人工髋关节活体有限元建模及力学分析

背景：有限元分析最为广泛地应用于人工髋关节置换的研究,能够反映人工髋关节置换前后的应力分布情况。 目的：通过CT扫描图像建立人工髋关节置换后的三维有限元模型,分析假体和股骨的力学分布,提供研究活体内假体的评估方法。 方法：选非水泥型人工髋关节假体置换后患者1例,64排CT扫描髋关节,通过三维建模软件建立三维有限元模型,加载载荷1 500 N,分析假体和股骨的应力分布,并与体外建模和正常股骨有限元模型比较。 结果与结论：应用患者人工髋关节置换后CT扫描图像建立的三维有限元模型,加载后应力主要分布在股骨干上端1/3处,在股骨假体柄颈结合处,假体外侧,假体的远端与股骨接触处,是假体置换后应力在体内传递的真实反映。结果说明活体髋关节建模优于体外建模,不改变假体在体内的位置,人工髋关节活体建模是假体评估新方法。     

一种股骨头假体个性化设计方法研究

为解决人工髋关节置换手术后假体无菌松动等并发症,适应假体个性化快速设计和制造的需求,对假体设计方法进行研究.采用医用CT技术、计算机辅助设计和有限元计算分析相结合的方法,依据患者股骨髓腔解剖形状和置换要求设计髋关节假体;用有限元软件ANSYS建立股骨的三维有限元模型,并自主开发计算机程序计算得到股骨的材料参数,在股骨有限元模型中实现股骨材料的非均匀及各向异性描述;用计算机仿真植入了定制髋假体的股骨--假体系统后的接触问题;分析对比股骨在术前术后的应力、应变大小及分布,检验假体设计的合理性;定量地确定股骨在手术后所产生的应力遮挡效应的程度,研究结果表明这种假体设计和分析方法更为合理、可靠,为优化设计假体和评估假体植入后的长期稳定性提供了基本方法.     

人工髋关节置换前后股骨及假体的生物力学分析

目的:研究人工髋关节置换前后股骨及假体的应力分布以及假体设计参数对应力的影响。方法:建立股骨和假体有限元模型,分析在步行峰值关节载荷和主要肌肉载荷作用下,完整股骨和置换后股骨及假体的应力水平。结果:完整股骨中上部内侧受压应力,外侧受张应力,中下部外侧受压应力,内侧受张应力,股骨应力峰值位于中下部;置换后股骨受力总体模式不变,近端应力遮挡显著。随颈干角增加,假体及股骨应力水平降低;柄长对假体应力影响不大,股骨上的应力随柄长增大略有增加。结论:假体设计时可适当增大颈干角,在骨组织条件允许的情况下可适当增加假体柄长,以减轻术后的应力遮挡效应。     

个性化人工髋关节的多代理设计系统

本文在介绍代理的基本概念与个性化人工髋关节设计过程的基础上，提出一种基于联邦制多代理机制的个性化人工髋关节多代理设计系统。定义了三个代理：个性化人工髋关节柄部直径优化代理，股骨－假体的平面应力分析代理，全髋置换中假体－髋臼杯运动学代理。并重点对髋关节股骨一假体的平面应力分析代理模块进行了说明。     

髋关节置换前后股骨上应力的变化

为研究全髋关节置换前后股骨上应力水平及分布规律的变化，用电阻应变实验比较置换前后股骨上应力的改变；并且建立一种合理的、具有预见性的有限元模型。研究结果表明：全髋关节置换后，股骨上应力水平明显下降；并与关节假体颈长颈干角有一定关系。尤其指出，髋关节置换导致股骨弹性模量下降；从而给出关节置换后骨重建的循环模式。     

基于两种材料的髋关节假体柄疲劳性能分析

人工髋关节置换手术是利用机械性能和生物相容性良好的材料制成类似人体骨关节的假体,然后把其置换到被破坏的关节面。它可以缓解甚至消除病痛,有效地维持关节的稳定性和自由度,从而恢复关节的正常性能。利用有限元法建立人工髋关节股骨柄的三维有限元模型,以探讨不同材料股骨柄假体的疲劳性能,从而确保髋关节置换假体的安全性及可靠性。计算获得了两种不同金属材料髋关节假体的疲劳性能,包括假体的寿命、变形等结果。钛合金假体的使用寿命最小为568万次,满足ISO标准。而不锈钢材料则不适合作为假体材料。     

人工股骨头置换治疗严重股骨转子间骨折的有限元分析

目的　建立股骨转子间骨折、人工关节假体的三维数字模型,应用有限元对人工股骨头置换术后的股骨应力分布进行分析,评价置换术后的初始稳定性。 方法　利用螺旋CT对志愿者的左侧股骨进行断层扫描获取图像数据,经Mimics软件和Unigraphics建模软件处理,重建股骨三维模型。在此基础上,建立股骨转子间骨折、标准柄股骨假体三维实体模型,最后利用有限元分析软件Ansys10.0建立人工股骨头置换术治疗股骨转子间骨折的三维有限元模型,并对该模型进行生物力学分析。 结果　应力分析显示：正常股骨的应力由近端向远端逐渐上升,并于中下段达到最高。同时人工股骨头假体的应力集中于中段,与正常股骨的应力变化基本一致。人工股骨头置换没有改变股骨总体的应力模式,股骨距部位未见明显的应力集中区,依然是由近端向远端逐渐增加,应力峰值区域亦于全长股骨的中下段。 结论　标准柄人工股骨头置换治疗股骨转子间骨折不会引起股骨应力分布的明显改变,可以获得重建后的初期稳定。     

人工股骨头置换治疗骨质疏松股骨转子间不稳定骨折的有限元应力分析

背景：通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体且模型间可比性低,对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段。 目的：运用计算机模拟骨质疏松股骨转子间不稳定型骨折人工股骨头置换,并做置换后股骨及假体的应力分析,评估置换后假体的初始稳定性。 方法：对志愿者双下肢进行薄层CT扫描获得股骨数据,图像处理软件Mimics11.1进行图像处理后数据导入建模软件UG4.0建立股骨三维模型;假体柄与股骨间行布尔运算,分为正常关节置换组和转子间骨折人工关节置换组,观察两组材料赋值、定义接触、受力加载、应力分析等情况。 结果与结论：人工关节置换改变了股骨的受力方式,股骨转子间骨折关节置换后的假体稳定性较好,在正常载荷下人工关节稳定。     

髋关节置换过程中假体位置的有限元分析

背景:三维有限元法研究发现,髋关节假体的安装位置和髋关节置换效果关系密切,但关于不同前倾角和外展角髋关节假体安装位置对髋关节生物力学影响的研究不多。目的:应用三维有限元法分析不同假体安放位置髋关节置换的生物力学特点。方法:选择1名健康志愿者,获得志愿者骨盆和股骨的影像资料,建立该志愿者的骨盆和股骨的三维几何模型并进行有限元网络划分,采用CT扫描获得假体模型数据建立准确的假体模型,然后建立16种不同假体安放位置的髋关节置换模型。在骶髂关节和耻骨联合上方垂直向下施加780 N的力,观察16种模型的髋臼应力峰值、股骨应力峰值、聚乙烯内衬应力峰值和聚乙烯内衬破坏区体积情况。结果与结论:(1)16种不同假体安放位置的髋关节置换模型观察结果显示,前倾角为10°外展角50°时,髋臼的应力峰值最小,为51.23 MPa;股骨的应力峰值最小,为26.34 MPa;聚乙烯内衬的应力峰值最小,为5.288 MPa;聚乙烯内衬破坏区体积最小,为2.239×10-7 m3;(2)结果可见,假体安装角度为前倾角10°外展角50°时最理想,此安装角度髋臼、股骨、聚乙烯内衬的应力峰值和聚乙烯内衬破坏区体积均最小,可为临床提供参考数据。     

个性化钛合金短柄股骨假体的生物力学研究

目的通过有限元方法评价个性化钛合金短柄股骨假体的生物力学性能。方法在已验证有效性的股骨有限元模型基础上,模拟股骨颈基底部截骨,通过置入不同短柄股骨柄假体,分别建立4种人工髋关节置换(total hip replacement,THR)手术模型:SMF柄模型(模型A)、BE1柄模型(模型B)、MINI柄(模型C)、个性柄模型(模型D)。对4组THR模型施加同样的载荷和约束,计算分析模型von Mises应力分布和变形,比较各组模型的力学稳定性。结果所有THR模型变形都比生理状态模型要小。模型B、C变形量接近,模型A、D变形量接近。模型C应力峰值高于其他组模型,达到95.55 MPa,整体应力趋势是模型C模型B模型D模型A生理状态模型。结论个性化短柄股骨假体应力峰值、应力分布与SMF柄相当,应力分布合理,对股骨近端应力遮挡小,应力下假体整体变形度及剪切应力最小,其有效性和稳定性能满足人体生物力学要求,可为关节外科医生和假体研发人员提供参考。     

不同材料人工髋关节假体对骨界面应力分布及生物力学的影响

BACKGROUND: During joint replacement, different materials of prosthesis can be used. Different prosthesis can produce different effects and the stress distribution of bone interface. OBJECTIVE: To explore the effects of different materials on the stress distribution and biomechanics of the bone interface of artificial hip joint. METHODS: The CT scan of the hip was carried out. The image data were saved in DICOM format and processed by MIMICS software. The 3D finite element model of the femur was obtained by ANSYS. A three dimensional finite element model of the femur was made with the material properties of the femur. Three kinds of different replacement prosthesis materials (Co Cr Mo alloy, titanium alloy and composite materials) were selected, and the specific requirements of the actual joint replacement were selected, and different types of prosthesis were designed in CAE software. In the STL format, the prosthesis model was imported into MIMICS, and the femur and prosthesis were assembled. The stress status of different prosthesis was analyzed, and the stress shielding rates of exterior and interior sides of middle and lower parts of the femur, right to and 30 mm below lesser trochanter and right to lesser trochanter of the proximal femur were calculated. RESULTS AND CONCLUSION: Through three-dimensional finite element analysis, a direct and accurate model of the femur and the three-dimensional model of the prosthesis were established. According to the actual situation, material assignment of the femoral three-dimensional finite element model was conducted to obtain the corresponding model. Thus, the properties of different materials of the femur were shown visually. The femoral stress of cobalt chromium molybdenum alloy, titanium alloy, and composite material was simulated after replacement. Results found that the stress shielding rate can decrease in the middle and lower parts of the femur. After replacement, the femoral stress is higher than that of the intact femur. The experimental results show that the stress shielding of the joint was performed after joint replacement with Co Cr Mo alloy, titanium alloy and composite materials. Among them, the composite material is more close to the actual physiological environment of the human body, and it can better reduce the stress shielding effect, and is beneficial to the stress from the prosthesis to the femur.      

齿槽型人工髋关节骨应力分布的三维有限元分析

基于人体股骨CT数据,结合髋关节解剖形态学,建立了齿槽型人工髋关节置换医学装配模型,运用三维有限元分析(3D-FEA)方法,选择1.5倍体重(70 kg)生理载荷条件,计算分析了人工髋关节柄三角区表面不同齿槽结构及分布对周围骨应力的影响。结果表明:关节柄三角区齿槽结构改变了关节柄/骨界面的应力传导,有利于降低股骨近端的应力遮挡效应。凸齿结构的效果优于凹齿,近端1/3凸齿分布的关节柄对降低骨的应力遮挡效果最佳,更有利于减轻股骨近端骨质疏松,能有效提高人工髋关节的使用寿命。     

全髋关节置换术中压电股骨重建的边光滑有限元分析

目的 针对传统有限元法(finite element method, FEM)分析全髋关节置换(total hip arthroplasty, THA)后压电股骨重建时精度低的问题,采用边光滑有限元法(edge-based smoothed finite element method, ES-FEM)对植入假体后压电股骨近端的骨重建进行仿真分析。方法 根据自适应骨重建理论,建立假体-压电股骨模型。基于模型的背景网格构建光滑域,引入梯度光滑技术,求解出光滑的重建刺激,进而得到术后压电股骨近端的密度分布。结果 植入假体后,受力点由股骨头转移到假体,出现应力屏蔽现象,股骨内部表观密度的分布发生明显变化。相比于FEM,ES-FEM在一定程度上能软化数值模型,提高仿真精度。在相同的网格下,电势和密度的求解精度分别提高27%和30%左右。结论 采用ES-FEM能够更精确地模拟出THA术后压电股骨近端的骨重建进程,为THA临床研究提供有效的理论依据。     

人工髋关节假体的分类及设计

背景：人工髋关节置换是指用生物相容性良好的材料制成的一种类似人体骨关节的假体,置换被疾病或损伤所破坏的关节或关节平面,缓解关节疼痛、矫正畸形假体、改善关节的活动功能。 目的：对人工髋关节假体分类及设计研究文献的发展趋势进行多层次探讨分析。 方法：以电子检索方式对CNKI数据库学术期刊2002-01/2011-12收录有关人工髋关节假体分类及设计研究的文献进行分析,采用检索词为“髋关节置换;人工假体;假体设计;假体类型”,运用数据库的分析功能和Excel软件图表的功能分析数据特征。 结果与结论：CNKI数据库学术期刊2002/2011收录人工髋关节假体分类及设计研究的文献135篇,从文献数量上看处于上升趋势。以外科学分类的文献为主。《中国组织工程研究与临床康复》杂志因设有医学植入物栏目,在人工髋关节假体分类及设计研究中发表文献数量最多为33篇。上海交通大学是人工髋关节假体分类及设计研究的重点单位,王成焘教授是从事此研究的重要核心作者。文献关键词显示人工髋关节假体设计和类型主要考虑髋关节、股骨的生物力学方面问题,以及人工髋关节假体有限元分析、翻修、假体无菌性松动等。     

Effect of implant material properties on the performance of a hip joint replacement

A composite material implant prosthesis for hip replacement has been developed. The design of the prosthesis substructure was based on investigation of the stress and strain fields that were developed in the human femur at the proximal end when a prosthesis stem had been inserted into it. The prosthesis stem structure was of unidirectional fibrous composite material core (graphite fibres in polysulfone matrix), wrapped with four layers of the same material but orientated at different angles. The orthotropic moduli of the outer layer are very close to the moduli of a human cortical bone in the vertical and circumferential directions. The moduli increased gradually from the outer layer to the inner core. A three-dimensional finite element model of the prosthesis and the bone has been constructed and loaded with the range of forces that might appear upon operation. The behaviour of the composite prosthesis and the femur was then compared with the intact femur and three other types of prosthesis materials, namely stainless steel, titanium, an isoelastic material and a hypothetical one with moduli identical to the cortical bone. The titanium has modulus of elasticity that is only half of the stainless steel. It was found that the composite prosthesis gave the best performance for most of the categories that were examined.