不同跌倒姿势与髋部应力变化关系的有限元分析

来源 :广州中医药大学 | 被引量 : 8次 | 上传用户:xyw6623
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目的:1.通过临床真实病例资料收集,进行髋部薄层扫描,利用Minics15.01软件进行有限元建模,构建具有不同骨密度属性和更加贴近真实力学结构的股骨近端三维有限元模型。2.利用Abaqus6.12软件进行有限元应力分析,研究不同跌倒姿势与髋部应力改变之间的关系,得出在不同跌倒姿势与髋部应力变化的规律。方法:1.建立股骨近端三维有限元模型临床收集一例髋部骨折病人,进行双侧髋部CT扫描,获取DICOM格式数据,利用Minics15.01软件通过区域增长、腔隙填充、编辑蒙罩、三维重建功能、网格划分及材料赋值等步骤构建健侧股骨近端三维有限元模型。2.股骨近端有限元模型应力分析利用Abaqus6.12软件对股骨近端模型进行加载与应力分析,通过改变股骨与解析刚体之间的角度,设计了76种不同的跌倒姿势。本研究完全固定股骨头与股骨远端,对解析刚体进行位移限制后,再以2m/s的速度撞击股骨。通过有限元分析得出结果,分别提取股骨颈、股骨转子间、股骨转子下三个区域一个点的应力值,同时记录每个跌倒姿势最大应力值。最后利用SPSS13.0软件进行统计学分析,找出不同跌倒姿势与髋部应力变化的规律。结果:1.通过Minics15.01软件对股骨近端CT数据进行三维重建,建立了股骨近端三维有限模型,模型包括10种材料属性,节点5928个,30044个单元。2.通过改变股骨在矢状面和水平面的角度,我们共实验了76种不同的跌倒姿势,得到了304个应力值。其中股骨近端在β=30°,α=45°跌倒时,出现应力最大值(7731860N),在β=15,α=125°时,出现应力最小值(161838N)。A点应力最大值(157413N)出现在β=30°,α=135°;A点应力最小值(3.279×10-10N)出现在β=0°,α=135°。B点应力最大值(360325N)出现在0=30°,α=135°;B点应力最小值(0.000473681N)出现在β=0°,α=90°。C点应力最大值(1224550N)出现在β=0°,α=130。;C点应力最小值(1.117116×10-15N)出现在β=0°,α=90°。3.通过统计学分析得出:①当β=0°,α角度变化与最大应力值、A点、B点、C点应力值变化无相关性。②当0=15°,α角度变化与B点应力值变化pearson相关分析结果示相关系数为0.697,回归分析中t=3.892,p<0.05,有统计学意义,说明α角度变化与B点应力值变化具有相关性。但是α角度变化与最大应力值、A点、C点应力值变化无相关性。③当β=30。,α角度变化与B点应力值变化pearson相关分析结果示相关系数为0.534,回归分析中t=2.361,查表得知p<0.05,有统计学意义,说明α角度变化与B点应力值变化具有相关性。但是α角度变化与最大应力值、A点、C点应力值变化无相关性。④当β=45°,a角度变化与最大应力值、A点、B点、C点应力值变化无相关性。结论:1.Minics15.01软件的数据处理功能,可以将采用螺旋CT断层扫描获得的CT灰度图像数据向骨的材料属性进行转换,通过对划分的网格进行质量及数量的控制,利用材料赋值的方法,对模型分配的材料与真实近端股骨的属性近似,建立了更加接近生理解剖特点的股骨近端三维有限元模型。2.当我们在股骨与水平成15°和30°的角度跌倒时,随着股骨与矢状面角度的增加,股骨转子区的应力也随着增大,即向前跌倒较向后不易造成股骨转子间骨折。而当我们在股骨与水平成0°、45°时,股骨颈、股骨转子区、股骨转子下区所承受的应力同股骨与矢状面的角度变化没有相关性。在跌倒时股骨与水平面平行,与矢状面成90°时,股骨颈、股骨转子区、股骨转子下区承受的应力最小,最不易造成骨折。当跌倒时股骨与水平面成30°,与矢状面成135°时,股骨颈与股骨转子区均承受最大应力,即最容易造成股骨颈与股骨转子间骨折。
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