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。     

股骨近端骨缺损在内固定术后的生物力学特征分析

目的 探讨股骨头近端骨缺损在内固定术后的生物力学情况.方法 选择正常志愿者1例以及股骨近端骨缺损内固定术后患者1例进行股骨近端有限元模型的建构.在Mimics软件中输入DICOM数据进行截骨模拟,建立70°Pauwells角且骨缺损体积不等的股骨颈骨折模型.在模型与空心钉完成装配之后,于ABAQUS软件中进行导入,执行约束与加载操作.结果 股骨颈外上方和下方的最大应力是18.9 MPa和24.2 MPa,应力集中分布在股骨颈中段.股骨头的应力峰值最大,股骨颈上方次之,而下方空心钉所受到的应力峰值最低.随着股骨颈下后方骨缺损体积的增大,股骨颈上方两枚空心螺钉所承受的最大拉伸应力值变大,该最大拉伸应力出现于骨折断端位置,且股骨头最大应力范围向外移动,非主要负重区出现高压强区.结论 股骨颈近端骨缺损固定术中,在股骨颈下方置钉的固定方式螺钉变形断裂概率最小,对股骨颈下后方骨缺损体积患者来说倒三角置钉固定方式可为骨折处提供良好的力学环境.     

人工股骨头置换治疗严重股骨转子间骨折的有限元分析

目的　建立股骨转子间骨折、人工关节假体的三维数字模型,应用有限元对人工股骨头置换术后的股骨应力分布进行分析,评价置换术后的初始稳定性。 方法　利用螺旋CT对志愿者的左侧股骨进行断层扫描获取图像数据,经Mimics软件和Unigraphics建模软件处理,重建股骨三维模型。在此基础上,建立股骨转子间骨折、标准柄股骨假体三维实体模型,最后利用有限元分析软件Ansys10.0建立人工股骨头置换术治疗股骨转子间骨折的三维有限元模型,并对该模型进行生物力学分析。 结果　应力分析显示：正常股骨的应力由近端向远端逐渐上升,并于中下段达到最高。同时人工股骨头假体的应力集中于中段,与正常股骨的应力变化基本一致。人工股骨头置换没有改变股骨总体的应力模式,股骨距部位未见明显的应力集中区,依然是由近端向远端逐渐增加,应力峰值区域亦于全长股骨的中下段。 结论　标准柄人工股骨头置换治疗股骨转子间骨折不会引起股骨应力分布的明显改变,可以获得重建后的初期稳定。     

模拟全髋关节置换术后两种假体的应力对比分析

对比分析置入解剖型假体和置入传统型假体应力遮挡效应,为临床提供生物力学基础。随机取5个为模拟全髋关节置换术以（北京普鲁士钢研外植入物有限公司）传统型假体置入的股骨组,随机取5个以（德国LINK公司）保留股骨颈解剖型假体置入股骨组。首先在正常股骨标本的各测点上黏贴电阻应变片,进行应变电测量之后,待标本在室温不受力状态下放置24h后,对正常股骨标本分别置入传统型假体、保留股骨颈解剖型假体,分别测出置入传统型假体组和解剖型假体组股骨各测点的应变值,计算各测点的应力值,根据应力遮挡率计算公式,计算应力遮挡率值。置入传统型假体组股骨标本近端1～10号测点应力遮挡率值大于置入解剖型假体组股骨标本近端1～10号测点应力遮挡率值,差异显著（P＜0．05）。解剖型假体和传统型假体具有不同的防应力遮挡效果,保留股骨颈解剖型假体防应力遮挡效果显著。     

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。     

利用有限元分析股骨颈骨折内固定术后前倾角变化对股骨近端力学的影响

目的探讨股骨颈骨折闭合复位空心螺钉内固定术后不同股骨颈前倾角对股骨近端力学分布的影响,为临床中内固定术解剖复位的重要性提供生物力学依据。方法采用16层螺旋CT扫描正常成人髋关节数据,基于三维重建软件和CAD软件,分别建立Pauwells角为70°的股骨颈骨折空心螺钉内固定术后前倾角为0°、5°、10°、15°、20°的股骨近端三维有限元分析模型,对所有模型施加人体缓慢行走时的载荷和约束,观察不同模型间股骨近端结构应力分布的变化。结果当前倾角未改变时(10°模型),股骨所受应力、产生的位移及发生的等效应变最小,股骨近端最大应力值为1.7 MPa,产生的位移为1.1 mm。随着前倾角的增大或减小,股骨近端所承受的有效应力及产生位移呈逐渐增大趋势。当前倾角为20°时,股骨近端及螺钉所受应力最大;当前倾角为0°时,股骨近端产生的位移及发生的等效应变值最大。股骨近端应力集中的部位由股骨距区域转移至头颈交界处的外上方。3枚空心螺钉承受的应力较周围骨组织高,最下方螺钉承受的应力较上方两枚螺钉明显增高。结论股骨颈骨折闭合复位空心螺钉内固定术中恢复前倾角达到解剖复位至关重要;股骨颈骨折术后生物力学因素的改变可能在术后股骨头坏死中起一定作用。     

解剖型生物固定股骨柄假体的设计特征与临床应用效果

背景:Ribbed解剖型生物固定柄设计符合股骨生物力学特性,具有初始稳定性好、骨长入快及应力遮挡低等优点,获得满意的临床疗效。目的:探讨Ribbed解剖型生物固定股骨柄假体(Ribbed柄)的设计特征及其与临床疗效的关系。方法:对2010年3月至2012年3月因髋关节疾病采用Ribbed柄行全髋关节置换的患者进行回顾性分析。共获完整资料者52例(52髋),男20例,女32例;置换时年龄22-78岁,平均59岁。随访时间2-4年。评估置换前后Harris评分、置换后大腿疼痛率、术中骨折发生率、切口愈合情况、脱位及翻修等。影像学重点评估股骨柄髓腔充填率、股骨柄假体下沉、假体周围放射学透亮线、骨长入、应力遮挡及骨溶解等。结果与结论:术中股骨骨折发生率为6%;所有切口均一期愈合;无髋关节脱位及翻修病例;大腿疼痛率为6%,均于置换后1年消失;末次随访时,平均Harris评分由置换前48分提高到末次随访时96分。置换后X射线片示所有患者股骨髓腔充填满意,平均充填率:正位片上干骺端、中段和远端分别为91%,88%和86%,侧位片上干骺端、中段和远端分别为88%,85%和81%;末次随访时,49髋(92%)为稳定性骨长入固定,3髋为稳定性纤维长入固定,股骨侧及髋臼侧假体周围均未见骨溶解;5髋(10%)发生股骨柄假体下沉,但均小于2 mm;所有患者均出现不同程度的应力遮挡现象,其中1度31髋、2度19髋、3度2髋,无4度应力遮挡发生。提示Ribbed柄设计符合生物学固定要求,具有初始稳定性好、骨长入快及应力遮挡低等优点,可获得满意的临床疗效。     

大龄髋脱位儿童股骨颈前倾角变化与骨骺应力的有限元分析研究

目的运用有限元分析方法,对正常及发育性髋关节发育不良(DDH)儿童股骨头近端骨骺生长板同承力情况下横断面的应力进行研究,为股骨近端截骨矫形手术提供理论依据。方法按照Tonnis分型选取40例DDH大龄儿童,其中男性11例,女性29例;年龄8～12岁,平均年龄10.14岁。分为半脱位及全脱位组。20例非DDH儿童作为正常对照组,其中男性11例,女性9例;年龄8～12岁,平均年龄10.10岁。通过二维CT技术测定各组股骨颈前倾角,通过有限元分析软件分析股骨头近端骨骺生长板在横断面上的应力情况。结果正常对照组股骨头近端骨骺生长板横断面上前内侧及后外侧的切应力和静压力相当。半脱位组及全脱位组股骨头近端骨骺生长板横断面上前内侧静压力大于后外侧,而前内侧的切应力小于后外侧。股骨颈前倾角与前后两侧静压力差呈正相关,与前后两侧切应力差呈负相关。结论 DDH大龄儿童的股骨颈前倾角随生长发育而增大。传统的股骨近端旋转截骨术在纠正发育性髋脱位儿童股骨骨骺异常应力,保证正常的头臼关系中有重要的临床意义。     

不同结构骨块植入股骨头负重区缺损的力学性能比较

目的股骨头缺血坏死早中期手术中,为防止股骨头的进一步塌陷,常需要植骨填充坏死区。本文研究不同结构植入物填充股骨头负重区缺损后对股骨头力学性能的影响。方法选取人正常股骨近段4例,在股骨头负重区沿压力骨小梁方向制造直径20mm,深30mm的骨缺损,并在缺损区内植入三种不同结构的植入物。Ⅰ组为取自异体股骨头负重区骨块;Ⅱ组为取自异体股骨髁负重区骨块;Ⅲ组为松质骨粒打压植骨。模拟单腿站立相加载,记录股骨头颈结合部的应变分布。结果直径20mm深30mm骨缺损的股骨近段与正常相比,头颈结合部上方拉应变平均增加93.0%,下方压应变平均增加203.4%。植入不同结构的植入物后,Ⅰ组头颈结合部上方应变较正常平均增加6.6%,下方应变平均增加67.6%;Ⅱ组上方应变较正常平均增加33.7%,下方应变平均增加136.9%;Ⅲ组上方应变平均增加150.4%,下方应变平均增加206.1%。结论股骨头负重区的缺损会改变头颈结合部应力分布,其中结合部下方和上方出现应力的集中。植入与缺损区的骨小梁结构相似的异体股骨头骨块后,股骨头下方和上方头颈结合部的应力集中得到缓解,其植入效果优于骨小梁结构不同的股骨髁骨块;松质骨粒打压植骨不能改变股骨头头颈结合部的应变分布。     

老年人坐立转换时股骨近端应力分布的有限元分析

目的 通过建立股骨近端有限元模型,分析在坐立（sit-to-stand, STS）转换站立阶段初期,股骨近端在自选速度起立和快速起立条件下的损伤风险。方法 将老年人股骨近端CT影像三维重建、逆向建模完成实体模型。通过材料赋值和网格划分建立有限元模型,基于有限元分析软件ANSYS,通过边界条件约束,并加载1.733、1.837 kN载荷,得到不同起立速度下股骨近端的应力分布和应变。结果 应力集中区域均为大转子内侧边缘和股骨颈。应力和微应变峰值出现在大转子内侧边缘。快速起立下应力峰值为30.16 MPa,微应变峰值为2 553.5;自选速度起立下应力和微应变峰值较低,分别为28.69 MPa和2 430.4。对于股骨颈应力集中区,快速、自选速度起立下应力范围分别为13.42~23.46、12.76~25.51 MPa。结论 频繁的STS转换会使老年人股骨近端有疲劳性骨折的风险;快速STS转换比自选速度STS转换对股骨近端有更高的损伤风险。     

全髋关节置换术对股骨近端骨重建的影响

目的 采用Wolff骨重建理论分析全髋关节置换（total hip arthroplasty,THA）对股骨近端骨重建进程的影响。方法 根据骨重建控制方程,利用Python语言编写骨重建程序。在ABAQUS软件中分别建立术前股骨模型与术后股骨及假体有限元模型。对比THA手术前后骨重建进程,分析假体植入对THA术后中远期股骨力学性能的影响。结果 假体植入后,股骨近端应力持续降低,受力点由股骨头转移到假体,出现明显的应力遮挡现象。应力遮挡区域内骨丢失现象严重。股骨干皮质骨变薄,应力遮挡有所缓解。假体底端内侧受挤压,应力显著高于外侧,此处骨质分布不均。结论 THA术后股骨近端内侧出现明显的应力遮挡,导致骨丢失,造成假体松动;假体底端两侧应力水平存在差异,引起骨质分布不均,导致假体与股骨配合不紧密,造成术后患者大腿中段的疼痛。     

强化螺钉治疗老年人重度骨质疏松Evans Ⅱ型股骨转子间骨折最佳骨水泥量的有限元分析

目的 探讨强化螺钉治疗老年人重度骨质疏松EvansⅡ型股骨转子间骨折的最佳骨水泥量。方法 选取2020年10月5日新疆医科大学第一附属医院1例73岁女性左股骨粗隆间骨折患者的双侧髋部及股骨CT资料,导入Mimics 20和 Geomagic Wrap 2017软件构建右侧股骨三维模型。使用Solidworks 2017软件建立强化螺钉模型,并将右侧股骨三维模型与强化螺钉模型按照常规标准手术技术进行装配、组合;使用Geomagic Wrap 2017软件在组合后的模型上模拟EvansⅡ型骨折,在股骨转子间骨折不同骨水泥量强化螺钉固定模型与EvansⅡ型骨折模型组装完成后,施加载荷。截取强化螺钉近端周围部分松质骨重新定义为骨水泥部件,按包裹水泥量的不同分别建立A模型（2 mL）、B模型（3 mL）、C模型（4 mL）、D模型（5 mL）、E模型（6 mL）5个模型组,设置材料参数、边界条件、施加载荷后储存为K文件,分别导入Ansys 2019软件中进行有限元分析。观察对比不同骨水泥量强化螺钉固定模型中骨水泥表面对股骨头近端松质骨的切割情况,股骨颈内翻、内旋角度,强化螺钉应力分布情况,以及股骨近端位移情况。结果 A、B、C、D模型组骨水泥表面对股骨头近端松质骨切割最轻微,E模型组切割程度最严重。A、B、C、D、E模型组中股骨颈内翻角度分别为5.2°、6.0°、4.5°、5.1°、2.6°,股骨颈内旋角度分别为1.1°、1.4°、0.9°、1.0°、0.4°,其中E模型组股骨颈内翻角、内旋角均最小。A、B模型组骨水泥量模型应力主要集中在螺钉和主钉连接处; C、D模型组骨水泥量模型应力大部分集中于螺钉和主钉连接处,应力有向主钉分散的趋势;E模型组骨水泥量模型应力主要分布在强化螺钉的尾端,6 mL骨水泥量强化螺钉模型载入股骨转子间骨折模型后,在股骨大粗隆处出现新的骨折。A、B、C、D、E模型组中,股骨近端位移分别为7.7、8.4、8.2、8.1、13.7 mm;其中E模型组股骨近端位移最大,出现了骨水泥漏,且在强化螺钉模型载入股骨转子间骨折模型后,在股骨大粗隆处出现新的骨折。结论 强化螺钉治疗老年人重度骨质疏松EvansⅡ型股骨转子间骨折,使用2~4 mL骨水泥量,具有较好的生物力学效应。     

The potential application of functionally graded material for proximal femoral nail antirotation device

Proximal femoral nail antirotation (PFNA) device is an intramedullary nail system designing for the treatment of trochanteric fractures. It is composed of a helical neck blade, a nail and a distal locking bolt. There were some reports of femoral shaft fractures even after the fractures were healed. The stress shielding effects of the PFNA device made of stiff titanium alloy on the bone-remodeling behavior of the host femur and the uneven distribution of interface shear stress may contribute to this complication. Recently, a new class of composite called functionally graded material (FGM) was developed, that consisted a gradual pattern of material composition and/or microstructures, and was introduced in dental implant and cementless hip stem. Accordingly, in this paper, we hypothesized that FGM might be used as the material of the nail in PFNA device with the material composition of the nail gradually shifting from more stiff at the proximal side of the femur to more flexible 'iso-elastic' towards the distal side. This hypothesis can be evaluated from the long-term remodeling behavior of host femur and the stress distributions in the PFNA device and bone.     

Three-Dimensional Morphological Analysis of Sex,Age, and Symmetry of Proximal Femurs from Computed Tomography: Application to Total Hip Arthroplasty

The success of a total hip arthroplasty is directly related to the ability of the implant to match original femoral morphology. Given this critical relationship, we characterized normal proximal femoral morphology as it relates to sex, age, and symmetry. Sixty abdominopelvic computed tomography (CT) scans (30 male and 30 female, ages 20–85 years old) from patients without any osseous pathology or implants were utilized. Three-dimensional models were constructed from the CT scans using Mimics v19 (Materialize). Thirteen landmarks were placed on each femur model and yielded eight morphological measurements for each femur. Medullary cavity measurements were taken superior to, at the center of, and inferior to the lesser trochanter. Morphological measurements were analyzed by sex, age group, and left versus right. A significant difference was identified between males and females for femoral head height, inferior neck length, minimum neck diameter, neck shaft angle, mediolateral medullary cavity measurement superior to the lesser trochanter and the anteroposterior at the lesser trochanter (P < 0.05). Age was found to correlate with medullary cavity measurements. As previously identified in the literature, differences with respect to the right and left femur were not of practical significance. The results show that sex is critical in determining prosthesis fit with the examined morphological measurements of the proximal femur while age is more important with respect to the medullary cavity. It is also evident that the current practice of using one femur to approximate the opposite is a viable clinical assumption. Clin. Anat., 33:731–738, 2020. © 2019 Wiley Periodicals, Inc.     

双侧股骨近端对称性及解剖形态的三维重建研究

目的建立正常成人双侧股骨近端的三维模型,分析双侧股骨近端形态并测量解剖形态的相关参数,研究双侧股骨近端的对称性及解剖形态。方法选取50例正常成人双侧股骨近端CT扫描数据,其中男性27例,女性23例;年龄20～65岁,平均年龄44.52岁。扫描参数:扫描层厚0.625 mm,扫描电压120 kV,扫描电流100 mA。扫描范围:自双侧股骨头上10 mm至小转子中点平面下50 mm。将双侧股骨近端CT薄层扫描数据利用Mimics 10.01软件进行三维重建,将左侧股骨与右侧股骨镜像模型相配准,对配准后模型进行三维测量,并测量左右股骨近端的形态参数,使用SPSS 16.0软件对测量结果进行统计分析。结果股骨近端形态和髓腔内部结构有明显的个体差异性,双侧股骨近端形态及内部结构具有高度对称性。股骨头直径为(45.71±4.08)mm,股骨头高度为(53.61±5.43)mm,偏心距为(39.91±5.07)mm,股骨颈中央直径为(36.71±3.75)mm,颈干角为(127.88±6.28)°,股骨颈长度(46.61±4.74)mm,小粗隆中点所在平面的髓腔内径为(26.21±4.59)mm,其中偏心距、颈干角与白种人形态参数相比,差异有显著统计学意义(P<0.01);提供了一种验证双侧股骨对称性的新方法。结论正常成人双侧股骨内外部形态存在一定的对称性,变异较小,为股骨形态的测量提供理论依据;三维重建更利于对股骨近端形态参数的测量;新配准方法的提出对于临床中股骨近端骨折的诊治具有重大意义。     

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。     

The evaluation of two references for restoring proximal femoral anatomy during total hip arthroplasty

The morphologic features of the proximal femur are used in preoperative planning prior to total hip arthroplasty (THA). In this study we evaluated two references that have been widely used during THA to restore the normal anatomy of the proximal femur: (1) the distance from the lesser trochanter to the center of femoral head and (2) the anatomic relationship between the greater trochanter and the center of femoral head. We used digital photographs to compare 200 cadaveric femora in individuals who died prior to 40 years of age. Preoperative measurement of the distance from lesser trochanter to the center of femoral head from the contralateral hip is accurate to predict the measurement on the operated hip with correlation coefficients (r²) of 0.87. The ratio between femoral head diameter and distance from the lesser trochanter to the center of femoral head was consistent and reliable between genders and sides with an average value of 1.01 ± 0.12. Thus, when the distance from the lesser trochanter to the center of femoral head is not discernible, this ratio can be used as a guide to determine proximal femoral geometry. Conversely, only 59% of the specimens had femoral head centers within 5 mm of the tip of greater trochanter. The correlation between sides of the relationship between the greater trochanter and the center of femoral head was moderate (r² = 0.46). Therefore, this relationship should not be used as the sole method to determine the normal anatomy of proximal femur. Clin. Anat. 23:312–318, 2010. © 2010 Wiley‐Liss, Inc.