压配型髋臼假体置换后骨性髋臼的微有限元分析

目的探讨压配型髋臼假体置换术后骨性髋臼皮质骨和松质骨的骨小梁应力分布模式及松质骨是否参与承载负荷。方法应用显微CT扫描骨性髋臼的骨小梁,建立骨性髋臼的三维微有限元模型。计算压配型髋臼假体置换后骨性髋臼骨小梁的应力和应变,分析骨性髋臼骨小梁应力、应变的生物力学特征。结果当压配型金属髋臼假体植入髋臼后,骨性髋臼外表面的最高应力区位于耻骨区,最高应力为1.389 MPa。在臼顶区,高应力区的面积最大。在骨性髋臼内部的松质骨,高应力区主要分布在臼顶区,分布区域相对较广。当施加1.372 k N载荷后,骨性髋臼外表面面积较大高应力区位于臼顶区域和耻骨区域,臼顶区的最高拉应力为0.604 MPa,耻骨区骨小梁出现微损伤。在骨性髋臼内部的松质骨,面积较大高应力区主要分布在臼顶区和耻骨区。结论高应力区沿着骨性髋臼外表面呈现3点式环形分布,集中分布于耻骨区、坐骨区、臼顶区;髋臼内部松质骨骨小梁通过形变导致应力分布更加均匀。髋臼松质骨具有承受载荷功能。     

髋臼发育不良者全髋置换中置入不同直径髋臼杯的力学分析

背景：成人髋臼发育不良髋臼小而浅,臼内有大量骨痂和瘢痕组织等都为人工髋关节置换臼杯安装带来极大困难。臼杯安装后局部的力学变化关系到置换后假体松动的发生及使用寿命。 目的：利用三维有限元力学分析方法,对髋关节发育不良患者采用不同直径臼杯置入,观察对髋臼假体-骨界面间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试验对象,用螺旋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不同直径臼杯置入的模拟手术,利用有限元分析软件对重建模型进行有限元网格化及力学分析。 结果与结论：对于髋臼发育不良的病例,选择小直径臼杯可应对髋臼浅平、骨床骨量不足的缺陷而达到较好的臼杯骨床包容,但臼杯直径小致接触面小使单位面积应力升高;另一方面,大直径臼杯置入扩大磨锉髋臼骨床可引起髋内壁破损突破,导致应力(包括压应力及剪切力)增大及集中。由此推断,髋臼发育不良全髋关节置换时应在保证骨床包容的前提下选择较大直径的臼杯,有利于应力的良好分布,但应尽量避免或减少扩大磨锉髋臼骨床所致髋臼内壁的穿破。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;组织工程全文链接：     

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。     

半球与椭球髋臼假体对骨性髋臼应力分布的对比分析

目的对比研究全髋置换后,半球与椭球髋臼假体的应力分布及其对骨性髋臼应力分布的影响。方法分别建立半球髋臼、椭球髋臼与骨盆的三维有限元模型,对两模型施加相同的载荷条件,比较髋臼杯、骨性髋臼窝应力分布的差异,并用三维光弹性实验方法进行验证。结果相同的载荷条件下,半球髋臼杯和椭球髋臼杯的应力最大值基本相同,在窝内应力分布的大致趋势也是相同的,而椭球杯的应力分布相对比较均匀,半球髋臼传递给骨性髋臼的应力大于椭球髋臼。应力集中部位均在髋臼的后外上方,半球髋臼杯有更明显的应力集中点。结论全髋置换后,椭球髋臼杯对骨性髋臼的应力分布更接近于正常骨性髋臼。     

髋臼内陷技术对成人DDH全髋关节置换术 髋臼杯生物力学影响的有限元分析

目的 探讨髋臼内陷技术对成人发育性髋关节发育不良（developmental dysplasia of the hip,DDH）髋关节置换术后髋臼假体的生物力学效应。方法 获取1名成人单侧DDH患者双侧髋关节CT图像数据,进一步构建患侧半骨盆有限元模型,在此基础上,建立臼杯不同内陷水平的有限元模型,对比分析原位组和不同水平内移组之间的生物力学差异。结果 在模拟拔出试验中,原位组最大抗拔出载荷强度为1 166 N;相比原位组,4 mm和8 mm内移组抗拔出载荷强度分别增加了45.8%和57.1%;原位组髋臼假体在步态周期站立位相载荷工况下的臼杯-骨界面最大微动为166.4 μm,内移4 mm及8 mm组相对原位组分别减少了46.2%和62.1%。对于臼杯植入后髋臼周围即刻应力分布,不同组别之间的差异并不显著;而在步态周期站立位相载荷工况下,原位组髋臼周围平均应力及峰值应力均最小,平均应力随内移程度的增加而增大,内移4 mm组峰值应力最高。结论 相较原位植入假体,髋臼内陷技术可以提高假体初始稳定性,稳定性和内移程度成正比。但内移程度不足导致骨覆盖面积不足时,臼杯-骨界面边缘应力显著增加,可能会导致假体相关并发症风险的升高。     

髋臼假体放置角度对髋臼周围应力分布的影响

目的研究全髋关节置换(total hip arthroplasty,THA)髋臼侧重建中不同髋臼假体安放角度对髋臼周围内外应力分布的影响,探索提高THA术后髋臼假体稳定性的方法。方法基于材料属性的非均匀赋值模型和由不同髋臼假体前倾角(15°,20°,25°)与外展角(40°,45°,50°)的9种组合方式构建包括正常髋模型在内的10种有限元模型,并以正常步行模式单支撑相中的髋关节最大接触力为载荷条件进行求解。以正常髋模型分析结果为对照,按照从定性到定量原则对比分析各模型的内外应力。结果当髋臼假体的放置角度与正常髋臼的解剖角度(前倾19°、外展46°)最接近时,髋臼周围的应力遮挡现象最明显。此外,当髋臼假体的外展角放置于45°,前倾角在15°~25°变化不会对模型整体应力分布造成较大的影响;而且在15°前倾角条件下,模型不仅在应力分布方面具有良好稳定性,同时在皮质骨和松质骨上应力遮挡现象相比于处于正常髋臼解剖角度时明显改善。结论对于髋臼的正常解剖形态未发生明显改变且需要接受THA手术的患者,应把髋臼假体放置在正常外展角45°,而前倾角应小于正常解剖前倾角5°左右并居于15°~20°之间。     

骨盆倾斜对髋关节置换后站立位髋臼侧应力影响的有限元分析

背景：在髋关节置换术中,仅利用髋臼解剖放置髋臼杯会改变功能性髋臼杯的方向;计算机导航完成髋关节置换手术可提高假体放置的准确性。目的：应用有限元模型模拟手术,模拟髋臼杯的应力大小及区域,结合骨盆倾斜角计划髋关节置换髋臼杯放置方向,探讨骨盆倾斜角对髋关节置换术髋臼侧假体应力分布的影响。方法：收集6例(标记为A-F)骨盆X射线片及CT数据,通过有限元软件ABAQUS 6.14-4(SIMULIA公司,法国)建立髋关节模型,以仰卧位前骨盆平面为坐标平面,模拟髋关节置换手术,建立6个模型,再根据站立位骨盆倾斜角,对骨盆倾斜角≤-10°与骨盆倾斜角> 10°者,调整假体植入的参考平面,建立9个模型,分为矫正前模型：A(-14°),B(-29°),C(11°);矫正后模型：Aa(-7°),Bb(-18°),Cc(1°);正常模型：D(-8°),E(-2°),F(-9°)。在有限元求解软件中,约束固定模拟单足站立,于骶髂关节、耻骨联合、大转子处加载关节负荷,比较各模型髋臼、髋臼杯及内衬最大Von Mises应力分布情况。结果与结论：(1)运算中模型B出现不收敛,在骨盆倾斜矫正后收敛;模型A出现不...     

正常步态周期中髋臼周围区域的应力分布及其在THA髋臼重建中的指导

目的 研究健康成人步态周期中髋臼周围内外应力分布基本规律,探求这些规律对全髋关节置换（total hip arthroplasty, THA）髋臼侧重建的临床指导作用。方法 采用CT 扫描获取1名男性和1名女性健康中年志愿者骨盆与股骨近端数据并构建三维模型。通过基于CT值计算材料弹性模量的非均匀材料赋值方案及其收敛性分析为各个有限元网格单元独立赋值。根据正常步态行走中髋关节接触力在步态周期中的动态变化施加载荷条件。以模型内外节点的Von Mises应力为标准进行结果判断。结果 在正常步行中,从男、女志愿者髋骨外表面看,应力主要从髋臼后上方沿髂翼后外侧经坐骨大切迹传递至耳状面,应力最大值出现在坐骨大切迹附近;从男、女志愿者髋臼上、中、下3个剖面看,应力在髋臼后上方的骨皮质与骨松质均有分布,而在髋臼的前柱与后柱,应力则主要分布于骨皮质上。结论 根据健康成人髋臼周围正常步态应力传递与分布规律,选择更合适大小的髋臼假体以及更精确地控制髋臼假体的安放位置有助于获得更符合正常步态应力分布的髋臼重建方案。     

步态周期下髋臼生物力学特征

目的 研究正常步态周期下髋臼周围区域应力分布规律,并进一步探究髋臼各柱的生物力线和骨皮质厚薄形态分布。方法 通过人体逆向动力学分析获取人体步态周期8个典型阶段的肌肉及髋关节载荷,应用三维重建技术构建髋关节三维模型,以所得载荷作为加载边界条件进行有限元分析及拓扑优化。结果 步态周期支撑相下髋关节载荷较大,中柱应变能占总应变能55%～69%,髋臼顶部应力较大;摆动相下髋关节载荷减小,中柱应变能所占百分比减小。髋关节不同的运动角度影响肌肉力,进而影响髋关节上应力分布规律。所获得髋臼各柱的生物力线分布与解剖学所提出的生物力线及骨小梁排布基本吻合,与拓扑优化结果中骨皮质较厚区域相对应。结论 通过数值模拟方法可以确定髋臼各柱的生物力线和骨皮质厚薄形态分布,为骨折治疗内固定装置的合理放置提供理论指导。     

髋臼发育不良髋关节置换前髋臼侧的三维测量

背景：成人髋臼发育不良髋臼小而浅,臼内有大量骨痂和瘢痕组织等都为人工髋关节置换术中真臼的辨认、臼杯的准确安装带来极大困难,关节置换前对髋臼的全面认识是选择合适的髋臼假体和制定个性化髋臼重建方案的前提。 目的：评估三维影像重建技术在成人髋关节发育不良全髋关节置换前臼杯型号选择中的应用价值。 方法：对11例准备进行全髋关节置换的髋臼发育不良患者行螺旋CT扫描,多平面重建髋臼,并进行数字化臼杯模板置入拟定术中假体型号,并与置换中实际作吻合度评估。 结果与结论：螺旋CT扫描可清晰显示髋臼形态,基于此所进行三维关节置换前计划,拟定的臼杯大小数据中71.4%与置换中实际一致,其组内相关系数为0.888,明显较基于X射线平片所作二维置换前计划准确。髋臼发育不良病例髋臼变浅变小,髋臼外上方普遍存在不同程度的骨缺损,为达到骨床对臼杯良好的包容,可借助三维多平面重建能有效评估髋臼形态,其对成人髋关节发育不良术前假体的选择具有较高的参考价值。     

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。     

头颈比不同人工髋关节臼杯安置角度的安全范围

背景：由于假体安置角度不当时常导致臼柄撞击而使人工髋关节活动范围受限,不能满足正常的日常生活需要。目前人工全髋关节置换的臼杯安置角度一直存在争议,且对不同头颈比的人工髋关节置换中臼杯安置没有针对性指导。 目的：探讨不同头颈比人工髋关节臼杯安置角度的安全范围。 方法：参照人工髋关节内旋和外旋活动范围计算公式、人工髋关节内收和外展活动范围计算公式、人工髋关节前曲和后伸活动范围计算公式、髋臼外展角和前倾角动态变化的数学表达式,根据Widmer人工髋关节正常活动范围标准得不等式组：①外旋活动范围至少40°,内旋活动范围至少80°。②外展活动范围至少50°,内收活动范围至少50°。③前屈活动至少130°,后伸活动至少40°。解上述3组不等式得出不同头颈比人工髋关节臼杯安置角度安全范围。 结果与结论：不同头颈比的人工髋关节臼杯安置角度的安全范围不同。为满足正常髋关节活动范围人工髋关节头颈比应大于22/12,人工髋关节活动范围随头颈比增大逐渐增大,随头颈比增大臼杯安置外展角和前倾角度安全范围逐渐增大,具体头颈比臼杯外展角安全范围的上下极值随前倾角增大在一定的范围内逐渐增大,且极差亦逐渐增大。外展角安全范围的上极值随前倾角增大逐渐减小,而下极值逐渐增大对称波动于45°上下且逐渐趋向于45°,最大前倾时外展角均为45°。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;组织工程全文链接：     

不同位置髋臼杯修复髋臼发育不良的稳定性

背景:在全髋关节置换治疗严重髋臼发育不良的过程中,将髋关节假体臼杯置于真臼位置处还是非真臼位置处仍存在争议。目的:通过数字骨科模拟全髋关节置换过程,分析不同位置髋臼杯的稳定性。方法:收集8例髋臼发育不良(CroweⅢ型)患者的骨盆CT影像成像资料,使用Mimics和Solidworks软件重建患者骨盆和髋臼杯图像,根据患者自身髋臼大小在真臼的位置安装合适的髋臼假体,并以2mm的增量将合适大小的臼杯假体逐级递增上移至20 mm,比较不同高度放置髋臼假体的有效CE角和髋臼杯覆盖率。结果与结论:①当髋臼杯上移至真臼上方14 mm处时,测得的有效CE角最大(28.90±1.31)°,此时对应的髋臼杯直径为(42.00±1.94) mm;与髋臼杯上移至真臼上方16,18,20 mm处测得的有效CE值比较差异无显著性意义(P>0.05),其余组间比较差异有显著性意义(P<0.05);②当髋臼杯上移至真臼上方12 mm时,测得的髋臼杯覆盖率最大(93.16±1.04)%,此时对应的髋臼杯直径为(43.00±1.73) mm,与上移至真臼上方14,16,18mm处测得的髋臼杯覆盖率比较差异无显著性意义(P>0.05),其余组间比较差异有显著性意义(P<0.05);③相关性分析显示,随髋臼杯位置上移,有效CE角与髋臼杯覆盖率变化呈正相关;④结果表明在不使用结构性骨移植的情况下,于全髋关节置换术中通过适当上移旋转中心治疗髋臼发育不良(CroweⅢ)将获得更稳定的髋臼杯。     

Shape optimization of metal backing for cemented acetabular cup

Stresses are generated in implant materials and bone, and at their interfaces. These stresses may affect the structural properties of the implant/bone system, or bring it to failure at some time in the postoperative period. Due to these stresses, acetabular cup loosening becomes an important problem for long term survival of total hip arthroplasty. It was found that metal backing would tend to reduce stresses in the underlying acrylic cement and bone. Yet, recent studies of load transfer around acetabular cups have shown that metal backing generates higher stress peaks in cement at the cup edges, while generates lower stress peaks in bone at the central part of acetabulum (dome), thus the bone at the dome becomes more stress shielded. In this study a numerical shape optimization procedure in combination with an axisymmetric finite element model was used in order to optimize the shape of a stainless steel metal backing shell. The design was to minimize fatigue notch factor in cement along cement/bone and cement/metal backing interfaces in order to prevent failure of cement mantel and loosening of acetabular components, at the same time increasing fatigue notch factor in bone at the center of acetabulum to prevent stress shielding. The results of this study indicate that cemented acetabular cup designs can be improved by using metal backing shells of non-uniform thickness, thick at the dome and thin at edges. Fatigue notch factor in cement was reduced by 2.3% at cement/metal backing interface and increased by 1.3% in the central bone of acetabulum. Von Mises stresses in the cement edge were reduced by 17.8% and 19.3% along cement/bone and cement/metal backing interfaces, respectively. Thus the optimal design will reduce the possibility of fatigue fracture of cement and decrease the stress shielding effect and the likely incidence of bone resorption, whereby extend the expected life of the prostheses.     

保留髋臼杯骨水泥聚乙烯内衬置换的髋臼侧翻修

BACKGROUND: Although cementation of polyethylene liner into a well-fixed metal shell during the revision surgery has several advantages compared to total acetabular revision, there are some disputes about its clinical outcomes, especially regarding the re-revision rate and the prosthetic survivorship. OBJECTIVE: To evaluate the clinical outcomes and safety of cementation of polyethylene liner into a well-fixed acetabular cup in the revision after total hip arthroplasty with retained stable cup. METHODS: Between March 2012 and November 2014, nine patients underwent revision after total hip arthroplasty with cementation of polyethylene liner into a well-fixed acetabular cup. There were 1 male and 8 females, aged 43.7 years on average. The time was 9.4 years on average from the primary total hip arthroplasty to revision. Harris Hip Score and prosthesis X-ray films were compared after revision. The effects and safety of cementation of polyethylene liner into a well-fixed acetabular cup were further evaluated.  RESULTS AND CONCLUSION: Nine patients were followed up for 8-37 months. The Harris hip scores before revision was (49.54±18.28) points previously, and (84.82±10.59) points during final follow-up (t=6.377, P < 0.05). One patient had re-revision surgery because of recurrent dislocation. There were not complications in other patients, resulting in failure rate of 11%. These results indicated that polyethylene liner cementation technique is safe and effective when the well-positioned and well-fixed acetabular cup retained.       

髋关节表面置换改良杯的生物力学评价

髋关节表面置换术远期的松动率比全髋关节置换术高,且头杯的松动率较臼杯为高。但髋关节表面置换术具备一些全髋关节假体置换术所没有的优点,如:能保留健康的股骨颈,且尚有全髋关节假体置换术的余地。我们设计了新型的三翼头杯和杆栓杯,简称TC和BC。其中心杆使头杯与残存股骨颈一体化,使假体与残存骨质成为完整受力体系,均匀分散杯下应力。实验采用压力应变值和最大破坏扭矩来评价新头杯与传统头杯的力学稳定性。结果显示,TC综合力学性能最佳,有希望为临床提供一个较理想的头杯。     

金属对金属髋关节动态边缘接触力学行为

目的研究球面共型接触人工髋关节在股骨头动态位移条件下的边缘接触力学行为。方法基于所发展的有限元球面网格数据模型,动态模拟分析金属对金属人工髋关节在给定生理位移工况条件下的接触行为和可能诱发的边缘接触现象。结果数值模拟表明,随着动态位移载荷的增加,关节接触面压力合力的垂直分力和水平分力都有上升趋势;在边缘接触过程中压力合力的垂直分力比非边缘接触情况变化趋势要缓慢,但相应的水平分力增大趋势更显著。此外,边缘接触与非边缘接触对应的接触压力分布形态与接触区域也各不相同。结论金属对金属人工关节髋臼相对股骨头过大的倾斜状态极易引起边缘接触,动态边缘接触情况下,将导致股骨头向髋臼内侧产生相对滑动及附加磨损的可能,这对临床人工髋关节磨损评估与关节制造发展提供了分析依据。