前傾角改變對股骨頭應力分布影響的三維有限元分析.pdf

1、目的：針對股骨頸骨折患者手術后股骨頸前傾角改變導致股骨頭壞死，本論文研究股骨頸骨折術后由于前傾角的改變對股骨頭應力分布產(chǎn)生的影響，特別是研究造成股骨頭壞死的應力升高，為預防骨壞死提供應力分析的支持。 方法：（1）用16排CT對受試者全股骨進行掃描獲取符合Dicom標準的斷層圖像二維數(shù)據(jù)，然后利用逆向工程方法并結合有限元分析軟件ANSYS構建股骨三維有限元模型，并對模型進行力學性能的驗證。（2）編寫程序?qū)IP98應力數(shù)據(jù)庫中的應

2、力由德國Free University所設定的實驗坐標系轉(zhuǎn)換到本論文的股骨坐標系。（3）計算股骨頭與髖臼的接觸區(qū)域的形狀及面積。（4）測量受試者股骨頸前傾角，并以測得的角度為依據(jù)建立5組模型，前傾角分別為-10°、0°、10°、20°、30°。（5）在以上5種前傾角狀態(tài)下，將從HIP98應力數(shù)據(jù)庫提取并進行坐標轉(zhuǎn)換的股骨受力加到股骨頭與髖臼接觸區(qū)域的所有節(jié)點上，然后計算股骨頭的應力分布。（6）沿股骨頭冠狀位剖面定義三條路徑，以股骨頭表面

3、中心為起始點，分別延伸至股骨頸內(nèi)側、股骨頸外側及股骨頸中心區(qū)域，然后比較同一路徑下不同前傾角模型對應節(jié)點應力的大小，來分析前傾角改變對股骨頭應力的影響。 結果：（1）基于全股骨CT斷層二維圖像重建的三維表面模型，其幾何外觀與真實骨結構相符合。（2）將HIP98應力數(shù)據(jù)庫中測得的股骨受力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到本論文應用的股骨坐標系，作為有限元分析的外部載荷更符合股骨真實的受力環(huán)境。（3）測量受試者股骨頸前傾角正常狀態(tài)為10°。（4）在受試者單

4、足站立位狀態(tài)，5組模型（前傾角分別為-10°、0°、10°、20°、30°）股骨頭內(nèi)部應力分布趨勢基本一致，對應5組模型的股骨頭深層區(qū)域最大應力分別為2．4901 Mpa，2．3483Mpa，2．1951Mpa，2．3484Mpa，2．4769Mpa，大于相應的淺表層的對應應力：1．6763Mpa，1．5761Mpa，1．5075Mpa，1．5739Mpa，1．6756Mpa。（5）在股骨頭靠近股骨頸內(nèi)側及股骨頸外側的部分存在兩個較高應

5、力區(qū)域；當前傾角從10°增加到30°以及從10°減小為-10°時，沿路徑相同節(jié)點的應力是逐漸增大的，且當前傾角為-10°及30°時，最大應力值最高，分別達到3．8907Mpa和3．8991Mpa。 結論：應用股骨CT二維圖像可有效重建股骨有限元模型；成功將應力數(shù)據(jù)庫HIP98中的股骨受力數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換到本論文研究設定的股骨坐標系，并計算股骨頭的應力分布：在5組前傾角-10°、0v、10°、20°、30°下，當前傾角保持正常態(tài)角度1