一种肘关节内稳定器的有限元模型建立及其在肘关节三联征中的有效性分析

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目的:利用影像数据建立正常肘关节、三联征损伤肘关节模型,包括肱骨、尺骨、桡骨、内外侧韧带复合体、关节软骨等。利用有限元法(Finite Element Method,FEM)研究肘关节内稳定器(Internal Joint Stabilizer of the Elbow,IJS-E)在肘关节冠状突及内侧副韧带前束(anterior bundle of the MCL,a-MCL)损伤时的生物力学作用,探究它对肱尺关节的稳定作用大小及力学状态,为临床应用提供生物力学证据。方法:对一名健康成年男性志愿者行右肘关节伸直位电子计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)、磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)扫描,将得到的影像数据以医学数字成像与通信(Digital Imaging and Communications in Medicine,Dicom)格式导入Mimics21.0软件,对数据进行提取处理后,构建出正常肘关节模型,利用Geomagic Studio2014、Pro/E5.0、Hypermesh14.0等软件对模型进行修补、降噪、组装、网格划分等处理,最终得到正常肘关节模型A。在模型有效性得到验证后,对模型A的冠状突及a-MCL进行破坏得到模型A1,其中A1组模型冠状突需要分别截骨1/4、2/4、3/4、4/4。对A1各个模型分别安装IJS-E得到模型A2,通过对模型A安装IJS-E得到模型A3。在有限元前处理MSC.Patran2019软件及有限元后处理MSC.Nastran2019软件中对各个模型进行参数设置、载荷施加、材料赋值及后续工况分析。对上述模型施加相同大小及方向的载荷,收集各个模型在不同屈曲角度下尺桡骨关节面应力大小、前臂外翻角度、肱骨相对位移距离、IJS-E应力分布等数据,进一步比较各个模型之间的稳定性。结果:1.利用有限元软件成功建立肘关节模型并验证了其有效性,可为后续生物力学分析提供基础。2.在肱骨端加载轴向100N载荷下,A组肘关节从屈肘0°至屈肘120°过程中尺桡骨关节面应力峰值约0.54MPa~1.23MPa;A3组肘关节从屈肘0°至屈肘120°过程中尺桡骨关节面应力峰值约0.42MPa~0.81MPa,相同屈肘角度下均比A组要小;A1(冠状突截骨1/4~4/4)组肘关节从屈肘0°至屈肘120°过程中尺桡骨关节面应力峰值约0.81MPa~1.92MPa,在相同曲肘角度时,均大于A组的应力,尤其是冠状突截骨3/4及以上时;A2(冠状突截骨1/4~4/4,安装IJS-E)组肘关节从屈肘0°至屈肘120°过程中尺桡骨关节面应力峰值约0.59MPa~1.31MPa,在相同屈肘度数及截骨程度时,均小于A1组应力,在冠状突截骨4/4之前与A组较接近。3.在肱骨端加载轴向100N载荷下,A组肘关节从屈肘0°至屈肘120°过程中肱尺端肱骨向前位移值约1.8mm~4.0mm;A3组肘关节从屈肘0°至屈肘120°过程中肱尺端肱骨向前位移值约1.3mm~3.5mm,相同曲肘角度下均小于A组;A1(冠状突截骨1/4~4/4)组肘关节从屈肘0°至屈肘120°过程中肱尺端肱骨向前位移值约2.6mm~8.9mm,在相同曲肘角度时,均大于A组的位移,且随着尺骨冠状突截骨增加,肱骨向前位移值增大;A2(冠状突截骨1/4~4/4,安装IJS-E)组肘关节从屈肘0°至屈肘120°过程中肱尺端肱骨向前位移值约1.6mm~6.2mm,在相同曲肘度数及截骨程度时,均小于A1组位移,在冠状突截骨4/4之前与A组较接近。4.在前臂加载向外侧20N载荷下,A组肘关节从屈肘0°至屈肘120°过程中前臂外翻角度约5.3°~8.0°;A3组肘关节从屈肘0°至屈肘120°过程中前臂外翻角度约4.6°~6.5°,相同曲肘角度下均小于A组;A1(冠状突截骨1/4~4/4)组肘关节从屈肘0°至屈肘120°过程中前臂外翻角度约6.7°~14.6°,在相同曲肘角度下,均大于A组,且随着尺骨冠状突截骨增加,同一模型外翻角度增大;A2(冠状突截骨1/4~4/4,安装IJS-E)组肘关节从屈肘0°至屈肘120°过程中前臂外翻角度约5.9°~10.2°,在相同曲肘度数及截骨程度时,均小于A1组,但大于A组外翻角度。结论:1.在肘关节三联征损伤中,针对冠状突及内侧副韧带前束损伤,IJS-E可一定程度维持肱尺关节稳定性,避免肘关节后脱位及外翻不稳,为骨折及韧带愈合提供临时稳定;2.当尺骨冠状突骨折不超过2/4时,即在Regan-Morrey II型和I型时,IJS-E有较强的稳定作用,可应用于手术中,代替对冠状突及内侧副韧带前束的修复;3.当尺骨冠状突骨折超过2/4且合并内侧副韧带前束损伤时,IJS-E不能有效维持肘关节稳定性,此时需考虑其他手术方式进行修复。
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