活动平台单髁假体的三维有限元模型建立及受力分析

目的为活动平台膝关节单髁置换有限元分析提供一种参数化联合建模方法并分析其受力变化。方法获取1例成年男性正常膝关节的膝部CT扫描,利用Mimics 13.1软件重建膝关节三维模型,通过参数化软件Rhinoceros5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,导入Mimics 13.1建立膝关节单髁置换三维模型,然后通过Abaqus6.10建立活动平台膝关节单髁置换三维有限元模型,并进行有限元分析皮质骨、松质骨的应力。结果参数化联合建模法效率高,所建模型形态逼真,精确度高,假体置换前后胫骨侧皮质骨应力变化基本一致,置换后胫骨侧松质骨受力主要在假体槽部。结论参数化联合建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了有效模型和新的研究思路,在单髁置换治疗膝关节病的临床和科研中将有广泛的应用前景。     

膝关节单髁置换三维参数化建模的研究

基于CT数据,运用三维重建技术建立膝关节炎三维模型,通过参数化软件Pro/Engineer 5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,然后模拟膝关节单髁置换术(UKA)并进行三维有限元分析。结果表明:三维参数化建模法效率高,实现了膝关节单髁假体设计的自动化和高效化,所建模型形态逼真,精确度高。三维参数化建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了模型基础和新的实验思路,在膝关节外科的临床和科研中将有广泛的应用前景。     

膝关节活动单髁假体衬垫形状及安装位置对置换后膝关节应力分布影响的有限元分析EI北大核心CSCD

在单髁置换手术中,市面上可供选择的单髁假体种类较多,常见的衬垫与股骨假体接触面一致性与否,会对置换后的膝关节应力分布产生不同的影响。单髁置换术后胫骨平台内侧断裂以及衬垫脱位是常见的两种失效形式,原因之一是单髁假体在膝关节中的安装位置不匹配,可能导致失效。故本文主要研究衬垫与股骨假体接触面的形状及单髁假体的安装位置对置换后膝关节应力分布的影响。首先,本文建立了正常人体膝关节有限元模型,通过应力和变形两种方式验证了该模型的有效性。其次,建立了两种不同形状衬垫膝关节假体模型(A型和B型),模拟分析在单腿站立情况下,两种衬垫5种内外翻安装位置的膝关节应力分布情况。结果表明,在1 kN轴向载荷下,衬垫峰值接触压力、前交叉韧带峰值等效应力、外侧半月板峰值接触压力,这3种参数A型均比B型小,5种内外翻安装位置下A型在内翻3°时衬垫变形、衬垫峰值接触压力、胫骨峰值等效应力、前交叉韧带峰值等效应力均最小。单髁置换时,建议假体内翻6°以内,选择A型或B型衬垫,需结合患者的其他因素综合分析选择。综上所述,本文研究结果或可降低单髁置换后衬垫脱位、胫骨内侧平台断裂的风险,以期为单髁假体设计提供生物力学参考。     

活动平台单髁膝关节置换胫骨后倾的有限元分析

背景：目前单髁膝关节置换中胫骨假体后倾角度的选择存在较多争议,相关的生物力学研究较少。 目的：通过有限元分析结果寻求活动平台单髁膝关节置换中合理胫骨后倾的角度。 方法：运用三维重建技术及有限元前处理技术建立正常膝关节有限元模型,并进行验证,在此基础上建立不同胫骨假体后倾角度的单髁膝关节置换有限元模型,统一边界条件和载荷,行有限元分析。 结果与结论：成功建立了不同胫骨后倾角度的单髁膝关节置换有限元模型,分析结果发现增大胫骨假体后倾可使胫骨后内侧皮质及松质骨应力逐渐增加,且增大了外侧间室载荷和软骨接触应力,而胫骨前倾使胫骨前内侧皮质应力明显增加。推荐活动平台单髁膝关节置换中选择0°-7°胫骨假体后倾。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

单髁置换过程中胫骨假体立柱长度对膝关节生物力学的影响

背景：膝关节单髁置换手术能有效治疗膝关节单侧严重骨关节炎，临床上发现单髁置换后容易发生胫骨后侧骨皮质断裂，断裂始于胫骨截骨的龙骨槽处，胫骨假体立柱长度影响单髁置换后膝关节的生物力学结果。目的：探讨单髁置换中胫骨假体立柱长度对膝关节生物力学的影响，找出假体立柱长度与患者胫骨前后径的关系。方法：选取37岁无膝关节疾病史健康女性志愿者的计算机断层扫描图像数据和常用单髁假体，建立自然膝关节模型并建立单髁假体模型。建立8种不同长度的胫骨假体立柱，最小长度为31 mm，最大长度为34.5 mm，以0.5 mm递进，与医院常使用假体立柱长度33.2 mm进行对比。股骨组件和胫骨组件的材料是钴铬钼合金，胫骨衬垫材料是超高分子量聚乙烯。使用有限元分析软件在股骨上方加载1 000 N观察膝关节的生物力学变化。结果与结论：(1)胫骨假体立柱长度为33 mm时胫骨应力最小，前交叉韧带应力最小，外侧半月板应力最小，股骨假体应力最小；余下各部件应力都较小；(2)受试者本身胫骨内侧平台前后径长度为53 mm，通过计算比例，胫骨假体立柱长度占胫骨前后径最佳比应为62%左右，如果低于此值可能会发生假体无菌性松动，如果高...     

膝关节单髁置换术胫骨假体不同后倾角对假体磨损和功能的影响

目的 建立单髁置换术胫骨假体后倾3°和7°膝关节不同屈膝角度三维有限元模型,研究两种后倾角膝关节生物力学特性和假体磨损及其对功能的影响。方法 结合人体膝关节CT与MRI图像和第3代Oxford假体,建立胫骨假体后倾3°和7°下屈膝单髁置换术有限元模型,在股骨内外侧髁中心点上施加1 kN载荷模拟人体站立相负重,分析不同屈膝角度下单髁假体与关节软骨的最大应力及分布。结果 0°、30°、60°、90°和120°屈膝角度下后倾3°半月板衬垫最大应力分别比后倾7°增加了28.06%、68.99%、19.45%、21.06%、53.38%,应力分布区域从衬垫侧边向中央区域集中,屈膝120°时应力集中明显。胫骨假体后倾3°单髁假体最大应力均大于后倾7°,应力集中区域的扩大会导致假体的磨损和松动,关节软骨接触应力和集中区域随后倾角增大而增大,在高屈曲角度时应力集中更明显。结论 单髁置换术胫骨假体后倾角3°较7°时假体应力和磨损更高,研究结果为临床膝关节单髁置换手术方案设计提供理论依据。     

虚拟置换后的膝关节力学分析

背景：仿真力学具有可重复性和对模型无损伤性的优势,加上个性化结构模型提高了有限元分析的可靠性,选择虚拟置换后对膝关节的力学分析不失为一种优化尝试。 目的：通过膝关节置换虚拟手术,用有限元法全面分析术后的膝关节接触面的受力状况,为下一步“手术规划”实验提供客观资料。 方法：CT/MR扫描患侧膝关节,激光扫描假体,经逆向软件数字化重建假体、膝关节及其韧带并测量下肢力线, 根据膝关节置换标准,用Mimics中的Simulation性能模拟膝关节置换手术的截骨、置入假体之后, 再将所得的模型导入ANSYS划分网格、材料赋值、施加载荷,以有限元法分析接触应力分布。 结果与结论：获得最佳的全膝关节置换后3D膝关节有限元模型,测得的力学数据与前人在力学实验中对假体直接测试所获得的结果基本一致。以有限元方法分析出虚拟置换后膝关节的结构形变、应力分布、内部能量变化等情况,有利于寻找假体置入的最佳位置、优化截骨、预见手术结果,成为手术规划不可缺少的数据。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

单髁置换术应用于骨关节炎合并前交叉韧带缺失的三维有限元研究

目的采用有限元方法比较前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)完整与缺失的骨关节炎患者单髁关节置换(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)术后膝关节生物力学特性,分析ACL缺失对膝关节单髁置换术后的运动和应力的影响。方法根据膝关节CT、MRI图像,建立有限元模型。采用逆向工程技术重建活动衬垫单髁假体,加载入该正常膝关节三维有限元模型。在不同屈膝角度(0°、30°、60°、90°、120°)加载载荷,观察在ACL完整(ACL-intact,ACLI)和缺失(ACL-deficiency,ACLD)情况下,膝关节的最大接触压和位移程度。结果 UKA-ACLI与UKA-ACLD模型在膝关节屈膝各角度,各部位(外侧股骨软骨、胫骨软骨、半月板、股骨假体、胫骨假体、衬垫)最大应力无明显差异,ACLD模型在膝关节屈膝0°和30°位前后位移明显大于ACLI模型,在膝关节屈膝0°位股骨相对内旋减小,在膝关节屈膝30°位股骨相对外旋增加。结论标准位置假体植入情况下,ACL缺失并不会导致UKA术后应力异常增大,会导致在膝关节伸直位时位移增加。     

膝关节前交叉韧带断裂单髁置换生物力学特性的有限元分析

目的基于人体膝关节CT和MRI图像建立前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)断裂和正常膝关节三维实体模型,采用有限元方法研究ACL断裂膝关节在不同屈膝角度对植入假体生物力学性能的影响。方法结合临床单髁置换手术方案植入第3代牛津单髁(OxfordⅢ)假体,其中胫骨假体后倾7°,建立膝关节屈曲0°、30°、60°、90°和120°单髁置换的三维有限元模型,在股骨中心点上施加1 k N压缩载荷,分析5种屈膝角度下股骨假体、半月板衬垫、胫骨假体的应力分布情况。结果膝关节ACL断裂组与正常组在5种屈膝状态下,半月板衬垫的最大主应力在ACL断裂组与正常组之间最大相差幅度为62. 5%,在0°、30°、60°和120°屈膝状态下ACL断裂组最大应力均大于正常组;股骨假体在ACL断裂30°时的最大应力明显增加,其余4种屈膝状态下应力的最大增幅为60. 81%;胫骨假体在5种屈膝状态下ACL断裂组最大应力比正常组分别增加了19. 07%、36. 78%、25. 69%、-4. 38%、51. 19%。当ACL断裂后,除屈膝90°外半月板衬垫和胫骨假体上的均布应力均大于正常组,在屈膝30°和120°时对半月板衬垫的磨损较大。结论单髁置换假体的应力分布随膝关节屈曲角度和ACL功能的变化而存在差异,ACL断裂组应力整体趋势大于ACL正常组,且应力集中于内侧区域,在屈膝120°时应力最大,磨损最为明显。研究结果为临床膝关节ACL断裂单髁假体置换的手术方案和半月板假体的优化设计提供理论依据。     

膝关节单髁置换界面应力失效分析

目的 分析骨水泥型胫骨假体平台界面应力,确定界面应力损伤区域,为临床单髁置换胫骨平台的应力失效问题提供参考。方法 通过人体动力学软件模拟完整周期的步态,获得膝关节的承力条件;利用医学影像及三维重建软件建立完整的膝关节模型并进行单髁置换;通过有限元法分析单髁置换后胫骨假体平台界面应力的分布规律。结果 步态下膝关节的力和角度随时间呈周期性变化,1.3 s为1个周期,膝关节合力峰值为760 N;界面最大剪切应力为11.82 MPa、最大拉应力6.849 MPa,均发生在假体-骨水泥界面的内侧前端拐角处;对于界面的最大应力,钛合金假体低于不锈钢假体。结论 假体的弹性模量减小可以降低界面最大主应力,从界面应力考虑,钛合金假体优于不锈钢假体;胫骨假体平台界面损伤区域主要在内侧前、后端拐角和外侧中端处,故提高该区域假体-骨水泥结合能力能防止单髁膝关节胫骨假体平台松动。研究结果对临床中单髁术后胫骨假体平台松动预防具有实际意义。     

兔胫骨骨折的有限元模型

背景：医学生物力学有限元分析的原始资料多为人体CT数据,大范围的CT扫描势必会对人体造成一定的射线伤害。 目的：建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型。 方法：选取雄性1年龄新西兰大白兔1只,开放锯断左侧胫骨中段,MIMICS10.01软件直接读取以层厚0.625 mm对左侧胫腓骨不间断扫描得到以DICOM3.0格式刻盘保存的CT图片135张,经过定位图像、组织图片、内插值处理以及表面光滑化处理建立面网格模型,导入ANSYS10.0软件构建体并划分体网格,在MIMICS10.01中赋材质。 结果与结论：建立了外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的胫骨中段骨折有限元模型,经加载分析模型真实有效。可见应用MIMICS10.01和ANSYS10.0软件能快速建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型,为进一步进行实验兔骨折愈合生物力学分析奠定基础。     

脊柱腰段正常及骨质疏松三维有限元数字模型的建立

背景：建立逼真的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,关于骨质疏松有限元模型的报道尚少。 目的：建立脊柱腰段各主要结构及骨质疏松腰椎的有限元数字模型,为正常脊柱腰段及骨质疏松患者腰椎的有限元力学分析打下基础。 方法：对1名健康男性志愿者行脊柱腰段的螺旋CT扫描,将所得图像先在Mimics中进行分隔和重建,在Geomagic中进行优化,在Ansys中赋材质及网格划分,建立三维有限元数字模型。 结果与结论：建立了包括全部腰椎、椎间盘及主要韧带的正常腰椎及骨质疏松腰椎三维有限元数字模型。该模型外形逼真,几何相似性好,可以随意旋转,方便从多角度观察、采集三维信息,各主要结构材料属性接近实际,适合进行生物力学研究。提示利用CT数据及mimics、geomagic、Ansys软件可以建立脊柱腰段正常及骨质疏松有限元数字模型。     

全膝关节置换中的改良截骨

背景：近年来全膝关节置换在临床应用普遍,置换技术及假体设计理念均获得极大改善和提高,但尚无截骨顺序方面的研究。 目的：探讨改良截骨方法在全膝关节置换过程中应用的临床效果。 方法：对60例患者的60膝行全膝关节置换,原发疾病包括骨关节炎52例,类风湿性关节炎6例,创伤性关节炎2例,均为后稳定型膝关节,应用强生PFC-Sigma PS型假体或LINK Gemini PS型假体。在极度屈膝下,先行股骨截骨,包括股骨远端前方后方斜面截骨(某些类型还包括股骨髁间截骨)。髌骨不常规置换,再行胫骨平台截骨。记录手术时间,置换后引流量,置换前及置换后6,12周膝关节活动度及美国特种外科医院膝关节评分,并进行统计学分析。 结果与结论：60例患者均获得随访,随访时间3-14个月。手术时间平均(51.3±12.5) min,置换后引流量平均(302±39) mL。置换后6,12周患者膝关节活动度及美国特种外科医院膝关节评分均较置换前明显改善(P < 0.01)。2例患者置换后1个月出现低度感染,经抗感染治疗后好转,未出现假体排异反应。提示全膝关节置换过程中先行股骨截骨可以为胫骨的操作获得更大的空间,方便切除半月板,并可安全地进一步松解周围软组织。操作简便,可以缩短手术时间,减少术中失血,具有良好的修复效果。     

颈枕部三维非线性有限元模型的有效性验证

背景：人体组织属性主要表现为非线性,颈枕部的生物力学特点更易受软组织材料属性变化的影响,因此建立非线性有限元模型与人体真实属性更接近。 目的：构建正常成人颈枕部三维非线性有限元模型并验证其有效性。 方法：利用MarConi MX8000多层螺旋CT对健康成人进行颅底-C₃段扫描,获取二维图像。直接读入Dicom格式原始图像,图像分割,数据光顺,三维重建后生成颅底-C₃节段脊柱三维实体模型;将此模型导入ScanFE模块,进行体网格划分;在ANSYS 10.0软件中直接导入以上三维模型,构建颅底-C₃段内韧带单元,模拟韧带力-位移曲线,建立完成颅底-C3段的三维非线性有限元模型。垂直向下方向施加40 N预载荷,1.5 N•m力矩模拟前屈、后伸、侧屈及旋转运动,对比分析实验结果,判断模型应力分布与临床相符度。 结果与结论：构建的三维非线性有限元模型包括663 551个单元,178 247个节点。施加预载荷及1.5 N•m力矩后,寰枕关节运动范围为前屈13.3°、后伸11.9°、侧屈4.3°、旋转8.7°;寰枢关节运动范围为前屈15.5°、后伸12.6°,侧屈6.4°、旋转30.8°,与尸体标本实验结果相符。从整个模型的纵向应力分布看,在任何相对位置状态下,枢椎齿状突后方的应力均较高,后伸位时应力增高区域加大。上颈椎的应力主要集中于椎管周围,寰椎侧块两端及枢椎横突的应力则较小。对比研究发现,在不同相对工况下前屈、后伸、侧屈、旋转时C₂-C₃小关节应力均大于钩椎关节,颈枕部三维非线性有限元模型的应力分布特点符合临床实际情况。结果提示应用多层螺旋CT扫描得到的二维图像及simple ware、Ansys10.0软件,建立的颈枕部三维非线性有限元模型符合人体真实的运动规律,可以很好地模拟颈枕部的生物力学特性。     

三维有限元分析钢板内固定治疗跟骨骨折

背景：有多种钢板治疗跟骨骨折,但究竟哪种效果更好,目前尚无定论。 目的：在跟骨骨折三维有限元模型上模拟加载3种类型的钢板,观察比较应力、应变及移位等生物力学性能。 方法：在踝关节中立位和背伸20°位建立跟骨骨折三维有限元模型,分别模拟使用跟骨Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3种形状钢板对骨折进行固定,加载后计算内固定物自身的应力分布、骨骼的应力分布及骨折块间的移位程度。 结果与结论：①两种体位骨折模型3种固定方式下的钢板应力分布都不均匀,钢板前部应力水平均高于后部,Ⅰ型钢板的应力分布相对比较均匀。②两种体位骨折模型3种固定方式下跟骨的应力最大值均在跟骨前部,而正常跟骨最大应力值在跟结节处,Ⅰ型钢板固定跟骨骨折后骨骼的最大应力值均小于Ⅱ型、Ⅲ型钢板。③两种体位骨折模型3种固定方式下均发生了骨折块间的位移,其位移趋势是一致的。结果显示,与Ⅱ型、Ⅲ型钢板固定相比较,跟骨Ⅰ型钢板固定后所承受应力更小,且应力分布更均匀,较符合生物力学原理。     

单髁置换胫骨假体后倾角对关节接触应力影响

目的 建立活动平台膝关节单髁置换(mobile-bearing unicompartmental knee arthroplasty, MB-UKA)术前、术后 膝关节有限元模型,研究 MB-UKA 胫骨假体后倾角对关节接触应力影响。 方法 基于健康受试者计算机断层 (computed tomography,CT)及磁共振(magnetic resonance,MR)影像,构建健康膝关节有限元模型,并验证 MB-UKA 术前、术后模型的有效性。 模拟 MB-UKA 胫骨假体后倾 7°手术,将三维运动捕捉系统及力平台相关参数作为有限 元模型输入条件,分别计算外侧间室胫骨平台软骨和聚乙烯衬垫的最大接触应力。 结果 与现有文献结果进行对 比验证表明,健康膝关节和 MB-UKA 术后膝关节有限元模型计算结果较为合理。 MB-UKA 术后胫股关节接触应力 变化较大,聚乙烯衬垫接触应力远大于对侧间室胫骨平台软骨接触应力。 结论 本文所建 MB-UKA 术前、术后有 限元模型较为合理。 研究结果为 MB-UKA 的评估提供了一个可参考的方法。     

骨质疏松骨折椎体及相邻椎体骨水泥注入前后的有限元分析

背景：目前有限元构建模型主要是基于医学图像的建模方法,骨水泥注入主要是人为假设的,而文章中治疗前后的数据直接来源于CT扫描,可靠性更高。 目的：构建骨水泥注入前后骨质疏松性腰椎骨折椎体的三维有限元模型,分析治疗前后病椎及邻椎的应力变化。 方法：选取1例75岁骨质疏松性L₂椎体压缩性骨折患者,经双侧椎弓根注入少量骨水泥获得良好疗效,随访2年病椎及邻椎无新发骨折,局部无疼痛。根据其治疗前后的腰椎CT数据,构建三维有限元模型,模拟腰椎屈伸、左右侧屈、旋转等运动,统计分析治疗前后同一运动状态下的应力变化。 结果与结论：建立了腰椎压缩骨折骨水泥注入前后的三维有限元模型,共生成222 727个单元。骨水泥注入增加了L₂椎体(病椎)屈、伸、侧屈各运动时的应力(P < 0.05),对其旋转时的应力无明显影响(P > 0.05);对L₁,L₃椎体(邻椎)在屈、伸、侧屈及旋转时的应力亦无影响(P > 0.05)。提示少量骨水泥注入治疗老年骨质疏松性腰椎骨折可增加病椎强度及应力,但不改变相邻椎体应力。     

基于有限状态机控制的智能假肢踝关节

背景：目前智能假肢只是考虑了膝关节的作用,假肢踝关节只是作为假肢膝关节的辅助工具,无法根据外部环境和步态的变化实现假肢自然的行走。 目的：研制出可靠的智能假肢踝关节,有效改善截肢者的步态。 方法：在阻尼可变式踝足假肢的基础上,提出了有限状态机的控制方法,对踝足步态进行了详细的划分,在每个步态内制定了相关的控制策略。 结果与结论：实验结果表明,基于有限状态机控制的智能假肢踝关节能够有效的跟随健肢侧运动,能够适应不同的步速,为以后膝踝协调运动奠定了一定的实验基础。     

不同运动步态下锁定加压钢板固定胫骨干骨折的有限元分析

背景：目前有限元分析广泛应用于人体骨折内固定模型的力学分析,但大多研究局限于静态下,动态下的骨折模型有限元分析尚未见报道。 目的：通过三维有限元分析来探讨锁定加压钢板固定胫骨干不同类型骨折在不同运动步态下的应力分布情况。 方法：利用CT扫描获得正常成人胫腓骨及足部的薄层扫描图像;运用相关软件建立其三维模型,在此模型上模拟出胫骨中段横行、斜行、粉碎性、螺旋形4种类型骨折,并与锁定钢板进行装配生成实验模型,各组模型加载相同的轴向压缩载荷600 N。通过有限元分析软件Ansys 12.0分别测定各组模型在落地相、中立相、离地相三种步态下的应力分布情况。 结果与结论：在步态下,胫骨在骨折各组中的应力分布由小到大均为：落地相<中立相<离地相。锁定钢板在胫骨中段横行、斜行、粉碎性骨折中的应力分布由小到大均为：中立相<落地相<离地相;在胫骨中段螺旋形骨折中应力分布由小到大为：离地相<中立相<落地相;提示在运动步态中,钢板和胫骨均在离地相受力最大。钢板的应力集中在中间或边缘;而胫骨的应力分布在骨折线以上靠近近端,骨折线以下靠近骨折线。就胫骨整体而言,呈现两端集中,中间分散的状态。