CN112185521A - 一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法及应用 - Google Patents

一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法及应用，包括以下步骤：S1：获取骨折骨的三维图像模型，结合临床治疗时的植入物三维布局模型，构建有限元模型，同时从中获取骨折骨的弹性模量数据；S2：将弹性模量数据和载荷应用到有限元模型中在有限元分析的基础上进行静力学分析，计算得到接骨板的应力集中区域，在应力集中区域插入预制的裂纹，构建接骨板剩余寿命评价模型；S3：向接骨板剩余寿命评价模型中输入不同时期的骨痂弹性模量和载荷，得到具条件下的剩余寿命数值模型。基于以上方法能够对患者的术后恢复进行指导，避免了直接二次手术替换接骨板对患者带来更多的病痛和负担。

Description

一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法及应用
技术领域
本发明属于基于图像处理的医学辅助评估领域，具体涉及一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法及应用。
背景技术
由金属接骨板和螺钉等植入物组成的内固定系统被证明是目前临床应用较为广泛的骨折治疗手段之一。内固定方法避免了外固定等不利因素，为断开的长骨提供了有效的解剖复位和坚强固定，使患者能够提前负重与锻炼，促进骨折的早期愈合。其中接骨板作为内固定系统中的主要承载结构，在体内承担着由患者步态变化和体重带来的疲劳循环载荷。下肢骨承受的压力在患者不同步态运动下相差较大，而骨与接骨板的应力分配又受骨愈合时期骨痂强度的调控；接骨板在体内时长时间的服役下，位于接骨板应力集中的区域就会萌生微裂纹，在循环应力的作用下，微裂纹逐渐地扩展，直至接骨板完全断裂。接骨板的失效对患者正常骨愈合过程会造成灾难性的影响,也限制了植入物的广泛使用。在实际应用中，由内固定失效导致的骨折延迟愈合和二次骨折等事故经常发生，据临床数据显示，植入物的失效形式主要为接骨板的断裂、变形，当接骨板裂纹出现时，其是否更换取决于裂纹剩余寿命的多少。目前植入物的研究集中在降低接骨板应力强度方面，缺乏对接骨板裂纹扩展规律和抗断裂能力的研究，无法预测含裂纹接骨板不同情况下的剩余寿命，而接骨板更换二次手术会给患者带来更多的痛苦和经济负担。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法及应用。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法，包括以下步骤：
S1：获取骨折骨的三维图像模型，结合临床治疗时的植入物三维布局模型，构建有限元模型，同时从中获取骨折骨的弹性模量数据；
S2：将弹性模量数据和载荷应用到有限元模型中在有限元分析的基础上进行静力学分析，计算得到接骨板的应力集中区域，在应力集中区域插入预制的裂纹，构建接骨板剩余寿命评价模型；
S3：向接骨板剩余寿命评价模型中输入不同时期的骨痂弹性模量和载荷，得到具条件下的剩余寿命数值模型。
作为本发明的进一步改进，所述的S2中裂纹插入应力集中区域后构建接骨板剩余寿命评价模型包括以下步骤：
判断裂纹的扩展是否终止，
S21：若否，在有限元模型的基础上，采用Paris公式da/dn＝a(ΔG)b计算裂纹单次扩展需要的载荷循环次数Nx，其中G＝K2/E，
式中a为裂纹长度，n为载荷循环次数，K为与载荷成正比关系的应力强度因子，G为应变能释放率，a、b为换算后的参数，E为骨痂的弹性模量；
S22：若是，停止执行步骤S21,将S21每一步循环计算的载荷循环次数N1、N2…直至Nn求和的结果N作为接骨板剩余寿命。
作为本发明的进一步改进，步骤S3包括以下步骤：
S31：输入不同时期的骨痂弹性模量和载荷，确定对应条件下的接骨板的应力集中区域；
S32：给定初始裂纹尺寸，重复步骤S21和步骤S22。
作为本发明的进一步改进，所述的裂纹单次扩展的长度为有限元模型中一个网格的长度。
作为本发明的进一步改进，还包括以天数为计量单位作为剩余寿命，将N与单日的步态次数设定为剩余寿命。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中通过MIMICS软件采用以下公式计算骨折骨的弹
性模量：
ρ＝-13.4+1017*gv；
E＝-388.8+5929*ρ；
式中：ρ-密度，gv-灰度值，E-骨痂弹性模量。
作为本发明的进一步改进，所述的载荷由患者的体重和步态状态决定。
本发明还提供了一种应用上述所述的方法评估内固定接骨板剩余寿命的方法，包括以下步骤：
步骤一：构建与骨折患者骨折位置相匹配的有限元模型，并完成所述步骤S2中接骨板剩余寿命评价模型；
步骤二：获取骨折患者术后阶段骨愈合过程中的骨痂弹性模量、与患者体重相关的载荷数据，输入剩余寿命评价模型计算接骨板的剩余寿命。
采用上述的评估方法，将其应用于预估骨板在骨愈合时期可出现裂纹的安全时间。
还可以将上述的评估方法应用于指导不同体重的患者术后的锻炼方式。
本发明的有益效果：本发明通过对骨折骨建立完整有限元模型，同时扩展有限元方法模拟了疲劳裂纹的扩展，完成了建立接骨板剩余寿命评价模型机制。在实际应用中，基于所建立的接骨板剩余寿命评价模型，结合骨折患者在术后的具体恢复运动和骨愈合的动态愈合，在临床中可用于评测术后不同时期内的步态载荷对接骨板剩余寿命的影响，可用于确定接骨板在特定的时期内出现裂纹后是否需要更换，避免了直接二次手术替换接骨板对患者带来更多的病痛和负担。
附图说明
图1是本发明的整体应用流程示意图；
图2是本发明中剩余寿命计算过程示意图；
图3为本发明的一种实施例中构建骨折骨的三维图像模型的过程示意图；
图4为本发明的一种实施例中构建有限元模型的过程示意图；
图5为包括寿命评价模型的构建和预制裂纹插入的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示的本发明所给出的预测内固定接骨板剩余寿命的方法，包括以下步骤：
S1：对患者发生骨折的部位进行计算机断层扫描，获取骨折骨的三维图像模型；结合临床治疗时的植入物三维布局模型，构建有限元模型，同时从中获取骨折骨的弹性模量数据。
例如，如图3所示以下肢骨的股骨为例，骨折骨的三维图像模型的构建过程为基于CT数据依次采用MIMICS软件重建出股骨的三维模型并处理表面，之后在Geomagic studio中进行噪点处理，完善模型后最后导入到solidworks软件中进行装配。之后如图4所示，结合临床治疗时的植入物三维布局模型，在ABAQUS中划分网格组成静力学分析所用的有限元模型。
在该步骤中，通过采用MIMICS软件分析有限元模型中的图像数据，计算骨折骨的弹性模量。MIMICS软件中根据以下公式将图像中的灰度值获得与骨痂弹性模量的对应关系：
ρ＝-13.4+1017*gv；
E＝-388.8+5929*ρ；
式中：ρ-密度，gv-灰度值，E-骨痂弹性模量。
S2：将弹性模量数据和载荷应用到有限元模型中在有限元分析的基础上进行静力学分析，计算得到接骨板的应力集中区域，找到裂纹断裂的起始点。在应力集中区域插入预制的裂纹，构建接骨板剩余寿命评价模型。
具体的，如图5所示，按照静力学分析结果确定应力最大集中点，在此位置插入预制的裂纹。所插入的初始裂纹的形状为1/4圆形的扇形结构，并将该裂纹半径定义为裂纹尺寸的初始变量。
此处构建的模型为总的寿命评价机制模型，具体的建立步骤如图2所示，包括以下步骤：待裂纹插入应力集中区域后对裂纹的扩展情况进行判定，S21：若未判定扩展终止，在有限元模型的基础上，采用三点弯曲的疲劳试验方法的Paris公式da/dn＝a(ΔG)b计算裂纹单次扩展需要的载荷循环次数Nx，其中G＝K2/E。其中，式中：a为裂纹长度，n为载荷循环次数，K为应力强度因子，G为应变能释放率，a、b为换算后的参数，E为骨痂的弹性模量；其中，K与载荷的关系是正比，载荷越大，应力强度因子越大。S22：若判定扩展终止，停止执行步骤S21，将S21每一步循环计算的载荷循环次数N1、N2…直至Nn求和的结果N作为接骨板剩余寿命。
在该步骤中，所涉及到的另一个参数载荷为步态载荷，由患者的体重和步态状态决定。此处采用的是临床经验所给出的数值关系，将借助辅助器行走规定为1倍体重载荷，慢走对应于2倍的体重载荷，正常走对应于3倍的体重载荷。
在这个模型中，可以看出断骨处所受载荷的大小、骨痂的愈合情况和裂纹的初始大小是影响裂纹扩展及骨板剩余寿命的三个重要的因素。在术后的不同时期，这三个参数是不断的变化的，也会产生不同的影响。例如，在愈合早期，断骨所承受的生理性载荷主要由接骨板传递，而随着骨痂的逐渐愈合，生理载荷逐渐从接骨板转移到骨上，因为此时断骨已经在骨痂的连接下形成整体，而接骨板的应力降低也减缓了裂纹的扩展速度，因此其剩余寿命不同，故需要执行如S3所给出的在具体条件下的数值模型。
S3：向接骨板剩余寿命评价模型中输入不同时期的骨痂弹性模量和载荷，得到具体情况下的剩余寿命数值模型，基于此模型获得接骨板具体剩余寿命预测值。详细具体的过程为：
S31：输入不同时期的骨痂弹性模量和载荷，确定对应条件下的接骨板的应力集中区域；
S32：给定初始裂纹尺寸，重复步骤S21和步骤S22。
在本发明中，所述的裂纹单次扩展的长度为有限元模型中一个网格的长度。
另外，由于通常的寿命需要以天数为单位的，在预估时根据大数据统计将获得的总循环次数N与5000的比值设定为接骨板以天数为计量单位的剩余寿命。当然可以通过降低单日的步态次数提高剩余寿命
将该预测方法应用到实际中，以避免骨板发生断裂所造成的二次手术，具体的过程为：
步骤一：构建与骨折患者骨折位置相匹配的有限元模型，并完成所述步骤S2中接骨板剩余寿命评价模型。
步骤二：获取骨折患者术后阶段骨愈合过程中的骨痂弹性模量、与患者体重相关的载荷数据，输入剩余寿命评价模型计算接骨板的剩余寿命。
此处的骨痂弹性模量是利用骨折块应变理论在不含裂纹的模型中迭代计算骨愈合过程，得到术后不同周数时的骨痂弹性模量。
其中，初始裂纹可以为给定的预估值，也可以是探测到的值。在应用指导过程中，对同一患者可以根据骨痂弹性模量与所述骨板剩余寿命之间的关系，判断接骨板在多少周后裂纹的出现对接骨板不再有危险，或者尺寸小于多少的裂纹接骨板也不会有危险。
对于已经出现裂纹的情况，指导不同体重的患者术后的锻炼方式，降低载荷的强度和单日的步态运动次数，延长骨板的寿命，使得骨板载荷循环所满足的天数达到不需要对接骨板进行更换的要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取骨折骨的三维图像模型，结合临床治疗时的植入物三维布局模型，构建有限元模型，同时从中获取骨折骨的弹性模量数据；
S2：将弹性模量数据和载荷应用到有限元模型中在有限元分析的基础上进行静力学分析，计算得到接骨板的应力集中区域，在应力集中区域插入预制的裂纹，构建接骨板剩余寿命评价模型；
S3：向接骨板剩余寿命评价模型中输入不同时期的骨痂弹性模量和载荷，得到具条件下的剩余寿命数值模型。
2.根据权利要求1所述的一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法，其特征在于：所述的S2中裂纹插入应力集中区域后构建接骨板剩余寿命评价模型包括以下步骤：
判断裂纹的扩展是否终止，
S21：若否，在有限元模型的基础上，采用Paris公式da/dn＝a(ΔG)b计算裂纹单次扩展需要的载荷循环次数Nx，其中G＝K2/E，
式中a为裂纹长度，n为载荷循环次数，K为与载荷成正比关系的应力强度因子，G为应变能释放率，a、b为换算后的参数，E为骨痂的弹性模量；
S22：若是，停止执行步骤S21,将S21每一步循环计算的载荷循环次数N1、N2…直至Nn求和的结果N作为接骨板剩余寿命。
3.根据权利要求2所述的一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法，其特征在于：步骤S3包括以下步骤：
S31：输入不同时期的骨痂弹性模量和载荷，确定对应条件下的接骨板的应力集中区域；
S32：给定初始裂纹尺寸，重复步骤S21和步骤S22。
4.根据权利要求2或3所述的一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法，其特征在于：所述的裂纹单次扩展的长度为有限元模型中一个网格的长度。
5.根据权利要求2或3所述的一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法，其特征在于：还包括以天数为计量单位作为剩余寿命，将N与单日的步态次数设定为剩余寿命。
6.根据权利要求1所述的一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法，其特征在于：步骤S1中通过MIMICS软件采用以下公式计算骨折骨的弹性模量：
ρ＝-13.4+1017*gv；
E＝-388.8+5929*ρ；
式中：ρ-密度，gv-灰度值，E-骨痂弹性模量。
7.根据权利要求1所述的一种预测内固定接骨板剩余寿命的方法，其特征在于：所述的载荷由患者的体重和步态状态决定。
8.应用权利要求1，2，3，6或7任一项所述的方法评估内固定接骨板剩余寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建与骨折患者骨折位置相匹配的有限元模型，并完成所述步骤S2中接骨板剩余寿命评价模型；
步骤二：获取骨折患者术后阶段骨愈合过程中的骨痂弹性模量、与患者体重相关的载荷数据，输入剩余寿命评价模型计算接骨板的剩余寿命。
9.应用权利要求8所述方法预估骨板在骨愈合时期可出现裂纹的安全时间。
10.应用权利要求8所述方法指导不同体重的患者术后的锻炼方式。
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