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大龄儿童DDH髋臼周围截骨区域应力分布的三维有限元研究

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第一部分 儿童 DDH 骨盆有限元模型的建立及生物力学分析

1 建模材料

2 方法

3 结果

4 讨论

小结

第二部分 模拟髋臼周围截骨手术术后DDH 有限元模型建立及其生物力学分析

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

小结

结论

参考文献

个人简历和研究成果

致谢

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摘要

研究背景:
　　发育性髋关节脱位(DDH)是儿童骨科最常见的发育性畸形疾病[1]。对于保守治疗无效者,需进行手术治疗以达到股骨头与髋臼的同心圆关系,清楚DDH儿童骨盆生物力学对手术方案的设计及评价有指导作用。传统的研究手段多采用临床观察或是尸体标本进行生物力学研究,临床观察难以控制的因素较多且获取的资料有限,尸体标本需要较多的标本以控制个体之间的差异,花费较大,对实验设备和技术的要求较高。骨盆解剖结构复杂,形状不规则,组成结构十分不均匀,对骨盆进行应力、应变等生物力学分析难度较高[2],难以运用传统的实验研究手段实现其应力分析。作为新的生物力学研究手段,三维有限元法与传统生物力学研究手段相比具有三个优势:成本低、可比性好、获取信息全面[3]。因此建立有效的DDH儿童骨盆有限元模型对于DDH手术方案的设计及评估具有重要意义。
　　目的:
　　建立儿童DDH三维数字化模型,基于儿童DDH三维数字化模型模拟髋臼周围截骨手术,建立术后三维数字化模型及有限元模型。对所建立的有限元模型进行仿真生物力学分析,指导髋臼截骨后合理植骨方案。
　　方法:
　　基于儿童单侧发育性髋关节脱位CT扫描图像,通过Mimics11.0软件对图像数据建模,使用Geomagic10.0软件进行模型优化,在Hepermesh10.0中进行有限元网格划分,根据髋关节解剖及髋关节软骨、皮质骨、松质骨及韧带的力学材料属性分别赋予各材料属性,建立可供Ansys软件分析儿童发育性髋关节脱位特点的髋关节模型,应用有限元线性面-面接触分析方法进行有限元分析,通过对脱位侧与正常侧髋关节术前髋臼区域力学分析,判断术前患儿髋臼双侧受力情况;利用Mimics软件手术模拟模块,模拟髋关节髋臼周围截骨手术,以CE角的变化设定插入骨块位置,建立7组不同术后髋关节模型并进行髋臼区域力学分析,研究各个三维有限元模型髋臼及周围区域应力大小及分布情况,评估出截骨的角度和植骨的位置。
　　结果:
　　建立儿童发育性髋关节模型,通过模拟手术建立术后模型并对模型进行有限元分析。单腿站立时,正常侧髋臼应力分布均匀,无应力集中点,脱位侧应力集中在髋臼边缘和股骨头与髋臼接触部分,髋臼边缘应力高于髋臼中心应力。对比术后模型与术前模型,单腿站立时CE角在24°~33°时髋臼和股骨头的应力分布接近正常侧,应力集中区域由髋臼边缘转向中心;双腿站立时CE角在24°~30°髋臼和股骨头应力分布接近正常侧,CE角为24°时与正常侧最为接近。通过7组术后模型的对比发现,当CE角在24°~30°时,截骨区植骨后的髋关节头臼匹配最佳,应力分布均匀,能够有效的降低髋臼与股骨头之间的不良应力负荷,有利于儿童股骨头及髋臼的发育。
　　结论:
　　建立DDH儿童髋关节三维有限元模型,可以为儿童DDH力学研究及手术治疗提供数字化参考依据,髋关节周围截骨术治疗发育性髋关节脱位能够有效改善髋臼与股骨头之间的应力接触,正确选择髋臼周围截骨区截骨角度及植骨的位置,有助于髋关节头臼最佳匹配,应力分布均匀。

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