骨表面再造数值模拟在人工股骨头假体优化设计中的应用

人工股骨头假体植入技术目前存在的主要问题之一是：植入假体存在远期等工发症,从而导致手术失败。对于引起松动的主要原因,通常人们认为是磨损磨屑和应力遮挡所造成的骨质吸收。因此,对人工股骨头假体植入物的结构进行优化是具有特别重要的意义,本文采用骨再造理论与有限元结合的方法,用计算机模拟人工股骨头假体植入股骨的再造行为,用截面吸收率和抗弯截面模量损失率定量分析假体所产生的应力遮挡效应,骨再造理论采用变能密度作控制变量的表面再造理论,有限单元采用二十节点等参数等单元。结果表明：在所讨论的假体模型中,三种围领形式的假体产生的骨吸收仅相差4％。三种长度直柄的假体所产生的骨吸收相差近30％,直柄长度的变化对应力遮挡效应有更显著的影响。     

骨表面再造数值模拟在人工股骨头假体优化设计中的应用

人工股骨头假体植入技术目前存在的主要问题之一是植入假体存在远期松动等并发症,从而导致手术失败.对于引起松动的主要原因,通常人们认为是磨损碎屑和应力遮挡所造成的骨质吸收.因此,对人工股骨头假体植入物的结构进行优化是具有特别重要的意义.本文采用骨再造理论与有限元结合的方法,用计算机模拟人工股骨头假体植入后股骨的再造行为,用截面吸收率和抗弯截面模量损失率定量分析假体所产生的应力遮挡效应.骨再造理论采用应变能密度作控制变量的表面再造理论,有限单元采用二十节点等参数单元.结果表明在所讨论的假体模型中,三种围领形式的假体所产生的骨吸收仅相差4%.三种长度直柄的假体所产生的骨吸收相差近30%,直柄长度的变化对应力遮挡效应有更显著的影响.     

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。     

复杂受力下股骨应力分析

目的对人体在行走时身体发生扭曲、跌倒等情况下股骨可能发生在弯矩和压力复合荷载作用下的受力问题进行研究,为人工股骨头置换的设计和手术提供指导。方法应用大型通用有限元软件ANSYS进行受力分析,根据人体股骨的实际尺寸,采用plate42单元建立平面模型,将股骨头传递的关节力的作用点向外偏移为0mm、5mm、10mm、15mm,模拟股骨头受弯矩作用的情况下股骨应力分布。结果得出了在弯压复合荷载下股骨的变形、应力云图、股骨颈和股骨干上端的截面应力。结论股骨颈存在较大的应力集中现象,股骨颈外侧承受较大的拉应力,股骨颈内侧承受较大的压应力,股骨干在垂直方向上外侧为拉应力,内侧为压应力。随着弯矩的增加股骨的应力有明显增加。     

医用316L不锈钢接骨板固定股骨的有限元方法分析

目的用三维有限元方法对医用316L不锈钢接骨板、螺钉及股骨进行应力计算,最终分析316L不锈钢接骨板对股骨的应力遮挡效应.方法首先建立医用316L不锈钢接骨板、螺钉及股骨的三维几何模型;网格划分后建立对应的三维有限元模型;在定义材料属性的基础上,加载边界条件,对站立位状态下的接骨板及螺钉强度进行有限元计算,同时分析股骨应力遮挡问题.结果通过对螺钉未加压状态和加压状态下股骨所受应力与站立位时正常股骨应力的对比,得出医用316L不锈钢接骨板及螺钉对股骨的应力遮挡效应.结论医用316L不锈钢接骨板及螺钉对股骨产生明显的应力遮挡效应,仅靠螺钉加压对应力遮挡效应的降低作用有限.本文建立的接骨板对股骨应力遮挡的分析方法可广泛应用于其他骨骼骨折应力遮挡的分析.     

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。     

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。     

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。     

股骨上段应力状态分析

采用光弹性实验方法，对股骨上段模型进行应力分析，结果表明：①股骨头部较颈部应力小．颈部内侧下方应力较大为压应力，其外侧上方为拉应力，呈现出们心受压状态；②股骨距部位是股骨上段的主要承载区，该处承受较大压应力，其应力分布与骨小梁走向及股骨距处皮质增厚一致，③股骨干上段受力状态近似梁弯曲，其内外侧皮质均承受较大应力，内侧压应力幅值大于外侧拉应力。     

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。     

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。     

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。     

Relationships Between Femoral Strength Evaluated by Nonlinear Finite Element Analysis and BMD, Material Distribution and Geometric Morphology

Precise quantification of femur strength and accurate assessment of hip fracture risk would help physicians to identify individuals with high risk and encourage them to take preventive interventions. A major contributing factor of hip fracture is the reduction of hip strength, determined by the bone quality. Bone mineral density (BMD) alone cannot determine bone strength accurately. In this paper, subject-specific quantitative computer tomography (QCT) image-based finite element analyses were conducted to identify the quantitative relationships between femoral strength and BMD, material distribution and geometric morphology. Sixty-six subjects with QCT data of hip region were selected from the MrOS cohorts in Hong Kong. Subject-specific nonlinear finite element models were developed to predict strengths of proximal femurs. The models took non-linear elasto-plasticity and heterogeneity of bone tissues into consideration and derived bone strengths with proper bone failure criteria. From finite element analysis (FEA), relationships between femoral strength and BMD, material distribution, and geometric parameters were determined. Results showed that FEA-predicted femoral strength was highly correlated with BMD, material distribution, height, weight, diameters of femoral head (HD), and femoral neck (ND), as well as the moment arm for femoral neck bending-offset (OFF). Through principal components analysis, three independent principal components (PCs) were extracted. PC1 was the component of bone material quality. PC2 included height, weight, HD, and ND. PC3 mainly represented OFF. Multivariate linear regression showed that the PCs were strongly predictive of the FEA-predicted strength. This study provided quantitative information regarding the contributing factors of proximal femur strength and showed that such a biomechanical approach may have clinical potential in noninvasive assessment of hip fracture risk.     

股骨头缺血性坏死骨瓣移植过程的有限元模拟

基于临床上的一例股骨头三期缺血性坏死患者的单侧CT图像数据，建立了股骨近端的三维有限元模型，包括：正常模型、坏死模型和修复模型。并基于医学OF图像数据，分别对三种有限元模型赋予材料性质。最后应用有限元软件，对股骨头缺血性坏死骨瓣移植手术过程进行了数值模拟。分析结果表明，切除掉坏死区域后，股骨头近端的位移及应力值均增加较大，而采用骨瓣移植手术，可以有效地减少股骨近端的位移及应力值，使其更接近正常状态。说明了该手术方法安全可靠并行之有效。     

股骨头缺血性坏死塌陷预测的生物力学研究

目的：探索不同部位囊性变对股骨头缺血性坏死的生物力学影响，为预测股骨头的塌陷和指导临床治疗方法的选择提供基础。方法：取新鲜股骨上段标本，行螺旋CT断层扫描，所得图像用Efilm软件系统处理，利用Ansys-5．7大型计算机软件建立股骨上段三维有限元异物同构模型，模拟股骨头内囊性变。施加3种不同载荷，分析股骨头内应力分布情况。结果：股骨头受压后，中央区域表现为压应力，而前方和后方区域则表现为张力，符合球体受压后的膨胀趋势。股骨头负重区下方及其内侧和外侧的囊性变应力集中最明显，易引起股骨头塌陷。当囊性变位于股骨头的前方、后方、中心和下方时，其上下缘的应力集中不是很明显，股骨头塌陷断裂风险不大。结论：股骨头内不同部位的囊性变对股骨头缺血性坏死的生物力学影响是不同的，三维有限元应力分析法可以预测坏死股骨头的塌陷，并指导临床选用适当的显微外科治疗方法。     

聚醚醚酮各向异性 3D 打印对股骨替代物力学性能的影响

目的 针对材料挤出成形3D打印聚醚醚酮(polyetheretherketone, PEEK)骨替代物制造工艺存在明显各向异性的问题,以下肢股骨为例,研究不同摆放方式下3D打印PEEK股骨替代物的力学性能。方法 在有限元模型中模拟人体步态周期中5种姿态,改变正交各向异性,计算不同打印摆放方式下股骨应力与变形,并通过力学实验研究3D打印PEEK股骨的安全性与稳定性。结果 竖直摆放优于水平摆放方式,此时3D打印PEEK股骨替代物最大应力为46.56 MPa,低于PEEK材料的屈服强度但变形量大于自然股骨,满足服役过程中力学性能需求,而承载稳定性有待提高。结论 使用材料挤出成形制造承重骨时应优先采用竖直摆放的方式,3D打印技术在用于承重部位骨替代物时应谨慎考虑其各向异性对替代物服役性能的影响。     

Biochemical and physiological weaknesses associated with the pathogenesis of femoral bone degeneration in broiler chickens

Femoral bone degeneration has been recognized as an important cause of lameness in broiler chickens for many years, but the pathogenesis of this condition has not been completely elucidated. The current work presents comprehensive analyses of changes associated with femoral bone degeneration based on findings from gross pathology, histopathology, biochemistry, and synchrotron-based imaging techniques. Gross lesions were predominantly seen in epiphysis and metaphysis of the proximal femur, and infrequently in distal femur, but we did not observe gross lesions in the diaphysis. Bone fractures were observed occasionally, but the most common lesions involved separation of articular cartilage of the femoral bone head, with progressive erosions of the subchondral bone. In advanced cases, on histopathological examination, changes in femoral bone were indicative of chondronecrosis and osteonecrosis. Computed tomography revealed that the degenerative process involves loss of trabecular bone. The course of the lesion development in the mineralized matrix appears to be coupled with increased bone resorption associated with excessive proliferation of pathologically altered osteoclasts. Light microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, and biochemical analysis provided consistent evidence that lowered protein content of the bone organic matrix is an integral component of femoral bone pathology, but these changes do not appear to be associated with excessive activity of matrix metalloproteinases. Taken together, our findings indicate that femoral bone degeneration is associated with structural changes occurring in both inorganic and organic matrix of the bone, but insufficiency in protein metabolism is most probably a primary aetiological factor in the natural history of femoral bone degeneration. However, it is important to stress that our findings do not negate the importance of bacterial infection in the evolution of this condition. Pathogens play a critical role in the progressive pathogenesis of this condition, which ultimately is manifested, in most instances, as femoral head necrosis.