CN106709136A - 一种股骨干骨折内固定***简化模型及其分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种股骨干骨折内固定***简化模型，分别对现有股骨干骨折内固定***的股骨干骨折模型、接骨板和接骨螺钉进行简化，并对简化后的结构进行装配；其中，将股骨干骨折模型简化为圆柱体结构，并保证圆柱体中空来模拟股骨干骨髓；所述接骨板简化为板状结构；所述接骨螺钉简化为圆柱体。解决了现阶段股骨干骨折内固定***分析所出现的体外试验成本较高、试验材料不满足要求以及工作量较大、试验结果准确性不足等一系列难题，保证了股骨干骨折内固定***分析的可行性与简易性，提升了试验结果的准确性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及了一种股骨干骨折内固定***简化模型及其分析方法，属于接骨板技术领域。
背景技术
股骨干骨折是最常见骨折之一，在临床医学上，固定此类股骨干骨折普遍采用接骨板，但据报道接骨板治疗股骨干骨折，钢板或螺钉断裂约为11％。因此，对股骨干骨折内固定***模型的分析显得尤为重要，主要有以下几种分析方法:1.股骨体外试验方案，张魁忠等利用新鲜尸体股骨标本进行试验，探讨螺钉数量对钢板螺钉内固定结构载荷的生物力学影响。此分析的可靠性高，但捐献的人体股骨较难获取，试验成本较高；2.动物股骨体外实验方案，李孝林等用实验动物股骨替代人体作为研究对象研究骨折愈合的生物力学。此方法用于试验研究的动物股骨获取更为容易，且不存在伦理问题，但成本依旧很高，而且动物股骨与真实股骨的物理属性有较大的区别；3.三维仿真股骨有限元分析，吴泽海等通过复杂处理得到三维仿真建模股骨，对比分析异体骨接骨板分别联合不同螺钉治疗股骨干骨折的应力分布情况，验证不同螺钉的强度。此方法能极大程度的降低试验成本，但股骨、接骨板及螺钉三维仿真造型的工作量较大，且仿真造型得到的股骨较为独特，不能保证试验结论的普遍适用性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种股骨干骨折内固定***简化模型及其分析方法，保证了股骨干骨折内固定***分析的可行性与简易性，提升了试验结果的准确性和可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：分别对现有股骨干骨折内固定***的股骨干骨折模型、接骨板和接骨螺钉进行简化，并对简化后的结构进行装配；其中，将股骨干骨折模型简化为圆柱体结构，并保证圆柱体中空来模拟股骨干骨髓；所述接骨板简化为板状结构；所述接骨螺钉简化为圆柱体。
前述的一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：所述股骨干骨折的简化模型依照股骨干三维造型后的模型进行简化；所述股骨干三维造型即经过股骨干CT扫描、Mimics软件数据处理及Geomagic Studio表面处理后完成股骨干仿真造型。
前述的一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：所述接骨板和接骨螺钉的简化模型依照三维测量医疗器械公司实际生产的接骨板及接骨螺钉数据进行简化；所述三维测量接骨板及螺钉运用三维测量仪完成。
前述的一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：所述股骨干骨折的简化模型中的有限元软件中设置有2mm厚度骨折断片，所述骨折断片模拟在骨折处填充相对股骨较软的材料，断片的上下侧与股骨干均设置为粘结状态。
前述的一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：所述接骨板在骨折近端三个螺纹孔未固定螺钉，在骨折远端四个螺纹孔固定螺钉，其他位置间隔布置；所述螺钉均采用双皮质螺钉。
前述的一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：所述接骨板与接骨螺钉之间、接骨板与股骨干之间均设置为粘结状态。
前述的一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：所述简化模型中的有限元软件的有限元分析轴向受力大小设置为正常成人单腿站立时的受力，所述轴向力均布于股骨干上表面，对股骨干下表面进行全约束。
一种利用前述的股骨干骨折内固定***简化模型进行分析的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）根据相应长骨干螺钉布局原则，确定螺钉布局方案，接骨板在骨折近端三个螺纹孔未固定螺钉，在骨折远端四个螺纹孔固定螺钉，其他螺纹孔与螺钉间隔布置；
（2）根据接骨板固定股骨干骨折时不紧压股骨干表面的固定原则，设置接骨板与股骨干表面存在间隙，接骨板与股骨干表面并不存在接触关系，两者间只通过螺钉相连接；
（3）完成对股骨干、接骨板及螺钉的分析，主要对股骨干、接骨板、螺钉的结构形状进行观察、测量，以便对模型进行简化，利用三维建模软件根据测量得到的数据建立各结构的简化模型，并完成内固定***装配，以可直接导入有限元分析软件的Iges格式保存；
（4）将装配模型导入有限元分析软件，通过两次切分形成2mm厚度骨折断片，将设置的骨折断片模拟在骨折处填充相对股骨较软的材料，假设骨折断片上截面、下截面均与股骨干成粘结状态；
（5）在有限元分析软件中，使用布尔运算对螺钉和股骨干整体进行分割，会形成余下螺钉、余下股骨干及螺钉与股骨干重叠三个部分，对余下螺钉及螺钉与股骨干重叠进行布尔加运算形成螺钉整体，即真正完成股骨干、螺钉及接骨板的装配；
（6）在有限元分析软件中，设置接骨板与接骨螺钉、股骨干与接骨螺钉的接触关系均为粘结，骨折断片上截面、下截面与股骨干之间自动默认形成粘结；
（7）在有限元分析软件中，对股骨干骨折内固定***各结构进行单元类型和材料属性设置，根据结构大小及重要程度对各结构进行网格划分，建立***的有限元模型；
（8）在有限元分析软件中，将主要轴向受力大小设置为正常成人单腿站立时的受力,设置轴向力均布于股骨干上表面，对股骨干下表面进行全约束，进行求解，以上步骤即完成一次内固定***简化模型的具体有限元分析流程，依次循环。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用股骨干骨折内固定***简化模型极大的简化了试验的复杂性，避免股骨仿真建模而产生的诸多误差，简化的模型均是根据现实模型进行简化，简化模型在确保试验结果准确性的同时，还保证了模型的普遍适用性；
2、有限元试验方法极大的降低了试验成本，减少了试验时间，可进行大量的对比试验，进行最佳结构参数及螺钉布局的研究，探究出的实验结果，为后期股骨干骨折临床治疗提供指导；
3、有限元分析方法可准确的对各结构物理属性进行定义，保证对内固定模型的约束和综合受力的加载；通过定义骨折断片模拟在骨折处填充相对股骨较软的材料，实验结果表明此措施极大的增加了内固定***的稳定性，为后期此方法的实际使用提供理论依据。
附图说明
图1是为本发明内固定***简化模型原理图；
图2为本发明内固定***简化模型约束与加载图；
图3为本发明内固定***简化模型分析流程图。
图中，1、股骨干；2、股骨干上表面、3、股骨干下表面；4、骨折断片；5、骨折断片上截面；6、骨折断片下截面；7、接骨板；8、螺纹孔；10、螺钉；12、股骨干表面； 14、施加的均布轴向力，15、股骨远端全约束。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1-图3所示，本发明提供了一种股骨干骨折内固定***简化模型，分别对现有股骨干骨折内固定***的股骨干骨折模型、接骨板和接骨螺钉进行简化，并对简化后的结构进行装配；其中，将股骨干骨折模型简化为圆柱体结构，并保证圆柱体中空来模拟股骨干骨髓；所述接骨板简化为板状结构；所述接骨螺钉简化为圆柱体。
其中，所述股骨干骨折的简化模型依照股骨干三维造型后的模型进行简化；所述股骨干三维造型即经过股骨干CT扫描、Mimics软件数据处理及Geomagic Studio表面处理后完成股骨干仿真造型，所述接骨板和接骨螺钉的简化模型依照三维测量医疗器械公司实际生产的接骨板及接骨螺钉数据进行简化；所述三维测量接骨板及螺钉运用三维测量仪完成。
所述股骨干骨折的简化模型中的有限元软件中设置有2mm厚度骨折断片，对于普通的骨折，骨折处通常会产生1-2mm间隙，拟在间隙处填充材料，具体间隙大小可依实际情况而定，所述骨折断片模拟在骨折处填充相对股骨较软的材料，断片的上下侧与股骨干均设置为粘结状态，所述接骨板与接骨螺钉之间、接骨板与股骨干之间均设置为粘结状态，接骨板与接骨螺钉，接骨板与股骨干之间在工作时无相对运动，设置粘结状态保证两者之间共节点。
所述接骨板在骨折近端三个螺纹孔未固定螺钉，在骨折远端四个螺纹孔固定螺钉，其他位置间隔布置；所述螺钉均采用双皮质螺钉，双皮质螺钉在生物力学上的强度与稳定性均优于单皮质螺钉，采用双皮质螺钉固定可提高内固定模型的稳定性，缓解内固定***的应力集中。
本实施例中，所述简化模型中的有限元软件的有限元分析轴向受力大小设置为正常成人单腿站立时的受力，所述轴向力均布于股骨干上表面，对股骨干下表面进行全约束。
本发明还提供了一种利用上述的股骨干骨折内固定***简化模型进行分析的方法，包括如下步骤：（1）根据相应长骨干螺钉布局原则，确定螺钉布局方案，接骨板7在骨折近端三个螺纹孔中未固定螺钉，在骨折远端四个螺纹孔固定螺钉，其他螺纹孔与螺钉间隔布置，研究分析得出的结论，对接骨板骨折远端四个螺纹孔进行螺钉固定可有效地增加钢板的抗拔出力，保证内固定的稳定性；而避免在骨折近端进行螺钉固定能有效地缓解螺钉的应力集中，防止了对内固定***的二次伤害；（2）根据接骨板固定股骨干骨折时不紧压股骨干表面的固定原则，设置接骨板与股骨干表面存在间隙，接骨板与股骨干表面并不存在接触关系，两者间只通过螺钉13相连接；（3）完成对股骨干1、接骨板7及螺钉13的分析，利用三维建模软件根据测量得到的数据建立各结构的简化模型，并完成内固定***装配，以可直接导入有限元分析软件的Iges格式保存；（4）将装配模型导入有限元分析软件，通过两次切分形成2mm厚度骨折断片4，将设置的骨折断片4模拟在骨折处填充相对股骨较软的材料，假设骨折断片上截面5、骨折断片下截面6均与股骨干1成粘结状态；（5）在有限元分析软件中，使用布尔运算对螺钉和股骨干整体进行分割，会形成余下螺钉、余下股骨干及螺钉与股骨干重叠三个部分，对余下螺钉及螺钉与股骨干重叠进行布尔加运算形成螺钉整体，即真正完成股骨干、螺钉及接骨板的装配；（6）在有限元分析软件中，设置接骨板与接骨螺钉、股骨干与接骨螺钉的接触关系均为粘结，骨折断片上截面、下截面与股骨干之间自动默认形成粘结；（7）在有限元分析软件中，对股骨干骨折内固定***各结构进行单元类型和材料属性设置，根据结构大小及重要程度对各结构进行网格划分，建立***的有限元模型；（8）在有限元分析软件中，将主要轴向受力大小设置为正常成人单腿站立时的受力,设置轴向力均布于股骨干上表面，对股骨干下表面进行全约束，进行求解，运用ANSYS有限元分析软件进行有限元受力分析求解，可得出接骨板、接骨螺钉、股骨干的最大等效应力和最大轴向位移等，以上步骤即完成一次内固定***简化模型的具体有限元分析流程，依次循环。
综上所述，本发明提供的一种股骨干骨折内固定***简化模型及其分析方法，保证了股骨干骨折内固定***分析的可行性与简易性，提升了试验结果的准确性和可靠性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。
Claims (8)
1.一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：分别对现有股骨干骨折内固定***的股骨干骨折模型、接骨板和接骨螺钉进行简化，并对简化后的结构进行装配；其中，将股骨干骨折模型简化为圆柱体结构，并保证圆柱体中空来模拟股骨干骨髓；所述接骨板简化为板状结构；所述接骨螺钉简化为圆柱体。
2.根据权利要求1所述的一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：所述股骨干骨折的简化模型依照股骨干三维造型后的模型进行简化；所述股骨干三维造型即经过股骨干CT扫描、Mimics软件数据处理及Geomagic Studio表面处理后完成股骨干仿真造型。
3.根据权利要求1所述的一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：所述接骨板和接骨螺钉的简化模型依照三维测量医疗器械公司实际生产的接骨板及接骨螺钉数据进行简化；所述三维测量接骨板及螺钉运用三维测量仪完成。
4.根据权利要求2所述的一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：所述股骨干骨折的简化模型中的有限元软件中设置有2mm厚度骨折断片，所述骨折断片模拟在骨折处填充相对股骨较软的材料，断片的上下侧与股骨干均设置为粘结状态。
5.根据权利要求1所述的一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：所述接骨板在骨折近端三个螺纹孔未固定螺钉，在骨折远端四个螺纹孔固定螺钉，其他位置间隔布置；所述螺钉均采用双皮质螺钉。
6.根据权利要求1所述的一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：所述接骨板与接骨螺钉之间、接骨板与股骨干之间均设置为粘结状态。
7.根据权利要求4所述的一种股骨干骨折内固定***简化模型，其特征在于：所述简化模型中的有限元软件的有限元分析轴向受力大小设置为正常成人单腿站立时的受力，所述轴向力均布于股骨干上表面，对股骨干下表面进行全约束。
8.一种利用如权利要求1-7中任意一项所述的股骨干骨折内固定***简化模型进行分析的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）根据相应长骨干螺钉布局原则，确定螺钉布局方案，接骨板在骨折近端三个螺纹孔未固定螺钉，在骨折远端四个螺纹孔固定螺钉，其他螺纹孔与螺钉间隔布置；
（2）根据接骨板固定股骨干骨折时不紧压股骨干表面的固定原则，设置接骨板与股骨干表面存在间隙，接骨板与股骨干表面并不存在接触关系，两者间只通过螺钉相连接；
（3）完成对股骨干、接骨板及螺钉的分析，主要对股骨干、接骨板、螺钉的结构形状进行观察、测量，以便对模型进行简化，利用三维建模软件根据测量得到的数据建立各结构的简化模型，并完成内固定***装配，以可直接导入有限元分析软件的Iges格式保存；
（4）将装配模型导入有限元分析软件，通过两次切分形成2mm厚度骨折断片，将设置的骨折断片模拟在骨折处填充相对股骨较软的材料，假设骨折断片上截面、下截面均与股骨干成粘结状态；
（5）在有限元分析软件中，使用布尔运算对螺钉和股骨干整体进行分割，会形成余下螺钉、余下股骨干及螺钉与股骨干重叠三个部分，对余下螺钉及螺钉与股骨干重叠进行布尔加运算形成螺钉整体，即真正完成股骨干、螺钉及接骨板的装配；
（6）在有限元分析软件中，设置接骨板与接骨螺钉、股骨干与接骨螺钉的接触关系均为粘结，骨折断片上截面、下截面与股骨干之间自动默认形成粘结；
（7）在有限元分析软件中，对股骨干骨折内固定***各结构进行单元类型和材料属性设置，根据结构大小及重要程度对各结构进行网格划分，建立***的有限元模型；
（8）在有限元分析软件中，将主要轴向受力大小设置为正常成人单腿站立时的受力,设置轴向力均布于股骨干上表面，对股骨干下表面进行全约束，进行求解，运用ANSYS有限元分析软件进行有限元受力分析求解，可得出接骨板、接骨螺钉、股骨干的最大等效应力和最大轴向位移等，以上步骤即完成一次内固定***简化模型的具体有限元分析流程，依次循环。
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