锁定接骨板外置治疗42A3型骨折的生物力学分析

目的：构建锁定接骨板外置治疗胫骨干横形骨折（AO-OTA分型：42A3型）的模型，运用有限元分析的方法，分析不同骨折断端分离间隙时，接骨板、螺钉及胫骨的应力及分布情况，并为该治疗方案提供理论依据。方法：获得1名健康志愿者左侧胫骨的CT扫描DICOM图像，使用Mimics 21.0软件、Geomagic Studio 2014软件、SolidWorks软件、Hypermesh14.0软件、MSC.Patran 2019软件和MSC.Nastran 2019软件建立接骨板外置治疗不同骨折分离间隙的42A3型骨折有限元模型，并通过有限元分析胫骨、接骨板及螺钉的最大应力值及分布情况。结果：在0.2～2.0 mm分离间隙下，随着骨折断端分离间隙增大，力加载终止时刻及力加载全程胫骨、接骨板、螺钉最大应力值均呈上升趋势；且接骨板最大应力值>螺钉最大应力值>胫骨最大应力值；接骨板最大应力值在接骨板第3、4、5板孔附近；螺钉最大应力值在第3螺钉尾部；胫骨最大应力值出现在骨折断面处；胫骨、接骨板、螺钉力加载全程最大应力值均大于其自身力加载终止时刻最大应力值。结论：当42A3型骨折断端分离间隙小...     

成人髋臼发育不良髋臼内壁内移截骨的有限元分析(英文)

背景:成人髋臼发育不良晚期并发髋关节骨性关节炎常需行全髋关节置换。由于不同患者髋臼病变的严重程度有很大差别,导致重建髋臼时难度明显增加,而髋臼内壁内移截骨能良好解决对臼杯假体的包容,但对截骨后髋臼内壁的内移范围仍存有争议。目的:通过计算机辅助设计有限元分析,寻找髋臼内壁截骨的合适内移范围。方法:利用SolidWorks2008软件建立髋臼发育不良骨盆的三维模型,模拟髋臼内壁内移截骨术式,使髋臼内壁骨从未完全陷入盆腔内保持2mm骨性接触处开始,逐渐内移至完全陷入盆腔内7mm处,每隔1mm为1个实验组,分成10个实验组。将每组髋臼人为划成4个象限,分别对各组假体髋臼-骨界面间进行计算机模拟对比力学实验分析,测量出髋臼假体-骨界面间的Mises应力及剪切应力值。结果与结论:第1,5,6,9,10组在后下、前上、前下3个象限内的Mises应力分布不均匀;第2,3,4,7,8组在后下、前上、前下3个象限内的Mises应力分布均匀,其中第4组Mises应力分布更为均匀。第2,3,4,7,8组在上述3个象限内的剪切应力分布均匀,第7,8组剪切应力最小。提示关节力在髋臼内的分布主要集中在后上象限,随着臼杯不断内移,臼杯与骨的接触面积会逐渐增大,从而增加接触面上的Mises应力,但剪切应力随髋臼内壁的内移而减小。因此髋臼内壁截骨合适的内移范围在未入盆腔内1mm到完全陷入盆腔1mm,最佳位置在完全陷入盆腔1mm处。     

三维记忆内固定与髋臼重建钛板系统修复髋臼后壁骨折伴关节后脱位的比较

背景：髋臼后壁骨折伴髋臼关节后脱位大多需要实施固定切开复位内固定治疗,术中可选择不同的内固定材料。 目的：观察髋臼三维记忆内固定系统在髋臼后壁骨折伴髋臼关节后脱位中的应用效果。 方法：回顾性分析山东省菏泽市立医院2010年2月至2014年2月收治的92例髋臼后壁骨折伴髋臼关节后脱位患者的临床资料,均实施固定切开复位内固定治疗,按照所使用内固定物的不同分为三维记忆内固定组45例和重建钛板组47例,固定后随访12个月。 结果与结论：重建钛板组手术时间以及术中出血量均显著长于或者大于三维记忆内固定组(P < 0.05)。三维记忆内固定组的末次随访Harris评分显著高于重建钛板组(P < 0.05)。两组患者固定后均未出现血栓并发症及深部感染等不良反应。结果表明,将三维记忆内固定系统应用于对髋臼后壁骨折伴髋臼关节后脱位的内固定治疗之中可以获得良好的应用效果。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      

髋臼发育不良者全髋置换中置入不同直径髋臼杯的力学分析

背景：成人髋臼发育不良髋臼小而浅,臼内有大量骨痂和瘢痕组织等都为人工髋关节置换臼杯安装带来极大困难。臼杯安装后局部的力学变化关系到置换后假体松动的发生及使用寿命。 目的：利用三维有限元力学分析方法,对髋关节发育不良患者采用不同直径臼杯置入,观察对髋臼假体-骨界面间应力分布情况的影响。 方法：选取髋关节发育不良患者的骨盆为试验对象,用螺旋CT做全长连续扫描,然后利用计算机仿真技术对CT图像进行三维重建,建立髋关节发育不良骨盆模型。在计算机环境中对重建模型进行不同直径臼杯置入的模拟手术,利用有限元分析软件对重建模型进行有限元网格化及力学分析。 结果与结论：对于髋臼发育不良的病例,选择小直径臼杯可应对髋臼浅平、骨床骨量不足的缺陷而达到较好的臼杯骨床包容,但臼杯直径小致接触面小使单位面积应力升高;另一方面,大直径臼杯置入扩大磨锉髋臼骨床可引起髋内壁破损突破,导致应力(包括压应力及剪切力)增大及集中。由此推断,髋臼发育不良全髋关节置换时应在保证骨床包容的前提下选择较大直径的臼杯,有利于应力的良好分布,但应尽量避免或减少扩大磨锉髋臼骨床所致髋臼内壁的穿破。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：     

桥接组合式内固定系统与锁定接骨板钉系统在股骨骨折应用中的有限元分析

背景：桥接组合式内固定系统在人体骨折固定上,与锁定钢板相比效果如何,有待实验证实。 目的：比较桥接组合式内固定系统与金属锁定接骨板钉系统固定股骨干骨折的生物力学特性。 方法：对两种固定方式的有限元模型进行模拟加载,了解各模型中骨与内固定的应力分布和应变特点,并对结果加以分析。 结果与结论：爬楼梯时接骨板锁定螺钉上的应力比步态时增48.6%,达到480 MPa,最大应力出现在中间锁定螺钉上。桥接系统中间联接棒上的最大应力比步态时大34.1%,最大值为373.9 MPa,出现在联接棒中间略远端附近;骨折区域上的应力桥接组合式内固定系统小于金属锁定接骨板钉系统。提示桥接组合式内固定系统较金属锁定接骨板钉系统具有更好的生物力学性能,固定更牢靠、利于骨折生长,是骨折内固定的一种更好选择。     

有限元法分析不同固定方式在胫骨远端粉碎性骨折骨愈合中的生物力学差异

背景：胫骨远端粉碎性骨折伴软组织损伤的治疗具有挑战性，新型逆行胫骨髓内钉、外置接骨板是重要的治疗手段，但其在骨折愈合不同时期、不同负重情况时的骨折端应变、应力遮挡情况未见报道。目的：通过有限元分析法探讨骨折愈合不同时期逆行髓内钉及外置接骨板的生物力学差异，为临床应用及康复锻炼提供科学参考。方法：利用1名40岁健康男性的胫骨CT数据，建立胫骨远端粉碎骨折的有限元模型，构建胫骨逆行髓内钉、外置接骨板固定模型及骨痂模型并根据骨折的固定原则进行装配。使用ANSYS软件进行有限元分析，比较骨折愈合不同时期时逆行髓内钉及外置接骨板2种固定方式的骨折端位移、胫骨应力遮挡、骨痂应力、胫骨及固定装置应力分布情况。结果与结论：(1)胫骨骨折端相对位移随着骨折愈合的进行逐渐减小，在术后3个月后位移明显减少；术后0,1个月，外置接骨板组的垂直位移及总位移均大于逆行髓内钉组，2种固定方式的Z轴位移(水平内外侧位移)均较X、Y轴位移明显，且接骨板模型的Z轴位移差异最明显；2种固定方式的Z轴位移最大位置均位于胫骨外侧，位移最小位置均位于胫骨内侧；(2)骨折愈合的应力遮挡率随骨折时间延长而逐渐降低；逆行髓内钉的应力遮...     

锁定加压接骨板固定股骨骨干骨折生物力学特征的三维有限元分析

基于人体股骨CT数据,结合股骨骨折不同阶段的结构特征,建立了锁定加压接骨板(LCP)固定股骨中部骨折的医学装配模型,运用三维有限元分析(3D-FEA)方法,选择一倍体重(70kg)生理载荷和约束条件,计算分析锁定加压接骨板固定股骨骨折在不同愈合阶段时股骨及LCP中的应力分布。结果表明,在骨折部位未发生愈合阶段与软组织形成阶段,股骨及LCP中应力分布相近,股骨内最大应力值(371.23、272.76MPa)远高于自然股骨,且应力主要分布于骨折处以上部位股骨;在骨痂形成阶段,部分股骨内应力向下转移,最大应力值(68.17MPa)较前两阶段明显降低且低于正常骨的极限强度,安排适当的康复训练有利于新骨生长和患者康复。     

步态周期下髋臼生物力学特征

目的 研究正常步态周期下髋臼周围区域应力分布规律,并进一步探究髋臼各柱的生物力线和骨皮质厚薄 形态分布。 方法 通过人体逆向动力学分析获取人体步态周期 8 个典型阶段的肌肉及髋关节载荷,应用三维重建 技术构建髋关节三维模型,以所得载荷作为加载边界条件进行有限元分析及拓扑优化。 结果 步态周期支撑相下 髋关节载荷较大,中柱应变能占总应变能 55% ~69% ,髋臼顶部应力较大;摆动相下髋关节载荷减小,中柱应变能所占 百分比减小。 髋关节不同的运动角度影响肌肉力,进而影响髋关节上应力分布规律。 所获得髋臼各柱的生物力线分 布与解剖学所提出的生物力线及骨小梁排布基本吻合,与拓扑优化结果中骨皮质较厚区域相对应。 结论 通过数值 模拟方法可以确定髋臼各柱的生物力线和骨皮质厚薄形态分布,为骨折治疗内固定装置的合理放置提供理论指导。     

髋臼发育不良者全髋置换中臼杯置入位置的力学分析

目的　利用三维有限元分析方法,研究髋臼发育不良患者加深磨锉假体置入部位的髋臼骨床、使臼杯假体内移置入对髋臼假体-骨界面间的应力分布情况的影响。  方法　选取髋关节发育不良患者的骨盆为实验对象,螺旋CT做全长连续扫描,然后利用计算机仿真技术对CT图像进行三维重建,建立髋关节发育不良骨盆模型。在计算机环境中对重建模型进行髋臼磨锉,臼杯假体不同程度内移植入的模拟手术,利用有限元分析软件SolidWorks对重建模型进行有限元网格化及力学分析。  结果　臼杯假体的内移使臼杯上缘处获得骨床包容,臼杯接触面积更大,单位面积所受应力相对较少。随内移程度加大,髋臼内壁骨质突破更为明显,使髋臼顶部应力集中及其余部分应力不均愈趋明显。  结论　髋臼加深磨锉臼杯内移植入有助于改善髋关节发育不良病例行髋关节置换臼杯的骨床包容,但随内移程度的加大,髋臼内壁突破,髋臼面的应力集中,髋臼的应力分布情况明显改变,应尽量减少穿破的程度。     

髋臼后壁骨折内固定稳定性的生物力学研究

目的　研究髋臼后壁骨折后不同内固定方法的固定强度 ,以确定最理想的内固定方法。方法　左右配对的18具髋关节标本随机分成三组 ,在髋臼后外缘与坐骨大切迹间的中点截骨 ,建立髋臼后壁大块骨折模型。用临床常用的两枚皮质骨螺钉 (CS)、髋臼重建钢板 (RP)以及重建钢板 +两枚皮质骨螺钉 (RP +CS)三种内固定方法分别固定每一组骨折 ,然后屈髋 90°对模型分别进行生物力学测试 ,测量各组骨折块的分离位移以及分离 3mm时的载荷 ,以比较每一种内固定方法的固定强度。结果　载荷下 ,髋臼骨折块的分离位移随载荷的增加而增大 ,统计显示CS组与RP、RP +CS组间差别具有显著意义 (P <0 .0 1) ,而RP组与CS +RP组之间差别无意义 (P >0 .0 5 )。结论　髋臼后壁骨折内固定以RP较为理想 ,单纯CS力量不足以维持骨折块的稳定 ,而在RP之外再加两枚CS并不能增加内固定强度 ,反而增加了手术创伤及难度     

全髋关节置换术中臼杯水平位移对股骨侧非骨水泥型假体-骨界面应力影响的有限元分析

目的　利用三维有限元力学分析方法, 研究全髋关节置换术中臼杯水平位移对股骨侧非骨水泥型假体-骨界面应力分布的影响。 方法　选取正常人体的骨盆及股骨为实验对象, 螺旋CT 扫描,利用计算机仿真技术对CT图像进行三维重建,建立髋关节及股骨模型,进行全髋关节置换的模拟手术, 臼杯位置从髋关节旋转中心外侧10mm处起,水平内移,每隔2 mm为一个实验组,至内移至旋转中心内侧10 mm,共分11个实验组。加载关节负荷,观察股骨侧假体-骨界面间的Von Mises应力分布情况, 对结果进行统计分析。 结果　臼杯的水平位移没有改变股骨总体的应力云分布;各组假体-骨界面应力均值（4.728±2.152）-（5.431±2.465）MPa,均值有差异,差异有统计学意义;应力均值、极差、标准差均随内移而降低,呈高度的负相关。近端假体-骨界面的应力变化,与整个股骨的应力变化相似。 结论　假体的水平内移可以降低股骨侧假体-骨界面间的Von Mises应力,内移可以使界面的应力分布更均匀。     

正常步态周期中髋臼周围区域的应力分布及其在THA髋臼重建中的指导

目的 研究健康成人步态周期中髋臼周围内外应力分布基本规律,探求这些规律对全髋关节置换（total hip arthroplasty, THA）髋臼侧重建的临床指导作用。方法 采用CT 扫描获取1名男性和1名女性健康中年志愿者骨盆与股骨近端数据并构建三维模型。通过基于CT值计算材料弹性模量的非均匀材料赋值方案及其收敛性分析为各个有限元网格单元独立赋值。根据正常步态行走中髋关节接触力在步态周期中的动态变化施加载荷条件。以模型内外节点的Von Mises应力为标准进行结果判断。结果 在正常步行中,从男、女志愿者髋骨外表面看,应力主要从髋臼后上方沿髂翼后外侧经坐骨大切迹传递至耳状面,应力最大值出现在坐骨大切迹附近;从男、女志愿者髋臼上、中、下3个剖面看,应力在髋臼后上方的骨皮质与骨松质均有分布,而在髋臼的前柱与后柱,应力则主要分布于骨皮质上。结论 根据健康成人髋臼周围正常步态应力传递与分布规律,选择更合适大小的髋臼假体以及更精确地控制髋臼假体的安放位置有助于获得更符合正常步态应力分布的髋臼重建方案。     

全髋置换术中髋臼过度扩锉对髋臼缘骨量和前倾角的影响

目的　通过髋臼的三维重建及基于此的解剖形态研究，就临床上假体安装前的髋臼同心扩锉准备方式时过度扩锉对臼窝前后壁骨量丧失和髋臼缘开口前倾角改变作一定量分析。方法　选取40例成人髋臼标本，通过CT扫描、图像边界处理和定标，利用Pro/Engineer软件拟合出髋臼三维结构，再将其导入Unigrapics软件中，运用其集成的工具条和球体表面逼贴技术，对二种过度髋臼同心扩锉，即扩锉至Harris窝底或扩锉至髋臼内侧壁时，髋臼横断面开口扭转角度变化及髋臼后壁与前壁骨量丧失量作定量分析。结果　(l)当髋臼同心扩大至Harris窝底时，髋臼横断面开口扭转角度在不同髋臼层面均发生变化，其中，髋臼上半部分最大前倾角度可增加483°；而髋臼下半部分开口前倾角度轻微减小。(2)髓臼同心扩大至Harris窝底时，髋臼后壁与前壁骨量丧失量平均为6.75 mm和6.11 mm、(3)当髋臼同心扩大至髋臼内侧壁时，髋臼横断面上半部分开口扭转角度进一步增大，最大前倾角度增加达8.55°；此时，髋臼后壁与前壁骨量丧失量也增加至平均9.54 mm和9.56 mm。结论　髋臼同心扩挫虽能保持髋臼活动中心点不变，但过度扩锉仍可造成较明显的髋臼前后壁骨量丧失与前倾角度变化，不利于髋杯假体与骨面的牢固固定和正确置放。髋臼扩锉达到或超过Harris窝底深度以上应尽可能在临床应用中避免。     

Direct comparison of contact areas, contact stress and subchondral mineralization in human hip joint specimens

 X-ray densitometric and CT osteoabsorptiometric findings suggest that in the human hip subchondral mineralization patterns change from bicentric to monocentric as a function of age. It has been hypothesized that these changes indicate an alteration in the geometric configuration of the joint from incongruous to congruous, possibly associated with the onset of osteoarthrosis. The purpose of this study was therefore to directly compare contact areas, contact stress and subchondral mineralization in the hip joint. Twelve specimens without cartilage lesions (ages 34–86 years) were investigated. Simulating the mid-stance phase, the contact areas were determined by polyether casting and the contact stress with Fuji film. The distribution of subchondral mineralization was assessed non-invasively with CT osteoabsorptiometry. At small loads the load-bearing areas were located at the periphery of the lunate surface. In some joints they were found in the acetabular roof and expanded, with higher loads, to the center of the lunate surface and the anterior and posterior horns. In other joints, the contact areas were recorded at lower loads in the anterior and posterior horns, and only at higher forces they merged in the acetabular roof. The maximal contact stress ranged from 8 to 9 MPa at 300% body weight. Maxima of subchondral mineralization were recorded in the acetabular roof, in the anterior and posterior horns, or in all three locations. There was no clear correlation between the distribution of contact and pressure, and the pattern of subchondral bone density. Incongruity is shown to strongly affect the distribution of contact and pressure in the human hip joint. However, the pattern of subchondral mineralization cannot be readily explained in terms of the contact areas and contact stress during mid-stance. Incongruity may give rise to tensile stresses in the subchondral bone, and the construction of the pelvis as a whole may play an important role in subchondral bone loads and adaptation. Accepted: 19 September 1996     

Parametric analysis of the stress distribution on the articular cartilage and subchondral bone

Few studies have stressed on the sensitivity of stress distribution in different mechanical properties of the articular cartilage and subchondral bone. The purpose of this study was to establish parametric variations of mechanical factors individually and examine how these biomechanical effects influenced the cartilage and subchondral bone plate stress fields in the hip joint. A finite element model including acetabulum and proximal femur was established to study the stress change associated with the thinning of cartilage, the increasing of subchondral bone modulus and the thickening of subchondral bone plate individually. The stress distributions in bone/cartilage interface were evaluated. Sensitivity of the stress magnitudes to the parametric changes was also analyzed. The results indicated that cartilage thinning has more significant effect than subchondral bone modulus increasing or thickening on the shear stress levels in subchondral bone/cartilage interface. Subchondral bone plate modulus increasing has mild effect on the shear stress in subchondral bone/cartilage interface. Cartilage thinning acts as a major influence on the development of the articular cartilage damage.     

髋臼后壁软骨面平行角重建螺钉置入安全性的CT扫描图像分析

目的　通过三维CT和计算机软件分析以髋臼后壁软骨面平行角为参考时螺钉置入的理想位置、方向和长度,以指导手术和导向器研发。 方法　回顾性分析2008年7月至2016年7月我院收治的不稳定髋臼后壁骨折螺钉、钢板双重固定患者15例,男11例,女4例;年龄21～52岁,平均36.5岁,对比双侧髋臼CT图像评估手术的复位效果,计算机软件统计分析以髋臼后壁软骨面平行角为参考时螺钉置入的理想位置、方向和长度,并区分后壁螺钉置入的相对危险区和相对安全区。 结果　髋臼后壁危险区宽度对照组为（9.56±1.74）mm,手术组为（9.57±1.71） mm,安全区宽度对照组为（31.34±2.73） mm,手术组为（31.53±2.60） mm;髋臼后壁软骨面平行角对照组为（63.05±3.89）°,手术组为（62.33±3.46）°,相对螺钉长度对照组为（31.36±2.75）mm,手术组为（31.67±2.61） mm;上述参数差异均无统计学意义（P>0.05）。 结论　所有病例手术复位效果良好,髋臼后外侧壁靠近髋臼缘侧1/4（约1 cm）范围内为螺钉置入的相对危险区,而位于内侧3/4（约3 cm）范围内为相对安全区域;髋臼后壁软骨面平行角约60°,螺钉相对长度约为3.1 cm,当长度超过3.1 cm左右,角度大于60°,且位于危险区时螺钉进入关节腔风险性增大,而螺钉以小于或等于60°角度在相对安全区内置入可避免螺钉进入关节腔。     

The influence of mechanical properties of subchondral plate, femoral head and neck on dynamic stress distribution of the articular cartilage

A few finite element models have addressed the dynamic juxtaarticular stress transmission but none focused the investigation on the combined influence of the individual moduli of the underlying bones, including the subchondral plate, the femoral head and the femoral neck of the proximal femur. A finite element model including the acetabulum and the proximal femur was analyzed with dynamic loadings to study the effects of mechanical property changes in the underlying bones of the proximal femur on the stress distribution in the cartilage at the hip joint. We found the stress distribution was most sensitive to the subchondral plate stiffening, while the overall stiffening of the underlying bones had mild effect on the shear stress on the cartilage surface (or at the subchondral bone/cartilage interface) and on the strain energy density in the cartilage. Our results indicate that the subchondral plate plays a predominant mechanical role in the initial degeneration of the cartilage. The results may offer a mechanical explanation as to why the cartilage failure is common in patients with osteoarthritis but rare in patients with osteoporosis.     

Loss in mechanical contact of cementless acetabular prostheses due to post-operative weight bearing: a biomechanical model

The primary stability of cementless acetabular components is a prerequisite for their clinical success. The target of the present study was to analyse possible effects of post-operative joint loading on the initial mechanical stability of a press-fitted acetabular prosthesis. For this purpose, a three-dimensional finite element model of the pelvic bone with acetabular reconstruction was set-up. The analysis included two steps: (1) simulation of the prosthesis press-fit implantation and (2) simulation of the instant of peak resultant hip loading during the one-legged stance. The difference between the contact pressures at the bone/implant interface, at the end of the second step and those at the end of the first step was calculated and assumed as an index of variation in mechanical contact due to post-operative weight bearing. The results show that, due to hip loading, contact pressures given by press-fit increase in the postero-superior acetabular region but decrease in the antero-inferior acetabular region. The calculated area in which the contact pressures decrease extend to about 30% of the total contact surface. These results imply that post-operative joint loading significantly reduces the mechanical stability given by press-fit. The decrease in contact pressures at the bone/implant interface may result in a lack of osteointegration, possibly hindering the implant secondary stability. It may also create a route for wear debris, possibly favouring periprosthetic osteolysis, which may lead to further loss in contact and clinical failure of the implant due to loosening.