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.     

侧向冲击载荷作用下股骨-骨盆复合体的生物力学响应

目的利用三维有限元分析方法研究股骨-骨盆复合体在人体侧向摔倒时冲击载荷作用下的生物力学行为特性。方法基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织;同时,构建一个刚体平面仿真地面。约束地面刚体,对整个股骨-骨盆-软组织复合体模型施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms。通过三维有限元分析计算获得股骨-骨盆侧摔冲击过程中应力应变变化特性。结果在13 ms时,股骨大转子处软组织与地面的接触力达到最大值7 656 N,对应的骨盆软组织上的最大等效应力值为2.64 MPa。冲击过程中,耻骨联合处骨皮质上等效应力出现极大值,为142.64 MPa,接近其屈服强度;股骨颈和大转子处应力水平较高,股骨颈处皮质骨上的最大等效应力值为76.49 MPa;股骨颈处松质骨上的最大等效应力值为8.44 MPa,最大压缩应变值为0.94%;股骨大转子处松质骨上的最大等效应力值为8.50 MPa,最大压缩应变值为0.93%。结论人体股骨-骨盆复合体在侧摔减速冲击载荷作用下股骨颈、大转子及耻骨联合处易出现骨折。     

单髁置换股骨假体不同放置位置的生物力学效应

背景：单髁置换手术的高翻修率是亟待解决的问题,翻修原因多为假体松动、聚乙烯磨损和健侧间室关节炎进展等术后并发症,而上述并发症与假体对位不良引起的关节内应力异常密切相关。目的：研究内侧固定平台单髁置换过程中股骨假体不同内外翻角度对聚乙烯上表面、外侧间室软骨表面及胫骨假体下松质骨表面应力大小和分布的影响。方法：利用放射学技术和三维扫描技术获得膝关节和单髁假体的数字化影像,通过mimics、Ansys workbench等软件建立正常膝关节模型并验证其有效性。在Ansys workbench软件中模拟单髁置换手术,将假体进行适当定位,并改变股骨假体位置,建立股骨假体内、外翻0°,3°,6°,9°,12°共9种工况,观察各工况中聚乙烯上表面、外侧间室软骨表面及胫骨假体下松质骨表面应力大小和分布的变化规律。结果与结论：①在膝关节伸直位静态载荷下,聚乙烯上表面的应力随假体内外翻角度的增大而增大,外翻时的增幅更大;聚乙烯上表面的应力分布在内翻时向内移,在外翻时向外移;②外侧间室软骨表面的应力在内翻时增大、外翻时减小;③胫骨假体下松质骨表面的应力集中在沟槽中,内外翻时应力均增大,外翻时的增幅更大;④从内翻到外翻的过程中载荷逐渐向内侧间室转移;⑤各结构中聚乙烯上表面的应力最大,其中股骨假体内、外翻≥ 6°的应力值显著高于标准位置(内、外翻0°)。https://orcid.org/0000-0003-4139-8484 (马鹏程);https://orcid.org/0000-0001-9058-1758 (张思平)中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

从生物力学角度认识股骨解剖结构对膝关节置换的影响

文题释义：膝关节骨关节炎：是一种以退行性病理改变为基础的疾患,多患于中老年人群,其症状多表现为膝盖红肿痛、上下楼梯痛、坐起立行时膝部酸痛不适等。 股骨：是人体中最大的长管状骨,可分为一体两端,用于支撑人体的躯干及骨盆等。 背景：关节置换已成为重度膝关节骨关节治疗的主要方法之一,而股骨形态在关节置换中的作用日益受到重视,通过有限元分析股骨形态对关节置换后生物力学的影响。 目的：简述股骨解剖学特性及膝关节置换研究进展,通过有限元分析法对不同股骨形态对膝关节置换后生物力学影响的进展。 方法：通过输入“股骨形态,股骨解剖形态,股骨侧弓角,膝关节骨关节炎,膝关节置换术,全膝关节置换术,单髁关节置换术,生物力学,有限元分析,total knee arthroplasty,unicompartmental knee arthroplasty,finite element analysis”等关键词,利用计算机检索万方、维普、CNKI、PubMed、Elsevier和Web of Science数据库,通过阅读标题和摘要进行初步筛选,排除与主题相关度低的文献,最终共纳入102篇文献进行结果分析。结果与结论：①股骨形态在不同人种、不同性别中存在较大差异;②不同股骨形态行膝关节置换时对股骨髓内定位杆插入点、股骨外翻截骨角度、胫骨截骨角度等均产生影响;③有限元分析相比于早期生物力学分析方法及体外实验的操作性更强,并且以已成为骨科生物力学研究的首选方法,通过有限元分析方法对股骨形态对膝关节置换的影响具有独特优势,被越来越多的人重视。 ORCID: 0000-0002-4625-7640(李超) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

膝关节单髁置换胫骨优化截骨设计的生物力学研究

目的 比较膝关节单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty, UKA)常规截骨、保留圆角截骨及全新扩大圆角截骨方法对术后胫骨近端生物力学特性的影响。方法 基于Sawbones胫骨的CT数据,构建完整胫骨模型及不同截骨方式下UKA术后胫骨模型,采用轴向压缩工况对模型进行有限元分析,比较不同模型间胫骨近端应变情况及骨水泥应力差异。结果 在轴向压缩工况下,扩大圆角组其截骨区皮质骨von Mises应变峰值较常规截骨组与保留圆角组有所增加,而松质骨von Mises应变峰值则分别减少24.3%～42.9%、26.0%～48.7%。对比截骨区松质骨与皮质骨von Mises应变峰值差Δε_peak,发现扩大圆角组其Δε_peak远远小于其余两组。UKA后不同模型间胫骨前内侧皮质骨最小主应变无明显差异,但较完整胫骨模型增加23.3%～34.5%。扩大圆角组骨水泥单元平均von Mises应力随着圆角半径增大呈现下降趋势,且整体均小于常规截骨组与保留圆角组。结论 全新扩大圆角截骨方法可使健康骨质条件下胫骨近端应力传递更均匀...     

全膝关节置换胫骨平台截骨后倾角对关节接触力的影响

目的 通过膝关节有限元模型模拟胫骨平台不同截骨后倾角(posterior tibial slope,PTS),计算全膝关节置换(total knee arthroplasty,TKA)后聚乙烯衬垫、胫骨截骨面以及胫骨干处的应力分布,探索胫骨平台不同截骨后倾角对胫股关节接触力的影响.方法 根据1例膝骨关节炎患者的下肢CT及MRI图像,建立术前膝关节三维模型,而后进行模拟全膝关节置换,分别建立胫骨平台0°、3°、6°、9°截骨后倾的膝关节有限元模型.在Abaqus中进行仿真计算,选择静止站立进行加载,施加轴向载荷300 N.结果 随着胫骨平台截骨后倾角的增加,聚乙烯衬垫内外侧接触合力百分比没有明显变化,但各部位的应力峰值随之增加.聚乙烯衬垫内侧接触应力峰值从0°时的4.51 MPa增加到9°时的6.13 MPa;外侧接触应力峰值从3.57 MPa增加到6.02 MPa.胫骨截骨面处的接触应力峰值从0°时的0.84 MPa增加到9°时的1.09 MPa.胫骨干处的应力峰值从0°时的1.97 MPa增加至9°时的3.23 MPa.结论 胫骨平台截骨后倾角的增加会加大聚乙烯衬垫、胫骨截骨面、胫骨干处的应力峰值.应力峰值过大会增加假体磨损及松动的风险,使得术后关节疼痛或假体翻修的可能性加大.胫骨平台截骨后倾角直接影响到术后的膝关节功能,有待于开展大量的相关研究,综合探索截骨规律.     

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。     

侧向冲击载荷作用下髋护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响

目的利用三维有限元法研究髋部护具对人体股骨-骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下生物力学响应的影响。方法基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织,并在此基础上建立髋部护具和股骨-骨盆-软组织复合体系统的三维有限元模型;同时,在两个模型中构建刚体平面仿真地面。约束地面刚体,对两个模型均施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms。通过三维有限元分析计算获得两模型受侧向冲击载荷过程中应力、应变变化特性,对比分析髋部护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响。结果髋部护具使股骨-骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下的应力峰值出现时间提前4 ms以上,且应力应变水平出现大幅度降低;皮质骨上的应力峰值降低67.88%以上,松质骨上的峰值应力下降69.34%以上,松质骨上的压缩主应变峰值降低可达63%。结论在侧向冲击载荷作用下,髋部护具对股骨-骨盆复合体具有良好的保护作用,能够有效预防骨折的发生或降低骨折风险。     

单髁置换过程中胫骨假体立柱长度对膝关节生物力学的影响

背景：膝关节单髁置换手术能有效治疗膝关节单侧严重骨关节炎,临床上发现单髁置换后容易发生胫骨后侧骨皮质断裂,断裂始于胫骨截骨的龙骨槽处,胫骨假体立柱长度影响单髁置换后膝关节的生物力学结果。目的：探讨单髁置换中胫骨假体立柱长度对膝关节生物力学的影响,找出假体立柱长度与患者胫骨前后径的关系。方法：选取37岁无膝关节疾病史健康女性志愿者的计算机断层扫描图像数据和常用单髁假体,建立自然膝关节模型并建立单髁假体模型。建立8种不同长度的胫骨假体立柱,最小长度为31 mm,最大长度为34.5 mm,以0.5 mm递进,与医院常使用假体立柱长度33.2 mm进行对比。股骨组件和胫骨组件的材料是钴铬钼合金,胫骨衬垫材料是超高分子量聚乙烯。使用有限元分析软件在股骨上方加载1 000 N观察膝关节的生物力学变化。结果与结论：(1)胫骨假体立柱长度为33 mm时胫骨应力最小,前交叉韧带应力最小,外侧半月板应力最小,股骨假体应力最小;余下各部件应力都较小;(2)受试者本身胫骨内侧平台前后径长度为53 mm,通过计算比例,胫骨假体立柱长度占胫骨前后径最佳比应为62%左右,如果低于此值可能会发生假体无菌性松动,如果高...     

不同咬合方式下人体下颌骨膜下种植体的生物力学特性

目的研究骨膜下种植体在4种咬合力作用下的生物力学特征,为临床病例骨膜下种植体个性化设计提供基础。方法在下颌骨三维实体模型的基础上,分别建立网状基底骨膜下种植体(种植体1)和带状基底骨膜下种植体(种植体2)。研究在4种荷载作用下两种种植体的应力分布。结果种植体1在荷载Ⅳ作用下最大应力可达230.42 MPa,种植体2在荷载Ⅰ作用下最大应力可达311.11 MPa。网状基底种植体具有较好的抗垂直荷载能力,而带状基底种植体具有较好的抗斜向荷载能力。结论在种植体设计时可以通过合理布置基台个数和间距来有效控制种植体上的应力,同时应使基台与下颌牙槽嵴垂直,以保证斜向荷载水平分力不被放大。此外,还应保证基底对基台有足够的约束,避免因约束不足导致基台底部应力过大。在义齿制作过程中,应保证全口义齿做正中、前伸、侧方咬合时必须多点接触,使咬合处于平衡状态,达到减小接触面拉应力的目的。     

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。     

一体化小腿假肢的三维有限元应力分析

建立一体化小腿假肢和残肢的三维模型，应用有限元分析方法，计算此模型在模拟Mid—Stance步态时相的载荷作用下各节点的应力，从而得到此模型内外表面的应力分布，为一体化假肢设计的CAD＼CAM系统提供理论依据。计算结果表明，接受腔的应力值较小，假腿的应力值较大，高应力区出现在假腿下端及接受腔与假腿的交界区域。     

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。     

Metaphyseal sleeves in revision total knee arthroplasties: Computational analysis of bone remodeling

BackgroundMetaphyseal sleeves help maintain long term stability and reduce revision rate for aseptic loosening in total knee arthroplasty (TKA) revision. However, their performance regarding bone remodeling is still poorly known for the long term. This study aimed to investigate the impact of metaphyseal sleeves on the bone remodeling of the tibia.MethodsFive finite element models of a female tibia with different implant configurations (regarding stem length and metaphyseal sleeve application) were developed. Loading conditions included joint reaction force, muscle, and tibia-fibula loads from 6 instances of the gait cycle. The bone remodeling model applied was adapted to the subject under analysis by selecting the bone remodeling parameters that best replicated the bone density distribution of the tibia estimated from the CT data. Changes in bone density after TKA were evaluated in 8 regions of interest.ResultsGlobal bone loss ranged from −31.16%, in 115 mm stemmed configurations, to −20.93%, in 75 mm stemmed configurations. Apart from the lateral and posterior regions in the proximal tibia, whose bone loss reduced and increased, respectively, due to the incorporation of a metaphyseal sleeve, changes in bone density were similar with and without a metaphyseal sleeve for each stem length.ConclusionThe results suggest that bone remodeling of the tibia is not critically affected by the incorporation of metaphyseal sleeves. Considering that sleeves are believed to present a favorable clinical outcome in stability and osseointegration, reducing the revision rate for aseptic loosening, their advantages seem to outweigh their disadvantages regarding bone remodeling.     

膝关节股骨远端软骨硬化前后力学性能分析

目的建立膝关节有限元模型,研究正常及软骨硬化情况下膝关节的应力、应变变化,为临床治疗膝关节骨性关节炎提供参考。方法通过Mimics、ANSYS等软件结合正常膝关节CT扫描图像数据,建立膝关节三维有限元模型,并施加350 N压力载荷,设定软骨硬化前后相关的材料参数,分析膝关节主要组织的应力、应变改变情况。结果膝关节股骨远端软骨硬化后,关节软骨的减震和传递负荷等作用基本消失;股骨应力、应变变化量最大,受力分布极不均匀,股骨前端应力、应变较内、外侧髁明显,整体受力也有明显增加;半月板的应力、应变值最大。结论长期的软骨破坏会影响关节软骨营养代谢,导致骨性关节炎疾病进一步恶化。研究结果可以较好阐释骨性关节炎发病过程和机理,同时为建立参数化研究系统提供相关数据。     

全髋关节置换术中臼杯水平位移对股骨侧非骨水泥型假体-骨界面应力影响的有限元分析

目的　利用三维有限元力学分析方法, 研究全髋关节置换术中臼杯水平位移对股骨侧非骨水泥型假体-骨界面应力分布的影响。 方法　选取正常人体的骨盆及股骨为实验对象, 螺旋CT 扫描,利用计算机仿真技术对CT图像进行三维重建,建立髋关节及股骨模型,进行全髋关节置换的模拟手术, 臼杯位置从髋关节旋转中心外侧10mm处起,水平内移,每隔2 mm为一个实验组,至内移至旋转中心内侧10 mm,共分11个实验组。加载关节负荷,观察股骨侧假体-骨界面间的Von Mises应力分布情况, 对结果进行统计分析。 结果　臼杯的水平位移没有改变股骨总体的应力云分布;各组假体-骨界面应力均值（4.728±2.152）-（5.431±2.465）MPa,均值有差异,差异有统计学意义;应力均值、极差、标准差均随内移而降低,呈高度的负相关。近端假体-骨界面的应力变化,与整个股骨的应力变化相似。 结论　假体的水平内移可以降低股骨侧假体-骨界面间的Von Mises应力,内移可以使界面的应力分布更均匀。     

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。     

Comparison of stress on knee cartilage during kneeling and standing using finite element models

Kneeling is a common activity required for both occupational and cultural reasons and has been shown to be associated with an increased risk of knee disorders. While excessive contact pressure is considered to be a possible aggressor, it is not clear whether and to what extent stress on the cartilage during kneeling is different from that while standing. In this study, finite element models of the knee joint for both kneeling and standing positions were constructed. The results indicated differences in high-stress regions between kneeling and standing. And both the peak von-Mises stress and contact pressure on the cartilage were larger in kneeling. During kneeling, the contact pressure reached 4.25 MPa under a 300 N compressive load. It then increased to 4.66 MPa at 600 N and 5.15 MPa at 1000 N. Changing the Poisson's ratio of the cartilage, which represents changes in compressibility caused by different loading rates, was found to have an influence on the magnitude of stress.