建立锁骨个性化锁定接骨板模型及有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.35.011

摘要/Abstract

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文题释义：

Abaqus 软件：是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，可模拟任意几何形状，深入反映细微的结构现象和现象间的差别，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。除常规的金属弹塑性材料外，还可以有效地模拟高分子材料、复合材料、土体、岩石和高温蠕变材料等特殊材料。

直型接骨板与“S”型接骨板的三维有限元模型：①直型接骨板三维有限元模型：在近端固定，远端向下垂直钛板长轴方向折弯，应力最大部位均位于中间孔及周围；②“S”型接骨板三维有限元模型：在近端固定，远端轴向扭转，其应力最大部位集中部位均位于中间孔及周围，应力分布无明显变化，但“S”型接骨板较直型接骨板应力更加分散?

摘要

背景：应用有限元分析的方法构建人体骨骼三维立体模型及设计骨外科医疗器械更为精准和快捷。

目的：根据锁骨模型建立锁骨锁定接骨板模型，分析在折弯和扭转条件下，评估锁定接骨板有限元模型的应力分布情况。

方法：采用64排螺旋CT对青年成年健康男性胸部进行平扫，得到该男性锁骨的二维图像数据，运用Mimics10.0软件将所得数据分析、建立锁骨三维有限元模型，根据锁骨模型运用UG软件建立锁骨锁定接骨板模型。利用abaqus软件评估锁定接骨板分别向下给予200 N的力进行折弯及200 N•mm进行轴向扭转，模拟锁骨锁定钛板的受力情况，进一步对其应力分布进行分析。

结果与结论：根据CT扫描原始数据构建的锁骨钛合金接骨板的三维实体模型，与骨的贴合性良好，此模型可通过3D打印技术得到适合单个个体的个性化接骨板。有限元分析结果基本可以模拟接骨板的实际受力情况。直型接骨板和“S”型接骨板在侧方折弯及轴向扭转受力情况下，得出7孔钛板的最大应力分布位于中心孔正中。实际手术操作中，锁骨骨折断端与旷置锁定孔正中存在应力叠加，钛板放置若能避开该应力集中处，可有效避免植入后断板发生，为临床实际操作提供理论指导，并为之后对其他类型钛质接骨板的生物力学分析提供了参考以及技术路线。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

ORCID: 0000-0002-5929-1119(尹峰)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 锁骨骨折, 个性化锁定钛质接骨板, 接骨板断裂, 3D打印技术, 锁骨锁定接骨板模型, 生物力学特性, 三维有限元模型, 三维有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: The finite element analysis method is more accurate and fast to construct the three-dimensional model of the human skeleton and design the bone surgical medical instrument.

OBJECTIVE: To establish locking plate model according to the clavicle model, analyze and evaluate stress distribution of locking plate of the finite element model under bending and torsion conditions.

METHODS: Chest scan was carried out in a healthy young adult male by adopting 64-row spiral CT and his two-dimensional image data were gotten. The obtained data were analyzed with Mimics 10.0 software to establish the three-dimensional clavicle finite element model. The clavicle locking fixation plate model was established by applying the UG software. The locking fixation plate was evaluated by utilizing the abaqus software when the plate was bent while down to give force of 200 N, and twisted while 200 N•mm, to simulate the force and analyze the stress distribution of the locking plate.

RESULTS AND CONCLUSION: Based on the original image parameters provided by CT, this experiment produced a three-dimensional model of the clavical titanium plate which fitted better to bones. This model can obtain a single individual, personalized plate by three-dimensional printing technology. The finite element analysis basically can simulate the actual stress of the plate. For straight plate and “S”-shape plate, in lateral bending and axial torsion loads, the maximum stress distribution of the seven-hole titanium plate is located in the center of the center hole. During actual surgical procedures, clavicle fracture fragments and middle locking hole had stress superposition. If the titanium plate can avoid the stress concentration, it can effectively avoid the occurrence of the broken plate after implantation, provide theoretical guidance for clinical practice, and provide reference and technical route for biomechanical analysis of other types of titanium plate.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Titanium, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

尹峰，王晓东，梁炜，任龙韬. 建立锁骨个性化锁定接骨板模型及有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(35): 5244-5249.

Yin Feng, Wang Xiao-dong, Liang Wei, Ren Long-tao . Establishment of personalized locking clavicle plate model and finite element analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(35): 5244-5249.

图/表（结果） 1

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引言

锁骨骨折占全身骨折的6%左右，各年龄段均可发生，尤以青壮年及儿童常见，主要由于直接暴力或间接暴力为主造成，根据患者病史、症状、体征以及X射线图像可明确诊断。锁骨位于肩峰及胸骨之间，在肩部遭受暴力后间接受力，可能出现锁骨骨折，临床实验研究表明锁骨骨折的部位多发生于锁骨内侧弧与外侧弧的移行处，即锁骨中外1/3处^[1-15]。在临床工作中，作者所在课题组收集到8例锁骨骨折术后接骨板断裂的病例，全部发生在锁骨中段骨折术后，为什么锁骨其他部位的骨折未发现接骨板断裂仅仅在中段骨折中出现接骨板断裂呢？

一种新型、现代的计算方法——有限元分析逐渐发展起来。近年来国内外在医学方面利用其模拟设计方案的研究较广。此分析方法于1972年由Brekelmans等^[16]和Rybicki等^[17]应用在骨科领域的研究当中。有限元分析方法具有以下优点：图像逼真，接近实际，花费低，可进行定量及定性研究，应用领域很广，具有很强的适应性，并获得实体实验无法完成的研究结果，其模型可反复利用，充分节约了实验开支^[18]。关于生物力学与医学领域的研究，应用有限元分析的方法进行研究的范围也日趋广泛。随着生物医学以及数字化医学的迅猛发展，应用有限元分析方法，使构建人体骨骼三维立体模型、设计骨外科医疗器械的方法更加精准、快捷^[19-33]。

作者此项课题所构建的锁骨直型与“S”型接骨板是针对某个体专门设计加工合成的，故具有较好的贴合性，其后再研究其生物力学特性，而应用有限元分析较为快捷，经济，同时建立相对完善的有限元分析方法。实验得出锁骨钛板接骨板应力相对集中部位，为锁骨骨折术中钢板放置提供理论依据，有效防止术后断板发生，并可对锁骨接骨板优化设计起到一定的指导作用。

因此文章拟从生物力学方面进行探讨，实验采用有限元分析方法建立锁骨锁定接骨板模型，分析在折弯和扭转条件下，评估锁定接骨板有限元模型的应力分布情况。

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材料方法

1.1 设计 有限元分析。

1.2 时间及地点 实验于2014年2月至2015年9月在太原市中心医院及太原理工大学完成。

1.3 对象 1名成年健康男性，38岁，既往无锁骨外伤史及其他疾病史。实验经太原市中心医院伦理委员会审查同意，并获得参与者的知情同意。

1.4 方法

1.4.1 采集锁骨影像资料原始数据采用64排螺旋CT(Toshiba公司)对实验对象胸部进行连续CT扫描，扫描电压为120 kV，电流为250 mA，骨窗1 800×600，层厚和层间距均为0.5 mm，得到该男性锁骨与肩关节的二维图像数据，将此数据以Dicom格式导出、备份、刻录成光盘以备用。

1.4.2 重建锁骨三维模型

锁骨三维模型的获取：运行医学图像处理软件Mimics 10.0(Materialise公司)，输入采集的CT原始图像数据(Dicom格式)，通过分隔阈值，调整相应的灰度值，点击“重建三维实体模型(Calculate 3D)”，初步获取锁骨的三维立体模型。

锁骨三维模型的去噪：运用光顺、减少三角面、光滑表面等命令进行去除噪点，点击“正交处理”后，形成互补相交的三角形。此步骤是为了尽量避免锁骨三维模型的几何错误，为之后的操作运算做充分准备。

选择目标区域与去除干扰区域：选择锁骨中有价值的目标区域。去除干扰目标区域的骨质，如胸骨、肩胛骨及肱骨近端，运行“分离”命令，去除相互独立骨质，运行“切割”命令，分割重叠部位骨质，保存为iges文件格式。

锁骨三维有限元模型的构建：利用Mimics软件导出锁骨iges格式文件，导入至ICEM软件(达索公司)进行网格划分，之后运用Hypermesh(Altair公司)进行网格优化，建立锁骨三维有限元模型。　

上述构建的锁骨三维有限元模型可以进行多角度、多方向的旋转、放大与缩小、利于动态观察。

1.4.3 构建锁骨接骨板的三维有限元模型

根据构建的锁骨有限元模型建立锁骨接骨板模型：根据之前建立的锁骨有限元模型的特性(弧度、曲面等)构建与之相匹配、贴合的锁骨接骨板有限元模型。由于锁骨接骨板的形态是根据锁骨上侧皮质的形态制作完成，所以不必提供锁骨其内部的曲面数值。钛合金锁骨接骨板的相关参数由天津威曼公司提供(表1，2)。

去除骨质、螺钉等影响因素，仅计算分析钛板在施加外力的情况下发生的折弯、扭转及位移。

锁骨接骨板模型建立：根据锁骨直型钢板、S型钢板的实物图，运用UG NX 7.0软件(Simens公司)建立 7孔锁骨锁定钛板三维几何图形，处理成stp格式文件，将所得的Stp格式文件导入Hypermesh软件，应用网格划分功能对其进行网格划分后，导出后保存为Inp格式，进一步生成7孔直型钢板与S型锁定接骨板的三维有限元模型。

锁骨接骨板有限元模型的处理过程：运用Abaqus软件对所构建的锁定锁骨钛板三维有限元模型(Inp文件格式)进行施加应力、折弯、扭转的后处理。

根据所生成7孔锁骨锁定钛板有限元模型(直型、S型)，定义其边界参数。锁骨钛板模型在X、Y、Z轴上可有6个方向受力，X轴为平行钛板轴线方向，Y轴、Z轴为垂直钛板轴线方向，其中Y轴为上下方向，Z轴为前后方向，根据锁骨的解剖学特性，并区分锁骨锁定钛板的实际受力，分别从X、Y、Z轴上对其进行受力分析。

有限元分析存在一定的局限性，本课题是在除外干扰因素后，理想状态下锁定钛板的受力分析，钛板有限元模型采用近端约束固定，远端力学加压。根据人体锁骨受力情况，设计加载力，折弯力、扭转力的大小相同，均设置为200 N，得出各种受力情况下的应力分布图。

1.5 主要观察指标 直型接骨板和“S”型接骨板的应力分布情况。

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讨论

作者以64排螺旋CT扫描健康成年男性锁骨的原始数据为基础，利用Mimics、UG、abaqus、Hypermesh等软件构建锁骨钛合金接骨板的三维有限元模型，并对其进行轴向折弯、扭转情况下分析生物力学特性及应力分布的三维有限元分析，得出如下结果：①依据CT扫描所获得的原始数据构建的锁骨模型，继而构建锁骨钛质接骨板的三维立体模型，与锁骨的贴合性好，并可根据此模型进行3D打印得到适合单个个体的个性化接骨板，通过有限元分析得到接骨板应力的集中部位。②通过对2种形状的锁骨接骨板进行有限元分析，在侧方折弯及轴向扭转受力情况下，得出7孔钛板的最大应力分布位于中心孔正中。③临床使用中，锁骨骨折断端与旷置锁定孔正中存在应力叠加，钛板放置若能避开该应力集中处，通过有限元分析以指导在手术中通过调整接骨板的放置位置，达到尽可能使接骨板所受应力分散的目的，可避免术后断板发生，为临床实际操作提供理论指导。④为今后其他类型钛合金接骨板的生物力学分析研究提供参照及技术路线。

构建锁骨有限元模型的目的是为了利用该模型的准确性、仿真性进行生物力学有限元分析，进而对锁骨骨折内固定的模拟及放置内固定位置等方法提供更可靠的理论依据。但在此过程当中，为保证实验的可行性，必须对所建模型进行一定的简化设计，另外，对实验得到的三维有限元模型进行验证，使其更加接近真实情况，才能够在临床实际中应用。实验利用64排螺旋CT扫描正常个体的锁骨，获取的图像利用软件转化并以DICOM格式储存，其后完成有限元模型的建立。该过程完全由真实影响资料产生，并全程数据化操作，较以往通过外部测得数据进行模型建立，精度大幅度提升，也避免了之前传统转化数据为胶片过程中，数据的损害及丢失，因此所得模型具有非常高的准确性。DICOM即医学数字成像及通讯，是医学图像和相关的国际标准，定义了能满足临床必需的可用于数据交换的医学图像格式。较之前的传统图像形式有以下优点：图像清洁、不易被污染、不易损害、后期处理方便、精确、利于传输。

由于作者所在课题组前期研究，已经进行了股骨远端个性化接骨板的设计和有限元的分析，根据其技术路线结合本研究所得的锁骨个性化接骨板的模型，经过简单的计算机处理结合新型的3D打印技术，即可进行3D打印得到适合单个个体的个性化接骨板^[34-35]。

实验的研究对象为假设的理想模型，只对锁骨钛板各方向受力进行了有限元分析，去除了锁骨周围组织及螺钉对其的影响。所以说本实验所研究的钛板受力情况下的应力分布是理想化的，与实际手术操作有一定的差异性，且对于医学生来讲，不能熟练应用工科类软件，整个计算过程较为困难，今后若有更为先进，简洁的分析软件设计，可有效指导临床工作。

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