人工髋关节无菌性松动失效的生物力学分析与诊断推理

目的研究人工髋关节置换术后无菌性松动失效的力学机理以及引发松动的具体原因,提出对临床中发生无菌性松动事件进行失效诊断的具体方法。方法从骨水泥层强度、界面微动、应力遮挡、磨损与骨溶解等生物力学角度对无菌性松动的成因进行研究,分析无菌性松动失效与产品、临床和患者等因素的关系,并研究翻修术前检测松动的方法。结果提出无菌性松动失效原因推理路线图,成功利用荧光透视分析(fluoroscopic analysis,FSA)技术在翻修术前对无菌性松动进行了在体测定。结论无菌性松动失效分析推理路线图可以帮助展开失效事件的原因挖掘,应用FSA方法可以对松动进行在体测定与确认,辅助医生开展人工髋关节置换术后无菌性松动失效的诊治。     

人工髋关节脱位失效的生物力学分析与推理(附专家点评)

目的研究人工髋关节置换术后脱位失效力学机理以及在术后各时间段引发脱位的具体原因,提出对临床中发生的脱位事件进行失效诊断的具体方法。方法通过建立脱位模型对脱位过程的生物力学机理进行研究,分析脱位失效与临床、产品设计和患者三方面因素的关系。结果提出脱位分析推理路线图,开发并验证专门用于脱位分析的软件工具。结论髋关节脱位失效临床案例分析表明,该人工髋关节脱位分析方法与工具能够帮助判断具体脱位事件的产生原因,确定假体设计、术中植入位置与脱位事件之间的关系。同时可在术前确定假体最佳植入位置并分析脱位发生的可能风险,对假体设计也有指导作用。     

人工髋关节磨损分析和临床失效诊断推理

目的研究人工髋关节磨损机理及磨损寿命界定准则,分析非正常磨损的具体原因和磨损失效的临床表现形式,建立失效事件的分析推理路线。方法通过弹性流体动力润滑分析和有限元分析确定人工髋关节中的摩擦磨损过程及导致早期非正常磨损的产生因素;通过建立磨损寿命界定准则确定人工髋关节的使用寿命;通过磨损—骨溶解形态学矩阵对磨损失效临床表现形式进行归纳分类;通过临床调研建立失效事件推理逻辑。结果计算得出球头—髋臼间的最小滑膜厚度和接触应力,以及相关参数的影响,作为磨损分析的理论依据;提出人工髋关节以几何形态变化导致的机械学失效和以骨溶解导致的生物学失效两种磨损寿命界定准则;得出磨损失效9种临床表现形式;提出磨损失效事件分析推理路线图。结论人工髋关节运动副中主要发生边界摩擦和混合摩擦,以及粘着、犁沟和三体磨损等磨损过程;髋臼与球头的表面质量、配合间隙及圆度对早期非正常磨损具有重要的影响;金属—UHMWPE配副人工髋关节正常机械学磨损寿命可以达到40年,但生物学磨损寿命最多为15～20年,后者是制约今天假体使用寿命的根源;磨损失效临床表现形式的多样性是机械磨损与骨溶解过程综合的形态学效果;在失效事件分析中推理路线图可提供一定的帮助。     

基于X线片与模板的股骨柄假体生物力学评价

目的对4组与股骨匹配的股骨柄假体进行生物力学的评价,寻找与正常股骨上力学分布最为接近的股骨柄假体。方法在Matlab中导入股骨近端X线正位片及4组股骨-股骨柄假体模板的bmp格式的图像文件,分别提取股骨、带假体模板的股骨二维轮廓数据,利用ANSYS软件建立股骨、股骨-股骨柄几何模型及二维非线性有限元模型,负荷加载后对股骨近端的应力分布进行分析、比较。结果假体置入后股骨上的力学分布与正常股骨有较大的差异,但在4组股骨柄假体中,终有一种假体其在股骨上应力大小及分布情况与正常股骨最为接近,而这种假体相对于此股骨来说其生物力学性能为最优。结论通过基于X线片与模板的股骨柄假体生物力学的分析比较,可对股骨柄假体的生物力学性能作出评价,为假体的优化选择提供依据。     

腕关节有限元模型的建立及应用进展

背景：目前国内外较成熟的三维有限元分析多集中于脊柱和髋关节的生物力学研究,对于手部的有限元分析较少。 目的：腕关节有限元模型的建立及力学研究的应用进展。 方法：由第一作者检索万方数据库和Pubmed数据库相关文献。中文检索词为“力学分析,有限元,腕关节”;英文检索词为“wrist joint,mechanical analysis,finite element”。检索时间范围：1970年1月至2010年12月。经查阅与腕关节有限元的建模方法、可靠性、影响因素等相关文献。最终纳入21篇文献进入结果分析。 结果与结论：手部是一个复合性的机械结构,应用有限元法进行生物力学分析要同时考虑到骨骼、关节面、韧带及肌腱的作用。目前的研究基本是在静态下对腕关节有限元模型进行力学加载,尚难以实现动态模拟、分析和给予腕关节完全真实的生理载荷条件。相信随着计算机技术和有限元理论的不断发展,人们可以模拟各种现实的临床状况,建立有针对性的有限元模型,为研究复杂的手部功能、疾病、治疗及日常生活所需提供更有力的帮助。     

价值在于科学化的失效推理

人工假体的失效事故都不是单一因素的造成,如何确认失效原因,对改善临床治疗有极大帮助。材质与制造工艺、假体设计、手术技巧及患者体质与活动度是人工假体失效的4大主要因素。系统化地收集、分析医师的临床诊断、术后随访及各项检验结果,可以提供科学性的证据,以判定假体失效的     

建立足部三维有限元数字模型

背景：克服传统标本力学分析的不利因素,建立逼真的足部各结构有限元模型,是对足部进行有限元力学分析的重要基础。 目的：建立足部的三维有限元数字模型,为正常足部及足部损伤情况下的有限元力学分析打基础。 方法：对1名健康女性志愿者行双足螺旋CT扫描,将所得图像在Mimics软件中重建三维模型,在Geomagic软件中生成实体模型,最后在Ansys中建立足主要结构的三维有限元数字模型。 结果与结论：实验建立了包括全部骨骼、主要软骨和韧带、皮肤及软组织在内的人足有限元数字模型。利用CT数据及Mimics、Geomagic、Ansys软件可以建立人足全部足骨的三维有限元数字模型,该模型与实际骨骼模型大小、形态一致,并且可以随意旋转,任意角度观看,进行各种测量,可将足部骨骼任意拆分或合并,适合进行生物力学分析。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植;肝移植;移植;心脏移植;组织移植;皮肤移植;皮瓣移植;血管移植;器官移植;组织工程全文链接：     

正常人高分辨率CT中耳三维有限元建模方法

目的探索根据正常人颞骨高分辨率CT二维图像建立中耳三维有限元实体模型的方法。方法获得无中耳传音结构病变志愿者高分辨颞骨CT资料,使用Photoshop、Amira、HyperMesh及Abaqus软件根据二维CT图像建立中耳三维有限元实体模型。结果建立了包含鼓膜、听骨链的中耳三维有限元实体模型,模型几何尺寸在正常解剖数据范围内。结论探索出一种基于正常人颞骨高分辨率CT二维图像的中耳三维有限元实体建模方法,具有快捷、方便、廉价、无创性的优点,为进一步进行中耳声音传导机制有限元分析奠定了基础。     

骨折愈合塑形的力学机理Ⅰ--骨表面再造理论的应用

深入探讨长骨骨折愈合塑形阶段的力学机理,采用骨表面再造理论与有限元相结合的方法.我们选取用应变能密度作为力学激励的骨表面再造理论,有限元分析采用三维的空间模型,利用我们编制的长骨表面再造系统 "BRSS97"对长骨骨折愈合塑形阶段的三种类型:外骨痂型、骨内缺损型和骨外缺损型的力学机理进行研究.结果表明:骨痂可以完全吸收,骨缺损可以恢复,三种情况下骨均可以恢复到正常状态.由此说明长骨骨折愈合塑形过程就是骨材料对力学激励的适应过程.     

骨折愈合塑形的力学机理I^＊——骨表面再造理论的应用

深入探讨长骨骨折愈合塑形阶段的力学机理,采用骨表面再造理论与有限元结合的方法。我们选取用应变能密度作为力学激励的骨表面再造理论,有限元分析采用三维的空间模型,利用我们编制的长骨表面再造系统“BRSS97”对长骨骨折愈合塑形阶段的三种类型：外骨痂型、骨内缺损型和骨外缺损型的力学机理进行研究。结果表明：骨痂可以完全吸收,骨缺损可以恢复,三种情况下骨均可以恢复到正常状态。由此说明长骨骨折愈合塑形过程就是骨材料对力学激励的适应过程。     

股骨颈骨折内固定方式的有限元分析

目的　研究股骨颈骨折不同内固定方式对骨折端应力分布规律的影响 ,寻找符合生物力学原理的最佳内固定方式 ,为临床应用提供理论依据。方法　在Pro/ENGINEER中建立股骨近端实体模型 ,导入ANSYS 5 7建立有限元模型。在单钉固定的情况下对Pauwel,s角为 5 0°的经颈型骨折模型施加载荷 ,通过不同固定角度时的力学特征综合评价固定效果 ,并找出最佳固定角度 ;对该最佳固定角度下多钉不同固定方式进行计算和分析 ,评价不同固定方式的优劣。结果　单钉固定时当固定角度为 5 0°时 ,各参数同时达到最小值 ,说明以该角度固定可取得最佳的力学效果 ;如采用多钉固定 ,两钉横放效果最差 ,两钉竖放抗扭性较差 ,两钉斜放和三钉固定时力学环境好。从临床实用角度综合分析 ,单钉固定力学效果较好 ,且操作简单。结论　不同固定角度和螺钉组合方式对骨折面的力学环境有重要影响。     

Strength and reliability of alumina ceramic femoral heads: Review of design, testing, and retrieval analysis

Ceramic components are used increasingly in total hip arthroplasty (THA). Compared with metallic components, ceramic femoral heads for THA have the potential advantage of lower wear rates in articulations with acetabular liners. However, the use of ceramic components is also associated with unique risks, including sudden fracture and intolerable bearing noise or squeaking. This review paper summarizes the published literature regarding alumina ceramic femoral heads and tries to identify areas where uncertainties remain. We will discuss the following topics: (1) the fracture mechanics of ceramic materials; (2) design-related stresses acting on the femoral head, especially at the interface between the stem trunnion and the head; (3) gradual loss of strength in service by fatigue or slow crack growth and simulation using a proof test; and (4) information that can be gathered from examination of fractured explants.     

全髋关节置换术后脱位的风险分析

目的探讨分析全髋关节置换术后常见的脱位失效的风险。方法利用光学运动捕捉系统对正常人群进行日常行为的下肢运动学测量,设计并开发可视化髋关节假体运动分析软件。利用该软件测量不同设计参数的髋关节假体的最大安全活动范围,分析臼杯假体和股骨柄假体的相对运动关系,判断假体的活动安全性。结果利用测量得到的人体行为运动学数据,通过软件对比天然髋关节的活动度与全髋关节置换术后的活动范围,获得了髋关节假体脱位与人体行为运动的关系,并检测了植入假体的脱位风险。结论全髋关节置换术后的高屈曲动作脱位风险较大,尤其是下蹲、下跪动作。     

人在摔倒时股骨上端承载能力的有限元分析——(I)有限元分析模型及股骨失效准则的建立

摔跤后,骨折已成为老年人最严重的损伤之一。有限元分析被证实在股骨的结构分析中是一项非常有用的工具。我们建立了股骨上端的有限元模型,并基于有关文献中关于股骨密质骨和松质骨的强度实验数据建立了Hoffm an失效准则。有限元模型和失效准则用前人的实验结果进行了验证。结果表明:预测的松质骨失效载荷仅比实验值低0.5%,而密质骨失效载荷仅比实验值高4.2%。这说明我们建立的有限元模型结合Hoffm an失效准则将很好地预测人摔倒时股骨的承载能力。     

微振动在骨髓间充质干细胞成骨向分化中的作用机制研究进展

微振动是指系统相对平衡位置幅度很小的周期性偏离,而高频率、低振幅的微振动(low-magnitude high-frequency vibration, LMHFV)对骨骼系统细胞的作用力与肌肉运动时对骨骼产生的力学刺激相似。骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells,BMSCs)作为力学敏感细胞,存在于骨髓基质,具有多向分化潜能。在体外适当机械刺激下,BMSCs增殖、分化等生物学特性发生功能性变化,对力学刺激做出适应性应答。LMHFV可促进BMSCs向成骨细胞分化,探明其机制有助于将微振动应用于骨质疏松、骨折、成骨不全症、肥胖症等疾病的治疗以及正畸牙移动的加速等方面。综述微振动对BMSCs成骨向分化的影响以及可能的作用机制,为研究微振动刺激下BMSCs的力学生物学改变提供思路。     

基于髋部骨骼属性预测骨折风险研究进展

随着人口寿命不断延长，老年人口所占比例不断增加，老年骨质疏松患者易发生髋部骨折，给家庭和社会带来沉重的经济负担。从股骨近端几何结构、骨密度（bone mineral density, BMD）、骨折风险评估工具（fracture risk assessment tool, FRAX）和基于CT影像的有限元分析（finite element analysis, FEA）等方面阐述髋部骨折风险预测的研究进展，旨在了解骨折风险的影响因素，提高老年人髋部骨折风险预测的准确性，尽量在早期发现易骨折的高危人群，并通过及时干预降低骨折发生概率，同时也为髋部骨折的预防和治疗方法 提供理论参考。     

Microstructural pathway of fracture in poly(methyl methacrylate) bone cement

Mechanical failure of poly(methyl methacrylate) (PMMA) bone cement is linked to failure of cemented total joint prostheses. An essential step to minimize, if not eliminate, cement fracture is to understand the material characteristics controlling fracture resistance. At least four phases of bone cement can be identified that may affect the damage zone formation: pre-polymerized beads, interbead matrix polymer, BaSO₄, and porosity. Gel permeation chromatography (GPC) was used to determine the molecular weight (MW) distributions of the two polymer phases. Mechanical testing, scanning electron microscopy and light microscopy were used to analyse fracture mechanisms. Fatigue crack propagation of bone cement was distinctly different from rapid crack propagation. Microcracks defined the damage zone for fatigue fracture. The microcracks developed in the interbead matrix and not through the pre-polymerized beads. Light microscopy revealed evidence of craze formation on surfaces of fractured beads during rapid fracture, but not on fatigue surfaces. GPC analysis indicated an increase in MW from the bead phase alone to the fully cured bone cement, indicating a greater MW in the interbead matrix polymer. Increases of 36 and 176% were measured for two different bone cements, but the bulk of the polymer has an MW of less than 1 × 10⁶. Three factors were suggested to explain why the microcracks seem to prefer to grow in the interbead matrix: the presence of BaSO₄, shrinkage during the curing process, and the different polymerization processes of the bead and the interbead polymers. Pores had an affect on the microcrack formation as well, and did not need to be directly in front of the crack tip to interact with the damage zone. The pores seemed to act as nucleation sites for microcracks. The porosity-microcrack nucleation interaction may explain and reconcile the apparently disparate results concerning the effect of porosity on fracture toughness and fatigue life. Porosity may, however, also provide positive contributions to the fracture properties of bone cement by dispersing the energy at the crack tip, forming a larger damage zone, and effectively blunting the crack. The crack propagation mechanisms revealed by this research indicated the importance of microstructure in the fatigue failure of PMMA.