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。     

人工膝关节常用假体材料及其生物相容性

背景：理想的假体材料对人工膝关节的功能、预后至关重要。 目的：评价各种人工膝关节生物材料的性能、应用及其生物相容性,寻找合理的膝关节替代物。 方法：采用电子检索的方式,在万方数据库(http://www.wanfangdata.com.cn/)中检索1999-01/2009-12有关生物材料应用于人工膝关节的研究文章,关键词为“组织工程,人工膝关节,生物材料”。排除重复研究、普通综述或Meta分析类文章,筛选纳入17篇文献进行评价。 结果与结论：传统的金属和骨水泥材料仍广泛运用于人工膝关节假体中,随着医学和组织工程技术的发展,各种合成生物材料相继出现。近来出现了生物相容性较好的生物陶瓷及高分子复合材料,但存在易磨损的缺点,改进上述材料的缺点,寻求理想的人工膝关节假体材料是当前生物医学工程研究的热点之一。虽然传统的金属、骨水泥、生物陶瓷及高分子复合材料均在临床上大量应用于人工膝关节,但由于其存在各自不可避免的缺点,理想的人工膝关节假体材料仍需进一步开发。     

基于计算机CAD/CAE的个体化人工膝关节假体的设计

目的探索一条利用CAD／CAE技术进行个体化人工膝关节假体设计的可行途径，内容涉及从患膝CT数据读取、三维重建，到假体设计，直至虚拟于术和假体应力状态评价整个流程，从而为个体化膝关节的设计以及手术策划提供一定的指导意义。方法①识别并读取患者病变膝关节CT数据；②运用逆向技术进行膝关节三维重建；③借助计算机辅助设计（CAD）技术进行个体化膝关节假体的设计；④利用计算机虚拟装配技术进行膝关节假体虚拟手术安装、系统运动功能评价；⑤对假体应力状态进行CAE分析。结果基于患者膝关节解剖形态的研究，运用CAD／CAE技术，立足于膝关节假体生物力学性、功能性、稳定性、可靠性及耐用性的设计原则，完成了个体化膝关节假体的设计输出；探索了利用CAD／CAE技术进行个体化人工膝关节假体设计巾从数据读取到产品验证的整个流程。结论CAD评估及虚拟手术证明该设计结构是可行的；CAE计算机辅助分析证明假体的几何尺寸是合理的；该设计流程是切实可行的，它不仅对产品设计甚至对于术的策划具有较强的指导意义。     

膝关节假体置换发展及数字化成型技术的应用

背景：随着膝关节假体材料及生物力学研究的不断深入,假体设计不断更新。如何提高假体置入的几何精度,重建生物学意义上的膝关节,一直是临床关注的核心问题。 目的：总结不同膝关节假体的临床应用概况,探索膝关节三维重建个体化方案,为人工膝关节假体的设计及置换提供良好的生物力学基础。 方法：电子检索CNKI数据库、万方数据库中收录的膝关节假体设计,人工膝关节置换及数字化成型技术在人工膝关节设计中应用的相关综述、实验研究及临床论著,排除陈旧文献及置换方式保守治疗患者资料。 结果与结论：共纳入相关文献27篇。随着人们对膝关节生物力学和解剖的进一步理解,患者对人工膝关节的功能有进一步的要求,数字化重建技术为膝关节几何测量及置换的精准度提供新的思路和技术方法,为胫骨假体形态设计提供解剖数据,提高假体和截面适配度及关节稳定性,减少假体松动等并发症的发生,延长假体使用寿命。基于影像数据进行膝关节三维重建方案可行,效果肯定,可清晰、直观、多角度的观察膝关节的形态特点,既可作为骨关节局部解剖的教学方法又为临床应用提供可靠数据。     

基于逆向工程的三维仿生膝关节建模(英文)

背景:膝关节置换后,要求患肢达到负重,伸屈及旋转活动,稳定性好。这就要求假体的几何形状要与人体相匹配并使其植入后与人体运动规律相一致,才能使假体与周围保留的软组织协调运动,这一切都得依赖于精确的膝关节假体设计与制造。目的:利用计算机辅助技术设计个性化人工膝关节。方法:利用三维镭射扫描和计算机辅助设计技术对人体膝关节进行扫描并对所输出的点云数据进行处理,利用工程软件Geomagic和UG进行膝关节三维实体模型重建。结果与结论:得到了非常精确的膝关节三维模型。为中国人工仿生膝关节的数字化制造,虚拟装配,应力分析,运动分析及模拟手术提供了精确的模型基础。     

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。     

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。     

新型运动模式铰链膝关节假体磨损有限元分析

目的 对新型球轴运动模式铰链膝关节假体进行有限元分析,研究假体磨损仿真的方法及运动方式对假体磨损的影响。方法 基于球轴假体接触力学有限元模型,根据Archard磨损理论,建立磨损有限元模型,以各种运动数据为加载条件,模拟生理活动下膝关节的力学环境,研究球轴假体磨损情况。结果 对于胫骨衬垫,上下楼时平均和最大接触应力均高于步行,上楼时累积磨损体积大于下楼和步行,且磨损均主要发生在衬垫下表面。对于球轴衬套,仅步行时存在短时间接触和磨损,累积磨损体积为0.19 mm³。结论 铰链膝关节假体的球轴运动模式可改善置换后膝关节力学环境,降低衬套磨损,延长假体生存期。有限元仿真可有效预测铰链假体的磨损,为其设计及改进提供理论支持。     

人工膝关节置换:技术发展与临床应用及评价

目的:通过临床验证对人工膝关节置换术技术的发展、运用进行综述与评价。方法:以"人工膝关节;置换;假体;移植重建"为中文关键词,以"totalkneearthroplasty,prosthesis"为英文关键词,采用计算机检索1993-01/2009-10相关文章。纳入与人工膝关节置换术技术在膝损伤修复中的应用等相关文献;排除重复研究或Meta分析类文章。以28篇文献为主重点对人工膝关节置换术技术中材料的选择与运用、术后注意事项、易出现的术后问题等进行了讨论和综合分析。结果:人工关节置换术目前常采用的术式有人工全髋、半髋关节置换术,人工全膝关节置换术,膝关节单髁置换术,人工踝关节置换术,全肩、肘工关节置换术和人工手、足关节置换术等。人工关节假体是置入人体内的材料,其形态的设计、表面处理、材料选用、制造工艺以及包装的要求都十分严格。不同膝关节假体的适应证应由膝关节的骨和软组织条件决定、膝关节韧带的质量和状态、关节畸形以及关节软骨破坏的程度决定假体的选择。结论:选择高质量的假体、不断开发和推广使用其配套器械是全膝关节置换术普及和发展的关键。     

全膝人工关节:历史和生物力学

由于生物力学、假体材料和手术技术的发展,全膝人工关节置换已成为临床常用的手术。迄今,已有一百余种不同类型的人工膝问世,全膝人工关节置换已成为关节固定手术外的另一种可被接受的治疗方法。本文介绍了膝人工关节的发展历史,并综述了设计结构合理的人工膝必须了解的膝关节的生物力学,包括膝关节结构对功能的影响、通过膝关节的作用力和膝关节的运动等。     

一个人膝关节弹性咬合接触的生物力学模型

基于人膝关节的解剖特征,在文献和试验的基础上,对膝关节解剖结构作了适当的简化,从而根据赫茨理论,建立了在节股骨与胫骨弹性啼合接触的生物力学模型,并获得了膝关节弹性咬合接触的最大咬合接触应力,咬合接触面积和相对咬合接触变形的定解形式,这些解的结果,对于指导临床诊断和治疗膝关节病等均具有重要作用。     

膝关节人工交叉韧带材料的运动力学特征及临床应用评价

背景：交叉韧带损伤是膝关节常见的运动损伤,可引起膝关节的疼痛和关节不稳,常伴有关节松弛、半月板损伤等症状出现。 目的：分析膝关节人工交叉韧带的特点以及在膝关节交叉韧带损伤治疗中的效果评价。 方法：膝关节交叉韧带发生断裂时,需要通过外科方法重建韧带功能,应用生物材料进行交叉韧带的重建,可以使患者获得较少的病废,并且允许患者膝关节在治疗后立即活动,有利于患者的康复。交叉韧带的移植材料包括自体韧带材料、同种异体韧带材料和人工韧带材料。 结果与结论：膝关节交叉韧带修复重建的自体材料有骨-髌腱-骨和半腱肌移植,骨-髌腱-骨移植的并发症较多,半腱肌与股薄肌腱取材后会影响关节的功能。异体韧带材料主要包括骨-髌腱-骨和股四头肌腱-骨,异体材料的不足之处是杀灭细菌和病毒不完全。人工交叉韧带材料分为永久性韧带材料、支架韧带材料和框架韧带材料,LARS人工韧带移植治疗交叉韧带损伤的疗效较为理想,与自体韧带移植的近期疗效相比,差异有显著性意义(P < 0.05),与自体韧带移植的远期疗效比较无差异。无论是自体、同种异体还是人工韧带材料,每种材料都有各自的优缺点,需要根据患者的自身情况和病情来决定,人工韧带材料为交叉韧带移植提供了新的材料选择,随着生物材料学和生物医学工程学的发展,人工韧带材料一定会成为韧带材料的良好替代物。     

不同规格膝关节假体的接触状态研究

目的对设计相同但规格尺寸不同的同型号产品进行接触状态分析,为磨损试验的规格选择提供理论依据。方法基于合理性假设,利用ABAQUS模拟膝关节系统在站立位时的受力情况,并通过采用富士感压纸(MW)对不同规格产品进行接触面积试验,用于对比分析研究。结果通过模拟分析,该型号产品随着规格增大,股胫接触面积增大,范围为128～220 mm~2,形状逐渐加宽,接触应力减小,范围为20.73～32.70 MPa。结论对比接触应力和接触面积的综合变化率,以及各个规格的市场占有率,确定选择#4或#5规格进行膝关节磨损试验更为合理。     

Multibody dynamic simulation of knee contact mechanics

Multibody dynamic musculoskeletal models capable of predicting muscle forces and joint contact pressures simultaneously would be valuable for studying clinical issues related to knee joint degeneration and restoration. Current three-dimensional multibody knee models are either quasi-static with deformable contact or dynamic with rigid contact. This study proposes a computationally efficient methodology for combining multibody dynamic simulation methods with a deformable contact knee model. The methodology requires preparation of the articular surface geometry, development of efficient methods to calculate distances between contact surfaces, implementation of an efficient contact solver that accounts for the unique characteristics of human joints, and specification of an application programming interface for integration with any multibody dynamic simulation environment. The current implementation accommodates natural or artificial tibiofemoral joint models, small or large strain contact models, and linear or nonlinear material models. Applications are presented for static analysis (via dynamic simulation) of a natural knee model created from MRI and CT data and dynamic simulation of an artificial knee model produced from manufacturer's CAD data. Small and large strain natural knee static analyses required 1 min of CPU time and predicted similar contact conditions except for peak pressure, which was higher for the large strain model. Linear and nonlinear artificial knee dynamic simulations required 10 min of CPU time and predicted similar contact force and torque but different contact pressures, which were lower for the nonlinear model due to increased contact area. This methodology provides an important step toward the realization of dynamic musculoskeletal models that can predict in vivo knee joint motion and loading simultaneously.     

人体膝关节有限元动力学分析模型的建立与验证

根据乘员碰撞事故中人体膝关节的生物力学响应特性,应用有限元(FE)方法和碰撞模拟技术,构建了一个人体膝关节模型。模型按人体解剖学结构构建,由股骨内、外侧髁,胫骨内、外侧髁,腓骨小头、髌骨、软骨、半月板以及主要韧带构成。通过比较模型仿真和尸体碰撞实验在轴向载荷条件下膝关节受刚性碰撞的响应结果,验证了模型的有效性。该模型为研究人体膝关节损伤机理提供了可靠的基础数据,并可应用于乘员损伤防护装置的设计和开发。     

旋转铰链式膝关节假体置换治疗恶性骨肿瘤

背景：在新的辅助化疗和人工假体设计的协助下,肢体恶性骨肿瘤的治疗效果得到大幅度提高,关节置换成为恶性骨肿瘤治疗的主要保肢方法 目的：观察旋转铰链式膝关节假体在恶性骨肿瘤保肢治疗中的疗效。 方法：选择2005-01/2009-10盐城市第一人民医院骨科收治的膝关节恶性骨肿瘤患者15例,均行旋转铰链式膝关节假体置换。置换后采用Enneking肢体肌肉骨骼肿瘤外科治疗重建置换后膝关节功能评估标准进行评估。 结果与结论：15例患者置换后获随访7~51个月。1例置换后出现感染并发症,血沉检查结果升高,经清创、关节松解和抗炎治疗后好转,关节功能得到恢复。置换后患者均未出现肿瘤复发和肺转移病例,无假体松动和体断裂出现。Enneking功能评估,肢体功能优7例(47%),良5例(33%),差3例(20%),优良率达80%。提示应用旋转铰链式膝关节假体置换治疗膝关节恶性肿瘤效果良好,可以保留良好的肢体功能,是一种较为满意的保肢方法。     

前交叉韧带力学特性差异对膝关节有限元仿真结果的影响

目的研究不同前交叉韧带力学特性对膝关节有限元模拟结果产生的影响。方法基于医学图像数据重建包含主要解剖结构在内的膝关节三维有限元模型,并考虑韧带的横观各向同性特性;用同一种韧带本构方程对3种不同前交叉韧带应力应变力学实验曲线进行参数拟合,对比不同的前交叉韧带力学参数对膝关节运动学和生物力学性能的影响。结果不同的前交叉韧带力学特性会得到不同的膝关节位移结果,前交叉韧带内的应力及应变大小有很大变化,但分布的趋势基本相同。结论选取不同前交叉韧带力学特性曲线会影响膝关节有限元分析的仿真结果,今后在关节组织力学性能的设置、模型的构建及验证中要足够重视。     

Virtual reconstruction of the posterior cruciate ligament for mechanical testing of total knee arthroplasty implants

BackgroundTotal knee arthroplasty (TKA) design continues to be refined. As part of the pre-clinical design process, kinematic evaluation under ideal circumstances must be simulated. Previously, this was accomplished mechanically through the use of elastomeric bumpers and human cadaver models, which can be costly and time-intensive. With improved technology, a six-axis joint simulator now allows for virtual ligament reconstruction. The aim of this study was to create and evaluate a virtual posterior cruciate ligament (PCL) model to simulate native knee kinematics for component testing in TKA.MethodsThree human cadaveric knee specimens were utilized, each mounted in a six-axis joint simulator and the femoral and tibial ligament insertion points digitized. Ligament stiffness and kinematics were first tested with the intact knee, followed by retesting after PCL transection. Knee kinematic testing was then repeated, and the virtual PCL was reconstructed until it approximated that of the intact knee by achieving less than 10% random mean square (RMS) error.ResultsA virtual three-bundle PCL was created. The RMS error in anterior–posterior motion between the virtually reconstructed PCL and the intact knee ranged from six to eight percent for simulated stair climbing in the three knee specimens tested, all within our target goal of less than 10%.ConclusionThis study indicated that a virtually reconstructed three-bundle PCL with a joint simulator can replicate knee kinematics. Such an approach is valuable to obtain clinically relevant kinematics when testing cruciate-retaining total knee arthroplasty under force control.     

In vivo three-dimensional kinematics of the normal knee during active extension under unloaded and loaded conditions using single-plane fluoroscopy

Measurement of the changes of the three-dimensional (3D) motion and surface kinematics of the knee under different external loading conditions is essential for the understanding and evaluation of the function of the joint, as well as for relevant clinical applications. Knee extension exercise (KEE) has been applied extensively in the rehabilitation programs of patients with various knee disorders. This study measured the 3D knee kinematics of eight normal subjects during active knee extension for unloaded and loaded conditions using a voxel-based method for the registration of fluoroscopic images with CT bone data. The knee kinematics during unloaded conditions were found to be similar to previous findings. A mass of 5 kg at the ankle did not affect the joint angles but significantly altered the lateral contact positions during knee extension, especially at knee flexion angles higher than 75 degrees, and also reduced the asymmetry of the surface kinematics between the medial and lateral condyles. The results of the current study may be useful for knee replacement design and for developing guidelines for the use of KEEs for the rehabilitation of patients with knee disorders.