两种股骨柄在骨缺损翻修中应用的有限元分析研究
目的：比较带脊锥形柄与广泛涂层柱形柄行骨缺损翻修术后股骨应力分布差异。 方法：1.对正常成年志愿者股骨行层厚0.6mmCT扫描，获得正常成人股骨CT扫描的DICOM文件数据。将获得的股骨DICOM文件数据导入医学影像三维重建软件Mimics15.0软件，经分离、修整等处理，重建得到正常成人股骨骨皮质、骨松质3D模型，将两个模型分别输出为.STL文件;2.将股骨骨皮质、骨松质STL文件导入逆向工程软件Geomagic Studio2013，清除由Mimics15.0软件处理过程中产生的杂乱数据，经多边形阶段创建曲面片、形状处理阶段曲面片拟合曲面，得到封闭且光滑的股骨骨皮质、骨松质NURBS曲面模型，以.IGES文件输出保存;3.将股骨骨皮质、骨松质IGES文件导入三维设计软件Solidworks2015软件中，最终得到股骨骨皮质、骨松质实体模型。在三维设计软件Solidworks2015软件中利用软件的装配功能将股骨骨皮质、骨松质组装成股骨实体模型;模拟人工髋关节置换手术截除股骨头、颈;根据Parprosky骨缺损分型，模拟建立ParproskyⅡA、ⅡB、ⅡC、ⅢA型四类股骨骨缺损实体模型，以.prt文件输出保存;4.选取Echelon翻修柄（Simith&Nephew公司，美国）代表广泛涂层柱形柄，Wagner SL翻修柄(Zimmer公司，美国)代表带脊锥形柄，在三维设计软件Solidworks2015软件中，根据两种翻修柄设计数据，绘制两种型号规格的广泛涂层柱形柄：15号微孔型直柄（用于翻修ParproskyⅡA、ⅡB、ⅡC骨缺损模型）、15号微孔型直柄Plus（用于ParproskyⅢA骨缺损模型），绘制两种型号规格的带脊锥形柄：14号规格长190mm（用于翻修ParproskyⅡA、ⅡB、ⅡC骨缺损模型）、15号规格长225mm（用于ParproskyⅢA骨缺损模型）。绘制的股骨翻修柄实体模型以.prt文件输出保存;5.根据骨缺损程度选择相应规格型号的股骨翻修柄，在三维设计软件Solidworks2015软件中，模拟人工髋关节股骨侧翻修手术将两种股骨翻修柄实体模型与四类不同程度股骨骨缺损实体模型装配，共得到八个翻修手术实体模型，将模型分为锥形柄组和柱形柄组，将得到翻修手术实体模型以.x_t文件输出保存;6.将得到的翻修手术实体模型.x_t文件导入到有限元分析软件ANSYS Workbench17.0进行有限元分析，对骨质、假体进行材料赋值，利用网格划分工具对模型进行网格划分、采用髋关节简化受力模型施加成人步态周期中关节承载处于峰值时刻的载荷，各项步骤流程设置完善后进行有限元分析求解，得到股骨Von Mises应力值及股骨应力分布云图;7.在相同骨缺损条件下，于锥形柄组与柱形柄组股骨骨缺损区内、外侧分别随机选取25点的Von Mises应力值，行组间对比t检验，分析两组骨缺损区应力分布差异;分析锥形柄组与柱形柄组股骨应力分布云图;根据锥形柄组与柱形柄组股骨冠状面内、外侧Von Mises应力值绘制应力-距离折线图并进行比较分析。 结果：1.股骨应力分布云图及应力-距离折线图显示各模型股骨内外侧的应力要高于前后侧，股骨内外侧应力从近端向远端逐渐增加，至股骨的远端达到应力的高峰，锥形柄组模型应力最高值约为91.3MPa，较柱形柄组模型应力高约5.2MPa;2.相同骨缺损程度下，在骨缺损区，锥形柄组较柱形柄组有更高应力分布，差异有统计学意义(P＜0.05);3.相同骨缺损程度下，在股骨中上段，股骨应力分布云图显示锥形柄组应力分布均匀：色条呈舌样并与其他色条融合渐变，柱形柄组应力分布不均：色条呈宽大圆角矩形并与其他色条融合渐变不明显;折线图也显示锥形柄组在ParproskyⅡ型骨缺损(ⅡA、ⅡB、ⅡC)距截骨面0.0-10.5cm区域、ParproskyⅢA型骨缺损距截骨面0.0-15.5cm区域股骨应力变化平缓，柱形柄组在此相应区域应力变化不平缓;4.相同骨缺损程度下，在假体涂层末端区域的股骨，折线图显示柱形柄组表现出应力值变化剧烈、过渡不平缓，柱形柄组在Ⅱ型骨缺损距截骨面9.0-10.5cm的涂层末端区域股骨应力增加值分别为：ⅡA：25.0MPa、ⅡB：23.0MPa、ⅡC：20.0MPa，ⅢA型骨缺损距截骨面14-15.5cm的涂层末端区域股骨应力增加值23.0MPa;锥形柄组涂层末端区域应力变化过渡平缓，锥形柄组在Ⅱ型骨缺损距截骨面13.5-15.0cm的涂层末端区域应力增加值分别为ⅡA：4.0MPa、ⅡB：2.0MPa、ⅡC：2.0MPa，ⅢA型骨缺损距截骨面17.0-18.5cm的涂层末端区域应力增加值1.5MPa;股骨应力分布云图也显示柱形柄组涂层末端区域的可观察到细窄（约1.5cm宽）的绿色条带，提示存在应力集中，而锥形柄组应力分布云图未见明显应力集中。 结论：1.带脊椎形柄翻修术后在股骨骨缺损区有更高的应力分布，可能利于翻修术后骨重建;2.广泛涂层柱形柄翻修术后在股骨骨缺损区应力分布较低且在涂层末端区域股骨存在应力集中，可能是解释临床观察到的股骨近端骨吸收和大腿痛的原因。
骨缺损翻修术;脊锥形柄;广泛涂层柱形柄;应力分布
西南医科大学
硕士
外科学
王跃
2018
中文
R687.3
64
2018-08-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）