專利名稱：股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法。
背景技術(shù)：
股骨頸骨折是指由股骨頭下至股骨頸基底部之間的骨折，發(fā)生率約占全身骨折的
3.6%，各個(gè)年齡段內(nèi)均可發(fā)生，但大多為50至70的年齡階段。在全球統(tǒng)計(jì)的髖部骨折案例的記錄中，股骨頸骨折約占其中的67%。與其他骨折相比，股骨頸骨折具有以下三個(gè)較明顯的特點(diǎn)
由于股骨的功能和解剖學(xué)的特點(diǎn)，骨折部位經(jīng)常承受較大的扭轉(zhuǎn)力和剪切力，影響骨折及其復(fù)位后的穩(wěn)定性，從而影響內(nèi)固定效果，因此不愈合率比其他骨折高。由于股骨頭血供的特殊性，骨折時(shí)容易引起供血源阻斷，影響骨折愈合，并且引發(fā)股骨頭缺血性壞死、塌陷等并發(fā)癥。一般情況下患者年齡較大，且部分伴隨有高血壓、心臟病、糖尿病、偏癱等全身性的疾病，受傷后臥床不起，因此較易發(fā)生墜積性肺炎、褥瘡、靜脈炎等不良后果，故其死亡率較一般骨折者高。由于股骨頸骨折不愈合率約占10%_20%，死亡率高并且伴隨很多的并發(fā)癥，所以股骨頸骨折的治療仍然是擺在科研人員面前的一個(gè)重要課題。股骨頸骨折的治療分為保守治療和手術(shù)治療兩種，鑒于保守治療的骨不愈合率約為48%，發(fā)生股骨頭壞死的概率約為34%，因此現(xiàn)代骨科多提倡積極的手術(shù)治療。手術(shù)治療通常分為骨折復(fù)位、內(nèi)固定方式選擇、穿釘施術(shù)這三個(gè)階段。股骨頸骨折手術(shù)治療過(guò)程中，內(nèi)固定方式的選擇是其中惟一的可控變量，也是在醫(yī)生施術(shù)手法嫻熟的前提下，惟一制約術(shù)后效果的關(guān)鍵因素。所以，選擇最合理的內(nèi)固定方式是穿釘施術(shù)成功的根本保障。目前使用的股骨頸骨折內(nèi)固定方式優(yōu)選方法的不足之處
I.由于工程分析軟件的難操作性以及有限元分析方法的應(yīng)用局限性，股骨頸骨折的內(nèi)固定方式選擇基本是憑借醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，因此常常忽略其力學(xué)結(jié)構(gòu)的合理性且缺乏科學(xué)的理論依據(jù)。這樣的做法既費(fèi)時(shí)又不能保證手術(shù)的高成功率。力學(xué)分析的引入，使得對(duì)選擇最合理的內(nèi)固定方式問(wèn)題的解決由經(jīng)驗(yàn)上升到理論，并指導(dǎo)醫(yī)生實(shí)踐。但目前的研究又大都是單純的理論研究，缺乏實(shí)踐價(jià)值。近年來(lái)隨著有限元方法在生物力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得對(duì)于股骨頸骨折的研究從一個(gè)全新的角度展開(kāi)。更加精確的建模與計(jì)算手段為獲取可靠的股骨頸骨折力學(xué)分析結(jié)果提供了依據(jù)，該方面的研究成果已被廣泛證實(shí)，但是工程分析軟件對(duì)操作者要求很高不容易操作，目前沒(méi)有將有限元分析軟件與股骨頸骨折內(nèi)固定方式優(yōu)化這一專門應(yīng)用相結(jié)合的易操作平臺(tái)。優(yōu)選準(zhǔn)則很分散，沒(méi)有進(jìn)行集中整理。沒(méi)有將力學(xué)分析結(jié)果與股骨頸骨折內(nèi)固定方式評(píng)價(jià)準(zhǔn)則結(jié)合在一起的優(yōu)選平臺(tái)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，在研究了股骨力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，提出了用于評(píng)價(jià)內(nèi)固定方式效果的評(píng)價(jià)參數(shù)單腿站立位股骨頭橫向位移、下沉位移、扭轉(zhuǎn)時(shí)的縱向位移、綜合位移及骨折面的斷裂位移，并根據(jù)真實(shí)的股骨實(shí)驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)，總結(jié)其線性關(guān)系，設(shè)置判斷準(zhǔn)則，編寫評(píng)價(jià)算法代碼進(jìn)行數(shù)值提取與比較，并優(yōu)選出內(nèi)固定方案。上述的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，該方法包括如下步驟
(O患者的股骨解剖學(xué)參數(shù)的獲取對(duì)患者自股骨頭上方起由近端向遠(yuǎn)側(cè)垂直于股骨縱軸進(jìn)行CT掃描,掃描層厚O. 625mm,層間距自股骨頭上方至小轉(zhuǎn)子下方為3mm,自小轉(zhuǎn)子下方至股骨中段為10mm，共掃描42層，長(zhǎng)度17. 9cm ;從CT圖像上得到患者的骨折角度α、前傾角a、頸干角b、股骨干角C、股骨頭直徑d、股骨干直徑dl、股骨頸直徑d2、股骨頭與股骨頸連接處的尺寸h、肌肉收縮力臂f、股骨頸長(zhǎng)度I、內(nèi)切股骨干與股骨頸的圓半徑r4、股骨頭與骨折面的距離s的參數(shù)；
(2)建立股骨近端三維幾何模型；
(3)建立應(yīng)力計(jì)算模型，設(shè)定股骨骨折類型及固定方式；
(4)對(duì)各種骨折固定方式逐一進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；
(5)確定優(yōu)選的評(píng)判準(zhǔn)則，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定股骨頸骨折內(nèi)固定方式。所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，所述的建立股骨近端三維幾何模型；是利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL進(jìn)行建模，通過(guò)編寫VC++與APDL之間的通信代碼，將從第一步獲取的參數(shù)傳遞至股骨參數(shù)化有限元模型APDL代碼中，實(shí)現(xiàn)股骨的建模，包括股骨頸模型的建立、股骨頭模型的建立、股骨頸和股骨頭連接處過(guò)渡錐體的建立、股骨干模型的建立、股骨頸與股骨干之間的連接體模型的建立。所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，所述的建立應(yīng)力計(jì)算模型，設(shè)定股骨骨折類型及固定方式假定作用在某一個(gè)點(diǎn)上的力，均勻的分散成多個(gè)較小的作用力同時(shí)作用在對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上，多個(gè)較小的作用力產(chǎn)生的合力的力學(xué)效果與未分散前是等效的，簡(jiǎn)化出一種簡(jiǎn)化受力模型，需要計(jì)算的應(yīng)力為關(guān)節(jié)反力J、臀肌肌群力M和骼脛束肌力R。所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，所述的對(duì)各種骨折固定方式逐一進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，根據(jù)結(jié)果確定股骨頸骨折內(nèi)固定方式選擇完一種內(nèi)固定方式，包括螺釘數(shù)量的確定、螺釘固定角度的確定、螺釘組合方式的確定后，求得施加在股骨上的關(guān)節(jié)反力J、臀肌肌群力M和骼脛束肌力R，最后將計(jì)算出的應(yīng)力結(jié)果經(jīng)過(guò)VC++與APDL之間的通信代碼傳遞至有限元法解算骨折內(nèi)固定模型的APDL代碼開(kāi)始分析解算，從而得到在載荷J、R、M作用下的股骨頭的橫向位移UX、下沉位移UY、扭轉(zhuǎn)位移UZ和總位移US及骨折結(jié)合面之間的最大斷裂位移DS。所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，所述的優(yōu)化計(jì)算
螺釘固定角度優(yōu)化首先對(duì)骨折角度α=50°的患者進(jìn)行螺旋CT掃描后，將獲得的CT圖片以DICOM格式輸出到該系統(tǒng)中，提取參數(shù)并建立股骨近端三維幾何模型；然后采取單釘固定，固定角度β=30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°，建立骨折內(nèi)固定模型；經(jīng)過(guò)受力分析，有限元解算后可以得到在不同固定角度時(shí)股骨頭的橫向位移UX、下沉位移UY、扭轉(zhuǎn)位移UZ、總位移US和骨折面間最大斷裂位移DS的情況；
螺釘數(shù)量的優(yōu)化最優(yōu)固定角度確定后，將股骨頸骨折內(nèi)固定的螺釘數(shù)量和組合方式按照角度優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行建模，受力分析后經(jīng)過(guò)有限元求解可以得到股骨頭的橫向位移UX、下沉位移UY、扭轉(zhuǎn)位移UZ、總位移US和骨折面間最大位移DS的情況；
螺釘組合方式優(yōu)化分析以下幾種組合方式，即單釘、2釘平放、2釘斜放、3釘正三角放置和3釘?shù)谷欠胖?；以骨折角度?=50°的患者為例進(jìn)行分析；對(duì)于骨折角度α =50°的患者，當(dāng)采取不同的螺釘組合方式時(shí)，在載荷作用下，經(jīng)過(guò)有限元解算后得到股骨頭的橫向位移UX、下沉位移UY、扭轉(zhuǎn)位移UZ、總位移US和骨折結(jié)合面間的最大斷裂位移DS的情況；綜合優(yōu)化根據(jù)得到的Lindon角來(lái)判斷股骨頸骨折的骨折類型，隨著骨折角度增大，骨折穩(wěn)定性越差；從骨折角度α、螺釘?shù)墓潭ń嵌圈?、及緊固螺釘數(shù)量、組合方式這個(gè)方面進(jìn)行判定；將骨折角度α設(shè)置從10° -70°公差為10° (或者更小)的7種情況；將穿釘角度β設(shè)置從30° -70°公差為5°的10種情況；緊固螺釘數(shù)量的選擇為1-3個(gè)；將組合方式設(shè)置為單釘、2釘斜放、2釘平放、3釘正三角放置、3釘?shù)谷欠胖玫?種組合方式進(jìn)行優(yōu)化選擇；另外，有患者在骨折的同時(shí)伴隨嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松癥，針對(duì)這種情況，在固定時(shí)應(yīng)優(yōu)選單釘固定。所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，所述的確定優(yōu)選的評(píng)判準(zhǔn)則；設(shè)定的基礎(chǔ)是單腿站立位；根據(jù)生物力學(xué)原理和AO準(zhǔn)則，將從以下參數(shù)入手
股骨頭位移在單腿站立的情況下，股骨頭上將受到載荷的作用，產(chǎn)生位移，包括X方向上的橫向位移、Y方向上的下沉位移、Z方向上的扭轉(zhuǎn)位移；橫向位移主要反映骨折面的牢固性和對(duì)抗張力的能力；下沉位移直接反應(yīng)出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；扭轉(zhuǎn)位移反映該固定方式下的抗扭性；這三個(gè)方向的位移值越小表明固定方式越好，結(jié)構(gòu)的抗變形能力越強(qiáng)，固定的牢固；為了綜合評(píng)價(jià)這三個(gè)方向上的位移情況，設(shè)置一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)US表示三個(gè)方向上的合成位移，用來(lái)更直觀的判斷，US越小穩(wěn)定性越好；
骨折結(jié)合面之間的最大斷裂位移可以認(rèn)為股骨近端是懸臂梁類的結(jié)構(gòu)，股骨頸在載荷的作用下上端受到拉應(yīng)力，下端受到壓應(yīng)力；對(duì)于考慮的是骨折面完全斷裂的情況，骨折面之間將產(chǎn)生一定量斷裂位移DS ； DS斷裂位移的值表示內(nèi)固定結(jié)構(gòu)的抗彎能力，值越小表示固定越好，若過(guò)大將引起骨折端愈合不完全的嚴(yán)重后果；
上述評(píng)價(jià)值中，US和DS是最能直接反應(yīng)固定效果的參數(shù)，即在載荷作用下，產(chǎn)生的位 移越小，表明此種內(nèi)固定方式越好；但在實(shí)際情況中，US與DS的大小關(guān)系并不絕對(duì)一致，存在某種情況下US值取最小時(shí)DS值卻反而大的情況；另外，將正常人體股骨標(biāo)本，按Lindon角50°、70°截骨，造成經(jīng)頸型股骨頸骨折后，在股骨頸部位和股骨頭部位分別粘貼應(yīng)變片，施加0Ν-300Ν的載荷，在股骨頭處和股骨頸最大斷裂位移處的應(yīng)變片上獲得的6組數(shù)據(jù)；總結(jié)出合理的固定方式之間的US的比例不會(huì)大于114% ；DS的比值不會(huì)大于153%，因此分別取計(jì)算結(jié)果內(nèi)的最優(yōu)三分之一的結(jié)果來(lái)界定US和DS即104. 7%和117. 7% ;首先按照US排序選擇出最優(yōu)US結(jié)果對(duì)應(yīng)的內(nèi)固定方式，其余內(nèi)固定方式的US值與其的比例關(guān)系是1.047以內(nèi)，先選出來(lái)，比較每種情況下的DS值與最優(yōu)DS值之間的比例是否在I. 17以內(nèi)，若在，那么以US最優(yōu)結(jié)果內(nèi)固定方式為最優(yōu)選項(xiàng)，若不在則排除該情況，然后將該種比較方法形成C++優(yōu)選算法，供系統(tǒng)優(yōu)選出最佳方案。有益效果
I.首次實(shí)現(xiàn)將有限元力學(xué)分析與股骨頸骨折內(nèi)固定優(yōu)選二者結(jié)合的綜合分析優(yōu)選系統(tǒng)。首次在同一界面下實(shí)現(xiàn)了建模、分析、優(yōu)選的全過(guò)程，該成果提高了工作效率，優(yōu)化了固定方法現(xiàn)有選取手段。通過(guò)實(shí)現(xiàn)股骨參數(shù)化有限元模型APDL代碼與VC++的參數(shù)傳遞過(guò)程，完成了有限元參數(shù)化語(yǔ)言與面向?qū)ο笳Z(yǔ)言之間的通信功能。實(shí)現(xiàn)了將用戶界面上搜集的信息傳遞至有限元分析軟件中，并在分析計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上對(duì)各種固定方式進(jìn)行判斷，得到最佳固定方式的方案。大大降低了獲得優(yōu)化方案的難度，縮短了方案制定的時(shí)間。首次采用參數(shù)化的方法實(shí)現(xiàn)股骨近端 三維建模。通過(guò)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的有限元語(yǔ)言建立參數(shù)化的三維模型，使得模型的尺寸能夠根據(jù)需要而直接改變，從而首次實(shí)現(xiàn)了針對(duì)專門患者不同情況進(jìn)行快速幾何建模，操作簡(jiǎn)便，輸入CT圖像，可直接讀取參數(shù)并建模。首次實(shí)現(xiàn)了基于股骨頸骨折內(nèi)固定力學(xué)分析結(jié)果的專門優(yōu)選系統(tǒng)，隨著有限元方法在生物力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，更加精確的建模與計(jì)算手段為獲取可靠的股骨頸骨折力學(xué)分析結(jié)果提供了依據(jù)，該方面的研究成果已被廣泛證實(shí)，基于生物力學(xué)分析結(jié)果的優(yōu)選方式提高了優(yōu)選結(jié)果的可靠性。在綜合骨生物力學(xué)特性和骨折內(nèi)固定方式優(yōu)選各項(xiàng)評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)上，首次建立了骨骼固定質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)單腿站立位股骨頭橫向位移、下沉位移、扭轉(zhuǎn)時(shí)的縱向位移、綜合位移及骨折面的斷裂位移。根據(jù)真實(shí)的股骨實(shí)驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)，總結(jié)其線性關(guān)系，設(shè)置判斷準(zhǔn)則，編寫評(píng)價(jià)算法代碼進(jìn)行數(shù)值提取與比較，并根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)選出內(nèi)固定方案。提高了手術(shù)成功率，降低了手術(shù)費(fèi)用。本發(fā)明在以上背景基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出基于生物力學(xué)分析結(jié)果的股骨頸骨折內(nèi)固定方式優(yōu)選系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在同一個(gè)平臺(tái)下，通過(guò)輸入CT體數(shù)據(jù)集和簡(jiǎn)單的界面操作，就可以獲得優(yōu)化的內(nèi)固定方案。對(duì)于縮短優(yōu)選方案制定時(shí)間，提高手術(shù)成功率，降低手術(shù)費(fèi)用具有重要價(jià)值。


附圖I是股骨近端應(yīng)力分布云圖。附圖2是簡(jiǎn)化后的股骨三維模型。附圖3是關(guān)節(jié)反力J、臀肌肌群力M和骼脛束肌力R分布。附圖4是上部分離體受力示意圖。附圖5是骨折角度α =50°單釘固定股骨頭位移情況。附圖6是骨折角度α =50°單釘固定骨折面間最大斷裂位移。附圖7是骨折角度α =50°螺釘數(shù)量變化時(shí)節(jié)點(diǎn)位移情況。附圖8是骨折角度α =50°螺釘數(shù)量變化時(shí)骨折面最大縫距。附圖9是在單腿站立的情況下，X方向上的橫向位移UX、Y方向上的下沉位移UY、Z方向上的扭轉(zhuǎn)位移UZ示意圖。附圖10是股骨頸骨折斷裂位移示意圖。
具體實(shí)施例方式 實(shí)施例I:
一種股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，該方法包括如下步驟
(I)患者的股骨解剖學(xué)參數(shù)的獲取方法對(duì)患者自股骨頭上方起由近端向遠(yuǎn)側(cè)垂直于股骨縱軸進(jìn)行CT掃描，掃描層厚O. 625mm，層間距自股骨頭上方至小轉(zhuǎn)子下方為3mm，自小轉(zhuǎn)子下方至股骨中段為10mm，共掃描42層，長(zhǎng)度17. 9cm ;從CT圖像上得到患者的骨折角度α、前傾角a、頸干角b、股骨干角C、股骨頭直徑d、股骨干直徑dl、股骨頸直徑d2、股骨頭與股骨頸連接處的尺寸h、肌肉收縮力臂f、股骨頸長(zhǎng)度I、內(nèi)切股骨干與股骨頸的圓半徑r4、股骨頭與骨折面的距離s的參數(shù)；
(2)采用參數(shù)化的方法建立股骨近端三維幾何模型；
(3)建立應(yīng)力計(jì)算模型，設(shè)定股骨骨折類型及固定方式；
(4)對(duì)各種骨折固定方式逐一進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；
(5)確定優(yōu)選的評(píng)判準(zhǔn)則，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定股骨頸骨折內(nèi)固定方式。實(shí)施例2
實(shí)施例I所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式優(yōu)選方法，所述的采用參數(shù)化的方法建立股骨 近端三維幾何模型利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL進(jìn)行建模，通過(guò)編寫VC++與APDL之間的通信代碼，將從第一步獲取的參數(shù)傳遞至股骨參數(shù)化有限元模型APDL代碼中，實(shí)現(xiàn)股骨的建模，包括股骨頸模型的建立、股骨頭模型的建立、股骨頸和股骨頭連接處過(guò)渡錐體的建立、股骨干模型的建立、股骨頸與股骨干之間的連接體模型的建立。實(shí)施例3
上述的實(shí)施例所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式優(yōu)選方法，所述的建立應(yīng)力計(jì)算模型，設(shè)定股骨骨折類型及固定方式應(yīng)力計(jì)算是計(jì)算在通常情況下，正常人于單腿站立位時(shí)，股骨受到的來(lái)自關(guān)節(jié)、肌肉等載荷的值。根據(jù)圣維南原理，作用在某一個(gè)點(diǎn)上的力，可以均勻的將這個(gè)力分散成若干個(gè)較小的作用力同時(shí)作用在較多的點(diǎn)上，它們產(chǎn)生的力學(xué)效果是等效的。反之，同樣成立。所以，我們可以將許多分散的均勻分布在節(jié)點(diǎn)上的較小的作用力合成較大的力作用在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)Scige提出的一種簡(jiǎn)化受力模型，需要計(jì)算的應(yīng)力為關(guān)節(jié)反力J、臀肌肌群力M和骼脛束肌力R。實(shí)施例4
上述的實(shí)施例所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式優(yōu)選方法，所述的選擇內(nèi)固定方式并逐一進(jìn)行計(jì)算選擇完一種內(nèi)固定方式，包括螺釘數(shù)量的確定、螺釘固定角度的確定、螺釘組合方式的確定后，求得施加在股骨上的關(guān)節(jié)反力J、臀肌肌群力M和骼脛束肌力R，最后將計(jì)算出的應(yīng)力結(jié)果經(jīng)過(guò)VC++與APDL之間的通信代碼傳遞至有限元法解算骨折內(nèi)固定模型的APDL代碼開(kāi)始分析解算，從而得到在載荷J、R、M作用下的股骨頭的橫向位移UX、下沉位移UY、扭轉(zhuǎn)位移UZ和總位移US及骨折結(jié)合面之間的最大斷裂位移DS。螺釘固定角度優(yōu)化首先對(duì)骨折角度α =50°的患者進(jìn)行螺旋CT掃描后，將獲得的CT圖片以DICOM格式輸出到該系統(tǒng)中，提取參數(shù)并建立股骨近端三維幾何模型；然后采取單釘固定，固定角度β=30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°，建立骨折內(nèi)固定模型；經(jīng)過(guò)受力分析，有限元解算后可以得到在不同固定角度時(shí)股骨頭的橫向位移UX、下沉位移UY、扭轉(zhuǎn)位移UZ、總位移US和骨折面間最大斷裂位移DS的情況；
螺釘數(shù)量的優(yōu)化最優(yōu)固定角度確定后，將股骨頸骨折內(nèi)固定的螺釘數(shù)量和組合方式按照角度優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行建模，受力分析后經(jīng)過(guò)有限元求解可以得到股骨頭的橫向位移UX、下沉位移UY、扭轉(zhuǎn)位移UZ、總位移US和骨折面間最大位移DS的情況。螺釘組合方式優(yōu)化分析以下幾種組合方式，即單釘、2釘平放、2釘斜放、3釘正三角放置和3釘?shù)谷欠胖谩Ｒ怨钦劢嵌圈?=50°的患者為例進(jìn)行分析。對(duì)于骨折角度α=50°的患者，當(dāng)采取不同的螺釘組合方式時(shí)，在載荷作用下，經(jīng)過(guò)有限元解算后得到股骨頭的橫向位移UX、下沉位移UY、扭轉(zhuǎn)位移UZ、總位移US和骨折結(jié)合面間的最大斷裂位移DS的情況；
綜合優(yōu)化根據(jù)得到的Lindon角來(lái)判斷股骨頸骨折的骨折類型，隨著骨折角度增大，骨折穩(wěn)定性越差；從骨折角度α、螺釘?shù)墓潭ń嵌圈?、及緊固螺釘數(shù)量、組合方式這個(gè)方面進(jìn)行判定；將骨折角度α設(shè)置從10° -70°公差為10° (或者更小)的7種情況；將穿釘角度β設(shè)置從30° -70°公差為5°的10種情況；緊固螺釘數(shù)量的選擇為1-3個(gè)；將組合方式設(shè)置為單釘、2釘斜放、2釘平放、3釘正放、3釘?shù)狗诺?種組合方式進(jìn)行優(yōu)化選擇；另外，有患者在骨折的同時(shí)伴隨嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松癥，針對(duì)這種情況，在固定時(shí)應(yīng)優(yōu)選單釘固定。實(shí)施例5
上述的實(shí)施例所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式優(yōu)選方法，所述的設(shè)定優(yōu)選的評(píng)判準(zhǔn)則， 設(shè)定的基礎(chǔ)是單腿站立位；根據(jù)生物力學(xué)原理和AO準(zhǔn)則，將從以下參數(shù)入手
股骨頭位移在單腿站立的情況下，股骨頭上將受到載荷的作用，產(chǎn)生位移，包括X方向上的橫向位移、Y方向上的下沉位移、Z方向上的扭轉(zhuǎn)位移；橫向位移主要反映骨折面的牢固性和對(duì)抗張力的能力；下沉位移直接反應(yīng)出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；扭轉(zhuǎn)位移反映該固定方式下的抗扭性；因此，這三個(gè)方向的位移值越小表明固定方式越好，結(jié)構(gòu)的抗變形能力越強(qiáng)，固定的牢固；為了綜合評(píng)價(jià)這三個(gè)方向上的位移情況，設(shè)置一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)US表示三個(gè)方向上的合成位移，用來(lái)更直觀的判斷，US越小穩(wěn)定性越好；
骨折結(jié)合面之間的最大斷裂位移可以認(rèn)為股骨近端是懸臂梁類的結(jié)構(gòu)，股骨頸在載荷的作用下上端受到拉應(yīng)力，下端受到壓應(yīng)力；對(duì)于考慮的是骨折面完全斷裂的情況，骨折面之間將產(chǎn)生一定量斷裂位移DS; DS斷裂位移的值表示內(nèi)固定結(jié)構(gòu)的抗彎能力，值越小表示固定越好，若過(guò)大將引起骨折端愈合不完全的嚴(yán)重后果；
上述評(píng)價(jià)值中，US和DS是最能直接反應(yīng)固定效果的參數(shù)，即在載荷作用下，產(chǎn)生的位移越小，表明此種內(nèi)固定方式越好；但在實(shí)際情況中，US與DS的大小關(guān)系并不絕對(duì)一致，存在某種情況下US值取最小時(shí)DS值卻反而大的情況；另外，將正常人體股骨標(biāo)本，按Lindon角50°、70°截骨，造成經(jīng)頸型股骨頸骨折后，在股骨頸部位和股骨頭部位分別粘貼應(yīng)變片，施加0Ν-300Ν的載荷，在股骨頭處和股骨頸最大斷裂位移處的應(yīng)變片上獲得的6組數(shù)據(jù)；總結(jié)出合理的固定方式之間的US的比例不會(huì)大于114% ；DS的比值不會(huì)大于153%，因此分別取計(jì)算結(jié)果內(nèi)的最優(yōu)三分之一的結(jié)果來(lái)界定US和DS即104. 7%和117. 7%。首先按照US排序選擇出最優(yōu)US結(jié)果對(duì)應(yīng)的內(nèi)固定方式，其余內(nèi)固定方式的US值與其的比例關(guān)系是1.047以內(nèi)，先選出來(lái)，比較每種情況下的DS值與最優(yōu)DS值之間的比例是否在I. 17以內(nèi)，若在，那么以US最優(yōu)結(jié)果內(nèi)固定方式為最優(yōu)選項(xiàng)，若不在則排除該情況，然后將該種比較方法形成C++優(yōu)選算法，供系統(tǒng)優(yōu)選出最佳方案。實(shí)施例6:
實(shí)施例I所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，所述的采用參數(shù)化的方法建立股骨近端三維幾何模型利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL進(jìn)行建模，通過(guò)編寫VC++與APDL之間的通信代碼，將從第一步獲取的參數(shù)傳遞至股骨參數(shù)化有限元模型APDL代碼中，實(shí)現(xiàn)股骨的建模，包括股骨頸模型的建立、股骨頭模型的建立、股骨頸和股骨頭連接處過(guò)渡錐體的建立、股骨干模型的建立、股骨頸與股骨干之間的連接體模型的建立。建模的具體過(guò)程
建立較精確的股骨模型并對(duì)其受力分析，對(duì)照分析得出的應(yīng)力分布情況進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理。圖I所示為單腿站立時(shí)股骨近端的應(yīng)力分布情況。從解算結(jié)果可以看出，人體在單腿站立的情況下，主要所承受的關(guān)節(jié)反力經(jīng)股骨頭傳遞至股骨干，中間的股骨頸部位上端受到拉力，下端受到壓力，在大轉(zhuǎn)子部位應(yīng)力相對(duì)小，也就是說(shuō)大轉(zhuǎn)子部分對(duì)股骨上的應(yīng)力分布影響小，因此將模型在大轉(zhuǎn)子處做簡(jiǎn)化。用VC++編寫一個(gè)患者基本信息獲取與參數(shù)傳遞子模塊；然后將從CT圖像上搜集到的患者信息(12個(gè)參數(shù)，骨折角度α、前傾角a、頸干角b、股骨干角C、股骨頭直徑d、股骨干直徑dl、股骨頸直徑d2、股骨頭與股骨頸連接處的尺寸h、肌肉收縮力臂f、股骨頸長(zhǎng)度I、內(nèi)切股骨干與股骨頸的圓半徑r4、股骨頭與骨折面的距離s)傳遞至股骨參數(shù)化有限元模型APDL代碼中，建立患者的股骨三維模型。建立的簡(jiǎn)化模型如圖2所示。實(shí)施例7
根據(jù)實(shí)施例I或6所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，所述的建立應(yīng)力計(jì)算模型，設(shè)定股骨骨折類型及固定方式應(yīng)力計(jì)算是計(jì)算在通常情況下，正常人于單腿站立位時(shí)，股骨受到的來(lái)自關(guān)節(jié)、肌肉等載荷的值。根據(jù)圣維南原理，作用在某一個(gè)點(diǎn)上的力，可以均勻的將這個(gè)力分散成若干個(gè)較小的作用力同時(shí)作用在較多的點(diǎn)上，它們產(chǎn)生的力學(xué)效果是等效的。反之，同樣成立。所以，我們可以將許多分散的均勻分布在節(jié)點(diǎn)上的較小的作用力合成較大的力作用在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)Scige提出的一種簡(jiǎn)化受力模型，需要計(jì)算的應(yīng)力為關(guān)節(jié)反力J、臀肌肌群力M和骼脛束肌力R。這三個(gè)應(yīng)力的分布情況如圖3所示。通常情況下，J、M、R均與人體體重W存在一定的相關(guān)關(guān)系。在雙腿站立位時(shí)，身體的重力線位于恥骨聯(lián)合的后方，并且根據(jù)髖關(guān)節(jié)本身的穩(wěn)定特性，在不考慮肌肉收縮作用的情況下，每側(cè)的股骨頭受到的外載荷為上部身體體重的1/2。由于單側(cè)下肢重為體重的1/6，那么，每一側(cè)髖關(guān)節(jié)受到的載荷將是剩余的2/3體重的1/2，即體重的1/3。若髖關(guān)節(jié)附近的肌肉為了維持站立姿態(tài)而收縮，關(guān)節(jié)反力和肌肉活動(dòng)量將成比例的增大。為了維持單腿站立位的平衡，地面的反作用力為體重W，負(fù)重腿重力為體重的1/6，剩余部分為體重的5/6。在計(jì)算時(shí)，將髖關(guān)節(jié)分為上部分離體和下部分離體。計(jì)算公式如下(I) - (5)所示
在上部分離體中為了達(dá)到穩(wěn)定，需要三個(gè)力矩平衡，如圖4所示，公式如(I)所示
權(quán)利要求
1.一種股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，其特征是該方法包括如下步驟 (1)患者的股骨解剖學(xué)參數(shù)的獲取對(duì)患者自股骨頭上方起由近端向遠(yuǎn)側(cè)垂直于股骨縱軸進(jìn)行CT掃描,掃描層厚O. 625mm,層間距自股骨頭上方至小轉(zhuǎn)子下方為3mm,自小轉(zhuǎn)子下方至股骨中段為10mm，共掃描42層，長(zhǎng)度17. 9cm ;從CT圖像上得到患者的骨折角度α、前傾角a、頸干角b、股骨干角C、股骨頭直徑d、股骨干直徑dl、股骨頸直徑d2、股骨頭與股骨頸連接處的尺寸h、肌肉收縮力臂f、股骨頸長(zhǎng)度I、內(nèi)切股骨干與股骨頸的圓半徑r4、股骨頭與骨折面的距離s的參數(shù)； (2)建立股骨近端三維幾何模型； (3)建立應(yīng)力計(jì)算模型，設(shè)定股骨骨折類型及固定方式； (4)對(duì)各種骨折固定方式逐一進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算； (5)確定優(yōu)選的評(píng)判準(zhǔn)則，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定股骨頸骨折內(nèi)固定方式。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，其特征是所述的建立股骨近端三維幾何模型；是利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL進(jìn)行建模，通過(guò)編寫VC++與APDL之間的通信代碼，將從第一步獲取的參數(shù)傳遞至股骨參數(shù)化有限元模型APDL代碼中，實(shí)現(xiàn)股骨的建模，包括股骨頸模型的建立、股骨頭模型的建立、股骨頸和股骨頭連接處過(guò)渡錐體的建立、股骨干模型的建立、股骨頸與股骨干之間的連接體模型的建立。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，其特征是所述的建立應(yīng)力計(jì)算模型，設(shè)定股骨骨折類型及固定方式假定作用在某一個(gè)點(diǎn)上的力，均勻的分散成多個(gè)較小的作用力同時(shí)作用在對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上，多個(gè)較小的作用力產(chǎn)生的合力的力學(xué)效果與未分散前是等效的，簡(jiǎn)化出一種簡(jiǎn)化受力模型，需要計(jì)算的應(yīng)力為關(guān)節(jié)反力J、臀肌肌群力M和骼脛束肌力R。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，其特征是所述的對(duì)各種骨折固定方式逐一進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，根據(jù)結(jié)果確定股骨頸骨折內(nèi)固定方式選擇完一種內(nèi)固定方式，包括螺釘數(shù)量的確定、螺釘固定角度的確定、螺釘組合方式的確定后，求得施加在股骨上的關(guān)節(jié)反力J、臀肌肌群力M和骼脛束肌力R，最后將計(jì)算出的應(yīng)力結(jié)果經(jīng)過(guò)VC++與APDL之間的通信代碼傳遞至有限元法解算骨折內(nèi)固定模型的APDL代碼開(kāi)始分析解算，從而得到在載荷J、R、M作用下的股骨頭的橫向位移UX、下沉位移UY、扭轉(zhuǎn)位移UZ和總位移US及骨折結(jié)合面之間的最大斷裂位移DS。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，其特征是所述的優(yōu)化計(jì)算 螺釘固定角度優(yōu)化首先對(duì)骨折角度α=50°的患者進(jìn)行螺旋CT掃描后，將獲得的CT圖片以DICOM格式輸出到該系統(tǒng)中，提取參數(shù)并建立股骨近端三維幾何模型；然后采取單釘固定，固定角度β=30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°，建立骨折內(nèi)固定模型；經(jīng)過(guò)受力分析，有限元解算后可以得到在不同固定角度時(shí)股骨頭的橫向位移UX、下沉位移UY、扭轉(zhuǎn)位移UZ、總位移US和骨折面間最大斷裂位移DS的情況； 螺釘數(shù)量的優(yōu)化最優(yōu)固定角度確定后，將股骨頸骨折內(nèi)固定的螺釘數(shù)量和組合方式按照角度優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行建模，受力分析后經(jīng)過(guò)有限元求解可以得到股骨頭的橫向位移UX、下沉位移UY、扭轉(zhuǎn)位移UZ、總位移US和骨折面間最大位移DS的情況； 螺釘組合方式優(yōu)化分析以下幾種組合方式，即單釘、2釘平放、2釘斜放、3釘正三角放置和3釘?shù)谷欠胖?；以骨折角度?=50°的患者為例進(jìn)行分析；對(duì)于骨折角度α =50°的患者，當(dāng)采取不同的螺釘組合方式時(shí)，在載荷作用下，經(jīng)過(guò)有限元解算后得到股骨頭的橫向位移UX、下沉位移UY、扭轉(zhuǎn)位移UZ、總位移US和骨折結(jié)合面間的最大斷裂位移DS的情況； 綜合優(yōu)化根據(jù)得到的Lindon角來(lái)判斷股骨頸骨折的骨折類型，隨著骨折角度增大，骨折穩(wěn)定性越差；從骨折角度α、螺釘?shù)墓潭ń嵌圈隆⒓熬o固螺釘數(shù)量、組合方式這個(gè)方面進(jìn)行判定；將骨折角度α設(shè)置從10° -70°公差為10° (或者更小)的7種情況；將穿釘角度β設(shè)置從30° -70°公差為5°的10種情況；緊固螺釘數(shù)量的選擇為1-3個(gè)；將組合方式設(shè)置為單釘、2釘斜放、2釘平放、3釘正三角放置、3釘?shù)谷欠胖玫?種組合方式進(jìn)行優(yōu)化選擇；另外，有患者在骨折的同時(shí)伴隨嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松癥，針對(duì)這種情況，在固定時(shí)應(yīng)優(yōu)選單釘固定。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法，其特征是所述的確定優(yōu)選的評(píng)判準(zhǔn)則；設(shè)定的基礎(chǔ)是單腿站立位；根據(jù)生物力學(xué)原理和AO準(zhǔn)則，將從以下參數(shù)入手 股骨頭位移在單腿站立的情況下，股骨頭上將受到載荷的作用，產(chǎn)生位移，包括X方向上的橫向位移、Y方向上的下沉位移、Z方向上的扭轉(zhuǎn)位移；橫向位移主要反映骨折面的牢固性和對(duì)抗張力的能力；下沉位移直接反應(yīng)出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；扭轉(zhuǎn)位移反映該固定方式下的抗扭性；這三個(gè)方向的位移值越小表明固定方式越好，結(jié)構(gòu)的抗變形能力越強(qiáng)，固定的牢固；為了綜合評(píng)價(jià)這三個(gè)方向上的位移情況，設(shè)置一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)US表示三個(gè)方向上的合成位移，用來(lái)更直觀的判斷，US越小穩(wěn)定性越好； 骨折結(jié)合面之間的最大斷裂位移可以認(rèn)為股骨近端是懸臂梁類的結(jié)構(gòu)，股骨頸在載荷的作用下上端受到拉應(yīng)力，下端受到壓應(yīng)力；對(duì)于考慮的是骨折面完全斷裂的情況，骨折面之間將產(chǎn)生一定量斷裂位移DS ； DS斷裂位移的值表示內(nèi)固定結(jié)構(gòu)的抗彎能力，值越小表示固定越好，若過(guò)大將引起骨折端愈合不完全的嚴(yán)重后果； 上述評(píng)價(jià)值中，US和DS是最能直接反應(yīng)固定效果的參數(shù)，即在載荷作用下，產(chǎn)生的位移越小，表明此種內(nèi)固定方式越好；但在實(shí)際情況中，US與DS的大小關(guān)系并不絕對(duì)一致，存在某種情況下US值取最小時(shí)DS值卻反而大的情況；另外，將正常人體股骨標(biāo)本，按Lindon角50°、70°截骨，造成經(jīng)頸型股骨頸骨折后，在股骨頸部位和股骨頭部位分別粘貼應(yīng)變片，施加0Ν-300Ν的載荷，在股骨頭處和股骨頸最大斷裂位移處的應(yīng)變片上獲得的6組數(shù)據(jù)；總結(jié)出合理的固定方式之間的US的比例不會(huì)大于114% ；DS的比值不會(huì)大于153%，因此分別取計(jì)算結(jié)果內(nèi)的最優(yōu)三分之一的結(jié)果來(lái)界定US和DS即104. 7%和117. 7% ;首先按照US排序選擇出最優(yōu)US結(jié)果對(duì)應(yīng)的內(nèi)固定方式，其余內(nèi)固定方式的US值與其的比例關(guān)系是.1.047以內(nèi)，先選出來(lái)，比較每種情況下的DS值與最優(yōu)DS值之間的比例是否在I. 17以內(nèi)，若在，那么以US最優(yōu)結(jié)果內(nèi)固定方式為最優(yōu)選項(xiàng)，若不在則排除該情況，然后將該種比較方法形成C++優(yōu)選算法，供系統(tǒng)優(yōu)選出最佳方案。
全文摘要
股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選方法。目前欲選擇優(yōu)化的股骨頸骨折內(nèi)固定方式，要求用戶不僅要有良好的工程分析軟件的操作能力還要有對(duì)優(yōu)化方法的判斷力才能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案的確定。本發(fā)明的方法包括(1)患者的股骨解剖學(xué)參數(shù)的獲??；(2)建立股骨近端三維幾何模型；(3)建立應(yīng)力計(jì)算模型，設(shè)定股骨骨折類型及固定方式；(4)對(duì)各種骨折固定方式逐一進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；(5)確定優(yōu)選的評(píng)判準(zhǔn)則，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定股骨頸骨折內(nèi)固定方式。本產(chǎn)品用于股骨頸骨折內(nèi)固定方式的優(yōu)選。
文檔編號(hào)A61B17/68GK102961176SQ201210538250
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者王沫楠, 張凱 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)