动力化髋关节外固定器对股骨头峰值压力影响的三维有限元分析

目的 用三维有限元分析方法,探讨动力化髋关节外固定器对股骨头所受压力的影响.方法 分别建立正常髋关节、安装单轴髋关节外固定器(A型)髋关节、安装双轴髋关节外固定器(B型)髋关节的三维有限元模型,应用接触压力分析的方法,观察并分析髋关节双足站立位、单腿站立髋关节中立位股骨头的峰值压力,并进行统计学分析.结果 髋关节外固定器均能减少股骨头的接触压力(P＜0.05),髋关节外固定器在双腿站立时减少最明显,B型髋关节外固定器较A型髋关节外固定器的股骨头接触压力减小.结论 髋关节外固定器可减少股骨头的压力,可辅助治疗髋关节疾病.     

Chiari骨盆截骨术中外展肌张力对股骨头软骨生物力学影响的三维有限元分析

目的　探讨Chiari骨盆截骨术中外展肌力负荷对股骨头软骨的生物力学影响。方法　建立Chiari骨盆截骨术的髋关节三维有限元模型，应用非线性接触压力分析方法，观察不同的外展肌力负荷条件下关节软骨接触压力及软骨下骨应力分布。结果　Chiari术后关节软骨的接触压力和股骨头软骨下骨应力明显降低，接触面积明显增加。随着外展肌力负荷的降低，接触压力的重新分布更加明显。对应于原髋臼软骨的压力逐渐降低，新髋臼软骨的压力逐渐升高。股骨头软骨下骨应力也进一步降低。而术后关节软骨的接触面积改变不大。结论　外展肌力负荷所引起的生物力学改变在Chiari骨盆截骨术中起重要作用。     

构建Cam型髋关节撞击综合征有限元模型及力学分析

背景:Cam型髋关节撞击综合征可使关节承受力学过载并最终导致髋关节骨关节炎,然而其诱发骨关节炎的相关力学机制仍不清楚。目的:运用三维有限元的方法,分析Cam型髋关节撞击综合征的关节内力学环境,进一步了解其病理力学特点。方法:采用正常髋关节CT数据,利用Mimics和Hypermesh软件准确构建正常髋关节和Cam型髋关节撞击综合征三维有限元模型。在LS-DYNA软件中,模拟坐下、起立时的力学加载条件,对正常髋关节和Cam型髋关节撞击综合征髋关节的软骨接触力学进行分析。结果与结论:基于CT数据准确构建了包含关节软骨的正常髋关节和Cam型髋关节撞击综合征髋关节三维有限元力学分析模型。坐下、起立加载过程中,正常髋关节在最大屈髋位时峰值接触压力分别为4.43,4.59 MPa;而Cam型髋关节撞击综合征髋关节分别为14.96,14.86 MPa,髋臼缘前上方出现过高压力和应力集中。提示髋臼软骨过高的接触压力可能是Cam型髋关节撞击综合征导致骨关节炎的力学机制。     

髋臼发育不良性髋关节的三维有限元非线性接触压力分析

目的 从生物力学角度探讨髋臼覆盖程度(CE角)在髋臼发育不良引起的髋关节继发性骨关节炎中的作用。方法 建立正常、髋臼发育不良及髋臼过渡覆盖的髋关节三维有限元模型,应用非线性接触压力分析方法,观察髋臼发育不良性髋关节的关节软骨接触压力及软骨下骨应力分布。结果在所有的模型中,接触压力及应力均发生在股骨头最上部及与其相对应的髋臼顶穹部。在髋臼发育不良的模型中,另有过度不正常的接触压力发生在髋臼的后上缘区域。随着CE角的减小,接触压力和峰应力明显增高,接触面积下降。当CE角大于30°,压力分布类型及接触压力和峰应力改变不明显。结论髋臼覆盖程度降低所导致的生物力学改变在髋关节继发性骨关节炎中起重要作用。     

Cam型髋关节撞击综合征关节软骨接触力学的有限元分析

目的 通过有限元方法探讨不同严重程度的Cam型髋关节撞击综合征(femoroacetabular impingement,FAI)关节软骨接触力学的变化。方法 建立正常髋关节及不同α角的 Cam型FAI髋关节三维有限元模型,计算行走、坐下、起立等日常活动下的关节软骨接触压力和应力。结果 完整步态周期加载过程中,不同α角的Cam型FAI软骨接触压力分布与正常髋关节接近,无高接触压力和Von Mises应力集中区域;坐下、起立加载过程中,Cam型FAI软骨接触压力均大于正常髋关节,且随α角的增加而增大,其接触区域主要位于髋臼缘前上方,局部出现过高压力和Von Mises应力集中。结论 Cam型FAI软骨接触力学变化的关键影响因素是运动方式,关节软骨过高的接触压力和Von Mises应力,可能是其引起软骨退变并最终导致骨性关节炎的力学原因。     

金属对金属人工髋关节边缘接触效应

目的 研究金属对金属人工髋关节不同行走姿态下的接触力学行为,特别是大幅度运动可能导致的边缘接触效应。方法 建立球面共型接触的髋关节有限元模型,通过改变髋臼相对股骨头的倾斜状态和对股骨头施加恒定竖直方向载荷相结合,等效模拟分析人工髋关节不同行走姿态下的接触状态。结果 髋臼相对股骨头倾角在小于约60°范围内增加时,其对应的最大接触压力呈下降趋势,接触面积有所增大;当倾角超过80°范围时,关节接触区域因靠近髋臼边缘,最大接触压力位置由初始接触点向髋臼倾斜方向移动了约6°~9°的位置,用以满足压力分布合力与外载荷的平衡,接触压力和分布范围有所增加。结论 髋臼相对股骨头较大倾斜状态极易引起不同的边缘接触现象,置换人体髋关节产生的边缘接触问题需要引起临床外科和关节制造上的重视。     

应用三维有限元分析髋臼骨结核软骨下骨塌陷的风险

目的建立人体髋臼骨结核三维有限元模型,探讨不同部位髋臼骨结核软骨下骨塌陷的风险。方法通过正常髋关节CT数据,利用Mimics软件和ANSYS有限元软件,建立正常髋关节三维有限元模型(模型A)、髋臼顶部骨结核(模型B)、髋臼中心部骨结核(模型C)、髋臼前部骨结核(模型D)、髋臼后部骨结核(模型E)三维有限元模型,模拟人体单脚站立进行加载,分析髋臼软骨下骨峰值Von Mises应力和初始微动值。结果建立了正常髋关节和不同部位髋臼骨结核三维有限元模型,各模型含节点269284,三维四面体单元184786个。通过加载分析结果显示:与正常髋关节相比,峰值Von Mises应力,依次增加84%、3%、21%、67%;髋臼软骨下骨初始微动值依次增加66%、11%、17%、29%。结论髋臼顶部结核软骨下骨峰值Von Mises应力和初始微动值最大,塌陷的风险最大。     

步幅大小及髋关节外展角度对坏死股骨头影响的三维有限元分析*

背景：目前对于日常生活中步幅及髋关节外展角度大小是否会对坏死股骨头影响认识不多,也缺乏相关的实验研究。 目的：应用三维有限元方法分析步幅大小及髋关节外展角度对坏死股骨头应力分布的影响。 方法：选取1例男性ARCO Ⅱ期股骨头坏死患者行股骨近段螺旋CT扫描,应用专业医学建模软件MIMICS及HYPERMESH建立三维有限元模型。设置边界条件和加载条件,应用有限元分析软件ANSYS执行计算。 结果与结论：随着步幅的加大(0~60°),外展角度增加(0~10°),股骨近段应力分布改变最大应力值逐渐增大,提示步幅及髋关节外展角度的大小能够影响股骨头应力分布,股骨头坏死患者日常治疗生活及功能练习时应减小步幅及外展角。关键词：步幅;股骨头坏死;三维;有限元;外展角 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.17.004     

有限元分析臀中肌宽度比在非创伤性股骨头坏死病程进展中的作用机制

背景：臀中肌不仅可外展髋关节,在限制股骨头外移方面也起到重要作用。目前,尚缺乏臀中肌状态与非创伤性股骨头坏死塌陷的相关研究。目的：探讨臀中肌宽度比、髋关节内侧间隙比与非创伤性股骨头坏死病程进展的关系,通过有限元分析探讨臀中肌萎缩对股骨头坏死股骨头表面、坏死区应力的影响。方法：回顾性分析广州中医药大学第三附属医院收治的单侧非创伤性股骨头坏死患者,所有患者均随访2年以上,根据随访过程中是否出现股骨头塌陷分为塌陷组和未塌陷组,测量并计算患者髋关节内侧间隙比、臀中肌宽度比、Sharp角、臀中肌长度比及臀中肌激活角,对比两组间差异。于初次就诊、随访3,6,12,24个月测量并计算内侧间隙比和臀中肌宽度比,探究这2个指标在非创伤性股骨头坏死病程进展中的变化情况。此外,通过三维有限元分析技术,基于CT数据构建日本骨坏死研究会分型C1型股骨头坏死骨性模型;同时基于MRI数据构建臀中肌模型,分为臀中肌萎缩组(臀中肌宽度比74%-76%)及臀中肌正常组(臀中肌宽度比94%-96%),每组构建10个模型,约束股骨远端的6个自由度为零,对骶骨上表面沿Z轴施加600 N压力。对比两组模型股骨头表面、坏死区应力分...     

足底软组织硬化对足部生物力学影响的三维有限元分析

目的 通过有限元方法来研究足底软组织整体硬化以及跖骨头和跟骨下方软组织局部硬化对人体足踝系统的力学影响。方法 基于健康志愿者右足的核磁共振扫描图片建立足部三维有限元模型,通过改变足底软组织的生物力学属性和人体平衡站立位时的计算仿真来分析足底软组织的生物力学问题。同时,对此志愿者进行足底压力测试来验证模型的有效性。结果 建立足踝有限元模型得到了有效的验证并完成了不同软组织属性定义下站立位的运算;在平衡站立位时足底接触压力分布状况和足踝内部一些软、硬组织的受力情况得到量化。结论 软组织硬化,特别是跖骨头和跟骨下方软组织局部硬化,对足底受压接触面积、压力峰值以及足底软组织垫所受的应力等产生了明显影响,大大增加了糖尿病患者发生足底溃烂的可能性。     

动力化髋关节外固定器研制及其临床试用

目的 研制动力化髋关节外固定器,并辅助带血管蒂的髂骨瓣移植治疗股骨头坏死,评价其治疗效果.方法 根据髋关节的解剖学和运动学特点,设计动力化髋关节外固定器;对4例中年股骨头坏死患者,采用动力化髋关节外固定器辅助带血管蒂的髂骨瓣移植治疗.术前、术后进行Harris评分和常规的X线检查,并进行对比.结果 经12～30个月的随访,Harris评分由术前的平均56分提高到术后平均81分,良3例,可1例.X线检查,移植的髂骨瓣愈合良好,关节间隙平均4mm.结论 通过本组病例观察,动力化髋关节外固定器可维持髋关节的间隙,带血管蒂的髂骨瓣可恢复股骨头的血运,两者技术的结合使用较好地解决在股骨头修复期早期功能锻炼的问题.     

A three-dimensional finite element analysis of the human hip

Abstract

A three-dimensional hip model was created from the MRI scans of one human subject based on constructing the entire pelvis and femur. The ball and socket joint was modelled between the hip’s acetabulum and the femoral head to analyse the multiaxial loads applied in the hip joint. The three key ligaments that reinforce the external surface of the hip to help to stabilise the joint were also modelled which are the iliofemoral, the pubofemoral and ischiofemoral ligaments. Each of these ligaments wraps around the joint connection to form a seal over the synovial membrane, a line of attachment around the head of the femur. This model was tested for different loading and boundary conditions to analyse their sensitivities on the cortical and cancellous tissues of the human hip bones. The outcomes of a one-legged stance finite element analysis revealed that the maximum of 0.056?mm displacement occurred. The stress distribution varied across the model which the majority occurring in the cortical femur and dissipating through the cartilage. The maximum stress value occurring in the joint was 110.1?MPa, which appeared at the free end of the proximal femur. This developed finite element model was validated against the literature data to be used as an asset for further research in investigating new methods of total hip arthroplasty, to minimise the recurrence of dislocations and discomfort in the hip joint, as well as increasing the range of movement available to a patient after surgery.     

三角稳定固定系统对股骨颈骨折生物力学特性的有限元分析

目的:运用有限元分析,探讨三角稳定固定系统对股骨颈骨折的生物力学特性。方法:选取1名健康青年志愿者,获取其股骨CT影像学资料,构建股骨三维模型及股骨颈骨折三维模型。运用Ansys12.1有限元分析软件,模拟人体直立情况下正三角、倒三角稳定固定系统对内固定物应力分布、骨折处位移的影响。结果:正三角内固定、倒三角内固定模型的股骨头最大等效应力接近,倒三角内固定模型的内固定物最大等效应力低于正三角内固定。正三角内固定、倒三角内固定模型的股骨近端、内固定物最大位移接近。结论:正三角、倒三角稳定固定系统的股骨头最大等效应力、股骨近端最大位移、内固定物最大位移接近,倒三角内固定模型的内固定物最大等效应力更低。 【关键词】三角稳定固定系统;股骨颈骨折;生物力学;有限元分析     

个体股骨头坏死三维有限元模型的建立与应用

同时基于个体股骨头坏死患者的X-ray、CT和MRI图像,采用图像配准和融合技术对包含坏死股骨头的髋关节进行三维重建,获取具有高度几何相似性的三维有限元网格模型。选择1例中年女性股骨头坏死患者,分别获取X-ray、CT和MRI三套图像,采用Mimics 13.1和Pro/E 5.1软件分别基于这三套数据建立相关三维实体模型,经图像投影转换后,确定图像之间的匹配点,进行二维图像配准,配准后对成功融合的图像进行三维有限元网格模型显示。建立了具有良好几何相似性的髋关节三维有限元网格模型,包括正常皮质骨、松质骨、关节软骨和股骨头坏死区、断裂骨小梁等六部份,较真实地反映了包含坏死股骨头的髋关节的形态特征及毗邻关系,为进一步的生物力学分析和手术模拟提供了较理想的研究平台。     

有限元分析髓芯减压并同种异体植骨治疗股骨头缺血性坏死的生物力学改变

目的:分析髓芯减压并同种异体植骨治疗早期股骨头缺血性坏死的临床应用。方法:选取收治的1例早期股骨头缺血坏死男性患者,入院后术前对患侧股骨头行多层螺旋CT扫描,然后将CT扫描的图片资料导入专业的有限元分析软件,建立股骨头缺血坏死的有限元模型,在有限元模型上模拟进行髓芯钻孔减压术,隧道植入骨块到软骨下骨约0~6 mm处,自体松质骨夯实。双足站立位为股骨头的模拟受力体位,髋关节的负荷条件为:外展肌合力M、髂胫束力T以及髋关节接触力J分别为1 060、1 721、1 621 N,选取90°、120°以及150°的坏死角度,分别计算未处理过的股骨头坏死模型的塌陷值、行单纯髓芯减压以及行髓芯减压加植骨时的塌陷值。结果:股骨头的正常骨质杨氏模量高于坏死骨的杨氏模量,正常骨质的横向变形系数低于坏死骨。行股骨头髓芯钻孔减压术后,股骨头的塌陷值显著增加,而减压隧道植入同种异体骨后,其塌陷值显著减低,但高于正常的股骨头。同时,由于股骨头坏死角度的增加,其塌陷值也明显增加。结论:髓芯钻孔减压并同种异体植骨术能有效增进坏死区的骨质修复,加强减压通道所致股骨头支撑结构的改变,防止股骨头关节面的塌陷。     

股骨颈保留型人工全髋关节置换后的应力分析

背景：股骨颈保留型(Collum Femoris Preserving,C.F.P)假体为意大利骨科医生Pipino与德国LINK公司联合设计开发。该假体手术操作手册中推荐截骨平面是否适合国人股骨结构特点以及所采用截骨方式是否会引起假体以及股骨应力发生变化,目前尚未见研究报告。 目的：通过临床病例回顾和三维有限元模型分析股骨颈保留型人工全髋关节置换的临床疗效以及应力分布变化。 方法：①回顾分析36例股骨颈保留型全髋关节置换及36例普通生物型全髋关节置换患者临床资料,通过Harris评分、目测类比评分、置换前后偏心距变化、IDES-Engh放射学及并发症等指标评价疗效。②建立两种不同截骨平面股骨颈保留型全髋关节置换有限元分析模型,分析股骨转子间窝上1.5 cm及头颈交界处为截骨平面带来的偏心距差异、股骨以及假体应力分布变化。 结果与结论：①头颈交界处为截骨平面的股骨颈保留型全髋关节置换,短期随访临床疗效优良,与普通生物型无明显差别。②有限元分析显示：头颈交界为截骨平面与转子间窝上1.5 cm为截骨平面比较,偏心距增大,假体及股骨所受应力增大,但应力分布相同。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：     

Finite element analysis of three commonly used external fixation devices for treating Type III pilon fractures

Pilon fractures are commonly caused by high energy trauma and can result in long-term immobilization of patients. The use of an external fixator i.e. the (1) Delta, (2) Mitkovic or (3) Unilateral frame for treating type III pilon fractures is generally recommended by many experts owing to the stability provided by these constructs. This allows this type of fracture to heal quickly whilst permitting early mobilization. However, the stability of one fixator over the other has not been previously demonstrated. This study was conducted to determine the biomechanical stability of these external fixators in type III pilon fractures using finite element modelling. Three-dimensional models of the tibia, fibula, talus, calcaneus, navicular, cuboid, three cuneiforms and five metatarsal bones were reconstructed from previously obtained CT datasets. Bones were assigned with isotropic material properties, while the cartilage was assigned as hyperelastic springs with Mooney–Rivlin properties. Axial loads of 350 N and 70 N were applied at the tibia to simulate the stance and the swing phase of a gait cycle. To prevent rigid body motion, the calcaneus and metatarsals were fixed distally in all degrees of freedom. The results indicate that the model with the Delta frame produced the lowest relative micromovement (0.03 mm) compared to the Mitkovic (0.05 mm) and Unilateral (0.42 mm) fixators during the stance phase. The highest stress concentrations were found at the pin of the Unilateral external fixator (509.2 MPa) compared to the Mitkovic (286.0 MPa) and the Delta (266.7 MPa) frames. In conclusion, the Delta external fixator was found to be the most stable external fixator for treating type III pilon fractures.     

Relationships Between Femoral Strength Evaluated by Nonlinear Finite Element Analysis and BMD, Material Distribution and Geometric Morphology

Precise quantification of femur strength and accurate assessment of hip fracture risk would help physicians to identify individuals with high risk and encourage them to take preventive interventions. A major contributing factor of hip fracture is the reduction of hip strength, determined by the bone quality. Bone mineral density (BMD) alone cannot determine bone strength accurately. In this paper, subject-specific quantitative computer tomography (QCT) image-based finite element analyses were conducted to identify the quantitative relationships between femoral strength and BMD, material distribution and geometric morphology. Sixty-six subjects with QCT data of hip region were selected from the MrOS cohorts in Hong Kong. Subject-specific nonlinear finite element models were developed to predict strengths of proximal femurs. The models took non-linear elasto-plasticity and heterogeneity of bone tissues into consideration and derived bone strengths with proper bone failure criteria. From finite element analysis (FEA), relationships between femoral strength and BMD, material distribution, and geometric parameters were determined. Results showed that FEA-predicted femoral strength was highly correlated with BMD, material distribution, height, weight, diameters of femoral head (HD), and femoral neck (ND), as well as the moment arm for femoral neck bending-offset (OFF). Through principal components analysis, three independent principal components (PCs) were extracted. PC1 was the component of bone material quality. PC2 included height, weight, HD, and ND. PC3 mainly represented OFF. Multivariate linear regression showed that the PCs were strongly predictive of the FEA-predicted strength. This study provided quantitative information regarding the contributing factors of proximal femur strength and showed that such a biomechanical approach may have clinical potential in noninvasive assessment of hip fracture risk.