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。     

组配式髋表面置换股骨头假体植入后股骨近段应力变化的有限元分析

目的研究组配式髋表面置换股骨头假体植入后,股骨近段及假体周围骨质区应力分布的变化。方法建立正常股骨近段、传统表面髋置换假体(本实验选用Wright假体)、组配式表面髋假体三维有限元模型,关节加载后分析假体植入前后股骨近段应力分布变化,并对股骨近端假体周围区域骨质应力分布进行分区量化研究。结果传统假体沿着杆体周围骨质上有多处的应力集中区域,在股骨颈的下方(4、10区)应力明显增加,股骨头上方假体杯下缘(1、7区)应力遮挡;组配式假体螺钉周围骨质上虽有应力集中,但是数值相对较小,股骨颈下方(4、10区)应力分布接近正常股骨。结论与传统表面髋假体置换相比,组配式假体在股骨颈下方区域有较好的应力分布,接近正常股骨,降低了股骨颈骨折的危险。     

肿瘤型膝关节置换后股骨-假体-胫骨复合体生物力学响应

目的研究肿瘤型铰链式膝关节置换术后股骨-假体-胫骨复合体正常站立状态下的生物力学响应,探讨病人术后发生股骨穿孔的原因,为肿瘤型铰链式人工膝关节假体的优化设计与制造提供理论基础。方法兼顾CT及三维光学扫描数据建立股骨远端骨肉瘤瘤段切除肿瘤膝关节置换后的病人股骨-假体-胫骨有限元模型,并进行相关有效性验证,从而进一步分析人体站立状态下股骨-假体-胫骨复合体的应力分布及应力遮挡现象。结果 (1)在站立加载状态下,相对胫骨,股骨的应力明显更大且集中分布趋势显著,股骨前1/3区域应力较大,呈现应力遮挡效应。(2)由于模型基于临床病人几何及骨质特征建立,股骨应力集中位置与临床中病人股骨穿孔位置接近,表明在施加自身重力状态下可能发生与病人病症一致的股骨损伤行为。结论肿瘤型铰链式膝关节假体植入后,由于假体髓针深入骨髓腔,正常站立状态下亦对骨髓腔产生一定的压力;由此产生的应力遮挡效应以及假体髓针与特定骨髓腔的匹配情况均可能引起股骨应力集中,从而将可能引起股骨开裂,甚至穿破,影响手术质量。建议术前优化假体设计以减轻或避免此类现象,从而减少术后患者的并发症发生率。     

陶瓷髋关节异响在全骨盆模型下的数值模拟研究

目的针对陶瓷人工髋关节置换术后患者出现的临床异响问题,探究异响产生的机制。方法建立全骨盆-陶瓷人工髋关节假体-股骨系统的有限元模型,对其进行摩擦耦合下的复特征值分析,研究其在摩擦力作用下的动态响应;分析假体组件的振动特性,并通过对比组件和系统的模态振型,探究引起异响产生的振源。结果随着摩擦系数的增加,假体系统发生了模态耦合,并产生了不稳定模态。不稳定模态振型主要表现为股骨组件的弯曲和扭转振动,同时在股骨组件的模态分析结果中存在频率与振型都与之相近的模态。另外,频率为1250 Hz、2400 Hz和3930 Hz左右的不稳定模态具有较大的负模态阻尼比。股骨组件在不稳定模态频率1250 Hz和2400 Hz左右的弯曲共振和3930 Hz左右的扭转共振是假体系统自激振动的振源。结论模态耦合是摩擦引起假体系统自激振动的可能机制。骨盆也参与了噪声的辐射,同时也是假体系统产生不稳定模态的因素之一。     

全髋关节表面置换术后股骨侧应力分布的有限元分析

目的：探讨金属对金属髋关节表面置换术后股骨侧应力分布情况，为临床改良金属对金属髋关节表面置换术手术方案提供生物力学依据。方法：采用64排螺旋CT扫描金属对金属髋关节表面置换术后患者数据，重建金属对金属髋关节表面置换术后有限元分析模型，对该模型进行虚拟加载和仿真计算，比较分析金属对金属髋关节表面置换术后股骨侧的应力分布。结果：髋关节表面置换术后股骨侧应力集中于股骨颈内侧部及假体与股骨颈交界部，以股骨颈内侧部尤为明显。股骨假体覆盖区存在明显应力遮挡。结论：金属对金属髋关节表面置换术后，应力主要集中于股骨颈内侧及假体与头颈交界部，并在股骨假体下骨质部存在应力遮挡，髋关节表面置换术后的应力集中及应力遮挡与股骨颈骨折发生存在一定联系。     

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。     

计算机模拟全髋关节置换术后假体位置对关节活动的影响

目的　通过计算机模拟全髋关节置换术,研究假体位置对关节活动度及稳定性的影响。 方法　以CT数据为基础,利用计算机三维重建及虚拟手术技术建立全髋关节置换术后三维模型,在不同假体位置模拟关节运动并测量关节发生撞击前的最大活动范围。 结果　(1)髋臼外展角增大可导致屈、伸、屈曲90°内旋活动范围增大,对外旋影响小;髋臼及股骨前倾角增大均可导致屈及屈90°内旋活动范围增大,而伸及外旋均减小。(2)为满足日常活动需要,取较大髋臼外展角时,髋臼前倾角宜适当减小;取较小髋臼前倾角时,股骨前倾角宜适当增大,反之亦然;而髋臼外展角与股骨前倾角的相对位置取决于髋臼前倾角。 结论　在全髋关节置换术中,把握好假体的相对位置可改善关节活动范围,增加关节稳定性。此外,本结果对髋关节假体翻修术中假体安放及术后脱位患者日常活动范围具有重要的指导意义。     

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。     

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。     

人工股骨柄形状和表面处理对置换术后假体和人体股骨应力分布影响的有限元分析

目的建立人工髋关节置换术后的三维有限元模型,分析研究人工股骨柄、骨水泥和人体股骨的应力分布。方法应用三维重建软件及Pro/Engineer建模软件和ABAQUS有限元分析软件计算分析人工股骨柄中空形状和柄部预处理范围对置换术后假体和人体股骨应力分布的影响。结果(1)倒立圆锥形中空特征的骨水泥固定型股骨柄的应力最小,其股骨柄周围骨水泥近端应力亦较低。(2)具有上涂层骨水泥的股骨柄可使骨水泥近端产生的应力减小,且股骨柄与骨水泥二者之间的剪力和相对滑动亦较小。(3)随着非骨水泥固定型股骨柄微孔涂层范围的增加,人体股骨上的应力范围下移,人体股骨近端的应力减小。结论(1)采用倒立圆锥形中空特征的人工股骨柄有助于降低人体股骨近端与假体接触区的应力遮挡效应。(2)采用股骨柄上涂层骨水泥的方法,可增强股骨柄与骨水泥界面的结合强度,有利于降低人工髋关节置换术后的假体松动。(3)非骨水泥固定型股骨柄微孔涂层范围对人体股骨的应力有明显的影响,微孔涂层范围过大不利于保持适中的人体股骨的应力和股骨柄的固定。     

全髋关节置换术对股骨近端骨重建的影响

目的 采用Wolff骨重建理论分析全髋关节置换（total hip arthroplasty,THA）对股骨近端骨重建进程的影响。方法 根据骨重建控制方程,利用Python语言编写骨重建程序。在ABAQUS软件中分别建立术前股骨模型与术后股骨及假体有限元模型。对比THA手术前后骨重建进程,分析假体植入对THA术后中远期股骨力学性能的影响。结果 假体植入后,股骨近端应力持续降低,受力点由股骨头转移到假体,出现明显的应力遮挡现象。应力遮挡区域内骨丢失现象严重。股骨干皮质骨变薄,应力遮挡有所缓解。假体底端内侧受挤压,应力显著高于外侧,此处骨质分布不均。结论 THA术后股骨近端内侧出现明显的应力遮挡,导致骨丢失,造成假体松动;假体底端两侧应力水平存在差异,引起骨质分布不均,导致假体与股骨配合不紧密,造成术后患者大腿中段的疼痛。     

髋关节置换前后不同步态下股骨应力分布

目的探讨人工髋关节置换(total hip replacement,THR)前后慢走及上下楼梯两种不同步态下股骨的生物力学性能,为髋关节假体的优化设计和制造提供理论基础。方法建立人工髋关节股骨的三维有限元模型,并进行有效性验证;计算慢走和上下楼梯时THR前后股骨的应力分布及应力遮挡率。结果慢走运动时,THR前股骨应力由近端到远端逐渐递增,在股骨中下段达到最大,最大应力为90.6 MPa;THR后股骨出现应力遮挡现象,股骨的应力幅值有所下降,最大应力为82.5 MPa,股骨近端假体周围大转子附近股骨遮挡率最大,总体遮挡率为14.9%~99.0%。此外,假体颈部出现过大的应力集中现象。上下楼梯运动时,股骨应力分布的变化规律与慢走运动时大体相似,但应力遮挡效应更为明显。结论植入假体后,上下楼梯时股骨近端出现较大应力遮挡,并且假体自身出现过大应力集中,会影响THR手术质量,建议病人在术后应尽量减少关节角变化较大的运动。     

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。     

骨质疏松股骨转子间不稳定型骨折人工股骨头置换的三维有限元应力分析

BACKGROUND: Artificial femoral head replacement provides a new idea for the repair of unstable intertrochanteric fracture. Artificial prosthesis replacement may affect original femoral biomechanical stability and lead to a variety of adverse consequences.  OBJECTIVE: To analyze the stress distribution of femoral head replacement in the treatment of unstable femoral intertrochanteric fractures with three-dimensional finite element analysis. METHODS: One male old volunteer was randomly selected from population who underwent health examination. The left femur was scanned with spiral CT, and the three-dimensional finite element models of the human femur and prosthesis were established. The three-dimensional finite element model was used to simulate the actual working conditions of human climbing stairs, and the stress distribution of the bone channels around the surface of the femur and the prosthesis was analyzed with three-dimensional finite element analysis. RESULTS AND CONCLUSION: Under normal condition, the stress of the human femur was in a consistent state. Stress changed gradually from the proximal end to the distal end. The stress of the prosthesis was concentrated in the middle section. The prosthesis of inner stress distribution was analyzed to obtain stress distribution of prosthesis and femur cancellous bone interface. The analysis found that stress change trend was consistent. The results suggest that artificial femoral head replacement does not have a significant effect on the overall stress distribution of the human femur, and the overall stress distribution does not change, and the maximum stress region is located in the middle of the whole femur. After the reconstruction, the stress concentration of the femur is not observed.        

空心钉与锁定钢板治疗股骨颈骨折的振动特性

目的探讨股骨颈骨折术后植入空心钉及钢板后,髋关节固有和约束模态对内固定的影响。方法 对1名股骨颈骨折患者CT图像数据进行分析,提取髋关节边界生成髋关节三维模型,并建立常用内固定模型与髋关节模型装配,进行有限元仿真,重点分析振动特性。结果 振动对空心钉、钢板的内固定稳定性有一定影响,扭转的发生将破坏空心钉、钢板的固定环境,在骨折断端产生微小位移;在约束状态下,模态频率范围较低,振型的变形多发生在股骨头近端处,导致内固定以及假体发生松动的现象。从振动特性角度提出一种评判内固定稳定性的方法,发现空心钉内固定的稳定性优于近端锁定钢板。结论 选用内固定时需要考虑螺钉、钢板固有频率的影响,避免与股骨的固有频率相近,导致谐振的产生。研究结果对指导内固定材料的选用和结构、排列的设计具有一定借鉴作用。     

股骨近端假体周围骨折锁定加压接骨板的设计

目的 探索适用于国人全髋关节置换术(THA)术后股骨近端假体周围骨折(PPFF)内固定的锁定加压接骨板(LCP)的设计。方法 (1)回顾性分析2012年9月—2013年12月南京中医药大学附属常州市中医医院骨科收治首次行THA治疗的90例患者的影像学资料。在90例患者术后髋关节侧位X线片上测量股骨假体近端1/2假体柄后边缘与股骨后方外皮质、远端1/2股骨假体柄前边缘与股骨前方外皮质的最小和最大垂直距离。(2)选取20具股骨标本,测量股骨标本长度和周径。将20具股骨标本植入股骨假体,建立股骨假体模型;对其中5具标本模型进行宝石能谱CT扫描和三维重建,测量股骨假体近端1/2假体柄后边缘与后方股骨外皮质、远端1/2假体柄前边缘与前方股骨外皮质间垂直距离,测量股骨假体近端1/2和远端1/2垂直距离＞6 mm的股骨长度,测量股骨中段侧方的弧度。(3)依据90例患者和5具股骨假体模型的测量数据设计并数字化定制LCP。采用定制LCP固定5具股骨假体模型,通过大体和影像学观察LCP近段锁定螺钉与假体的关系,调整可能与假体接触的锁定螺钉的角度;再采用调整后的LCP固定10具股骨假体模型,观察LCP近段锁定螺钉与假体的关系,确定LCP的设计方案。结果 (1)90例患者术后髋关节侧位X线片测量结果:股骨假体近端1/2假体柄后边缘与股骨后方外皮质的垂直距离,最小(11.26±3.58)mm,最大(17.97±6.94)mm;远端1/2假体柄前边缘与股骨前方外皮质之间的垂直距离,最小(9.18±2.32)mm,最大(14.22±3.10)mm。(2)20具股骨标本的股骨长度为(41.67±0.24)cm,周径为(9.19±0.74)cm。股骨假体模型CT测量结果:假体近端1/2假体柄后边缘与股骨后方外皮质的垂直距离为(12.36±3.24 )mm;假体远端1/2假体柄前边缘和股骨前方外皮质的垂直距离为(8.14±1.21)mm。假体近、远端1/2与股骨外皮质垂直距离＞6 mm的股骨长度分别为(69.20±4.53)mm 和(57.31±3.82)mm。(3)LCP设计方案:LCP与假体近端1/2对应的部分设计3枚向后内成一定角度的锁定螺钉,对应3个锁定孔,分布于LCP中轴线偏后,向后内方向;与假体远端1/2对应的部分设计3枚向前内成一定角度的锁定螺钉,对应的3个锁定孔,分布于LCP中轴线偏前,向前内方向。采用设计、定制LCP固定股骨假体模型,LCP与股骨侧方弧度一致,锁定螺钉在股骨假体的后方或前方均实现双层皮质固定,角度合适。结论 根据国人资料设计、定制LCP,在股骨假体模型上获得有效的固定空间,为THA后PPFF的处理提供可行方案,但临床应用效果有待进一步验证。     

新型无柄股骨假体应力分布的有限元分析

目的　通过对比传统有柄股骨假体的应力分布来研究新型无柄股骨假体的生物力学性能。方法　利用真实人体股骨上端的CT扫描图像，建立完整股骨、两个或三个固定螺钉的无柄假体、传统有柄假体的三维有限元模型。模拟人单腿直立的载荷情况，分析和比较每种模型的Von Mises应力分布。结果　(l)无柄假体股骨上的Von Mises应力比传统有柄假体和完整股骨上的都要高；(2)与传统有柄假体相比，防止了应力遮挡效应的产生。(3)两个或三个固定螺钉的无柄假体在股骨的Von Mises应力分布上没有明显差别。结论　新型无柄假体可以防止应力遮挡效应，和传统有柄假体相比能够使股骨上的应力分布更加符合实际的生理情况。     

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.