不同内固定方式治疗胫骨平台后外侧骨折的三维有限元模型构建方法[0002]近年来，随着高能量损伤的增多，临床遇到的胫骨平台骨折越显复杂，传统的治疗理念和方式并不能解决所有问题。其中，涉及胫骨平台后外侧的骨折就很难归入国际常用的Schatzker及AO分型，临床认识不够，治疗混乱，成为膝关节骨折后功能恢复差的重要原因，引起了许多学者的关注。[0003]在胫骨平台后外侧骨折的治疗中，手术医师常根据自己的临床经验，选择手术入路及固定方式，主要分歧集中在选择后侧入路、前侧入路还是外侧入路。后侧入路可以直接暴露骨折部位，对关节面塌陷明显、复位困难的患者更为合适，但缺点是手术创伤较大，需要剥离较大范围软组织，以及神经血管损伤等并发症相对较多。前侧和外侧入路的手术方法可以避免软组织的过多暴露，减少术后的并发症，手术方法简单易行，不足之处是后侧骨块的复位、固定难度较大，一旦固定不可靠会出现关节面塌陷、疼痛，甚至固定失败，影响手术质量。此发明正基于此，建立不同入路、不同固定方法治疗胫骨平台骨折的有限元模型，为后续的生物力学分析及临床的选择提供参考依据。[0004]有限元法能对复杂的结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析和比较，对人体骨组织力学特性的分析具有其他方法无法比拟的优点，然而其分析结果的准确性一直受到所建模型的精确程度低的制约。因此，如何快速、精确地建立人体骨组织及内固定装置的三维有限元模型已成为国内外学者研究的热点和难点。
[0005]本发明的目的在于提供一种不同内固定方式治疗胫骨平台后外侧骨折的三维有限元模型构建方法，解决采用现有CT (Computed Tomography)扫描无法获取三维空间信息，不同内固定方式治疗胫骨骨折模型建立过程复杂，以及螺钉等小金属采用CT扫描具有伪影等问题，精确建立不同内固定方式治疗胫骨平台后外侧骨折的三维有限元模型。[0006]本发明提出的不同内固定方式治疗胫骨平台后外侧骨折的三维有限元模型构建方法，具体步骤如下: (I)采用CT断层扫描获取正常胫骨附外侧钢板以及正常胫骨附后侧钢板的断层图像数据:
①首先将外侧钢板附于正常胫骨，采用螺旋CT机由正常胫骨近端向远端垂直于正常胫骨纵轴进行扫描，扫描层厚小于或等于1mm，扫描得到的数据用标准DICOM格式保存；
②再将后侧钢板附于正常胫骨，以同样的扫描条件由正常胫骨近端向远端进行连续断层扫描，保存扫描得到的DICOM格式的文件； (2)应用开源软件ITK-SNAP进行医学图像处理和分割:
①将步骤⑴得到的外侧钢板附于正常胫骨的DICOM标准格式CT断层图像导入ITK-SNAP，基于图像像素灰度值，分别确定正常胫骨和外侧钢板的阈值范围，进行图像分害I]，在原始图像中分别标记出属于不同目标区域(正常胫骨、外侧钢板)的像素，并分别将每一目标区域以STL文件格式输出；
②然后将后侧钢板附于正常胫骨的CT断层图像导入ITK-SNAP，以同样方法处理后，将后侧钢板的数据以STL文件格式输出；
(3)在专业三维有限元网格生成软件HyperMesh中生成实体几何模型:
①基于医学图像生成实体几何模型:首先导入步骤(2)所生成STL文件，然后基于正常胫骨表面网格获取曲面，多个光滑闭合曲面组成胫骨的三维几何模型，最后单独存储为一个组件；对外侧钢板和后侧钢板进行同样的操作，生成相应的几何模型，并分别单独存储；
②编辑基于医学图像生成的几何模型:首先对正常胫骨模型进行切割，生成相应的骨折模型，然后在胫骨骨折实体几何模型的内部依据螺钉的几何尺寸创建曲面拆分实体，生成可用于后期装配的组件几何模型；
③基于几何尺寸生成实体几何模型:首先新建组件集，根据几何尺寸建立螺钉表面的曲线，然后基于曲线生成曲面，最终建立不同直径的螺钉的三维几何模型，根据研究需要，复制生成多个螺钉的几何模型，相同直径的多个螺钉存储为一个组件中，不同直径的螺钉分别存储于不同组件中；
(4)在HyperMesh中生成三维有限元模型:按需要选取不同组件内的实体几何模型进行装配，生成需要的多个模型(含完整胫骨模型，胫骨骨折模型，以及不同内固定方式治疗胫骨骨折的模型)，每一模型均由多个组件组成，对每个模型分别实施以下操作:
①针对一个组件，基于所有曲面生成2D壳单元；
②不同组件之间交界面节点进行节点耦合以实现组件之间的连接；
③在每个组件内部创建四面体单元。
[0007]最终分别生成胫骨以及不同内固定方式治疗胫骨骨折的多个四面体有限元模型。
[0008]本发明的有益效果:
本发明包含胫骨平台横切面后1/2骨折和后1/4骨折的三维有限元模型，以及分别给予外侧入路钢板、后侧入路钢板及前侧入路拉力螺钉三种方式固定的有限元模型。上述模型可为不同胫骨平台后外侧骨折情况的手术入路及内固定方式的优选提供依据。本发明应用ITK-SNAP和HyperMesh软件可以快速、精确地建立不同内固定方式治疗胫骨平台后外侧骨折的三维有限元模型，大大提高了建模的速度以及模型的质量，为进一步的生物力学分析打下了基础。



[0009]图1是正常胫骨三维有限元模型；
图2是胫骨平台横切面后1/2骨折三维有限元模型；
图3是胫骨平台横切面后1/4骨折三维有限元模型；
图4是胫骨平台横切面后1/2骨折外侧入路钢板固定三维有限元模型；
图5是胫骨平台横切面后1/4骨折外侧入路钢板固定三维有限元模型； 图6是胫骨平台横切面后1/2骨折后侧入路钢板固定三维有限元模型；
图7是胫骨平台横切面后1/4骨折后侧入路钢板固定三维有限元模型；
图8是胫骨平台横切面后1/2骨折前侧入路使用拉力螺钉固定三维有限元模型；
图9是胫骨平台横切面后1/4骨折前侧入路使用拉力螺钉固定三维有限元模型。
[0010]图中标号:1为正常胫骨模型组件；2为胫骨平台横切面后1/2骨折，不含骨折块的胫骨缺损模型组件；3为胫骨平台横切面后1/2骨折的骨折块模型组件；4为胫骨平台横切面后1/4骨折，不含骨折块的胫骨缺损模型组件；5为胫骨平台横切面后1/4骨折的骨折块模型组件；6为外侧钢板模型组件；7为后侧钢板模型组件；8为用于外侧钢板的螺钉组件；9为用于后侧钢板的螺钉组件；10前侧入路的直径为6.5mm拉力螺钉组件。

[0011]以下结合本发明的实施予以详细叙述。
[0012]胫骨以及不同内固定方式治疗胫骨平台后外侧骨折的三维有限元模型建立，包括以下步骤:
(O采用CT断层扫描获取数据:采用上海市浦东新区公利医院影像科64排螺旋CT机(Siemens, Germany),进行下述操作，
①将螺钉直径为4.5mm的外侧解剖锁定钢板(Synthes, Switzerland)附于正常胚骨，由胫骨近端向远端垂直于胫骨纵轴进行扫描，扫描层厚为0.625mm,床进速度为1.3mm/s,球管电流与电压为500mA和120.0kV ；
②再将螺钉直径为3.5mm的后侧T型锁定钢板(Synthes, Switzerland)附于正常胚骨，由胫骨近端向远端进行连续断层扫描；
③将所有扫描得到的数据用标准DICOM格式保存；
(2)三维医学图像分割及数据输出:
①将外侧钢板附于正常胫骨的DICOM标准格式CT断层图像导入用于医学图像分割的开源软件ITK-SNAP ;基于图像像素灰度值，首先确定胫骨灰度的阈值上限和下限，以标号(segmentation label)标记胫骨的灰度区域，进行图像分割，以同样方法将外侧钢板标记成不同的标号，分别输出标记后的胫骨区域和外侧钢板区域的表面网格，以STL文件格式保存；
②然后导入后侧钢板及正常胫骨的CT图像，按上述方法处理后，输出标记后的后侧钢板区域的表面网格，以STL文件格式保存；
(3)三维几何模型构建:在专业有限元网格生成软件HyperMesh中，分别导入正常胫骨、外侧钢板和后侧钢板的STL文件，分别基于胫骨和钢板的表面网格生成多个曲面，建立几何模型，然后对几何模型进行修改、拆分及合并几何体等操作生成以下组件:
①由多个闭合曲面组成的正常胫骨模型组件I;
②胫骨平台横切面后1/2骨折，由多个闭合曲面组成的不含骨折块的胫骨缺损模型组件2 ；
③由多个闭合曲面组成的胫骨平台横切面后1/2骨折的骨折块模型组件3；
④胫骨平台横切面后1/4骨折，由多个闭合曲面组成的不含骨折块的胫骨缺损模型组件4; ⑤由多个闭合曲面组成的胫骨平台横切面后1/4骨折的骨折块模型组件5;
⑥由多个闭合曲面组成的外侧钢板模型组件6；
⑦由多个闭合曲面组成的后侧钢板模型组件7；
⑧根据几何尺寸创建的用于外侧钢板的螺钉(直径为4.5mm)模型组件8 ；
⑨根据几何尺寸创建的用于后侧钢板的螺钉(直径为3.5mm)模型组件9 ；
⑩根据几何尺寸创建的前侧入路的直径为6.5mm拉力螺钉(Synthes, Switzerland)模型组件10。
[0013](4)三维有限元模型构建:
将上述几何模型进行装配，形成以下九种模型:
①模型一正常胫骨模型(组件I);
②模型二胫骨平台横切面后1/2骨折模型(组件2和组件3)；
③模型三胫骨平台横切面后1/4骨折模型(组件4和组件5)；
④模型四胫骨平台横切面后1/2骨折外侧入路钢板固定模型:将胫骨平台横切面后1/2骨折的模型(组件2，组件3)和外侧钢板模型(组件6)由8枚螺钉(组件8)进行固定，两枚螺钉穿过断端骨块，穿入胫骨上端内侧，但不穿透胫骨内侧表面；
⑤模型五胫骨平台横切面后1/4骨折外侧入路钢板固定模型:将胫骨平台横切面后1/4骨折的模型(组件4，组件5)和外侧钢板模型(组件6)由8枚螺钉(组件8)进行固定，一枚螺钉穿过断端骨块，穿入胫骨上端内侧，但不穿透胫骨内侧表面；
⑥模型六胫骨平台横切面后1/2骨折后侧入路钢板固定模型:将胫骨平台横切面后1/2骨折的模型(组件2，组件3)和后侧钢板模型(组件7)由8枚螺钉(组件9)进行固定，5枚螺钉穿过断端骨块，向前穿入胫骨上端，但不穿透胫骨上端前部表面；
⑦模型七胫骨平台横切面后1/4骨折后侧入路钢板固定模型:将胫骨平台横切面后1/4骨折的模型(组件4，组件5)和后侧钢板模型(组件7)由8枚螺钉(组件9)进行固定，5枚螺钉穿过断端骨块，向前穿入胫骨上端，但不穿透胫骨上端前部表面；
⑧模型八胫骨平台横切面后1/2骨折前侧入路使用拉力螺钉固定模型:用2枚螺钉(组件10)将胫骨平台横切面后1/2骨折的模型(组件2，组件3)断端骨块固定，且穿透断端骨块后部表面；
⑨模型九胫骨平台横切面后1/4骨折前侧入路使用拉力螺钉固定模型:用2枚螺钉(组件10)将胫骨平台横切面后1/4骨折的模型(组件4，组件5)断端骨块固定，且穿透断端骨块后部表面。
[0014]对上述9种模型中的每一种模型都进行下述操作:首先，对一个模型所包含的所有组件分别基于表面曲面创建二维网格(壳单元)，不同组件之间以节点耦合的方式相连接；然后，在每个组件内部创建四面体实体单元；最后，给每个组件内部四面体单元赋予其相应的材料属性，以大型有限元分析软件ANSYS的输入文件CDB格式分别输出每个组件的四面体单元。
[0015]通过上述步骤得到的模型可为临床上治疗胫骨平台后外侧骨折时，选择固定方式、固定材料、减少术后相关并发症的发生，提供理论依据。上述模型的生物力学仿真计算结果结合临床经验，对于指导和帮助今后临床对于此类常见病、老年病的治疗，具有重要的临床意义。