膝关节单髁置换三维参数化建模

背景：用于外科训练和演练的单髁假体模型因尺寸和特征固定而无法满足个体患者的实际需求。 目的：为膝关节单髁置换的数字化研究提供一种三维参数化建模方法。 方法：运用三维重建技术建立膝关节炎三维模型,然后通过参数化软件Pro/Engineer 5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,最后模拟膝关节单髁置换并进行三维有限元分析。 结果与结论：三维参数化建模法效率高,实现了膝关节单髁假体设计的自动化和高效化,所建模型形态逼真,精确度高。三维参数化建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了模型基础和新的实验思路。     

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...     

膝关节前交叉韧带断裂单髁置换生物力学特性的有限元分析

目的基于人体膝关节CT和MRI图像建立前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)断裂和正常膝关节三维实体模型,采用有限元方法研究ACL断裂膝关节在不同屈膝角度对植入假体生物力学性能的影响。方法结合临床单髁置换手术方案植入第3代牛津单髁(OxfordⅢ)假体,其中胫骨假体后倾7°,建立膝关节屈曲0°、30°、60°、90°和120°单髁置换的三维有限元模型,在股骨中心点上施加1 k N压缩载荷,分析5种屈膝角度下股骨假体、半月板衬垫、胫骨假体的应力分布情况。结果膝关节ACL断裂组与正常组在5种屈膝状态下,半月板衬垫的最大主应力在ACL断裂组与正常组之间最大相差幅度为62. 5%,在0°、30°、60°和120°屈膝状态下ACL断裂组最大应力均大于正常组;股骨假体在ACL断裂30°时的最大应力明显增加,其余4种屈膝状态下应力的最大增幅为60. 81%;胫骨假体在5种屈膝状态下ACL断裂组最大应力比正常组分别增加了19. 07%、36. 78%、25. 69%、-4. 38%、51. 19%。当ACL断裂后,除屈膝90°外半月板衬垫和胫骨假体上的均布应力均大于正常组,在屈膝30°和120°时对半月板衬垫的磨损较大。结论单髁置换假体的应力分布随膝关节屈曲角度和ACL功能的变化而存在差异,ACL断裂组应力整体趋势大于ACL正常组,且应力集中于内侧区域,在屈膝120°时应力最大,磨损最为明显。研究结果为临床膝关节ACL断裂单髁假体置换的手术方案和半月板假体的优化设计提供理论依据。     

不同骨密度对膝关节单髁置换后关节内各结构影响的三维有限元分析

背景：骨质疏松症是膝骨关节炎患者的常见合并症,不同骨密度对单髁置换的预后有何种影响是目前研究的热点。目的：通过有限元法研究不同骨密度对内侧固定平台单髁置换后关节内各结构应力大小及分布的影响,评估骨质疏松与并发症的相关性。方法：利用CT、MRI获取1名志愿者的下肢影像数据,通过Geomagic Studio、Ansys workbench、Mimics等软件构建正常骨质的膝关节有限元模型(T值≥-1.0),通过改变材料参数建立骨质减少(-2.5 相似文献   

活动平台单髁假体的三维有限元模型建立及受力分析

目的为活动平台膝关节单髁置换有限元分析提供一种参数化联合建模方法并分析其受力变化。方法获取1例成年男性正常膝关节的膝部CT扫描,利用Mimics 13.1软件重建膝关节三维模型,通过参数化软件Rhinoceros5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,导入Mimics 13.1建立膝关节单髁置换三维模型,然后通过Abaqus6.10建立活动平台膝关节单髁置换三维有限元模型,并进行有限元分析皮质骨、松质骨的应力。结果参数化联合建模法效率高,所建模型形态逼真,精确度高,假体置换前后胫骨侧皮质骨应力变化基本一致,置换后胫骨侧松质骨受力主要在假体槽部。结论参数化联合建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了有效模型和新的研究思路,在单髁置换治疗膝关节病的临床和科研中将有广泛的应用前景。     

膝关节单髁置换活动与固定平台短期疗效分析

目的比较内侧膝关节单髁假体置换术中活动平台和固定平台治疗膝关节骨关节炎的短期疗效,探讨不同假体翻修率的差异以及并发症的不同。方法回顾性分析2015年5月至2016年12月收治的113例(133膝)膝关节内侧骨关节炎患者资料。根据假体不同分为活动平台和固定平台两组。术后比较两组患者膝关节疼痛、关节活动度、美国膝关节协会评分(Knee Society Score,KSS)等。结果术后患者均获得随访,随访时间6~24个月,平均17.5个月,随访中1例活动平台组患者术后4个月发生半月板衬垫移位脱出,1例活动平台组、1例固定平台组患者术后出现切口红肿破溃。随访期间无一例发生关节内感染以及假体松动移位等。活动平台组KSS评分术前为(48.45±9.17)分,术后为(84.54±8.44)分;固定平台组KSS评分术前为(49.88±12.02)分,术后为(86.40±7.18)分,术前与术后比较,差异有统计学意义。组间KSS评分比较,差异无统计学意义。结论单髁膝关节置换治疗膝关节内侧间室骨关节炎在术后的短期随访中活动平台与固定平台术后的临床结果无明显差异;短期内两种平台假体的翻修率低,但导致翻修的并发症有所不同。     

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。     

114例单髁膝关节置换中期疗效及其与学习曲线的关系

目的评估单髁置换术治疗膝关节内侧间室骨性关节炎的中期疗效,分析手术疗效和学习曲线的关系。方法回顾分析2007年4月~2012年12月我科应用第三代牛津单髁关节假体(Oxford phaseⅢ)治疗膝关节内侧间室病变114例患者资料(129膝)。对患者术前、术后HSS评分、关节屈曲角度以及VAS评分进行评估,计算假体中期生存率。将114例患者分为学习曲线组(47例)和成熟组(67例),分析两组间手术时间、术后影像学评分、HSS评分及假体生存率的差异。结果 114例患者随访时间24~92个月,平均(37±13)个月,末次随访时膝关节HSS评分、关节屈曲角度明显增加,疼痛明显缓解,假体中期生存率为88.2%。成熟组手术时间明显缩短、术后影像学评分及术后HSS评分均较学习曲线组更高。学习曲线组假体生存率为86.9%,成熟组为98.7%,两者差异无统计学意义。术后行再次翻修4例(5膝):活动半月板脱位2例、伴股骨假体松动1例,术后膝外翻畸形1例(2膝)。结论应用Oxford phaseⅢ单髁置换治疗膝关节内侧间室骨性关节炎,中期疗效满意。Oxford phaseⅢ单髁置换手术学习曲线需要25例以上经验积累后手术技能趋向稳定。     

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...     

80岁以上高龄膝关节骨关节炎应用单髁关节置换治疗的临床研究

目的探讨单髁关节置换治疗80岁以上高龄膝关节骨关节炎的手术风险及手术疗效。方法回顾性分析我院2003年1月~2014年6月收治的29例31膝经单髁关节置换治疗的80岁以上高龄膝关节骨关节炎患者的资料。平均年龄(83.4±2.8)岁(80~93岁)。对患者合并疾病、膝关节疼痛、活动度、评分、影像学及手术并发症等进行评估分析,分析单髁关节置换治疗高龄膝关节骨关节炎的临床效果,手术风险及应对方法。结果术后平均随访(25.2±15.0)月(6~59月)。失访1例(1膝),1例(1膝)因非手术相关疾病死亡。围手术期无病例死亡。术后住院时间为(7.0±1.3)天(5~8天)。术后心脏病事件发生1例,血糖波动1例,尿潴留1例。术后血红蛋白(112.7±10.8)g/L,平均较术前下降(14.0±6.9)g/L,输血1例。术后膝关节活动度平均(116.6±8.1)°,与术前活动度相比有统计学差异(0.05)。VAS评分由术前(6.9±0.8)分降至(2.0±0.9)分(0.05)。HSS评分由术前(52.4±10.3)分增至(89.4±4.9)分(0.05)。所有病例无返修、感染、肺栓塞、创伤后精神障碍等并发症发生。结论对于80岁以上高龄膝关节骨关节炎患者,准确手术评估,恰当围手术期处理,选择微创单髁关节置换治疗,不仅有效,而且安全可行。     

膝关节单髁置换界面应力失效分析

目的 分析骨水泥型胫骨假体平台界面应力,确定界面应力损伤区域,为临床单髁置换胫骨平台的应力失效问题提供参考。方法 通过人体动力学软件模拟完整周期的步态,获得膝关节的承力条件;利用医学影像及三维重建软件建立完整的膝关节模型并进行单髁置换;通过有限元法分析单髁置换后胫骨假体平台界面应力的分布规律。结果 步态下膝关节的力和角度随时间呈周期性变化,1.3 s为1个周期,膝关节合力峰值为760 N;界面最大剪切应力为11.82 MPa、最大拉应力6.849 MPa,均发生在假体-骨水泥界面的内侧前端拐角处;对于界面的最大应力,钛合金假体低于不锈钢假体。结论 假体的弹性模量减小可以降低界面最大主应力,从界面应力考虑,钛合金假体优于不锈钢假体;胫骨假体平台界面损伤区域主要在内侧前、后端拐角和外侧中端处,故提高该区域假体-骨水泥结合能力能防止单髁膝关节胫骨假体平台松动。研究结果对临床中单髁术后胫骨假体平台松动预防具有实际意义。     

膝关节单髁置换术后膝关节登梯动作生物力学分析

目的 探讨内侧膝关节单髁置换(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)手术对登楼梯时膝关节生物力学的影响.方法 9例接受固定平台内侧UKA骨关节炎患者,术前3周及术后(7±2)月对其进行登楼梯动作的生物力学测试.采用双平面X线装置收集患者UKA手术前后行走时的影像资料,健侧膝关节作...     

人股骨上段三维有限元模型的建立

根据螺旋CT二维图像,建立可供有限元结构仿真分析的人股骨三维有限元模型.应用螺旋CT对人股骨进行扫描,对扫描图像应用Adobe Photoshop 9.0提取密质骨、松质骨的边缘,形成坐标数据库后,再应用UGS NX3.0调用坐标数据建立人股骨上段三维几何模型和网格划分.通过UGS NX3.0剖切和隐藏技术分别显示人股骨密质骨、松质骨和骨髓腔以及各结构间的界面的三维几何形态和有限元模型.利用CT、Photoshop、 UGS、数据库等工具和方法,能方便地和较真实地重建复杂的骨骼三维几何模型和有限元模型.     

An analysis of dislocation of the domed Oxford Lateral Unicompartmental Knee Replacement

BackgroundThe Oxford Unicompartmental Knee Replacement (OUKR) uses a mobile bearing to minimise wear. Bearing dislocation is a problem in the lateral compartment as the ligaments are loose in flexion. A domed tibial component has been introduced to minimise the risk of dislocation, yet they still occur, particularly medially. The aim of this mechanical study was to compare the domed and flat tibial components and to identify surgical factors that influence the risk of dislocation.MethodA jig was constructed to assess the amount of vertical distraction of the lateral OUKR for a dislocation to occur. Three methods of dislocation were assessed: laterally, medially, 'over the wall' and anteriorly. The study focused on medial dislocation.ResultsSignificantly (p = 0.02) greater vertical distraction was required to dislocate the bearing with the domed tibia rather than the flat. For medial dislocation bearing distance from the wall, femoral component external rotation and tibial rotation were associated with significantly less distraction for dislocation. With the optimal technique with the domed tibia the distraction required to dislocate the bearing medially was 6.4 mm, whereas with poor technique it was 4.6 mm.ConclusionsThis study suggests that to minimise the risk of dislocation the domed tibia should be used. The component should be implanted so the bearing is close to the wall, but does not hit it, and in flexion the femoral and tibial components should be neutrally aligned.     

建立基于浸入边界有限元法的三维静脉瓣流固耦合数值模型

目的 探究静脉内血液与瓣膜之间的流固耦合动态过程和保证血液单向回流的生理机制。方法 基于浸入边界有限元法,结合人体下肢静脉医学图像及牛大隐静脉的解剖结构和尺寸,采用超弹性本构模型描述静脉瓣膜在生理条件下不可压缩、非线性和超弹性力学响应,构建静脉血管和静脉瓣膜的三维数值模型。结果 研究结果可视化地展示静脉动态运输血液的过程以及静脉瓣膜防止反流的功能机制,再现静脉内瓣膜运动和血液流动的周期性特点,讨论和量化了整个心动周期内的重要生理数据,包括静脉内血液的压力、流速和流量以及静脉瓣膜的开口面积、静脉瓣膜表面的应力和应变分布等。结论 三维流固耦合模型可数值再现静脉内生理动态过程,为进一步揭示静脉疾病相关机制提供重要的参考和指导意义。     

单间室与全膝关节置换术对膝骨关节炎患者楼梯行走时生物力学特征的影响

目的 探究单间室膝关节置换术（unicompartmental knee arthroplasty,UKA）与全膝关节置换术（total knee arthroplasty,TKA）对膝骨关节炎术后的临床疗效。方法 随机招募TKA患者21例、UKA患者15例。分别在术前以及术后6、12个月进行生物力学测试。采用Vicon红外动作捕捉系统和Kistler三维测力台同步采集受试者楼梯行走的运动学和动力学数据。结果 在上楼梯时,TKA组受试者术前膝屈曲力矩峰值显著低于UKA组,术后6个月到达膝屈曲/内收力矩峰值时间、膝屈曲力矩冲量及膝内收力矩峰值负载率显著小于UKA组。在下楼梯时,UKA组术前和术后6个月伸膝功率峰值显著较小,垂直地面反作用力峰值负载率术前显著较大,膝伸展力矩峰值术后6个月显著较大;在术后12个月,楼梯行走的生物力学特征未出现明显的差异性。结论 TKA组和UKA组在手术后表现出相似的膝关节功能,但TKA组可能采取不同于UKA组的下肢生物力学模式。在楼梯行走时,UKA组术后表现出更好的股四头肌控制能力,提高了楼梯行走尤其是下楼梯的姿势控制能力,而TKA组则采取保守的楼梯步态策略以降低楼梯行走的膝关节负荷。相比于力矩峰值,到达力矩峰值的时间及力矩峰值负载率是发现膝关节负荷差异性更灵敏的指标。     

基于心室动作电位的三维心肌组织模型算法研究

心肌电折返是引起心律失常的重要因素之一,它会导致心动过速(VT)乃至室颤(VF)的发生,从而引起心源性猝死。随着计算机仿真在定量电生理研究中的广泛应用,迫切需要建立三维心肌组织实验平台。本文就这种组织模型的数值解方法进行了研究。文中利用Luo-Rudy 1991心室肌细胞模型结合扩散方程形成三维组织模型,利用算子分裂法求其数值解。分别采用ADI格式和七点差分格式求解描述电扩布的偏微分方程,边界条件采用二阶精度的离散格式。实验结果表明,以上两种格式均可成功地解算出细胞膜电位的变化以及电兴奋的活动,且具有良好的稳定性。但ADI格式可较大幅度地缩短计算时间。因此ADI格式下增加时间步长以提高计算效率的方法更具优势。     

单髁膝关节置换胫骨元件不同固定柱形状的有限元分析

目的针对单髁膝关节置换后胫骨前内侧疼痛、胫骨元件松动以及对侧关节炎恶化的问题,通过有限元方法比较分析胫骨元件固定柱的不同几何形状对胫骨应力分布的影响。方法建立有效的单髁膝关节置换有限元模型,对胫骨元件固定柱的形状进行设计。在相同的加载条件下,分别对双柱形、单脊形、双脊形和十字星形胫骨元件进行有限元分析,并与完整膝关节模型进行对比,评估胫骨元件固定柱不同形状设计对胫骨前内侧皮质骨应力、胫骨截骨面松质骨应力、胫骨对侧软骨应力的影响。结果单髁置换后胫骨前内侧皮质骨应力峰值均增大。与完整膝关节相比,在双柱形、单脊形、双脊形和十字星形胫骨元件固定柱的模型中,胫骨前内侧皮质骨应力峰值分别增加56.1%、55.9%、54.5%和68.4%。单脊形和双脊形胫骨元件松质骨截骨面应力峰值比完整胫骨分别减小8.1%和15.6%,而双柱形和十字星形则分别增大67.9%和121.5%,超过松质骨的疲劳屈服应力。双柱形、单脊形、双脊形和十字星形胫骨固定柱对应的胫骨对侧软骨应力峰值相比于完整胫骨分别减小42.1%、26.6%、24.2%和28.5%。结论单髁膝关节置换改变了胫骨内外侧的载荷分布,使置换侧承受更大的载荷。单脊形和双脊形胫骨元件在降低胫骨前内侧皮质骨和截骨面松质骨应力方面效果更好,其中单脊形胫骨元件更接近完整膝关节胫骨的应力分布。研究结果可为设计更符合膝关节力学性能的单髁膝关节假体提供理论依据。