个性化钛合金短柄股骨假体的生物力学研究

目的 通过有限元方法评价个性化钛合金短柄股骨假体的生物力学性能.方法 在已验证有效性的股骨有限元模型基础上,模拟股骨颈基底部截骨,通过置入不同短柄股骨柄假体,分别建立4种人工髋关节置换(total hip replacement,THR)手术模型:SMF柄模型(模型A)、BE1柄模型(模型B)、MINI柄(模型C)、个...     

一种新型髋关节假体柄的生物力学设计

目的 基于一种新型髋关节假体柄设计,分析其在站立、行走、跑步和坐姿工况下的应力分布差异。 方法 基于人体 CT 数据,建立 7 组不同柄植入后的髋关节模型,利用有限元分析方法计算不同工况下假体柄和股骨应力情况。 结果 与植入传统假体柄相比,站立时新型假体柄植入后假体柄应力峰值降低 23%、股骨应力降低 72%。 7 种假体柄结果显示,假体柄高度为 86. 5 mm 的新型设计最符合患者需求。 多工况结果显示,患者处于坐姿,柄承受应力最小,使用寿命更长。 结论 新型假体柄有助于延长假体使用寿命,减小骨损伤风险。 髋关节假体模型为后期柄的设计及患者术后康复提供科学理论支撑。     

基于X线片与模板的股骨柄假体生物力学评价

目的对4组与股骨匹配的股骨柄假体进行生物力学的评价,寻找与正常股骨上力学分布最为接近的股骨柄假体。方法在Matlab中导入股骨近端X线正位片及4组股骨-股骨柄假体模板的bmp格式的图像文件,分别提取股骨、带假体模板的股骨二维轮廓数据,利用ANSYS软件建立股骨、股骨-股骨柄几何模型及二维非线性有限元模型,负荷加载后对股骨近端的应力分布进行分析、比较。结果假体置入后股骨上的力学分布与正常股骨有较大的差异,但在4组股骨柄假体中,终有一种假体其在股骨上应力大小及分布情况与正常股骨最为接近,而这种假体相对于此股骨来说其生物力学性能为最优。结论通过基于X线片与模板的股骨柄假体生物力学的分析比较,可对股骨柄假体的生物力学性能作出评价,为假体的优化选择提供依据。     

人工股骨柄形状和表面处理对置换术后假体和人体股骨应力分布影响的有限元分析

目的建立人工髋关节置换术后的三维有限元模型,分析研究人工股骨柄、骨水泥和人体股骨的应力分布。方法应用三维重建软件及Pro/Engineer建模软件和ABAQUS有限元分析软件计算分析人工股骨柄中空形状和柄部预处理范围对置换术后假体和人体股骨应力分布的影响。结果(1)倒立圆锥形中空特征的骨水泥固定型股骨柄的应力最小,其股骨柄周围骨水泥近端应力亦较低。(2)具有上涂层骨水泥的股骨柄可使骨水泥近端产生的应力减小,且股骨柄与骨水泥二者之间的剪力和相对滑动亦较小。(3)随着非骨水泥固定型股骨柄微孔涂层范围的增加,人体股骨上的应力范围下移,人体股骨近端的应力减小。结论(1)采用倒立圆锥形中空特征的人工股骨柄有助于降低人体股骨近端与假体接触区的应力遮挡效应。(2)采用股骨柄上涂层骨水泥的方法,可增强股骨柄与骨水泥界面的结合强度,有利于降低人工髋关节置换术后的假体松动。(3)非骨水泥固定型股骨柄微孔涂层范围对人体股骨的应力有明显的影响,微孔涂层范围过大不利于保持适中的人体股骨的应力和股骨柄的固定。     

运用有限元分析新型半髋假体装配过程中的应力分布

目的利用计算机模拟一种新型半髋假体系统假体装配过程中与股骨相互接触作用所产生的应力,探讨分析在临床手术中的操作界限值和相适应的假体外形。方法对一名60岁正常男性志愿者进行双下肢的股骨中上段CT扫描,从扫描图像中建立实体模型后利用与有限元的数据交互功能进行实体模拟装配、网格划分、保形简化以及单元弹性模量赋值等操作步骤,最后生成三维有限元模型,并构造股骨与假体之间的面-面接触关系,模拟分析假体植入装配过程中的相对滑移和应力分布情况。结果下压装配过程中假体柄对骨皮质产生附加应力,带棱槽假体的最大接触压力产生于棱槽变截面处,而最大装配应力和相对滑移量随假体压入深度呈非线性增长,当Δz≥0.5 mm后附加应力增长速率显著提高。结论与无棱槽假体的对比分析表明采用棱槽的半髋假体更容易装配并获得机械稳定,但在临床手术装配中应参照一定的量化操作要求,避免在植入时产生过大附加应力,对骨皮质产生破坏而导致治疗失败。     

股骨—人工假体之间的界面生物力学分析

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和扭转理论计算模型，定量分析了单足站立相及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 复合材料假体植入后应力遮挡率最低。羟磷灰石表面涂层假体能缓和界面层的应力差异。     

标准截面形状定制型股骨柄假体设计

目的 介绍一种标准截面形状定制型股骨柄假体结构以及自行开发的设计方法。方法首先利用DICOM格式的患者股骨CT图像,重建患者股骨近端模型;根据重建出的患者股骨近端模型构建股骨柄假体匹配段矩形的截面边界,并在矩形截面边界内用简单的线条初步构建出假体的截面轮廓曲线;利用股骨近端模型对初步设计出的股骨柄假体进行验证,并通过调整设计参数使最终设计出的个性化股骨柄假体与患者股骨髓腔相匹配。结果 定制型人工髋关节股骨柄假体采用标准截面形状,便于快速设计出个性化假体,而且设计操作简单。参数化程序设计大大降低了个性化股骨柄假体的设计工作量。结论 标准截面形状定制型股骨柄假体的设计将有助于提高定制型人工髋关节置换手术的成功率,促进定制型股骨柄假体在临床上的应用,进一步提高患者的生活质量。     

复合材料与金属材料髋关节假体应力分布的三维有限元分析

目的对钛合金、碳纤维增强聚砜(CFR/PSF)复合材料、CoCrMo合金和小锈钢假体的性能进行对比,研究复合材料与金属材料髋关节假体应力分布情况。方法采用ANSYS软件对髋关节假体进行了静态三维有限元分析,对比了不同材料的假体表面的应力分布情况,分析了正应力和剪切应力对假体的影响。结果假体的下半部和柄颈结合处受力较大,为假体的关键部位。结论钛合金和碳纤维增强聚砜(CFR/PSF)复合材料假体要比CoCrMo合金和不锈钢假体具有更好的应力分布,其临床应用效果将会更加理想。     

基于X线片定制股骨柄假体的设计原理及方法

目的 介绍自编的基于X线片设计定制型股骨柄假体程序系统的设计原理及功能模块。方法 利用图像处理方法提取X线片上一些患者股骨解剖特征点（如小粗隆最高点、股骨头中心及转子间窝等）、2个规划的手术截骨位置点（大粗隆侧截骨边界位置点及截骨线最低点位置点）以及一些设计用关键位置点（如假体远端位置、假体颈干连接段最高点位置等）,以此预测患者股骨近端髓腔,并通过输入设计参数值（如颈干角、前倾角、预留的松质骨厚度、假体匹配段截面圆弧半径及假体过渡段高度等）设计出定制型股骨柄假体。并对设计出的定制股骨柄假体进行匹配区域多个截面的二维截面验证和三维的总体验证。结果 根据验证情况,调整设计参数重新生成股骨柄假体模型点云数据,使设计出的股骨柄假体与患者股骨腔相匹配,达到定制型假体设计要求。结论 介绍的程序系统可用于为患者设计定制型股骨柄假体,设计周期较短,成本较低,有利于促进定制型股骨柄假体在临床上的应用,进一步提高患者的生活质量。     

髋关节假体的三维有限元分析与材料结构设计

我们设计了具有复合结构的假体模型,采用ANSYS软件对髋关节假体进行了静态三维有限元分析,对比了材料的弹性模量、泊松比及复合结构半径比对假体应力分布的影响,通过对假体受到的正应力、剪切应力和合力情况的综合分析,提出了假体设计的新方案,即采用复合结构,使用模量低、泊松比大的外层材料和有足够力学性能的内层材料,并尽量增大复合结构的半径比。     

Short Term In Vivo Precision of Proximal Femoral Finite Element Modeling

As more therapies are introduced to treat osteoporosis, precise in vivo methods are needed to monitor response to therapy and to estimate the gains in bone strength that result from treatment. A method for evaluating the strength of the proximal femur was developed and its short term reproducibility, or precision, was determined in vivo. Ten volunteer subjects aged 51–62 years (mean 55.6 years), eight women and two men, were examined using a quantitative computed tomography (QCT) protocol. They were positioned, scanned, re-positioned and re-scanned. The QCT images were registered in three-dimensional space, and finite element (FE) models were generated and processed to simulate a stance phase load configuration. Stiffness was computed from each FE model, and strength was computed using a regression equation between FE stiffness and fracture load for a small set n=6 of experimental specimens. The coefficients of variation (COV) and repeatability (COR=2.23* 2*COV) were determined. The COV for the FE fracture load computed was 1.85%, and the detectable limit (coefficient of repeatability) for serial measurements was 5.85%. That is, if a change of 5.85% or more in computed FE fracture load is observed, it will be too large to be consistent with measurement variation, but instead can be interpreted as a real change in the strength of the bone. The detectable limit of this method makes it suitable for serial research studies on changes in femoral bone strength in vivo. © 2000 Biomedical Engineering Society. PAC00: 8719Rr, 8759Fm, 8710+e     

新型运动模式铰链膝关节假体磨损有限元分析

目的 对新型球轴运动模式铰链膝关节假体进行有限元分析,研究假体磨损仿真的方法及运动方式对假体磨损的影响。方法 基于球轴假体接触力学有限元模型,根据Archard磨损理论,建立磨损有限元模型,以各种运动数据为加载条件,模拟生理活动下膝关节的力学环境,研究球轴假体磨损情况。结果 对于胫骨衬垫,上下楼时平均和最大接触应力均高于步行,上楼时累积磨损体积大于下楼和步行,且磨损均主要发生在衬垫下表面。对于球轴衬套,仅步行时存在短时间接触和磨损,累积磨损体积为0.19 mm³。结论 铰链膝关节假体的球轴运动模式可改善置换后膝关节力学环境,降低衬套磨损,延长假体生存期。有限元仿真可有效预测铰链假体的磨损,为其设计及改进提供理论支持。     

Stress Analysis and Shape Design of a Femoral Hip Prosthesis

Objective: To study the stress distribution of the femoral hip prosthesis after the hip joint replacement. Methods: After the hip joint replacement, when the femur and prosthesis are considered as concentric cylinders with perfectly banded interface, a relatively perfect theoretical model of simulating the interfacial stress transfer is established. Results: The maximum interfacial shear stress occured at Z=0. At the cross-section of the femoral neck, interfacial shear stress decreased exponentially with the increases of the Z. Shear stress became very small at Z＞0.1 m, which meant that the shear stress at the far end of the femoral hip prosthesis was very small. In order to avoid the stress concentration and femoral hip prosthesis sinking, interfacial stress must remain constant and balanced with the pressure load at Z=0. The radius of the femoral hip prosthesis changed with interfacial shear stress. The maximum value of the radius occured at Z=0, then it decreased at m. Specially, a=18.2 mm at Z=10 mm, a=5.36 mm at Z=98 mm, these are ideal radius. Conclusion: A theoretical model of simulating the interfacial stress is established when the femur and prosthesis are considered as concentric cylinders. The distributions of the interfacial shear and radial stresses with the axial positions are obtained. A theoretical reference for the design of the prosthesis is provided.     

股骨颈骨折中空钉内固定的有限元分析

运用Mimics医学有限元仿真软件对股骨的CT图像进行了分割、精炼和渲染处理,并运用Geomagic Studio逆向工程软件进行了股骨NURBS曲面重构,从而建立了股骨的几何模型,导人ANSYS11．0建立有限元模型后进行力学分析。在单钉固定的情况下对骨折线Pauwel’s角为50°的经颈型骨折模型施加载荷,通过不同固定角度时的力学特征综合评价固定效果,并找出最佳固定角度;对该最佳固定角度进行三钉内固定的接触计算和分析,考虑中空钉和股骨之间的接触以及摩擦作用,分析不同的摩擦系数对于固定方式的影响。单钉内固定计算结果表明当Pauwel’s角为50°时,中空钉固定角度在30°-55°均可以取得良好的力学效果,并以50°最佳;三钉内固定计算结果表明摩擦系数的不同对结果有一定的影响,采用不同．的摩擦系数后,计算结果最大相差6．84％。     

正畸复合矫治弓丝力学性能的有限元分析

探讨高效能复合矫治弓丝(composite archwire,CoAW)应用于牙齿正畸中的选优研究,并对复合矫治弓丝在正畸中的临床应用,提供理论指导及选型标准.对复合矫治弓丝正畸过程的力学行为进行了有限元分析,得到了各个不同类型弓丝对LL2、LL3、LL56的作用力-位移曲线,并由此分析得出不同类型弓丝对于不同牙齿的正畸范围.     

利用克氏针治疗儿童股骨远端骨骺损伤的有限元分析

目的 研究不同构型克氏针治疗儿童SH-2型骨骺损伤的稳定性差异以及对骺板的损伤情况。方法 利用1名8岁患儿健侧股骨CT数据,将图像数据导入Mimics 21.0中建立粗略股骨、骨骺模型,后导入Geomagic 2013中构建得到曲面化模型。将上述模型在SolidWorks 2018中与3种克氏针构型（分散克氏针、双交叉克氏针、单交叉克氏针）完成装配后导入ANSYS Workbench 2019中,通过对装配体的不同力学加载模拟现实中的多种运动模式,分析骨折块的最大位移以及克氏针、骺板、骨折块von Mises应力分布及最大应力。结果 分散克氏针、双交叉克氏针、单交叉克氏针组的最大位移分别发生外展（2.39 mm）、内收（2.12 mm）、外展（2.21 mm）运动时,骺板最大应力分别发生在外展（1.22 MPa）、前屈（0.20 MPa）、后伸（0.29 MPa）运动时。结论 双交叉克氏构型针的稳定性优于分散布针及单交叉克氏针,并且对骨骺损伤最小。     

一体化小腿假肢的三维有限元应力分析

建立一体化小腿假肢和残肢的三维模型，应用有限元分析方法，计算此模型在模拟Mid—Stance步态时相的载荷作用下各节点的应力，从而得到此模型内外表面的应力分布，为一体化假肢设计的CAD＼CAM系统提供理论依据。计算结果表明，接受腔的应力值较小，假腿的应力值较大，高应力区出现在假腿下端及接受腔与假腿的交界区域。     

有限元分析在脊柱生物力学领域的应用

介绍了近年来有限元方法应用于脊柱生物力学分析的研究新进展,并讨论了其在临床工作中的实际意义,提出了建立有限元模型的一些思路,有限元分析作为一个理论性方法,必须与临床实践相结合才能真实,可靠地解释疾病的发生,发展经过,并为疗效预测提供参考。