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Simright 如何帮助骨折恢复

在比较激烈的身体对抗运动中,比如足球、篮球、橄榄球,运动员对抗时均处于高速运动的状态,骨折就一种常见的严重伤病。在骨折治疗中,需要将骨折后发生移位的骨折断端重新恢复正常或接近原有解剖关系,以重新恢复骨骼的支架作用。骨折复位后,因不稳定,容易再次发生移位,因此要采用不同的方法将其固定在满意的位置,使其逐渐愈合。常用的固定方法有:小夹板、石膏绷带、外固定支架、牵引制动固定等,这些固定方法称外固定。如果通过手术切开用钢板、钢针、髓内针、螺丝钉等固定,则称内固定。

医疗器械尤其是骨折固定器,对力学性能的要求非常严格。以骨折内固定用的接骨板为例,板上的钢钉安装孔容易造成应力集中,导致接骨板断裂。同时,接骨板又不能做得过于坚硬,否则会对愈合骨产生强大的应力遮挡作用,影响骨愈合。而有限元法的出现有效解决了上述问题。有限元法是机械工程中用来分析结构应力应变的一种数值算法。通过有限元计算,能够显示固定结构的应力、应变和位移分布,使设计者了解其力学特性,发现结构强度或刚度的薄弱点,从而改进和优化设计,以满足医疗器械的力学性能要求。往往医疗行业从业人员不具备有限元分析的理论基础,大型通用有限元分析软件分析流程复杂、需要设置的参数较多,基础比较薄弱的人员在短时间内掌握分析方法的难度较大。

Simright旨在让仿真变得简单、高效。推出的Simulator软件可以很好地解决上述问题。Simulator是一款基于有限元法的云端结构仿真分析软件,可以帮助设计师和工程师通过Web浏览器在线进行结构快速校验分析。该软件操作简单、计算响应迅速,同时提供人性化的导航式菜单栏,方便用户快速掌握。

以Simulator进行胫骨骨折内固定的接骨板应力分析为例,首先通过CT扫描,获得骨骼原始数据,再通过三维重建技术获得胫骨的精确三维模型,以便有限元分析使用。胫骨三维模型如下图所示。

将获取的几何模型及接骨板模型导入至Simulator中进行前处理,软件的智能接触识别功能会自动将接骨板螺钉与胫骨绑定,为初学者省去繁杂的接触设置工作。软件强大的网格剖分引擎可以自动适应复杂特征几何,生成高质量的网格,轻松完成前处理工作。

通过约束胫骨两端位移及施加载荷,模拟骨折后内固定的接骨板在受力状态下的应力状态及断骨的应力分布,以确定接骨板结构是否会影响骨骼愈合。通过提前预判手术后骨骼及接骨板受力状态,大大降低手术方案风险。

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而外固定支架对于力学的要求也同样严苛,临床研究表明外固定架的生物力学性能较差,但因其操作方便,不损伤骨折处血运,且适用于严重开放损伤和感染病例,仍然是比较有效的骨折治疗方法。

以目前临床上常用的某型骨折外固定架为例,骨折模型几何形状简化为厚壁圆筒,两骨折段间的间隙为1cm,骨-架间的距离取为4cm,外固定架与骨折段的连接如下图所示。

骨折模型的受力状况简化为上部骨折段压缩、弯曲和扭转载荷,下部骨折段根部固定不动。骨骼简化模型受力状态下位移云图及骨折外固定支架应力分布如下图所示。

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Simulator具有多种载荷加载方式及边界约束方式,可以轻松模拟出骨折模型及固定支架的受力情况。同时,材料库提供常见的金属及非金属材料,即使基础较薄弱的人员也能快速完成外固定支架力学性能分析。