老年患者人工股骨头置换的三维有限元分析

目的 对人工股骨头置换治疗的老年股骨转子间不稳定骨折有限元模型进行生物力学分析。方法 对1 名健康老年男性志愿者左侧股骨行螺旋CT 断层扫描后将数据导入Mimics14.0 软件得到股骨实体,获得左侧股骨转子间不稳定骨折模型。根据AML 生物型假体及Muller 骨水泥假体的设计参数,制作AML 普通柄、加长柄及骨水泥柄模型,并植入骨折模型中模拟3 种不同材料的人工股骨头置换术。将人工股骨头置换模型与正常股骨模型导入Ansys13.0 软件中,对各部分材料赋值后加载负荷并作应力分析。结果 正常股骨自近端至远端不断增加,并于中下段达到峰值。人工股骨头置换后并未改变股骨总体的应力趋势,同样是由近端到远端逐渐增加,应力集中部位为全长股骨中段,但股骨近端的受力小于正常股骨,同时股骨上最大等效应力增加。3 种假体受力集中部位均为骨髓腔峡部与假体连接处,假体的最大等效应力相近;3 种假体对股骨受力的影响趋势相同,但加长柄对股骨下端应力的改变小于普通柄,股骨的最大等效应力由高到低依次为加长柄、普通柄和骨水泥柄。结论 人工股骨头置换术用于Tronzo-Evans IV 型股骨转子间不稳定骨折可提高股骨的最大等效应力。     

不同种植体—骨结合部位对骨界面应力分布的影响

目的 研究功能负荷下，不同种植体－骨结合部位对骨界面应力分布的影响。方法 利用三维有限元法分析比较单根螺纹型种植体在50％骨结合率下，七种接触方式及部位（局部交替、冠部、底部、颊侧和舌侧、近中与远中侧）骨界面应力分布状况及种植体位移。结果 不同部位结合的种植体－骨界面应力分布状况不同，比较而言，冠部结合状态下，骨界面平均应力水平低、分布最均匀，骨界面最大应力值最小，应力集中程度最低。结论 种植体植入过程中保护种植体颈周密质骨对于种植成败非常重要。     

缺血性坏死区位置和大小对股骨头应力的影响

为研究股骨头缺血性坏死区域位置和大小对股骨头软骨下骨板应力的影响。采用实验应力分析的光测弹性力学方法，设计环氧树脂平面光弹模型。计算软骨下骨板的应力，结果表明紧邻软骨下骨板的或坏死区较大的骨坏死将对骨板产生很大应力，说明对因坏死或钻孔等造成的股骨头空洞进行植骨术是必要的。     

基于中国可视人体数据集构建髋关节应力分析三维有限元模型

目的 基于中国可视化人体数据集准确构建包括髋关节骨、软骨及盂唇完整结构的三维有限元应力分析模型.方法 利用中国可视化人体数据库高分辨率磨片图像,采用轮廓提取法,在AutoCAD工作平台及Solidworks软件辅助下,通过实体加减法建立髋臼骨、软骨、盂唇和股骨头骨、软骨的三维实体模型,并导入ABAQUS分析系统中作为装配的模型部件,设定材料属性后进行网格化,获得三维有限元模型组件.将髋臼骨、软骨、盂唇和股骨头骨、软骨部件分别组装,定义股骨近端相对髋臼屈髋5°、外旋20°,以股骨头中心施加垂直向上应力400 N,分析验证其软骨部位的应力分布.结果 采用实体加减法获得的组件在ABAQUS分析系统中装配准确,骨、软骨和盂唇连接界面未出现影响应力分析的间隙或实体重叠,网格化过程顺利.获得的软骨及盂唇接触区域的应力分布、软骨应力集中区域与传统研究方法结果相近.结论 利用中国可视化人体数据库磨片能准确构建包括髋关节完整结构的三维有限元应力分析模型,并可避免其他构建方法无盂唇结构的缺陷.     

不同材料桩核修复后的牙本质应力分析

目的对使用不同材料进行桩核修复以后的牙体进行生物力学分析,观察牙体内的应力分布情况.方法建立上颌中切牙桩核修复的三维有限元模型,分别分析铸造钴铬合金、碳纤维增强树脂、钛合金、铸瓷桩修复以后受载情况下牙体牙本质的应力分布.结果牙本质应力主要分布于根上1/3,愈靠近牙根表面应力值愈高;四种材料修复后最大应力值无明显差异,传统钴铬合金桩和牙本质交界处有明显的应力集中,碳纤维加强树脂桩和牙本质交界处应力集中不明显.结论低弹性模量材料修复后牙本质内应力分布更有利于牙体抗折.     

全瓷修复体界面仿生功能梯度层的优化设计

目的 探讨全瓷修复体界面仿生功能梯度层优化设计方案.方法 建立双层瓷/仿生功能梯度层/粘结剂/牙本质基底的三维平面有限元模型,根据所采用的核瓷材料的不同分为实验Ⅰ组(核瓷为氧化锆)和实验Ⅱ组(核瓷为二烯酸铝),进行三维有限元力学分析,并采用ANSYS软件中的一阶方法对功能梯度层弹性模量的梯度变化进行优化计算分析.以双层瓷/粘结剂/牙本质基底的三维平面有限元模型作为对照.结果 实验Ⅰ组功能梯度层中最大主应力为23.028 6 MPa,应力分布均匀且平稳过渡;而对照组在核瓷底部出现了应力集中,最大主应力值为100.25 MPa.实验Ⅱ组功能梯度层中最大主应力为15.966 5 MPa,应力分布均匀且平稳过渡;而对照组在核瓷底部出现了应力集中,最大主应力值为73.884 MPa.分别得到了实验Ⅰ、Ⅱ组功能梯度层内弹性模量梯度变化的优化曲线.结论 仿生界面功能梯度层能有效降低全瓷修复体核瓷底部的应力集中,其内部弹性模量的梯度变化存在优化方式.     

骨水泥假体柄-股骨界面应力传递模型

目的研究骨水泥假体柄与股骨界面应力传递的力学模型。方法将股骨、骨水泥,假体柄视为线弹性和各项同性材料结合的同心圆柱体。建立包含热效应时的轴对称界面应力传递模型,获得了股骨、骨水泥和假体柄轴向应力以及假体柄／骨水泥、骨水泥／股骨界面剪切应力随轴向位置的分布。结果界面失效是假体柄／骨水泥／股骨结构的主要失效形式,且存在热效应时,界面更可能产生混合的而不是存剪切的失效形式;由于骨水泥具有较高的热膨胀系数,热效应的存在具有加速界面失效从而加剧应力遮盖效应的趋势;在较高热残余温差下,运用钴铬合金比Ti-6Al—4V合金假体柄材料更容易导致界面和股骨的失效。结论在骨水泥,假体柄承受压缩应力的状态下,应用弹性力学的基本方程,获得了假体柄,骨水泥,股骨轴向应力以及界面剪切应力随轴向位置的分布。界面失效是假体柄,骨水泥,骨结构承载的主要失效形式。热残余温差的存在,加速了假体柄、骨水泥和股骨界面的失效,加速了假体柄的松动,加剧了股骨应力遮盖效应。这主要是骨水泥具有较高的热膨胀系数所致。由于Ti-6Al-4V（钛合金）材料的弹性模量和热膨胀系数比钴铬合金小,在一定程度上缓和了界面和股骨的失效。这与临床所见一致。     

股骨假体的界面生物力学仿真分析

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理论计算模型，定量分析了单足站立相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。     

股骨假体的界面生物力学扭转理论仿真分析

目的 对股骨一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扭转理论计算模型，定量分析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 钛合金假体植入后应力遮挡率较低。羟磷灰石表面涂层假体能缓和界面层的应力差异。     

髋臼假体的方位对假体骨水泥界面应力分布的影响

目的 通过三维有限元分析，探讨假体—骨水泥界面的应力分布情况以及髋臼假体的方位对该应力分布的影响。材料和方法 根据人工髋关节的工业设计制造图．利用有限元软件Ansys5．6的三维几何建模功能，建立了人工髋关节的三维模型．再根据Lenfsfeld试验得出的髋臼假体在不同的外展角下髋关节接触力的大小和方向．经过换算，然后加载负荷于股骨头上，计算出髋臼假体在不同的外展角下股骨假体与骨水泥内外侧界面的应力值。结果 假体与骨水泥界面应力分布不均．在股骨假体柄的始端处最大，是应力传导至骨水泥或股骨的主要部位，称为峰值应力(Peak Value Stress)或主应力，然后快速减小，大约越过股骨近端狭部，以后趋于平稳．在外侧接近于假体末端处又轻微增加。髋臼假体外展角在45度时．峰值应力最小．随着外展角的增大或减小，峰值应力都会逐渐增大。在假体远端。随着髋臼假体外展角的减少。在假体远端内外侧面的应力均逐渐增大，而且外侧面的变化更为明显。结论 股骨假体与骨水泥界面应力分布不均匀，在假体柄的近端是传导应力的主要部位，在该部位．股骨假体柄及骨水泥容易出现疲劳断裂。髋臼假体外展角增大或减小，股骨假体柄近端峰值应力都会增加．从而影响假体的使用寿命；在股骨假体的远端．髋臼假体外展角越小．界面应力越大，骨水泥越容易产生蠕变，对假体的稳定也越不利。     

Scanning electron microscopic study of subchondral bone tissues in osteoarthritic femoral head.

During total hip replacement for 12 cases of advanced osteoarthritis of the hip joint in aged women, three types of diseased or abnormal articular cartilage with different degrees of severity (white articular cartilage, white and hyperplastic articular cartilage, and yellowish articular cartilage) and ivory bone were obtained together with their subchondral bone tissues. These specimens were processed and studied under scanning electron microscope and were compared with sex- and age-matched non-osteoarthritic femoral head articular cartilage specimens. The following findings were observed: 1. In non-osteoarthritic femoral head, the subchondral bone plate was quite thin. The bone plate connected on its deep surface with the lattice-work of trabeculae of the epiphyseal region. The trabeculae were fine and smooth and some revealed round or spindle-shaped callus resulted from microfracture. 2. In osteoarthritic femoral heads, with increased the severity of the articular lesion, the articular cartilage gradually became thinned out and eventually lost. The subchondral bone plate was markedly thickened. The epiphyseal trabeculae were also thickened and turned rough so that the lattice-work pattern gradually disappeared. The thickened trabeculae finally fused into a large piece of dense bone tissue. No microfracture was detected. These changes were attributable to the increased stress imposed on the subchondral bone tissues as a result of defective articular cartilage. Consequently, the changes on the part of the subchondral bone tissues of the osteoarthritic femoral heads were the sequent, rather than the cause, of the articular lesions.

     

股骨干骨折钢板内固定后钢板断裂并原位再折的生物力学分析

目的分析股骨干骨折钢板内固定后钢板断裂并原位再折的原因.方法对1995年3月至2002年10月所收治的57例股骨干骨折钢板内固定术后钢板断裂并原位再骨折病例从生物力学角度进行分析.结果认为①具有较高弹性模量的钢板产生的应力遮挡,也导致了较多的应力集中于钢板,使其载荷增加;②钢板置于前外侧易发生断裂;③钢板长度过短,抗张力能力降低;④骨折端对合不良或钢板对侧骨皮质缺损,由于力矩作用,致应力集中于钢板;是发生钢板断裂及再折的原因.结论良好的复位,合理使用钢板,恰当的功能锻炼可以避免钢板锻裂及原位再骨折.     

前交叉韧带重建术后移植物应力的有限元分析

目的: 探究前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)重建后移植物应力分布特征,为ACL重建的手术方案提供理论参考。方法: 基于三维磁共振及CT影像,建立完整膝关节有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内侧副韧带、外侧副韧带、ACL、后交叉韧带;建立ACL重建后膝关节有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内侧副韧带、外侧副韧带、ACL移植物、后交叉韧带。模型采用线弹性材料属性,骨组织材料属性设置为弹性模量17 GPa,泊松比(Poisson’s ratio)为0.36;完整膝关节及ACL重建膝关节的模型中的韧带组织及ACL移植物的材料属性设置为弹性模量390 MPa,泊松比0.4;将股骨固定设置为模型边界条件,施加胫骨前向134 N的拉力为载荷条件,求解分析完整膝关节的ACL及重建术后的ACL移植物的拉应力、压应力、剪切应力、等效应力的受力状态。结果: 重建后的ACL移植物的最大压应力(6.34 MPa)、等效应力(5.9 MPa)、剪切应力(1.83 MPa)均在前侧股骨端,与完整膝关节ACL最大压应力(8.77 MPa)、等效应力(8.88 MPa)、剪切应力(3.44 MPa)位置一致。移植物最大拉应力也出现在股骨端,但位置在后侧,与完整膝关节ACL最大拉应力位置一致,且ACL移植物最大拉应力的值仅为0.88 MPa,小于完整膝关节ACL的2.56 MPa。结论: ACL移植物压应力、等效应力、剪切应力最大值均在前侧股骨端,最大拉应力出现在股骨端后侧,均与完整膝关节ACL最大拉应力位置一致;ACL移植物的前侧部分承受力较大,后侧部分承受力较小,与ACL的生物力学特性相符合。     

COEXISTENCE OF OSTEOARTHRITIS AND OSTEOPOROSIS INFEMORAL HEAD: A SCANNING ELECTRONMICROSCOPIC STUDY

ffeSUtn6 Objectif Detenniner ie cusistence d' ostdoarthrite et d' ostdope dans la tste du femur. liChen 12 femmes (age moron 56 ans )atteintes d' ortdoorthrite de la hanche, on a Prdlevd la tste du femur durant la substitutiontotale de l' articulation de leur hanche. APrds das traitements, Ies tstes du femur furent studioes sons ie microscope dlectroniqued belang (soon ). ~flats to lesions ostdcorthritiques de differents degrds (azractdrithe per ba digs~nce du cartilage articulaire et d' hyp…     

改良型非创伤性股骨头缺血坏死动物模型的建立

目的:探讨改良液氮冷冻法制作非创伤性股骨头缺血坏死(ANFH)的可行性,寻找一种较为理想的ANFH的造模方法。方法:将20只新西兰大白兔利用改良液氮冷冻法,制作ANFH模型,分别在术后2,4,6,8周行大体观、MRI、X线及Masson三色染色观察。结果:造模后2周股骨头变化不明显;造模后4周股骨头表面软骨变性,软骨下骨部分坏死;造模后6周股骨头表面软骨部分剥脱,软骨下骨坏死增多;造模后8周股骨头大部分骨质坏死,甚至出现塌陷。结论:改良液氮冷冻方法制作的股骨头坏死模型,其影像学及组织学改变较为符合早中期股骨头坏死的改变,且此法制作模型简单,费用低,坏死表现早,成功率高。     

行走中股骨生物力学特性的有限元分析

目的：利用有限元的方法,模拟人体最佳边界条件,探寻行走过程中股骨的生物力学情况。方法根据股骨CT数据进行三维重建,并且网格化。利用计算机仿真软件AnyBody模拟正常人平地行走时的动作,导出股骨在整个运动过程中受到的肌肉力。利用Geomagic studio和Hypermesh软件完成目标模型与AnyBody模型的坐标匹配,将肌肉力加载在股骨上。在有限元分析软件Abaqus上计算步态过程中股骨受到的von Mises应力、应变的大小及其集中部位。结果在站立相中期,股骨受到的应力最大,为27．70 MPa,应力集中在小转子稍下方偏后侧。股骨在对侧承重期的受到的应力最小;在摆动相,应力集中在股骨中下段的内侧,为3．52 MPa。最大应变出现在站立相中期,大小为0．39 mm,位于股骨头;在摆动相,应变最大位于股骨中段,大小为0．12 mm;对侧承重期股骨的局部应变最小。结论人体行走过程中,在站立相中期,股骨的小转子稍下方偏后侧局部受到的应力最大,而最大应变集中出现在股骨头。     

股骨颈骨囊肿三维数字模型的建立

目的：需求基于CT断层图像快速准确重建股骨颈骨囊肿数字模型及三维可视化的方法。方法：基于髋关节的64排螺旋CT连续断层扫描所得的二维图像, Mimics软件分别重建髋臼,近端股骨,股骨颈及骨囊肿组织的三维可视化结构并对骨囊肿区域进行三维测量。结果: mimics医学图像处理软件对髋关节CT扫描的Dicom格式数据进行三维重建图像结构清晰,可真实再现髋臼和近端股骨的结构,并且能够对骨囊肿区域予以定位,体积予以计算,骨囊肿三维测量的数据精确可信,与术前影像资料及术中所见大致吻合。结论：Mimics软件根据CT扫描所得的Dicom原始数据能准确重建股骨颈骨囊肿的三维数字模型,为股骨颈残余骨质的评估及个性化治疗方案的选择治疗了提供了客观的依据。