下胫腓联合分离单螺钉固定的有限元分析

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1、南方医科大学2009级硕士学位论文下胫腓联合分离单螺钉固定的有限元分析Finiteelementanalysisofabruptionoflowertibiofibularligamentunionwithsinglescrewfixation课题来源：国家自然科学基金(项目编号81071233)专业名称学位申请人指导教师答辩委员会主席答辩委员会成员论文评阅人骨外科学戴海飞余斌教授钟世镇院士教授裴国献刘小林王钢李志忠梁伟国金丹白波教授李松建副教授2012年5月10El广州硕士学位论文下胫腓联合分离单螺钉固定的有限

2、元分析硕士研究生：戴海飞指导教师：余斌教授摘要研究背景下胫腓联合是维持踝关节结构稳定性的重要组成部分之一，在所有踝关节损伤中下胫腓联合损伤约占1．11％。其损伤后诊断错误和治疗不当将影响治疗结果，导致踝关节解剖位置的改变，可能发展为继发性慢性踝关节不稳定，从而导致踝部疼痛和远期创伤性关节炎，以及踝前撞击综合征等并发症。在学科界关于下胫腓联合损伤对踝关节的稳定性影响有多大一直颇具争议，并且临床对其手术治疗时的处理方式上观点也各不相同，主要表现在以下几个方面：植入物的选择方面(螺钉直径、穿越的皮质层数及植入物的材料)

3、、螺钉植入的位置、植入时足踝的体位、术后负重状况、植入物取除的需要与否以及时间选择。下胫腓联合的解剖结构非常复杂，在活体进行韧带损伤后踝关节的生物力学特征研究较为困难。虽然已有不少研究者就此问题做了很多相关的尸体标本的力学研究，并依据研究结果给出了一些指导性的观点，但由于各种研究方法都具有一定的局限性，研究结果并不能完全反映人体的真实状况，故有对其进一步研究的必要。传统骨科生物力学实验方法主要以动物模型或尸体模型为基础，但都有一定的弊端和局限性。动物模型在解剖结构和功能上与人类相差太大，因此其结果不能解决有关人类

4、特性的问题；活体实验研究结果虽然最为可靠，但由于实验手段的缺陷往往无法在人体上直接实验，因此在不改生理状态的情况下想得到生物体及内部组织的实验结果十分困难。尸体模型虽然在解剖结构上占据很大的优势，却不具备生物体活组织的特性，且一个标本不能重复使用，使对照中文摘要研究的可比性大大下降，且实验耗资大，取材来源受限，想得到实验对象内部任意部位的生物力学性能同样十分困难。为了解决这一问题，近年来，随着医学影像技术、三维重建软件以及有限元技术在医学生物力学中的应用和发展，利用数字化技术进行足踝部生物力学研究成为目前学科界的

5、研究热点之一。利用CT扫描图像重建三维模型是目前常用的有限元建模方法，具有精确度高，较好的再现扫描组织的结构，达到良好的几何相似性和力学相似性等特点。与传统力学研究方法相比，有限元方法是一种非常有效的数值计算工具，可以用于研究不规则几何体和具有复杂生物结构的内部形态、应力、应变等力学分析。也可以对有限元模型进行任意的修改以模拟各种病理状态，实现其他研究方法所不能完成的加载方式及约束条件。也可以通过改变加载方式、材料属性等方法进行个体化力学研究，提供实验不能得到的正常生理信息，得到客观实体实验所难以得到的研究结果，

6、更加充分地反映结构内部各部位的形态、应力、应变及位移等情况，并能对各种内固定器材及固定方式进行评价。目的通过获取正常成人的足踝部CT扫描数据，利用数字化技术建立下胫腓联合分离后采用单一皮质骨螺钉以不同方式固定的有限元模型并提高模型的精确性，探讨数字仿真医学建模的方法及意义。模拟人体静止状态单足中立位站立时踝关节承受全身体重的受力，通过三维有限元法对下胫腓联合分离后采用单一皮质骨螺钉以不同方式固定进行对比评价，比较不同内固定方式之间的生物力学稳定性，为临床应用提供理论依据。方法1．受试对象及图像数据采集选择一名正常

7、志愿者经X线检查排除踝关节损伤或者疾病，进行64排螺旋CT扫描。扫描平面：足底至踝关节上方10cm，扫描层厚：0．45mm；存贮图像格式：DICOM格式。获得DICOM格式的二维图像数据，二维断层CT图像共II硕士学位论文663层。2．三维有限元模型的建立CT扫描数据导入三维重建软件Mimicsl0．01，通过阈值分开骨组织及软组织，建立踝关节及周围骨性结构的3D模型，输出为STL格式文件。然后导入逆向工程软件GeomagicStudi010．0中，对模型进行除噪点、平滑，最后拟合NURBS曲面，输出为Iges文

8、件，最后在UG6．0(UnigraphicsNX)软件中缝合，建立踝关节及周围骨性结构的三维实体模型。螺钉模型由UG软件建立，参考临床上AO／ASIF全螺纹皮质骨螺钉的数据确定螺钉直径分别为4．5mm及3．5mm，其长度根据研究需要在上述骨骼实体模型中所测量得到的数据进行调整。由于本研究的重点与螺纹关系不大，因此对模型做了简化，忽略螺钉的螺纹细节，以直径4．5mm及3．5