胫骨平台骨折植入物个性化设计及分析(附件)
利用MIMICS医学软件来处理原始CT图像，然后通过其对CT图像的阙值分割、 区域增长、蒙版裁剪、编辑、形态学分析等生成胫骨平台三维轮廓，并且进行初步的光滑处理，然后通过Remesh模块进一步对模型做光滑处理，最后以STL格式将其导入Geomagic软件中，采用精确曲面功能构建胫骨平台的NUBERS曲面模型；将曲面模型导入UG软件中，对其进行骨折的定位划分，并且设计个性化内植物；完成对模型的三维重建后，采用UG软件对模型进行高级仿真，对其分配材料、网格划分、施加约束及载荷并且进行有限元分析。关键词 胫骨平台，三维重建，快速成型，有限元分析目 录
1 引言 1
1.1 胫骨平台骨折治疗概述 1
1.2 胫骨平台骨折内固定法的选择 2
1.3 螺钉直径与关节内台阶的力学特性研究 2
1.4 本文研究内容 3
2 胫骨平台骨折模型三维重建 3
2.1 胫骨平台骨折的三维重建 3
2.2 胫骨平台骨折线划分 14
2.3 个性化内植物的设计 18
3 有限元分析 22
3.1 UG预处理 22
3.2 边界条件 25
3.3 求解运行 26
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 引言
胫骨平台是膝关节负荷结构，它的骨折为关节内骨折，在车祸和高处坠落中很常见。胫骨平台骨折是一种关节内部损伤，它在胫骨骨折中的发生几率只有9.2%[1]，在全部骨折中约占4%[2]。而在胫骨平台骨折中，复杂胫骨平台骨折居多，它的闭合复位也很困难。随着城市交通的发展，复杂胫骨平台骨折的患者也越来越多，由于暴力容易导致胫骨内外侧平台塌陷骨折，因此治疗复杂胫骨平台骨折相当棘手，在治疗过程中，若处理不好很容易致使膝关节创伤性关节炎、关节功能障碍等等的问题[3]。
近些年，CT扫描和三维重建逐渐的应用到了胫骨平台骨折中，罗从风等[4]提出了胫骨平台骨折的三柱分型，这是基于CT检查而得出的一种分型理论，后柱骨折是从后侧入路直接复位来支撑钢板固定的，因为解剖轮廓通常都是不规则的，暂时没有完全符合 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
暴力容易导致胫骨内外侧平台塌陷骨折，因此治疗复杂胫骨平台骨折相当棘手，在治疗过程中，若处理不好很容易致使膝关节创伤性关节炎、关节功能障碍等等的问题[3]。
近些年，CT扫描和三维重建逐渐的应用到了胫骨平台骨折中，罗从风等[4]提出了胫骨平台骨折的三柱分型，这是基于CT检查而得出的一种分型理论，后柱骨折是从后侧入路直接复位来支撑钢板固定的，因为解剖轮廓通常都是不规则的，暂时没有完全符合这种解剖特点的内植物来固定。治疗中往往采用重建钢板，“T”型钢板等等的钢板进行适当的弯曲后加以固定，这也增加了手术的难度和随意性，而且钢板和骨表面的吻合程度、复位的正确与否都很难保证，还有钢板上的某些螺钉孔的位置，有时候恰好在骨折线上，这也不能用来固定骨折块，同时也影响到内固定的效果和强度，甚至会使得内固定失败[5]。
对于现有钢板存在的一些不足和局限性，本试验利用CT原始数据图、Mimics（交互式医学影像控制系统）、Geomigic（正逆向混合设计软件）、UG NX8.0软件建立胫骨平台后外侧骨折模拟复位和个性化内植物（个性化解剖型接骨板）的三维实体模型，并且进行有限元分析，确定个性化内植物的生物力学稳定性能。
1.1 胫骨平台骨折治疗概述
1.1.1 按治疗原则分析
胫骨平台骨折是一种胫骨近端关节骨折，这种骨折常常伴随着内外侧平台塌陷一级软骨游离体，情况比较严重的时候，还会合并关节韧带损伤与半月板等等造成膝关节功能障碍。治疗的主要目标是使关节面解剖复位并且恢复正常的力线，通过固定，从而最大程度的保护软组织，使关节功能得以完善。根据具体情况，在实际的治疗过程中，应该考虑六个因素：一是骨折类型，二是患者的年龄，三十局部皮肤软组织情况，四是是否需要合并全身重要器官组织损伤，五是压缩移位程度，六是病人对膝关节功能的要求。
1.1.2 胫骨平台骨折治疗分型
骨折的分型以及诊断的准确性是判断治疗方案是否正确的基本前提条件。就目前而言，最常见的胫骨平台骨折分型是Schatzker分型，这种分型是以X线片作为基础的，因为胫骨平台表面是不规则的曲面，所以X线片对于骨折的整体情况不能完全的反映出来。在分析胫骨平台俯视图时，将平面分为了四个象限。之后呢，在骨折象限的基础上，又提出了胫骨平台骨折三柱分型理论，即后侧柱，内侧柱以及外侧柱。总而言之，对骨折正确的分型有助于制定治疗方案，掌握骨折损伤程度[6]。
1.2 胫骨平台骨折内固定方法的选择
如果胫骨平台骨折的骨折块仅仅只有1到2块，而且关节面的损伤是轻微的塌陷，那么可以先将骨折复位，随后使用松质骨拉力螺钉固定，生物力学研究表明了用两个拉力螺钉固定要比用三个或者抗滑钢板固定更加的稳定[6]。如果关节面有明显或者严重的塌陷情况，单单使用螺钉不能够很好的固定，那么就可以采用T形、L形或者解剖钢板来加以固定。若要想恢复关节面的平整，需要开窗植骨，利用撬拔植骨来固定，这样可以有效的达到解剖复位，目前植骨可以采用自体髂骨、人工异体骨或者生物材料[7]。那么原则上来说，近端螺钉应该平行关节软骨面置入，远端螺钉应该垂直骨折面置入；若关节面有较为明显或严重的塌陷，就需要在软骨面下2到3cm的地方开小骨窗撬拔复位关节面，使用外侧或者后侧单钢板进行固定。如果骨折为高能量所致，关节面严重损坏破裂以及塌陷，出现韧带、半月板以及侧副损伤，同时可能合并神经血管的损伤，这时候可以在内侧、内后侧用单钢板固定，或者内外联合两边钢板固定。多次实验和多年的经验证实了双钢板固定更好的为骨折提供生物力学环境，并且比单钢板固定有更强的稳定性[7]。那么在钢板的使用上面，外侧支持钢板应该优先选用解剖型钢板，因为这样可以更贴近骨表面，固定更加稳定，很适用于骨质疏松患者。在固定外侧钢板时，应该使得钢板最上方的螺钉尽量靠近胫骨平台关节面软骨下骨皮质，目的是为了加强双髁骨块的固定强度，并且防止关节面的塌陷，而对侧可以做出一个小的切口，选用有限接触加压钢板，这样做可以降低切口的一些并发症[8]。
目前，微创内固定系统（LISS）、微创经皮钢板接骨术（MIPPO）、锁定加压钢板（LCP）等治疗方式的优点已经被逐渐证实。LISS和LCP钢板和螺钉的自锁作用对近端骨折块提供了更好的固定。钢板可以在皮下直接植入体内，因此与骨表面的接触面小，对于正常供血的影响小，同时有利于骨折的愈合。LISS和LCP的锁定螺钉受力均匀，，可以与钢板形成一个较为稳定的框架，可以有效的阻止复位丢失[9]。
1.3 螺钉直径与关节内台阶的力学特性研究
Westmoreland等[10]比较了胫骨近端直径为4.5mm全螺纹皮质骨螺钉以及直径为3.5mm皮质骨螺钉与直径为6.5mm部分螺纹松质骨螺钉的拔出力。在一组实验过后，结果表明了在干骺端，直径为4.5mm的螺钉与直径为3.5mm的螺钉无明显的差异，而在骨干直径为3.5mm的螺钉拔出力明显小于4.5mm的螺钉。在软骨下骨，直径为6.5mm的部分螺纹松质骨螺钉与直径为3.5mm的全螺纹皮质骨螺钉轴向拔出力无明显的差异。
1.4 本文研究内容
本文主要是对患有胫骨平台骨折病人的CT图像进行扫描并且进行三维重建，并且根据三维重建的实体模型，利用U
1 引言 1
1.1 胫骨平台骨折治疗概述 1
1.2 胫骨平台骨折内固定法的选择 2
1.3 螺钉直径与关节内台阶的力学特性研究 2
1.4 本文研究内容 3
2 胫骨平台骨折模型三维重建 3
2.1 胫骨平台骨折的三维重建 3
2.2 胫骨平台骨折线划分 14
2.3 个性化内植物的设计 18
3 有限元分析 22
3.1 UG预处理 22
3.2 边界条件 25
3.3 求解运行 26
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 引言
胫骨平台是膝关节负荷结构，它的骨折为关节内骨折，在车祸和高处坠落中很常见。胫骨平台骨折是一种关节内部损伤，它在胫骨骨折中的发生几率只有9.2%[1]，在全部骨折中约占4%[2]。而在胫骨平台骨折中，复杂胫骨平台骨折居多，它的闭合复位也很困难。随着城市交通的发展，复杂胫骨平台骨折的患者也越来越多，由于暴力容易导致胫骨内外侧平台塌陷骨折，因此治疗复杂胫骨平台骨折相当棘手，在治疗过程中，若处理不好很容易致使膝关节创伤性关节炎、关节功能障碍等等的问题[3]。
近些年，CT扫描和三维重建逐渐的应用到了胫骨平台骨折中，罗从风等[4]提出了胫骨平台骨折的三柱分型，这是基于CT检查而得出的一种分型理论，后柱骨折是从后侧入路直接复位来支撑钢板固定的，因为解剖轮廓通常都是不规则的，暂时没有完全符合 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
暴力容易导致胫骨内外侧平台塌陷骨折，因此治疗复杂胫骨平台骨折相当棘手，在治疗过程中，若处理不好很容易致使膝关节创伤性关节炎、关节功能障碍等等的问题[3]。
近些年，CT扫描和三维重建逐渐的应用到了胫骨平台骨折中，罗从风等[4]提出了胫骨平台骨折的三柱分型，这是基于CT检查而得出的一种分型理论，后柱骨折是从后侧入路直接复位来支撑钢板固定的，因为解剖轮廓通常都是不规则的，暂时没有完全符合这种解剖特点的内植物来固定。治疗中往往采用重建钢板，“T”型钢板等等的钢板进行适当的弯曲后加以固定，这也增加了手术的难度和随意性，而且钢板和骨表面的吻合程度、复位的正确与否都很难保证，还有钢板上的某些螺钉孔的位置，有时候恰好在骨折线上，这也不能用来固定骨折块，同时也影响到内固定的效果和强度，甚至会使得内固定失败[5]。
对于现有钢板存在的一些不足和局限性，本试验利用CT原始数据图、Mimics（交互式医学影像控制系统）、Geomigic（正逆向混合设计软件）、UG NX8.0软件建立胫骨平台后外侧骨折模拟复位和个性化内植物（个性化解剖型接骨板）的三维实体模型，并且进行有限元分析，确定个性化内植物的生物力学稳定性能。
1.1 胫骨平台骨折治疗概述
1.1.1 按治疗原则分析
胫骨平台骨折是一种胫骨近端关节骨折，这种骨折常常伴随着内外侧平台塌陷一级软骨游离体，情况比较严重的时候，还会合并关节韧带损伤与半月板等等造成膝关节功能障碍。治疗的主要目标是使关节面解剖复位并且恢复正常的力线，通过固定，从而最大程度的保护软组织，使关节功能得以完善。根据具体情况，在实际的治疗过程中，应该考虑六个因素：一是骨折类型，二是患者的年龄，三十局部皮肤软组织情况，四是是否需要合并全身重要器官组织损伤，五是压缩移位程度，六是病人对膝关节功能的要求。
1.1.2 胫骨平台骨折治疗分型
骨折的分型以及诊断的准确性是判断治疗方案是否正确的基本前提条件。就目前而言，最常见的胫骨平台骨折分型是Schatzker分型，这种分型是以X线片作为基础的，因为胫骨平台表面是不规则的曲面，所以X线片对于骨折的整体情况不能完全的反映出来。在分析胫骨平台俯视图时，将平面分为了四个象限。之后呢，在骨折象限的基础上，又提出了胫骨平台骨折三柱分型理论，即后侧柱，内侧柱以及外侧柱。总而言之，对骨折正确的分型有助于制定治疗方案，掌握骨折损伤程度[6]。
1.2 胫骨平台骨折内固定方法的选择
如果胫骨平台骨折的骨折块仅仅只有1到2块，而且关节面的损伤是轻微的塌陷，那么可以先将骨折复位，随后使用松质骨拉力螺钉固定，生物力学研究表明了用两个拉力螺钉固定要比用三个或者抗滑钢板固定更加的稳定[6]。如果关节面有明显或者严重的塌陷情况，单单使用螺钉不能够很好的固定，那么就可以采用T形、L形或者解剖钢板来加以固定。若要想恢复关节面的平整，需要开窗植骨，利用撬拔植骨来固定，这样可以有效的达到解剖复位，目前植骨可以采用自体髂骨、人工异体骨或者生物材料[7]。那么原则上来说，近端螺钉应该平行关节软骨面置入，远端螺钉应该垂直骨折面置入；若关节面有较为明显或严重的塌陷，就需要在软骨面下2到3cm的地方开小骨窗撬拔复位关节面，使用外侧或者后侧单钢板进行固定。如果骨折为高能量所致，关节面严重损坏破裂以及塌陷，出现韧带、半月板以及侧副损伤，同时可能合并神经血管的损伤，这时候可以在内侧、内后侧用单钢板固定，或者内外联合两边钢板固定。多次实验和多年的经验证实了双钢板固定更好的为骨折提供生物力学环境，并且比单钢板固定有更强的稳定性[7]。那么在钢板的使用上面，外侧支持钢板应该优先选用解剖型钢板，因为这样可以更贴近骨表面，固定更加稳定，很适用于骨质疏松患者。在固定外侧钢板时，应该使得钢板最上方的螺钉尽量靠近胫骨平台关节面软骨下骨皮质，目的是为了加强双髁骨块的固定强度，并且防止关节面的塌陷，而对侧可以做出一个小的切口，选用有限接触加压钢板，这样做可以降低切口的一些并发症[8]。
目前，微创内固定系统（LISS）、微创经皮钢板接骨术（MIPPO）、锁定加压钢板（LCP）等治疗方式的优点已经被逐渐证实。LISS和LCP钢板和螺钉的自锁作用对近端骨折块提供了更好的固定。钢板可以在皮下直接植入体内，因此与骨表面的接触面小，对于正常供血的影响小，同时有利于骨折的愈合。LISS和LCP的锁定螺钉受力均匀，，可以与钢板形成一个较为稳定的框架，可以有效的阻止复位丢失[9]。
1.3 螺钉直径与关节内台阶的力学特性研究
Westmoreland等[10]比较了胫骨近端直径为4.5mm全螺纹皮质骨螺钉以及直径为3.5mm皮质骨螺钉与直径为6.5mm部分螺纹松质骨螺钉的拔出力。在一组实验过后，结果表明了在干骺端，直径为4.5mm的螺钉与直径为3.5mm的螺钉无明显的差异，而在骨干直径为3.5mm的螺钉拔出力明显小于4.5mm的螺钉。在软骨下骨，直径为6.5mm的部分螺纹松质骨螺钉与直径为3.5mm的全螺纹皮质骨螺钉轴向拔出力无明显的差异。
1.4 本文研究内容
本文主要是对患有胫骨平台骨折病人的CT图像进行扫描并且进行三维重建，并且根据三维重建的实体模型，利用U
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