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。     

影响THA术后股骨近端应力遮挡大小的因素

全髋关节置换术(THA)术后股骨近端的应力遮挡效应是引起假体周围骨丢失的原因之一,在骨水泥和非骨水泥假体中都存在这一现象[1,2],骨丢失可能会引起股骨假体机械性失败、假体松动、假体周围骨折、翻修手术难度增加等一系列的问题[2],因此研究如何减少应力遮挡效应有重要意义.……     

髋关节置换前后不同步态下股骨应力分布

目的探讨人工髋关节置换(total hip replacement,THR)前后慢走及上下楼梯两种不同步态下股骨的生物力学性能,为髋关节假体的优化设计和制造提供理论基础。方法建立人工髋关节股骨的三维有限元模型,并进行有效性验证;计算慢走和上下楼梯时THR前后股骨的应力分布及应力遮挡率。结果慢走运动时,THR前股骨应力由近端到远端逐渐递增,在股骨中下段达到最大,最大应力为90.6 MPa;THR后股骨出现应力遮挡现象,股骨的应力幅值有所下降,最大应力为82.5 MPa,股骨近端假体周围大转子附近股骨遮挡率最大,总体遮挡率为14.9%~99.0%。此外,假体颈部出现过大的应力集中现象。上下楼梯运动时,股骨应力分布的变化规律与慢走运动时大体相似,但应力遮挡效应更为明显。结论植入假体后,上下楼梯时股骨近端出现较大应力遮挡,并且假体自身出现过大应力集中,会影响THR手术质量,建议病人在术后应尽量减少关节角变化较大的运动。     

膝关节置换术后长期胫骨近端力学性能的预测

目的 分 析 膝 关 节 单 髁 置 换 术 ( unicompartmental knee arthroplasty, UKA) 和 全 膝 置 换 术 ( total knee arthroplasty, TKA)后长期胫骨近端力学性能的变化,探究 UKA 和 TKA 的失效原因。 方法 建立健康、UKA、TKA胫骨近端有限元模型,利用 Wolff 骨重建理论结合有限元法预测胫骨近端的密度分布和应力分布。 结果 UKA 外侧踝平均应力基本不变,但呈增大趋势,平均密度增加 2%,内侧踝平均密度减小 13%,平均应力均减少 11%。 TKA外侧踝平均密度减少 1. 5%,平均应力减少 14%,内侧踝平均密度减少 1. 4%,平均应力减少 19%,假体末端平均密度增加 10%,平均应力增加 15%。 结论 UKA、TKA 假体的植入会造成应力遮挡现象,可能是产生术后假体松动的主要原因。 TKA 假体末端应力增大,可能导致 TKA 的失效。 UKA 非置换侧平均应力随着骨重建的进行不断增大,可能就导致 UKA 中远期对侧骨关节炎恶化。 研究结果可以为降低 UKA、TKA 并发症发生概率提供数据支持。     

组配式髋表面置换股骨头假体植入后股骨近段应力变化的有限元分析

目的研究组配式髋表面置换股骨头假体植入后,股骨近段及假体周围骨质区应力分布的变化。方法建立正常股骨近段、传统表面髋置换假体(本实验选用Wright假体)、组配式表面髋假体三维有限元模型,关节加载后分析假体植入前后股骨近段应力分布变化,并对股骨近端假体周围区域骨质应力分布进行分区量化研究。结果传统假体沿着杆体周围骨质上有多处的应力集中区域,在股骨颈的下方(4、10区)应力明显增加,股骨头上方假体杯下缘(1、7区)应力遮挡;组配式假体螺钉周围骨质上虽有应力集中,但是数值相对较小,股骨颈下方(4、10区)应力分布接近正常股骨。结论与传统表面髋假体置换相比,组配式假体在股骨颈下方区域有较好的应力分布,接近正常股骨,降低了股骨颈骨折的危险。     

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。     

全髋关节表面置换术后股骨侧应力分布的有限元分析

目的：探讨金属对金属髋关节表面置换术后股骨侧应力分布情况，为临床改良金属对金属髋关节表面置换术手术方案提供生物力学依据。方法：采用64排螺旋CT扫描金属对金属髋关节表面置换术后患者数据，重建金属对金属髋关节表面置换术后有限元分析模型，对该模型进行虚拟加载和仿真计算，比较分析金属对金属髋关节表面置换术后股骨侧的应力分布。结果：髋关节表面置换术后股骨侧应力集中于股骨颈内侧部及假体与股骨颈交界部，以股骨颈内侧部尤为明显。股骨假体覆盖区存在明显应力遮挡。结论：金属对金属髋关节表面置换术后，应力主要集中于股骨颈内侧及假体与头颈交界部，并在股骨假体下骨质部存在应力遮挡，髋关节表面置换术后的应力集中及应力遮挡与股骨颈骨折发生存在一定联系。     

非骨水泥全髋关节置换术中股骨内侧皮质骨的应力公布

目的　股骨近端术中骨折是影响非骨水泥全髋置换术的重要因素 ,本研究探讨股骨髓腔扩大后 ,不用锤打入假体柄 ,可减少术中股骨近端骨折的危险。方法　应用圆桶状应力仪 ,比较 6件扩大股骨髓腔后插入假体柄 ,股骨解剖试件内侧和前内侧应力分布情况。另比较 8件股骨试件 ,分别用锤打入和恒速机械负荷打入假体柄 ,测量各假体柄应力分布情况。在机械负荷打入假体柄中 ,模拟股骨周围的软组织 ,用力学试验机将假体柄恒速打入。结果　用股骨环轴定位测量 ,最大应力首先出现在股骨内侧和前内侧。最大应力的大小、方向和位置 (张应力或压应力 )各股骨…     

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.     

肿瘤型膝关节置换后股骨-假体-胫骨复合体生物力学响应

目的研究肿瘤型铰链式膝关节置换术后股骨-假体-胫骨复合体正常站立状态下的生物力学响应,探讨病人术后发生股骨穿孔的原因,为肿瘤型铰链式人工膝关节假体的优化设计与制造提供理论基础。方法兼顾CT及三维光学扫描数据建立股骨远端骨肉瘤瘤段切除肿瘤膝关节置换后的病人股骨-假体-胫骨有限元模型,并进行相关有效性验证,从而进一步分析人体站立状态下股骨-假体-胫骨复合体的应力分布及应力遮挡现象。结果 (1)在站立加载状态下,相对胫骨,股骨的应力明显更大且集中分布趋势显著,股骨前1/3区域应力较大,呈现应力遮挡效应。(2)由于模型基于临床病人几何及骨质特征建立,股骨应力集中位置与临床中病人股骨穿孔位置接近,表明在施加自身重力状态下可能发生与病人病症一致的股骨损伤行为。结论肿瘤型铰链式膝关节假体植入后,由于假体髓针深入骨髓腔,正常站立状态下亦对骨髓腔产生一定的压力;由此产生的应力遮挡效应以及假体髓针与特定骨髓腔的匹配情况均可能引起股骨应力集中,从而将可能引起股骨开裂,甚至穿破,影响手术质量。建议术前优化假体设计以减轻或避免此类现象,从而减少术后患者的并发症发生率。     

不同材料人工髋关节假体对骨界面应力分布及生物力学的影响

BACKGROUND: During joint replacement, different materials of prosthesis can be used. Different prosthesis can produce different effects and the stress distribution of bone interface. OBJECTIVE: To explore the effects of different materials on the stress distribution and biomechanics of the bone interface of artificial hip joint. METHODS: The CT scan of the hip was carried out. The image data were saved in DICOM format and processed by MIMICS software. The 3D finite element model of the femur was obtained by ANSYS. A three dimensional finite element model of the femur was made with the material properties of the femur. Three kinds of different replacement prosthesis materials (Co Cr Mo alloy, titanium alloy and composite materials) were selected, and the specific requirements of the actual joint replacement were selected, and different types of prosthesis were designed in CAE software. In the STL format, the prosthesis model was imported into MIMICS, and the femur and prosthesis were assembled. The stress status of different prosthesis was analyzed, and the stress shielding rates of exterior and interior sides of middle and lower parts of the femur, right to and 30 mm below lesser trochanter and right to lesser trochanter of the proximal femur were calculated. RESULTS AND CONCLUSION: Through three-dimensional finite element analysis, a direct and accurate model of the femur and the three-dimensional model of the prosthesis were established. According to the actual situation, material assignment of the femoral three-dimensional finite element model was conducted to obtain the corresponding model. Thus, the properties of different materials of the femur were shown visually. The femoral stress of cobalt chromium molybdenum alloy, titanium alloy, and composite material was simulated after replacement. Results found that the stress shielding rate can decrease in the middle and lower parts of the femur. After replacement, the femoral stress is higher than that of the intact femur. The experimental results show that the stress shielding of the joint was performed after joint replacement with Co Cr Mo alloy, titanium alloy and composite materials. Among them, the composite material is more close to the actual physiological environment of the human body, and it can better reduce the stress shielding effect, and is beneficial to the stress from the prosthesis to the femur.      

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。     

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。     

人工全髋关节置换术对天然股骨生物力学行为的影响

目的研究人工全髋关节置换术后股骨的变形及应力改变,同时研究关节置换术对股骨振型及固有频率的影响。方法选取1名正常男性青年进行股骨段CT扫描,构建正常股骨和术后股骨的有限元模型,对其进行步态情况下的生物力学行为分析、模态分析。结果 (1)关节置换术后假体柄部有明显的应力集中,并产生了应力遮挡;(2)术后股骨的峰值应力增大到原来的4.36倍;(3)约束模态的固有频率明显高于自由模态;(4)振型阶次越高,术后股骨与正常股骨固有频率的差距越大;(5)股骨的振型主要为弯曲和扭转,且置换前后振型变化不大。结论假体的植入改变了股骨原有的力学结构特性。在假体设计方面,必须考虑到股骨的振动特性,避免共振带来的假体松动。     

股骨头表面置换后股骨近段的生物力学研究

目的探讨股骨头表面置换术对股骨近段生物力学性能的影响。方法集8具青年正常新鲜髋关节标本,建立静止单腿站立位股骨头受力模型,WD-5生物力学测试机测试1000N载荷下股骨头表面置换前后的载荷-应变关系、近段股骨应力分布、刚度和扭转力学性能。结果载荷为1000N时,置换前后的平均应变、最大平均应力、最大平均位移、刚度等指标的测试结果,经统计学处理均无显著性差异(P>0.05)。表面置换前后最大扭矩值相差19%,有显著差异(P<0.05)。结论表面置换能有效维持近段股骨的正常应力传递,从而能有效保留近段股骨的骨量,为日后翻修提供良好条件。表面置换是适用于年轻患者的过渡性手术。