旋转铰链型膝关节假体股胫关节面的磨损研究

目的 研究旋转铰链型膝关节假体在水平行走步态下的磨损状况,为该类假体的磨损评测和临床应用提供技术参考。方法 基于ISO 14243标准建立假体的磨损模型,计算旋转铰链型膝关节假体股胫关节面衬垫的磨损分布及质量磨损率,并与同一假体的体外磨损实验结果对比。结果 有限元分析和体外实验所得聚乙烯衬垫磨损率分别为26.01 mg/MC与（30.06±1.21) mg/MC（million cycle, MC,百万次循环）。有限元分析所得衬垫上表面的质量磨损率约为下表面的3.3倍,磨损区域与体外磨损测试所得的磨损区域基本一致,主要磨损区域大致对称分布在衬垫的上表面后侧偏中部区域。结论 旋转铰链型膝关节假体作为一种半限制性假体,其磨损量高于初次置换全膝关节假体,在该类产品的性能检测和评估中应该给予适当的重视。     

全膝关节置换固定和旋转平台假体的有限元分析

背景:目前有研究对全膝关节置换进行三维有限元分析,但关于全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内外侧接触压和接触面积的研究不多。目的:探讨全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内外侧接触压和接触面积。方法:建立全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体的三维有限元模型,比较全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内外侧接触压和接触面积。结果与结论:全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体的聚乙烯衬垫内侧和外侧接触压峰值以屈膝0°时最小,全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内侧接触压峰值在屈膝0°-90°时均高于外侧接触压峰值(P<0.05)。全膝关节置换固定平台假体在屈膝60°-120°时聚乙烯衬垫内外侧接触压峰值均高于旋转平台内外侧接触压峰值(P<0.05)。全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体聚乙烯衬垫内侧和外侧接触面积以屈膝0°时最大。全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧接触面积在屈膝0°-30°时均低于外侧接触面积(P<0.05),全膝关节置换固定平台假体聚乙烯衬垫内侧接触面积在屈膝0°-90°时均低于外侧接触面积(P<0.05)。全膝关节置换固定平台假体在屈膝30°-120°时聚乙烯衬垫内外侧接触面积均低于旋转平台内外侧接触面积(P<0.05)。表明全膝关节置换固定平台假体和旋转平台假体内外侧聚乙烯衬垫内侧接触压峰值高于外侧接触压峰值,内侧接触面积低于外侧接触面积,旋转平台假体的内外侧接触压低于固定平台假体,旋转平台假体的内外侧接触面积高于固定平台假体。     

单髁膝关节置换术中假体关节线安装高度误差对衬垫磨损的影响

单髁膝关节置换术（UKA）中的假体安装位置精度是影响术后膝关节临床功能和失效问题的重要因素。然而,UKA假体关节线安装高度误差对胫骨衬垫磨损寿命的影响依然不清楚。本文联合UKA骨肌多体动力学模型、有限元模型和磨损模型,研究了固定式UKA假体7种关节线高度情况对术后衬垫接触力学、累计滑移距离、线性磨损深度和磨损体积的影响。随着UKA关节线高度的升高,膝关节内侧接触力和前后平移运动增大,衬垫的最大范式等效应力与接触应力逐渐增大,衬垫的累计滑移距离增大,最大线性磨损深度与体积磨损量也随之增加,衬垫的磨损部位由衬垫中部区域逐渐向后部偏移。相对于0 mm关节线高度,–2 mm关节线高度时最大线性磨损深度与体积磨损量分别减小了7.9%、6.8%,–6 mm关节线高度时分别减小了23.7%、20.6%,+2 mm关节线高度时最大线性磨损深度与体积磨损量分别增加了10.7%、5.9%,+6 mm关节线高度时分别增加了24.1%、35.7%。UKA假体关节线安装误差会显著影响聚乙烯衬垫关节面的磨损寿命。因此,保守建议临床医生术中UKA关节线高度误差控制在–2～+2 mm之间。     

UKA假体后倾角安装位置对衬垫磨损的影响

目的 研究单髁膝关节置换(unicompartmental knee arthroplasty, UKA)假体不同后倾角度安装对膝关节承载、运动及衬垫磨损的影响。方法 联合UKA骨肌多体动力学模型、有限元模型和磨损模型,分析固定式UKA假体5种后倾角安装位置情况对术后膝关节力和运动、衬垫接触应力、线性磨损深度和体积磨损量的影响。结果 后倾角0°时,衬垫的最大von Mises等效应力为24.84 MPa,接触应力为47.61 MPa, 5百万次循环(million cycle, MC)周期的磨损量为47.29 mm³。随着UKA胫骨假体后倾角的增加,步态周期内旋和后移运动均增大,摆动相的内侧关节力增大,5 MC磨损周期后衬垫von Mises等效应力与接触应力显著减小,衬垫的磨损面积、最大线性磨损深度和体积磨损量随之减少。相对于后倾角0°,后倾角为3°、5°、7°时衬垫的线性磨损深度分别减小了17.8%、19.2%、20.6%;衬垫体积磨损量分别下降了24.5%、30.9%、34.3%。结论 UKA假体考虑后倾角安装超过3°时会显著增加步态周期内旋运动和后移运动,...     

一种新型膝关节假体在步态过程中接触应力的有限元仿真

目的对一种使用新方法设计的新型人工膝关节假体进行有限元模拟分析,研究改变关节假体外髁关节面的扭转角度对改善人工膝关节假体力学环境的影响。方法依据志愿者提供的膝关节CT测量数据,建立3个膝关节假体模型,内侧股骨髁在冠状面保持圆曲线,外侧股骨髁根据冠状面轮廓曲线的扭转角度不同,分为0°、10°、20°(分别命名为模型1、2、3)。将假体模型导入有限元软件,输入自然人体膝关节的运动步态信息为加载工况,模拟步态过程中膝关节假体的运动状态,并将通过模拟得到的髁间应力同使用接触力学理论公式得到的应力计算结果进行对比。结果 3组模型的最大应力出现在步态13%处,此时关节轴向力最大(2.6 kN)。模型1内、外髁最大应力分别为35.5、30.6 MPa,模型2内、外髁最大应力分别为38.4、32.6 MPa,模型3内、外髁最大应力分别为38.3、43.1 MPa。模型2、3的应力曲线相比模型1变化较为平缓。模拟得到的应力曲线与理论计算曲线的趋势相同,但个别步态时刻处有差异。结论通过增大人工膝关节假体外髁曲面的扭转角度可以改善膝关节力学环境,经过改进的膝关节假体在步态过程中对胫骨衬垫的应力突变减少,可以延长假体的使用寿命。     

人体膝关节动态有限元模型及其在TKR中的应用

目的 研究膝关节高屈曲活动下运动和应力等的动态特征。为膝关节生物摩擦学研究提供相对运动和应力分布等生物力学数据 方法 建立包括人体主要骨与软组织的全膝关节置换前后的膝关节的动态有限元模型,对天然及全膝置换后膝关节下蹲运动和接触应力分布进行分析,并与相应的尸体实验的结果进行验证分析。结果 通过有限元分析,获得高屈曲膝关节的三维相对运动参数,胫股关节和髌股关节的接触位置和应力等动态力学参数。有限元分析结果表明,分别在膝关节过伸和高屈曲时,在胫骨高分子聚乙烯平台的胫骨平台轮柱和平台前部的交界处、胫骨平台内后方和轮柱后部三个区域发生较高的接触应力。这些也正是假体发生较高磨损率的区域 结论 所建立的有限元模型能够对于膝关节下蹲动作的运动、接触等力学行为进行评估,为临床膝关节全膝置换术、膝关节假体的摩擦学研究及其膝关节假体设计提供有力的分析工具。     

上楼梯对人工膝关节假体磨损影响的有限元研究

目的通过有限元磨损模型研究上楼梯对衬垫磨损的影响,对完善人工膝关节的磨损评估方法、指导假体设计等具有重要的理论和实际意义。方法基于Archard磨损理论建立人工膝关节衬垫磨损的有限元模型并验证,然后加载正常水平行走(ISO14243标准)和上楼梯的载荷,对比分析上楼梯对衬垫磨损的影响。结果水平行走步态载荷下,模型预测的磨损结果与文献实验报道结果一致,模型具有较好的有效性。上楼梯的体积磨损率为每100万次循环(million cycle,MC)37.10 mm~3,显著高于水平行走步态的体积磨损率(16.94 mm~3/MC),线性磨损也具有类似的结果。上楼梯内侧平台的磨损区域主要集中在后部,与水平行走时内侧平台的磨损主要发生在中部区域有明显不同。结论上楼梯作为高载荷、高屈膝角度的日常运动之一,对人工膝关节衬垫的磨损有较大影响,其磨损率和磨损区域与水平行走有明显差异,在人工膝关节的磨损检测和评估中应该给予适当的重视。     

有限元分析全膝关节置换股骨假体置入定位参数及临床优化验证

文章快速阅读：  文题释义：全膝关节置换三维有限元仿真模型：是指对股骨假体截骨定位参数进行正交实验,选择股骨假体的平移量、外旋度数、外翻度数3个参数作为正交实验的相关因素,创建全膝关节置换膝关节的有限元模型。活动平台型膝关节假体：其聚乙烯衬垫与托盘不固定,之间能够自由滑动和旋转,可以减少聚乙烯磨损和假体松动的风险,现阶段临床应用比较多的是活动性膝关节假体,该假体能够扩大相应界面与聚乙烯衬垫的接触面积,减少接触应力。   背景：三维有限元仿真分析在生物力学中有着广泛应用,但在膝关节置换中的研究不多,对股骨假体的研究也比较少。目的：有限元分析膝关节置换股骨假体置入的优化定位参数,并对Gemini-PS膝关节假体全膝关节置换进行临床验证。方法：①构建全膝关节置换膝关节有限元模型,对股骨假体截骨定位参数进行正交实验,选择股骨假体的平移量A、外旋度数B、外翻度数C 3个参数作为正交实验的相关因素,每个参数取3个值建立正交表,创建9个实验组合的全膝关节置换膝关节的有限元模型,对9个模型进行有限元分析,通过优化处理进行方差和极差分析。②纳入42例(47膝)中老年膝骨关节炎患者,采用Gemini-PS 膝关节假体进行全膝关节置换,采用美国特种外科医院膝关节评分及美国膝关节协会评分评价置换前后膝关节功能,以疼痛目测类比评分评估置换前后膝关节疼痛程度。结果与结论：①聚乙烯衬底表面压应力峰值最小的为平移0 mm,外旋3°,外翻6°组合,压应力峰值为15.9 MPa;聚乙烯衬垫表面压应力的影响因素中,内外平移的影响大于外旋角度的影响大于外翻角度的影响;通过极差分析和方差分析发现股骨假体置入的最佳定位参数组合为平移0 mm,外旋3°,外翻6°;通过仿真计算证明正交实验是有效的;②42例患者均得到随访,随访时间12-36个月,1例发生术口下段皮下脂肪液化;置换后末次随访患膝美国特种外科医院膝关节评分及美国膝关节协会评分均较置换前显著提高(P < 0.05);置换后疼痛目测类比评分较置换前显著降低(P < 0.05)。X射线检查未发现骨溶解、假体脱位及松动等并发症,置换后膝关节功能恢复良好;③结果提示,股骨假体置入位置的微小变化都会引起聚乙烯衬垫表面压应力峰值的异常分布,全膝关节置换术中对股骨假体进行准确定位可以取得良好的置换效果。 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 ORCID:0000-0002-3861-0467(徐高伟)     

高吻合度股胫关节面人工膝关节假体的磨损

目的探讨人工膝关节假体股胫关节面高吻合度对假体运动和衬垫磨损的影响。方法设计和制作一款冠状面高吻合度膝关节假体,并用体外磨损实验和有限元模拟相结合的方法研究该假体衬垫的磨损。结果体外试验和有限元模拟所得的衬垫质量磨损率分别为(14.29±3.19)mg/MC和14.67 mg/MC(million cycle,MC,百万次循环)。5 MC后,体外试验和有限元模拟得到的衬垫磨损区域大致吻合,在中部区域会出现较为严重的磨损。结论有限元模拟与体外试验结果较为一致,股胫关节面冠状面高吻合度假体的磨损率较低。研究结果对高吻合度人工膝关节假体的磨损评估及临床应用具有实际意义。     

后稳定型全膝关节假体的骨肌多体动力学研究EI北大核心CSCD

后稳定型全膝关节假体已经被广泛应用于骨科临床治疗膝骨关节炎,但是胫骨衬垫立柱的磨损、断裂以及假体松动等失效问题依然困扰着患者和医生。了解患者体内膝关节假体的生物力学特性有利于降低术后的假体翻修率和患者不满意度。本文针对6种不同后稳定型全膝关节假体分别建立了全膝关节置换的骨肌多体动力学模型,在模拟走路、右转和下蹲3种生理活动下,对比研究了6种后稳定型全膝关节假体的生物力学差异。结果表明,在走路、右转和下蹲活动中PFC Sigma和Scorpio NGR两种假体的立柱所受接触力较大,增加了立柱断裂和磨损破坏以及假体早期松动的风险。Gemini SL的螺旋型立柱设计更有利于膝关节的内外旋转运动,同时避免了立柱边沿接触磨损。后稳定型全膝关节假体矢状面较低的关节面匹配度设计和较晚的立柱-凸轮相遇接触设计将导致较大的前后平移运动。本文为临床指导医生选择、改进假体设计和降低假体失效提供了理论支撑。     

Spherical center axial hinge knee prosthesis causes lower contact stress on tibial insert and bushing compared with biaxial hinge knee prosthesis

BackgroundMotion axial system may affect contact stress of hinge knee prosthesis. However, it is unclear which axial system provides the better biomechanical effect. Therefore, the aim of this study was to compare the contact stress and stress distribution on the tibial insert and the bushing of hinge knee prostheses with a biaxial (BA) system and a spherical center axial (SA) system during a gait cycle.MethodsThree-dimensional finite-element (FE) models of the prostheses with different motion systems were included. The comparisons between experimental tests and FE analyses were performed to verify the models. Dynamic implicit FE analyses were performed to investigate the peak contact stresses and stress distributions on the tibial insert and the bushing.ResultsThe peak contact stresses on the tibial insert and the bushing of the BA prosthesis were higher than those of the SA prosthesis during most gait cycles. The contact time on the bushing is short in the SA prosthesis. The stress distributions on the superior surface of the tibial insert in the BA prosthesis were at the posterior side, but of the SA prosthesis were not fixed.ConclusionThe SA prosthesis has a lower peak contact stress on tibial insert and bushing than the BA prosthesis; in addition, the SA prosthesis has a ‘self-adjustment’ mechanism which could disperse high stress on the tibial insert to decrease the risk of wear and damage. The comparison could help designers and surgeons to better understand the future design of rotating hinge knee prostheses which should be able to achieve multiaxial motion and complete weight bearing by the tibial condylar to transmit the axial force better.     

小腿截肢患者不同路况下膝关节动态载荷研究

研究截肢患者行走过程中的膝关节动态载荷是膝关节损伤康复和假肢设计的基础。本研究以小腿截肢患者为研究对象,建立了膝关节动态载荷三维计算模型,通过平地行走、上、下楼梯三种路况下的步态分析,对一个步态周期内的膝关节载荷进行了计算分析。结果表明,各种路况下患者的步态特征和膝关节载荷各不相同,虽然总体变化规律基本一致,但上下楼梯时的小腿运动范围、地面反力和膝关节载荷比平地行走时幅值较大。这些定量分析结果为小腿截肢患者步态分析和假肢设计提供了理论依据。     

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。     

Spherical center and rotating platform hinged knee prosthesis: Finite-element model establishment,verification and contact analysis

BackgroundBiomechanical study is fundamental for the preclinical evaluation of knee prostheses. However, there are few reports on the contact characteristic investigation in the hinged knee prosthesis. The purpose of this study was to investigate the contact characteristics of a novel hinged knee prosthesis.MethodsAll of the component models were designed and assembled using Solidworks. A comparison of the contact area and ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) deformation using the experimental method (EM) and finite-element analysis (FEA) under 3000 N with the prosthesis at different flexions was performed. The peak contact pressure and von Mises stress on tibial insert and bushing were investigated under nine specific samples that were extracted from a gait cycle using FEA (according to ISO 14243-1: 2009).ResultsThe largest contact area and UHMWPE deformation were 100.78 ± 8.71 mm² and 0.085 ± 0.015 mm in the EM, and 96.68 mm² and 0.096 mm in FEA. The peak contact pressure and von Mises stress on the tibial insert were 26.3071 MPa and 10.5115 MPa at 13% of the gait cycle and on bushing were consistently 0 MPa. The contact pressures were distributed at the posterior of the insert.ConclusionThe finite-element model was validated to be applicable for predicting the real prosthesis behavior based on the good correlation of the results using the EM and FEA. The model can help to identify contact characteristics and be can used in optimization studies of this novel prosthesis during the design phase.     

自体肌腱移植修复前交叉韧带合并后外侧角损伤

背景：自体半腱和股薄肌腱移植均可重建交叉韧带和膝关节后外侧角。 目的：分析自体半腱和股薄肌腱移植修复膝关节前交叉韧带合并后外侧角损伤的效果。 方法：将20例膝关节前交叉韧带合并后外侧角损伤患者随机分成两组：实验组在关节镜辅助下应用自体半腱肌、股薄肌一期重建前交叉韧带和加强重建后外侧角韧带;对照组仅采用自体组半腱肌、股薄肌一期重建前交叉韧带。  结果与结论：两组术后Lysom评分较术前明显改善(P < 0.01)。实验组患者在站立、行走和上下楼梯时无与膝关节后外侧不稳相关的过伸位膝关节不稳感,未发现行走时膝关节内甩;关节活动度屈曲100°~135°,伸直0°~10°。对照组中3例在站立,行走和上下楼梯时无与膝关节后外侧不稳相关的过伸位膝关节不稳感,4例行走时出现轻微膝关节内甩;关节活动度屈曲104°~130°,伸直0°~10°。说明用自体肌腱移植重建膝关节前交叉韧带和后外侧结构损伤,能够恢复膝关节后外侧与前后方的稳定性,较单纯重建前交叉韧带效果好。     

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。     

A new protocol from real joint motion data for wear simulation in total knee arthroplasty: Stair climbing

In its normal lifespan, a knee prosthesis must bear highly demanding loading conditions, going beyond the sole activity of level walking required by ISO standard 14243. We have developed a protocol for in vitro wear simulation of stair climbing on a displacement controlled knee simulator. The flexion/extension angle, intra/extra rotation angle, and antero/posterior translation were obtained in patients by three-dimensional video-fluoroscopy. Axial load data were collected by gait analysis. Kinematics and load data revealed a good consistence across patients, in spite of the different prosthesis size. The protocol was then implemented and tested on a displacement controlled knee wear simulator, showing an accurate reproduction of stair climbing waveforms with a relative error lower than 5%.     

Finite element analysis of the influence of the posterior tibial slope on mobile-bearing unicompartmental knee arthroplasty

BackgroundThe most common modes of failure reported in unicompartmental knee arthroplasty (UKA) in its first two decades were wear on the polyethylene (PE) insert, component loosening, and progressive osteoarthritis in the other compartment. The rates of implant failure due to poor component positioning in patients who have undergone UKA have been reported. However, the effect of the posterior tibial slope on the biomechanical behavior of mobile-bearing Oxford medial UKA remains unknown.MethodsWe applied finite element (FE) analysis to evaluate the effects of the posterior tibial slope in mobile-bearing UKA on the contact stresses in the superior and inferior surfaces of PE inserts and articular cartilage as well as the forces exerted on the anterior cruciate ligament (ACL). Seven FE models for posterior tibial slopes of −1°, 1°, 3°, 5°, 7°, 9°, and 11° were developed and analyzed under normal-level walking conditions based on this approach.ResultsThe maximum contact stresses on both the superior and inferior surfaces of the PE insert decreased as the posterior tibial slope increased. However, the maximum contact stress on the lateral articular cartilage and the force exerted on the ACL increased as the posterior tibial slope increased.ConclusionsIncreasing the tibial slope led to a reduction in the contact stress on the PE insert. However, a high contact stress on the other compartment and increased ACL force can cause progressive osteoarthritis in the other compartment and failure of the ACL.