67 mm,髓内钉联合钢丝位移为0~2.02 mm。结论髓内钉联合锁定钢板治疗股骨干骨折应力更适中,双锁定钢板稳定性最好,髓内钉联合锁定钢板能产生更合适应力刺激骨痂生长,进而促进骨折愈合。 展开更多
关键词 股骨干粉碎性骨折 有限元分析 内固定 骨折愈合
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四种不同内固定方式治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的有限元分析
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作者 鲁建鹏 陈龙 +1 位作者 乐佳迪 章建雄 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2025年第21期4401-4406,共6页
背景:PauwelsⅢ型股骨颈骨折可能承受更多的剪切力与弯曲力,因此容易发生内固定失效、骨不连或股骨头坏死等并发症,目前关于选择理想的内固定装置还没有达成共识。目的:通过有限元分析比较4种内固定方法治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折的生... 背景:PauwelsⅢ型股骨颈骨折可能承受更多的剪切力与弯曲力,因此容易发生内固定失效、骨不连或股骨头坏死等并发症,目前关于选择理想的内固定装置还没有达成共识。目的:通过有限元分析比较4种内固定方法治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折的生物力学特性。方法:选取一名健康年轻志愿者的股骨CT数据导入Mimics软件,构建正常股骨的三维模型。根据70°骨折线模拟PauwelsⅢ型股骨颈骨折,使用Geomagic和UG软件优化和构建4种骨折内固定模型:倒三角空心钉、股骨颈固定系统、股骨颈固定系统+空心钉(前)、股骨颈固定系统+空心钉(后)。最后利用Ansys软件分析4种不同内固定模型中股骨近端骨折块的应力分布、峰值应力和峰值位移;观察内固定装置和股骨颈骨折上断面的位移分布和峰值位移。结果与结论:(1)4组骨折近端碎片应力峰值集中在骨折线附近,峰值应力股骨颈固定系统组最大,倒三角空心钉组最小;(2)骨折碎片峰值位移均位于股骨头顶部,峰值位移倒三角空心钉组最大,股骨颈固定系统+空心钉(后)组最小;(3)内固定模型峰值位移均位于模型顶部,峰值位移倒三角空心钉组最大,股骨颈固定系统+空心钉(后)组最小;(4)断裂面的位移在断裂端的上部,峰值位移倒三角空心钉组最大,股骨颈固定系统+空心钉(后)组最小;(5)提示与其他3种内固定方式相比,股骨颈固定系统+空心钉(后)组表现出良好的生物力学稳定性;当PauwelsⅢ型股骨颈骨折发生于年轻人时,从有限元分析的角度,使用其治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折可能是更有利的选择。 展开更多
关键词 股骨颈骨折 股骨颈固定系统 空心螺钉 PauwelsⅢ型骨折 有限元分析 生物力学
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不同构型内固定螺钉对治疗股骨颈骨折影响的有限元分析
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作者 高杨博 胡泽华 +1 位作者 高伟韬 张凯然 《中南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期3306-3314,共9页
通过有限元分析方法,探讨在Pauwels II型股骨颈骨折中应用传统实心螺钉及低刚度空心螺钉的生物力学差异,为低刚度空心螺钉的临床应用提供参考。基于1例老年男性股骨颈骨折志愿者的股骨二维CT影像数据,利用Mimics软件进行股骨三维模型重... 通过有限元分析方法,探讨在Pauwels II型股骨颈骨折中应用传统实心螺钉及低刚度空心螺钉的生物力学差异,为低刚度空心螺钉的临床应用提供参考。基于1例老年男性股骨颈骨折志愿者的股骨二维CT影像数据,利用Mimics软件进行股骨三维模型重建,采用Geomagic软件对模型进行平滑降噪处理,随后采用Solidworks软件建立2种内固定螺钉的三维模型,与股骨骨折模型进行装配。最后,采用Abaqus软件按照单足站立状态下的实际生物力学状态设置载荷及边界条件,完成有限元模型的建立及分析。研究结果表明:采用空心螺钉和实心螺钉的内固定模型上各螺钉应力峰值的标准差分别为12.71 MPa和85.34 MPa,股骨远端应力峰值分别为78.72 MPa和79.64 MPa,股骨整体位移峰值分别为2.020 mm和2.086 mm,骨折面应力峰值分别为216.4 MPa和210.2 MPa;空心螺钉可使多螺钉间应力分配更加均匀,提高螺钉承载能力及疲劳寿命;空心螺钉组股骨具有更小的应力及位移,表明其具有更强的稳定性;采用空心螺钉组时,骨折面附近应力小幅度提高,对骨折愈合起到促进作用。 展开更多
关键词 股骨 股骨颈骨折 空心螺钉 实心螺钉 有限元分析 生物力学
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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
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作者 李正刚 尚学红 +5 位作者 吴张 李红 孙朝军 陈华东 孙哲 杨毅 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2025年第3期455-463,共9页
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Pauw... 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。 展开更多
关键词 股骨颈骨折 内固定 有限元分析 生物力学 单腿站立 侧方跌倒 股骨距 Ward三角
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