髋臼发育不良性髋关节的三维有限元非线性接触压力分析

目的 从生物力学角度探讨髋臼覆盖程度(CE角)在髋臼发育不良引起的髋关节继发性骨关节炎中的作用。方法 建立正常、髋臼发育不良及髋臼过渡覆盖的髋关节三维有限元模型,应用非线性接触压力分析方法,观察髋臼发育不良性髋关节的关节软骨接触压力及软骨下骨应力分布。结果在所有的模型中,接触压力及应力均发生在股骨头最上部及与其相对应的髋臼顶穹部。在髋臼发育不良的模型中,另有过度不正常的接触压力发生在髋臼的后上缘区域。随着CE角的减小,接触压力和峰应力明显增高,接触面积下降。当CE角大于30°,压力分布类型及接触压力和峰应力改变不明显。结论髋臼覆盖程度降低所导致的生物力学改变在髋关节继发性骨关节炎中起重要作用。     

骨盆截骨术治疗髋脱位的生物力学分析与临床应用

目的：探讨骨盆截骨术治疗髋关节脱位的生物力学效果,为临床提供理论依据。方法：采用骨盆－髋－股骨头完整新鲜尸标本４具,应用实验方法测定骨盆－髋－股骨头上压应力、剪应力、髂部应力以及不同髋臼指数下股骨头的下沉位移与髋臼接触应力。结果：表明不同髋臼指数下,在３０°以下测试组股骨上应力与正常对照组差异不显著（Ｐ＞０．０５）,在３０°以上应力增加较快,两者应力相差１５％,满足手术要求,股骨头位移里相似规律性,髋部接触应力集中有所改善。结论：骨盆截骨术治疗够脱位是一种既符合生物力学原理,又安全可靠的造盖术,具有一定的临床应用价值。     

Bernese髋臼截骨术术前规划中骨盆建模对结果的影响

目的 探究在Bernese髋臼截骨术的术前规划中不同建模完整程度对髋臼应力分布和截骨最佳角度结果的影响。方法 对1位髋关节发育不良患者按照建模完整程度不同建立两个模型,模型1包括患侧髋骨和股骨,模型2包括完整骨盆及患侧股骨。对比分析两个模型单腿站立情况下髋臼软骨接触压力、面积和分布情况,并模拟截骨,分析两种建模方式对术前规划结果的影响。结果 术前模型2相比模型1接触压力大、接触面积小,并且分布更靠近髋臼月状面上边缘。比较11个术后方案,模型1的接触压力变化幅值和最佳截骨角度均小于模型2。结论 建模完整程度只有患侧髋骨和股骨的术前分析结果会低估应力集中程度和误判应力集中点的位置,并且其最佳截骨旋转角度结果较小。研究结果为截骨术前规划建模提供一定理论依据。     

发育性髋关节发育不良患者不同髋关节外展角度下髋部应力分布的有限元分析

背景：目前对于髋关节发育不良的有限元研究相对较少,髋关节外展角度对髋关节生物力学分布的影响也不明确。目的：应用有限元方法分析不同外展角度下髋关节发育不良患者健侧及患侧的髋关节应力分布,为髋关节发育不良的预防、治疗、康复等提供方案。方法：选取1例左侧髋关节发育不良患者双侧髋关节CT薄层扫描数据,利用Mimics软件建立髋关节模型,Geomagic Wrap软件完成实体化,Solidworks软件进行皮质骨与松质骨的装配,然后应用Ansys Workbench软件加载关节负荷,分析不同外展角度下单足着地条件下髋关节应力分布情况。结果与结论：(1)该研究所建模型与实际情况相符合,随着髋关节外展角度增加,正常髋关节的股骨颈最大应力值逐渐增大,且一直位于股骨颈内侧,当健侧髋关节外展为15°时股骨头最大应力值最小,当髋关节外展20°时髋臼上方最大应力值最小;(2)发育性髋关节发育不良患者患侧髋最大应力值一直位于髋臼上方,且当髋关节外展为25°时,髋臼最大应力值最小,当髋关节外展20°时,股骨头最大应力值最小,当髋关节外展0°时,股骨颈部最大应力值最小,且位于股骨颈后方,随着髋关节外展角度增大,股骨...     

改良骨盆三点截骨术治疗髋臼发育不良

目的：探讨改良骨盆三点截骨术治疗髋臼发育不良的疗效。方法：应用改良骨盆三点截骨术矫治髋臼发育不良患者27例。首先将耻骨上支截断和耻骨弓中点截骨1—1．5cm后，在髋臼上方按salter法截骨，以足够大的梯形髂骨块嵌入臼上，使髋臼撑开向前外及下方旋转，矫正sharp角至35。左右，恢复股骨头正常覆盖率0．75以上。结果：27例中22例术后随访7～82个月，平均22个月。参照Mckay评级法，疗效优者17例、良5例、差0例。结论：改良骨盆三点截骨术治疗髋臼发育不良，方法简单有效，早期治疗可避免或延缓骨性关节炎的发生。     

金属对金属人工髋关节边缘接触效应

目的 研究金属对金属人工髋关节不同行走姿态下的接触力学行为,特别是大幅度运动可能导致的边缘接触效应。方法 建立球面共型接触的髋关节有限元模型,通过改变髋臼相对股骨头的倾斜状态和对股骨头施加恒定竖直方向载荷相结合,等效模拟分析人工髋关节不同行走姿态下的接触状态。结果 髋臼相对股骨头倾角在小于约60°范围内增加时,其对应的最大接触压力呈下降趋势,接触面积有所增大;当倾角超过80°范围时,关节接触区域因靠近髋臼边缘,最大接触压力位置由初始接触点向髋臼倾斜方向移动了约6°~9°的位置,用以满足压力分布合力与外载荷的平衡,接触压力和分布范围有所增加。结论 髋臼相对股骨头较大倾斜状态极易引起不同的边缘接触现象,置换人体髋关节产生的边缘接触问题需要引起临床外科和关节制造上的重视。     

成人髋臼发育不良髋臼内壁内移截骨的有限元分析(英文)

背景:成人髋臼发育不良晚期并发髋关节骨性关节炎常需行全髋关节置换。由于不同患者髋臼病变的严重程度有很大差别,导致重建髋臼时难度明显增加,而髋臼内壁内移截骨能良好解决对臼杯假体的包容,但对截骨后髋臼内壁的内移范围仍存有争议。目的:通过计算机辅助设计有限元分析,寻找髋臼内壁截骨的合适内移范围。方法:利用SolidWorks2008软件建立髋臼发育不良骨盆的三维模型,模拟髋臼内壁内移截骨术式,使髋臼内壁骨从未完全陷入盆腔内保持2mm骨性接触处开始,逐渐内移至完全陷入盆腔内7mm处,每隔1mm为1个实验组,分成10个实验组。将每组髋臼人为划成4个象限,分别对各组假体髋臼-骨界面间进行计算机模拟对比力学实验分析,测量出髋臼假体-骨界面间的Mises应力及剪切应力值。结果与结论:第1,5,6,9,10组在后下、前上、前下3个象限内的Mises应力分布不均匀;第2,3,4,7,8组在后下、前上、前下3个象限内的Mises应力分布均匀,其中第4组Mises应力分布更为均匀。第2,3,4,7,8组在上述3个象限内的剪切应力分布均匀,第7,8组剪切应力最小。提示关节力在髋臼内的分布主要集中在后上象限,随着臼杯不断内移,臼杯与骨的接触面积会逐渐增大,从而增加接触面上的Mises应力,但剪切应力随髋臼内壁的内移而减小。因此髋臼内壁截骨合适的内移范围在未入盆腔内1mm到完全陷入盆腔1mm,最佳位置在完全陷入盆腔1mm处。     

骶骨部分切除术后骨盆重建的三维有限元分析

目的　研究骶骨部分切除术后骨盆重建的生物力学特征。方法　分别构建完整骨盆。经S1、S2之间施行骶骨部分切除术后的缺损骨盆和重建骨盆的三维有限元模型。模拟人体坐位时的负荷，研究3种模型的位移与应力分布变化。结果　得到了三个模型中骶岬前方参考点在垂直方向的位移值及整个模型和重建器械的应力分布情况。结论　骶髂关节部位的重建可以增强骶骨部分切除术后骨盆的稳定性，并改变骨盆应力分布，降低骶器关节应力峰值，减少术后骨盆破坏的风险。L5椎弓根螺钉与髂骨钉之间的钛棒发生断裂的风险较大，提示术中应当重视弯棒操作，避免钛棒过度成角，防止应力过度集中，减少断棒的危险。     

Cam型髋关节撞击综合征关节软骨接触力学的有限元分析

目的 通过有限元方法探讨不同严重程度的Cam型髋关节撞击综合征(femoroacetabular impingement,FAI)关节软骨接触力学的变化。方法 建立正常髋关节及不同α角的 Cam型FAI髋关节三维有限元模型,计算行走、坐下、起立等日常活动下的关节软骨接触压力和应力。结果 完整步态周期加载过程中,不同α角的Cam型FAI软骨接触压力分布与正常髋关节接近,无高接触压力和Von Mises应力集中区域;坐下、起立加载过程中,Cam型FAI软骨接触压力均大于正常髋关节,且随α角的增加而增大,其接触区域主要位于髋臼缘前上方,局部出现过高压力和Von Mises应力集中。结论 Cam型FAI软骨接触力学变化的关键影响因素是运动方式,关节软骨过高的接触压力和Von Mises应力,可能是其引起软骨退变并最终导致骨性关节炎的力学原因。     

骶髂融合治疗下腰痛的生物力学效应

目的基于有限元方法,建立骶髂关节融合和接触的模型,比较两模型的生物力学差异,探究骶髂融合治疗下腰痛的生物力学机理。方法构建包含骨盆环、骶骨、部分股骨、关节软骨和关节连接的骨盆有限元模型两例,分别设定骶髂关节连接为接触和融合,探究在500 N载荷下,两例模型中骨盆环特别是骶髂关节处力学传导的差异。结果在融合条件下骶髂软骨承受的应力及位移明显低于接触条件,在双侧骶髂软骨处尤为明显,其中左骶骨关节处,位移由0.83 mm减低为0.23 mm,减低幅度达约261%,等效应力由6.6 MPa减低至5.0 MPa,减低约32%。但融合条件下,骨盆环应力的传递相对更集中。结论骶髂融合可能提供较好的疼痛治疗效果,但同时必须谨慎评估伴发骨盆损伤和股骨头损伤的危险性。     

利用有限元方法对髋臼弧形截骨术进行术前规划

目的 对已截骨的髋臼块进行不同角度旋转,以模拟手术中髋臼块需调节的不同角度,通过分析髋关节周围软骨接触应力以及接触面积确定最佳角度,为髋臼截骨提供个体化方案.方法 建立髋关节发育不良(development dysplasia of hip,DDH)和正常有限元模型,探讨发育不良髋臼形态特征以及应力集中原因.对DDH模...     

Hip stress reduction after Chiari osteotomy

A mathematical model was developed to study the effect of the Chiari osteotomy on the distribution of contact hip stress over the weight-bearing area. It was shown that Chiari osteotomy can increase the weight-bearing area directly (on the lateral side), owing to the additional area formed by theala ossis ilii segment, and indirectly (on the medial side), owing to the shift of the stress pole in the medial direction. As a consequence, the contact hip stress is reduced after Chiari osteotomy. The indirect effect is important and often larger than the direct one. Using the proposed mathematical model and standard anteroposterior roentgenographs from archives, the average peak stress on the weight-bearing area, normalised with respect to the body weight (p_max/W_B), was determined before and after Chiari osteotomy (8310m⁻² and 4480m⁻², respectively) on a population of 29 dysplastic hips. The difference was statistically significant (p<0.005). Based on the results presented, it can be concluded that the hip joint contact stress in dysplastic hips considerably decreases after Chiari osteotomy, indicating a favourable biomechanical effect of this operation.     

组配式人工半骨盆假体置换后骨盆站立位生物力学有限元分析

背景：目前关于骨盆生物力学有限元分析主要是针对正常和外伤后的骨盆,缺乏对Enneking Ⅱ区的恶性肿瘤切除、组配式人工半骨盆假体重建骨盆环缺损后骨盆生物力学模型进行三维有限元分析。 目的：观察正常骨盆及半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后患者站立体位下应力分布。 方法：采用CT薄层扫描采集1例半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后17个月患者的骨盆原始数字影像和通信标准数据,将数据导入Mimics 8.1软件建立三维实体模型,再将实体模型导入Abaqus 6.7-1分析软件,分别以正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后的骨盆,建立三维有限元模型,并分别对双脚站立、患侧单脚站立两种静力状态下进行生物力学加载并对结果进行分析。 结果与结论：在正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后骨盆2种有限元模型中,不同站立体位相同载荷下健侧骨盆应力值接近;患侧组配式半骨盆假体不同站立体位时应力最大值均出现在髋臼杯上方CS脊柱内固定器与髋臼杯连接部内侧,所受最大应力均远低于其疲劳强度;组配式半骨盆假体重建后骨盆站立位时应力的分布规律与正常骨盆基本一致。说明：①组配式人工半骨盆假体置换对健侧骨盆影响较小。②站立体位下组配式人工半骨盆假体安全性好。③组配式人工半骨盆假体重建后的骨盆符合人体正常生物力学规律,具有良好的生物力学相容性基础。     

髋臼几何形态对髋关节接触力学行为的影响

目的研究髋臼解剖几何形态对髋关节接触力学特性的影响。方法建立人体天然髋关节的解剖学模型以及具有不同髋臼外形的简化模型,利用有限元分析方法研究步态载荷作用下髋关节的接触力学行为。结果 (1)解剖学模型产生的接触主要在髋臼的中上部,沿身体前后方向分布,峰值接触应力出现在髋臼前上部。(2)与解剖学模型相比,旋转椭球形髋臼产生了类似的接触分布,而球形和旋转蚶线形髋臼产生的接触主要在髋臼中部,沿上下方向;(3)旋转椭球形髋臼具有最大的接触面积和最小的峰值接触压力和Von-Mises应力;(4)球形髋臼和旋转蚶线形髋臼具有类似的接触力学特征。结论与球形和旋转蚶线形相比,旋转椭球形能够更好地描述髋臼的解剖形态及其接触力学行为。     

髋臼骨折不同台阶状移位及程度对髋关节接触特性的影响

目的 模拟累及关节面负重区的髋臼骨折,分别对不同方向旋转所形成的台阶状移位进行生物力学研究,以了解应力分布及接触面积等的改变情况。方法 分别测量10个完整髋臼 (I组)、解剖复位（K组）、不同台阶移位（A组：1mm;B组：2mm;C组:3mm;D组：4mm;a组：-1mm;b组：-2mm;c组:-3mm;d组：-4mm）时髋臼与股骨头之间的接触特性。所获数据经统计学分析软件进行分析比较差异。 结果 完整髋臼负重时接触面积总面积为（7.59±4.42）cm²;K组髋臼以及A组移位髋臼保持了髋臼的解剖形态,未引起髋臼接触面积显著变化。其余类型移位均造成髋臼骨折总接触面积减小(P<0.05)。负重区的接触面积在完整髋臼时为（3.72±0.04）cm²,骨折后也使之减小。解剖复位组负重区接触面积为（3.64±0.87）cm²（与完整髋臼负重区面积相比 P>0.05）,当内旋使台阶移位达到3mm或更大,外旋移位台阶移位到3mm或更大时,负重区接触面积显著减小。 结论 髋臼骨折产生的台阶状移位改变了正常髋关节的生物力学特性,使髋关节的接触面积发生了重新分布。     

非骨水泥型臼杯位置对髋臼内应力分布的影响及临床意义

首先基于螺旋CT构建人体骨盆三维有限元模型,而后利用计算机力学测试软件(Solidworks),在重建模型上测定不同臼杯的摆放位置对髋臼周围应力分布的影响,寻找在何种置入角度下髋臼周围应力分布最为合理,验证臼杯置入角度的合理范围,从生物力学的角度为临床手术中臼杯置入的位置提供理论依据.     

正常步态下髋臼底接触面积与压力分布的三维有限元分析

背景：认识髋关节的正常压力分布特点,将有助于进一步了解正常髋关节的力学机制与异常载荷下关节软骨的病理学行为。 目的：运用三维有限元的方法,分析正常步态过程中头臼间接触面积和应力分布情况。 方法：应用CT扫描技术和计算机图像处理系统,建立髋臼的三维有限元模型,利用髋臼模型模拟髋臼在完整步态过程中连续32个位相时的受力状况,并对各位相时接触面积进行计算。 结果与结论：获得了髋臼在32个位相时的应力峰值分布呈双峰形,在起步位相时达到峰值(4.2 MPa),支撑期接触面积明显高于跨步期。始终接触部位集中在髋臼顶部,偏内侧,而髋臼前角与后角始终没有应力传导。髋臼软骨在不同位相的应力分布明显不同,支撑期应力增高区分布在臼顶区,而跨步期应力增高区在臼软骨的内侧缘。结果显示髋臼的接触应力增高区及接触面的分布对临床研究有重要意义,可提示导致髋臼骨性关节炎的好发因素。     

髋臼发育不良者全髋置换中臼杯置入位置的力学分析

目的　利用三维有限元分析方法,研究髋臼发育不良患者加深磨锉假体置入部位的髋臼骨床、使臼杯假体内移置入对髋臼假体-骨界面间的应力分布情况的影响。  方法　选取髋关节发育不良患者的骨盆为实验对象,螺旋CT做全长连续扫描,然后利用计算机仿真技术对CT图像进行三维重建,建立髋关节发育不良骨盆模型。在计算机环境中对重建模型进行髋臼磨锉,臼杯假体不同程度内移植入的模拟手术,利用有限元分析软件SolidWorks对重建模型进行有限元网格化及力学分析。  结果　臼杯假体的内移使臼杯上缘处获得骨床包容,臼杯接触面积更大,单位面积所受应力相对较少。随内移程度加大,髋臼内壁骨质突破更为明显,使髋臼顶部应力集中及其余部分应力不均愈趋明显。  结论　髋臼加深磨锉臼杯内移植入有助于改善髋关节发育不良病例行髋关节置换臼杯的骨床包容,但随内移程度的加大,髋臼内壁突破,髋臼面的应力集中,髋臼的应力分布情况明显改变,应尽量减少穿破的程度。