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。     

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。     

全髋表面置换术后与正常股骨近端生物力学比较

目的 通过三维有限元方法研究全髋表面置换术后股骨近端骨质区应力分布的变化。方法 采用64排螺旋CT扫描获得正常股骨近端图像数据,重建股骨近端的三维有限元模型,对金属对金属全髋表面置换术后股骨近端和正常股骨近端应力分布进行量化研究,分析术后生物力学环境的变化。结果 髋关节表面置换术后,股骨头近端上、前、后、下方4个区域均出现明显应力遮挡,应力峰值分别为0.60、0.57、0.66、0.79 MPa,遮挡率分别为99.80%、99.16%、98.92%、96.66%。股骨头远端大部分区域出现了应力增加,其中应力遮挡只出现在股骨头远端的后方区域,遮挡率为4.92%。术后股骨颈近端前方区域出现了应力增加,在上、下、后方区域出现了应力遮挡,遮挡率分别为16.48%、22.75%和7.83%;股骨颈远端下方区域出现了应力增加,其余区域出现应力遮挡。大粗隆区出现应力增加9.22%;小粗隆区域和股骨颈基底区出现应力遮挡,遮挡率分别为2.49%、14.44%。结论髋关节表面置换术后股骨近端大部分区域的应力分布和正常股骨相比非常接近,应力传递接近生理状态,可有效避免术后股骨近段明显的应力遮挡,同时保留了骨量,有利于患者正常的生理活动。     

模拟全髋关节置换术后两种假体的应力对比分析

对比分析置入解剖型假体和置入传统型假体应力遮挡效应,为临床提供生物力学基础。随机取5个为模拟全髋关节置换术以（北京普鲁士钢研外植入物有限公司）传统型假体置入的股骨组,随机取5个以（德国LINK公司）保留股骨颈解剖型假体置入股骨组。首先在正常股骨标本的各测点上黏贴电阻应变片,进行应变电测量之后,待标本在室温不受力状态下放置24h后,对正常股骨标本分别置入传统型假体、保留股骨颈解剖型假体,分别测出置入传统型假体组和解剖型假体组股骨各测点的应变值,计算各测点的应力值,根据应力遮挡率计算公式,计算应力遮挡率值。置入传统型假体组股骨标本近端1～10号测点应力遮挡率值大于置入解剖型假体组股骨标本近端1～10号测点应力遮挡率值,差异显著（P＜0．05）。解剖型假体和传统型假体具有不同的防应力遮挡效果,保留股骨颈解剖型假体防应力遮挡效果显著。     

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。     

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。     

股骨—人工假体之间的界面生物力学分析

目的 对股骨-人工假体之间的界面生物力学进行分析。方法 应用非均质层状材料弯曲和扭转理论计算模型，定量分析了单足站立相及坐位起立时股骨干在不同假体植入前、后的应力分布情况。结果 由于股骨-假体界面两边材料性能不同，产生的较大应力差异是引起界面松动、剥离和损坏的生物力学原因。不同假体的弹性模量不同，产生应力遮挡的程度不同。结论 复合材料假体植入后应力遮挡率最低。羟磷灰石表面涂层假体能缓和界面层的应力差异。     

影响THA术后股骨近端应力遮挡大小的因素

全髋关节置换术(THA)术后股骨近端的应力遮挡效应是引起假体周围骨丢失的原因之一,在骨水泥和非骨水泥假体中都存在这一现象[1,2],骨丢失可能会引起股骨假体机械性失败、假体松动、假体周围骨折、翻修手术难度增加等一系列的问题[2],因此研究如何减少应力遮挡效应有重要意义.……     

人工全髋关节置换术对天然股骨生物力学行为的影响

目的研究人工全髋关节置换术后股骨的变形及应力改变,同时研究关节置换术对股骨振型及固有频率的影响。方法选取1名正常男性青年进行股骨段CT扫描,构建正常股骨和术后股骨的有限元模型,对其进行步态情况下的生物力学行为分析、模态分析。结果 (1)关节置换术后假体柄部有明显的应力集中,并产生了应力遮挡;(2)术后股骨的峰值应力增大到原来的4.36倍;(3)约束模态的固有频率明显高于自由模态;(4)振型阶次越高,术后股骨与正常股骨固有频率的差距越大;(5)股骨的振型主要为弯曲和扭转,且置换前后振型变化不大。结论假体的植入改变了股骨原有的力学结构特性。在假体设计方面,必须考虑到股骨的振动特性,避免共振带来的假体松动。     

股骨头表面置换后股骨近段的生物力学研究

目的探讨股骨头表面置换术对股骨近段生物力学性能的影响。方法集8具青年正常新鲜髋关节标本,建立静止单腿站立位股骨头受力模型,WD-5生物力学测试机测试1000N载荷下股骨头表面置换前后的载荷-应变关系、近段股骨应力分布、刚度和扭转力学性能。结果载荷为1000N时,置换前后的平均应变、最大平均应力、最大平均位移、刚度等指标的测试结果,经统计学处理均无显著性差异(P>0.05)。表面置换前后最大扭矩值相差19%,有显著差异(P<0.05)。结论表面置换能有效维持近段股骨的正常应力传递,从而能有效保留近段股骨的骨量,为日后翻修提供良好条件。表面置换是适用于年轻患者的过渡性手术。     

全髋关节置换前后股骨侧应力的理论分析

采用复合梁基本理论来构建骨水泥和非骨水泥型全髋关节置换前后假体周围骨质应力分布的解析理论模型，通过将假体周围股骨分成等距的11个断层，并将每个断层分成前、后、内、外四个象限，分别计算每个象限的解析解和有限元分析值，做直线回归并相关分析。结果显示解析理论模型能有效的用于全髋关节置换前后力学环境变化的研究，利用该模型不仅有助于理解并解释临床相关的力学问题，而且有助于对全髋关节置换相关的涉及患者自身、假体设计和手术等多方面因素进行规律性研究。     

新型带锁髓内钉在股骨粗隆间骨折愈合过程中的生物力学研究

目的 用三维有限元法测试新型股骨髓内钉（proximal femoral nail antirotation, PFNA）的刚度、强度等生物力学性能,探讨其在股骨粗隆间骨折愈合前后生物力学应力应变分布情况。方法 利用参数化设计软件UG建立髓内钉三维模型,并用三维图像处理软件MIMICS 对CT图片进行预处理,建立股骨骨折模型及愈合模型并进行数值模拟。结果 骨折愈合前,最大Von Mises应力发生在骨折位置,高达663 Mpa,髓内钉远端锁钉位置应力仅为113 Mpa;骨折愈合后,最大Von Mises应力发生在螺旋刀片与主钉接触位置,股骨干上的锁钉位置出现明显的应力集中现象。结论 骨折愈合后远端锁定钉位置常发生股骨干骨折,因此骨折愈合后应将髓内钉取出。     

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。     

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。     

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.