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。     

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。     

步态周期中髋关节软骨应力分布对弧形髋臼周围截骨手术的影响

目的 研究在完整步态周期受力环境下髋关节周围软骨的应力分布情况,探求弧形髋臼周围截骨术（curved periacetabular osteotomy, CPO）术中所截骨块的最佳矫正角度,为临床手术提供理论依据。方法 利用CT扫描获取1名髋关节发育不良（development dysplasia of hip, DDH）患者和1名健康志愿者骨盆及股骨近端DICOM数据,构建三维有限元模型。采用划分蒙罩的方法区分皮质骨和松质骨,并为有限元模型赋予材料属性。对DDH模型模拟CPO,调整外侧中心边缘角（lateral center edge angle, LCEA）和前方中心边缘角（anterior center edge angle, ACEA）,共得到100个不同的术后模型。根据完整步态周期中的髋关节受力情况为模型分别施加载荷,分析对比术前、术后和正常髋臼软骨的受力变化。结果 DDH模型模拟术后髋臼软骨在完整步态周期中脚跟落地相、开始单腿支撑相、单腿支撑中期相、单腿支撑结束相、双腿支撑相的最小接触应力峰值分别为5.273、6.128、7.463、6.347、6.582 MPa,分别比术前减少了2.159、2.724、2.249、2.164、2.119 MPa;术后头臼接触面积较术前明显增加,但仍小于正常志愿者。结论 利用有限元方法可以得到LCEA和ACEA的最佳矫正角度,对不同患者模拟CPO手术对提高手术精准度和手术效率具有重要意义。     

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：     

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。     

应用三维有限元分析髋臼骨结核软骨下骨塌陷的风险

目的建立人体髋臼骨结核三维有限元模型,探讨不同部位髋臼骨结核软骨下骨塌陷的风险。方法通过正常髋关节CT数据,利用Mimics软件和ANSYS有限元软件,建立正常髋关节三维有限元模型(模型A)、髋臼顶部骨结核(模型B)、髋臼中心部骨结核(模型C)、髋臼前部骨结核(模型D)、髋臼后部骨结核(模型E)三维有限元模型,模拟人体单脚站立进行加载,分析髋臼软骨下骨峰值Von Mises应力和初始微动值。结果建立了正常髋关节和不同部位髋臼骨结核三维有限元模型,各模型含节点269284,三维四面体单元184786个。通过加载分析结果显示:与正常髋关节相比,峰值Von Mises应力,依次增加84%、3%、21%、67%;髋臼软骨下骨初始微动值依次增加66%、11%、17%、29%。结论髋臼顶部结核软骨下骨峰值Von Mises应力和初始微动值最大,塌陷的风险最大。     

髋臼缺损有限元模型的建立及力学分析

背景:目前已设计了多种假体可用于伴有骨缺损的髋臼翻修手术,重建髋臼骨缺损对于翻修手术的成败至关重要。为了更好地评价翻修假体的设计,有必要对髋臼翻修前后的应力分布进行详细了解。目的:建立髋臼缺损的有限元模型,研究其在正常步态周期内的应力变化。方法:取正常男性完整骨盆标本,获取髋臼区空间结构三维坐标数据,建立人正常及缺损髋臼的有限元模型,应用有限元分析公式计算两种类型髋臼在正常步态周期内的应力变化规律。结果与结论:研究证实在正常步态周期内,正常髋臼的最高应力位于髋臼外上部,并且取决于髋关节力的大小和方向。髋臼区应力分解为指向髋臼外上部的主要部分和指向耻骨支撑区的次要部分。而在髋臼缺损模型,负荷传导的部位从髋臼缘的前上方变到后上方和耻骨支撑区。结果表明有限元分析是研究缺损髋臼应力变化及其翻修假体设计的有效方法。     

正常与骨质疏松髋关节模型的建立及有限元分析

背景：骨密度是临床上判断骨骼强度的金标准，但骨密度对骨量变化的敏感较低，只有骨量明显降低时骨密度才会出现大幅变化，故骨密度对骨强度变化和骨折危险度的预测能力有限。目的：建立正常与骨质疏松髋关节模型，分析单腿站立工况下正常及骨质疏松患者髋部应力及形变情况。方法：选择1例健康成年女性志愿者为研究对象，年龄36岁，获得该志愿者的髋部CT数据并以DICOM格式保存。对髋关节模型进行三维重建，通过灰度赋值法赋予材料属性，按照经验公式，获得正常与骨质疏松髋关节模型。设定相同的边界条件和载荷，模拟单腿站立位状态下正常与骨质疏松髋关节应力及形变情况。结果与结论：(1)在正常及骨质疏松髋关节有限元模型中，股骨颈内侧区域应力分布较为集中；(2)在髋骨中，应力分布主要集中于髋臼上部；(3)正常髋关节模型比骨质疏松性髋关节模型在股骨颈内侧、髋臼上部的应力峰值大，可能是由于骨质疏松性骨骼骨强度降低导致；(4)正常及骨质疏松髋关节模型的Von Mises峰值都集中于股骨颈内侧，髋骨Von Mises峰值较小，说明骨质疏松对髋骨受力整体影响相对较小；(5)单腿站立位下形变方面，正常髋关节模型最大形变位于髋臼与股骨头...     

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。     

Bernese髋臼周围截骨术术前规划的有限元分析方法研究

建立了髋关节发育不良患者的三维有限元模型,并进行了计算机模拟Bernese髋臼周围截骨术,旋转截骨块建立了不同手术方案的术后模型。分析单足站立受力环境下,术前、术后髋关节周围软骨的受力变化,并与正常髋关节模型进行比较。本文将仿真计算的正常人髋关节受力情况与文献比较,验证了模型分析方法的有效性。分析结果表明,不同手术方案对髋臼软骨的应力环境都有所改善,表现为髋臼接触面的接触应力和von Mises应力明显减小,且接触面积有所增大,但改善程度有所差异,可以通过有限元分析方法进行术前规划,为临床手术提供一定的理论依据。     

The shape of acetabular cartilage optimizes hip contact stress distribution

The biomechanical role of the horseshoe geometry of the acetabular cartilage is described using a three-dimensional mathematical model. It is shown that the acetabular fossa contributes to a more uniform articular contact stress distribution and a consequent decrease in the peak contact stress. Based on the results it is suggested that the characteristic horseshoe shape of the articular cartilage in the human acetabulum optimizes the contact stress distribution in the hip joint.     

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。     

髋臼后壁骨折对髋臼与股骨头之间接触特性的影响

目的 :评价后壁骨折对髋臼与股骨头之间接触特性 -负重面积、负重、应力和应力分布的影响。方法 :用夹具将骨盆标本固定于单足站立骨盆中立位 ,在LDS -5 0 0试验机上加载至体重的 5 /6,维持 2min。用压敏片依次测量完整髋臼、后壁 1/3、 2 /3、3 /3骨折时髋臼前壁、后壁和负重顶区接触特性的变化。结果 :后壁骨折使负重顶区的负重、负重面积和平均应力均显著增加 (P <0 .0 1)。后壁骨折对前壁的负重面积改变不大 (P =0 .5 6) ,但使前壁的平均应力 (P <0 .0 1)和负重 (P <0 .0 5 )均显著减少。后壁骨折显著减少了后壁的负重面积 (P <0 .0 1) ,但对后壁的负重并未产生显著影响 (P =0 .19) ,对平均应力的影响 ,只是在 3 /3骨折后与完整相比才出现统计学上的差异 (P <0 .0 1)。结论 :(1)后壁骨折显著改变了髋臼与股骨头之间的接触特性 ;(2 )后壁 1/3骨折时影响率最大 ;(3 )变化最显著的部位是负重顶区。     

Direct comparison of contact areas, contact stress and subchondral mineralization in human hip joint specimens

 X-ray densitometric and CT osteoabsorptiometric findings suggest that in the human hip subchondral mineralization patterns change from bicentric to monocentric as a function of age. It has been hypothesized that these changes indicate an alteration in the geometric configuration of the joint from incongruous to congruous, possibly associated with the onset of osteoarthrosis. The purpose of this study was therefore to directly compare contact areas, contact stress and subchondral mineralization in the hip joint. Twelve specimens without cartilage lesions (ages 34–86 years) were investigated. Simulating the mid-stance phase, the contact areas were determined by polyether casting and the contact stress with Fuji film. The distribution of subchondral mineralization was assessed non-invasively with CT osteoabsorptiometry. At small loads the load-bearing areas were located at the periphery of the lunate surface. In some joints they were found in the acetabular roof and expanded, with higher loads, to the center of the lunate surface and the anterior and posterior horns. In other joints, the contact areas were recorded at lower loads in the anterior and posterior horns, and only at higher forces they merged in the acetabular roof. The maximal contact stress ranged from 8 to 9 MPa at 300% body weight. Maxima of subchondral mineralization were recorded in the acetabular roof, in the anterior and posterior horns, or in all three locations. There was no clear correlation between the distribution of contact and pressure, and the pattern of subchondral bone density. Incongruity is shown to strongly affect the distribution of contact and pressure in the human hip joint. However, the pattern of subchondral mineralization cannot be readily explained in terms of the contact areas and contact stress during mid-stance. Incongruity may give rise to tensile stresses in the subchondral bone, and the construction of the pelvis as a whole may play an important role in subchondral bone loads and adaptation. Accepted: 19 September 1996     

基于激光快速成型技术正常步态下骨盆应力分布的三维光弹分析

背景：三维有限元技术是对应力真实情况的数字模拟,光弹技术可以真实显示测试模型的整体应力分布。 目的：使用激光快速成型技术制备骨盆光弹模型,以三维光弹法研究正常步态下髋臼区域的应力分布特征并与使用有限元法获得的数据进行比较。 方法：使用激光快速成型技术制备骨盆光弹模型,包括第5腰椎及双侧股骨近端。在股骨上施加体质量负荷,通过固定在髂骨翼前部髂前上棘髂后上棘及耻骨下支的钢丝施加负荷模拟4组肌群,假定股骨内收15°,支撑相4个子步态股骨从屈曲22°到后伸12°。应力冻结后,沿弓状线切片。在偏振光场中观察等差线及等倾线。 结果与结论：①应力集中点位于髂骨中部、髋臼后上、髂耻联合及骶髂关节部位,其中最大应力产生在髋臼后上部。②主应力从从臼顶后上部位向骶髂关节传递,同时部分向耻骨上支传递。随着股骨后伸的加大,臼顶至髂结节区域的应力逐步加大。③髋臼区域的应力主要来源于体质量负荷产生的头臼作用力,肌肉收缩力的作用有限。结果提示,采用三维光弹法可直观全场反映髋臼区域应力分布特征,与既往有限元实验产生的结果基本相符。     

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...     

襁褓体位对大鼠髋关节软骨中二型胶原、蛋白聚糖及金属基质蛋白酶-13表达的影响

目的：探索襁褓体位固定对大鼠髋关节发育及髋关节软骨中特异性基质二型胶原（ Colla-gen-Ⅱ）、蛋白聚糖（ Aggrecan ）及金属基质蛋白酶-13（ MMP-13）表达的影响。方法：将64只新生Wistar大鼠编号后随机分为实验组（33只）和对照组（31只）。实验组采用医用布胶带将新生大鼠双髋、双下肢伸直捆绑1周,对照组大鼠不做干预。相同条件下饲养至第8周时,拍摄两组大鼠骨盆正位X线片,解剖髋关节并测量股骨头横径、髋臼横径及股骨头高度、髋臼窝深度并进行比较,用Real-time PCR检测两组大鼠股骨头软骨、髋臼侧软骨中Collagen-Ⅱ、MMP-13、Aggrecan mRNA的表达。结果：造模至第8周时,影像学及髋关节解剖大体形态学显示,实验组大鼠股骨头、髋臼侧发育呈髋关节发育不良及关节退变表现;同对照组相比,实验组大鼠髋关节股骨头横径、髋臼横径及髋臼窝深度均明显短缩,差异均有统计学意义（P＜0．05）。 Real-time PCR结果显示,实验组大鼠股骨头软骨中Collagen-Ⅱ、Ag-grecanm RNA表达量较对照组明显降低,MMP-13 mRNA表达量较对照组明显升高（P＜0．05）;实验组髋臼侧软骨中Collagen-Ⅱ、MMP-13和Aggrecan mRNA的表达均较对照组显著升高（ P＜0．05）。结论：双下肢伸直襁褓体位捆绑可诱导新生大鼠髋关节发育不良并可继发髋关节退变,该退变机制可能由于在应力环境下关节软骨中具有软骨破坏作用的MMP-13 mRNA的表达上调,从而导致股骨头软骨基质中Collagen-Ⅱ、Aggrecan mRNA的合成降低所致。     

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。