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。     

防腐与PMMA人工股骨近端标本的轴向生物力学差异

目的比较防腐与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）人工股骨标本之间的生物力学特性的差异。方法选择单足站立位受力模型,在Instron-8874液压伺服力学实验测试机上对各标本（防腐与PMMA人工股骨）行预加载处理5次,消除股骨松弛、蠕变等时间效应影响后,开始对各标本进行正式实验,每个标本测试5次,各次测试之间应间隔20min,待应变仪上的数值变化小于3με时再记录数据。施加在模型上的总载荷为1200N,以100N分级增量方式加载,实验机压头下降速度为10mm/min。观察防腐与PMMA人工股骨标本近端的载荷-应变关系、股骨头的载荷-位移关系和股骨头的轴向刚度。结果防腐与PM-MA人工股骨标本在2倍于人体体质量的载荷下的载荷-应变关系都基本呈线性变化;在载荷为1200N时,PMMA人工股骨标本的位移明显大于防腐股骨标本的位移（P〈0.01）;防腐股骨标本的轴向刚度大于PMMA人工股骨标本（P〈0.01）。结论在进行轴向生物力学实验研究中,往往需要大量的股骨标本,在股骨标本获得日益困难的情况下,PMMA人工股骨标本在一定程度上可以替代防腐股骨标本进行轴向生物力学研究。     

120垂直载荷下静力位正常骨盆的生物力学研究

目的探讨静力位正常骨盆在垂直载荷下的生物力学情况,为骨盆骨折各种生物力学测试提供生物力学参数.方法5具骨盆标本应用应变电测法,在不同载荷作用下对正常国人骨盆应变分布、刚度及位移进行测定,采集8个反复1500N载荷情况下骨盆的各个部位的应变值进行比较.结果骶髂关节处应变最大,骨盆能承受2000N以上的载荷,在8次1500N的反复载荷下,骨盆的刚度和应变未出现明显改变.结论垂直载荷下,骶髂关节处应变最大,为骨折的好发部位,正常骨盆的极限失效点在2000N 以上,1500N 的垂直载荷位于骨盆的弹性区间之内.     

可注射磷酸钙骨水泥增强DHS固定骨质疏松性股骨粗隆间骨折的体外生物力学分析

目的评价一种可注射磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement,CPC)强化股骨近端对老年骨质疏松性股骨粗隆间骨折内固定的生物力学影响。方法选用5对骨质疏松性股骨近端标本制作粗隆间骨折模型,以DHS固定,分为对照组与CPC强化组进行生物力学检测。结果CPC强化组在500N应力下的轴向刚度为(691.93±18.90)N/mm,水平剪切刚度为(5553.84±27.47)N/mm,内外侧平均强度分别为(5.15±0.35)MPa,(4.13±0.24)MPa,扭转刚度为0.41,极限载荷(3580±286)N;对照组在500N应力下的轴向刚度为(453.45±19.75)N/mm,水平剪切刚度为(3848.87±22.63)N/mm,内外侧平均强度分别为(3.12±0.37)MPa,(1.80±0.21)MPa,扭转刚度为0.35,极限载荷(2512±189)N。CPC强化组的各项力学性能均高于于对照组,差异有显著性意义(P0.05)。结论以CPC对骨质疏松性股骨头内及内后侧缺损处强化可以有效提高骨质疏松性股骨粗隆间骨折内固定稳定性,降低术后并发症的风险。     

自制组合式可变应力接骨板固定股骨干骨折生物力学研究

目的探讨自制组合式可变应力接骨板固定股骨干骨折生物力学研究。方法将选取的15个股骨标本随机分为对照组、普通加压组、组合式可变应力组3组,每组5个。比较3组股骨前屈、后屈、压缩实验不同载荷下的最大位移。结果 3组股骨前屈、后屈实验20N、60N载荷下及压缩试验100N、300N载荷下的最大位移比较差异均无统计学意义(P0.05);组合式可变应力组和普通加压组前屈、后屈实验100N载荷下及压缩试验500N载荷下的最大位移均高于对照组(P0.05);组合式可变应力组前屈、后屈实验100N载荷下及压缩试验500N载荷下的最大位移均低于普通加压组(P0.05)。结论体外模拟股骨干骨折应用自制组合式可变应力接骨板固定有较好的生物力学特点,在不同作用力下均能保持较小的位移,变形抵抗能力好。     

人工股骨的研制及在股骨颈骨折生物力学研究中的应用

目的 比较人工与防腐股骨颈骨折模型在股骨颈骨折生物力学研究中的力学差异.方法 选取股骨颈长度相似的防腐股骨标本5个,自制聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）人工股骨标本5个,制备内收型（Pauwels角70°）股骨颈骨折模型,均用动态套筒式三翼钉固定断端.标本摸拟人体单足站立位固定于英斯特朗-8874液压伺服力学实验机上,以速率10 mm/min线性载荷0～1 200 N分级加载,测定2种标本 1200 N载荷下股骨上段11个关键点的应变值;测定不同载荷下头下沉位移、主压力侧的应变值和主张力侧的应变值.结果 1200 N载荷下,应变值变化最明显的区域均集中于2种标本股骨头-颈结合部下方的压应变位置,并在6号电阻应变片的位置出现峰值,其数值差异有显著性意义（P＜0.01）;同一载荷下2种标本之间比较头下沉位移,差异有显著性意义（P＜0.05）.结论 动态套筒式三翼钉固定股骨颈骨折稳定可靠;在进行股骨颈骨折的生物力学实验研究中,往往需要大量的股骨标本,在股骨标本获得日益困难的情况下,人工股骨标本在一定程度上可以替代防腐股骨进行股骨颈骨折生物力学研究.     

人工股骨头置换治疗严重股骨转子间骨折的生物力学研究

目的　探讨人工股骨头置换(标准柄)治疗股骨转子间粉碎性骨折的生物力学稳定性。 方法　收集18根成年股骨标本随机分成置换组、DHS组及对照组。置换组(A组)(n=6)模拟股骨转子间四部分骨折,钢丝捆扎固定大小转子及股骨矩,行标准柄股骨头置换,骨水泥固定;DHS组(B组)(n=6)模拟股骨转子间四部骨折,行DHS钢板内固定;对照组(C组)(n=6)采用完整股骨标本。Bose3510-试验机上行轴向加压和扭转测试,测量三组标本位移变化并行统计学分析。 结果　轴向压力测试：垂直加载100~1000N,A组与C组两组间差异没有统计学意义(P>0.05);B组与C组及A组与B组的组间比较差异有统计学意义（P<0.05）。扭力测试：当扭矩是8 Nm时,A组与C组及A组与B组间比较差异无统计学意义(P>0.05),B组与C组比较差异有统计学意义(P<0.05)。 结论　应用骨水泥型股骨标准柄假体进行人工股骨头转换置换治疗股骨转子间粉碎性骨折的生物力学性能是具有可行性的。     

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。     

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。     

自制加锁梅花针治疗股骨中下段骨折的生物力学测试

目的对自行研制的用于治疗股骨中下段骨折加锁梅花针进行生物力学测试,为临床应用提供生物力学基础。方法用6例新鲜成人股骨标本,制作股骨中上段骨折模型两种,梅花针固定;然后制作股骨下段骨折模型两种,加锁梅花针固定;最后利用股骨下段骨折模型交锁钉固定,每次作下一骨折模型前,用钢片张力带固定前一次的骨折线。依次对正常股骨标本、梅花针固定后的标本、加锁梅花针固定的标本、交锁钉固定的标本进行扭转测试、垂直压缩试验、4点弯曲试验,分析4组试验的实验数据。结果梅花针固定股骨中上段骨折、加锁梅花针固定股骨下段骨折和交锁钉固定的股骨下段骨折抗扭转测试中,均可以达到4Nm抗旋转刚度;轴向压缩试验中最大应变正常组和梅花针组、加锁梅花针组无明显差异,4点弯曲试验中梅花针与加锁梅花针和正常标本的弯曲刚度相近,交锁钉的抗弯曲刚度明显高于其他3者。结论加锁梅花针冶疗股骨中下段骨折,具有良好的生物力学性能,固定效果可靠。     

髋关节置换前后股骨上应力的变化

为研究全髋关节置换前后股骨上应力水平及分布规律的变化，用电阻应变实验比较置换前后股骨上应力的改变；并且建立一种合理的、具有预见性的有限元模型。研究结果表明：全髋关节置换后，股骨上应力水平明显下降；并与关节假体颈长颈干角有一定关系。尤其指出，髋关节置换导致股骨弹性模量下降；从而给出关节置换后骨重建的循环模式。     

无柄解剖形人工髋关节生物力学实验研究

本实验对一种新型无柄解剖形人工髋关节 (英文名称为 A- Fix TM :Non- stem med Anatomical Total HipProsthesis)仿真临床置换术下的早期 (无骨水泥固定 )和后期 (用骨水泥固定模拟骨组织自然生长 )状态 ,进行生物力学实验研究 ,并对照正常自然股骨和股骨颈对实验结果进行归一化系数分析比较 .结果显示 ,无柄人工髋置换术后无骨水泥固定态和骨水泥固定态的股骨头垂直位移相似 ,均略大于正常股骨态的位移。置换后无骨水泥固定态和骨水泥固定态的应变分布特征也相同 ,但与正常态相比 ,股骨颈的受拉侧和受压侧的应变值都明显降低 ,并且变化平缓。相对于正常态而言 ,置换后无骨水泥固定态的安全系数在受拉侧提高 13% ,受压侧提高 2 7.6 % ;置换后骨水泥固定态的安全系数在受拉侧提高 2 9.6 % ,受压侧提高 2 2 .1%。置换前后股骨头最大扭转角都小于 0 .3°,无骨水泥固定态的扭转角是正常态的 0 .0 2倍 ,骨水泥固定态的扭转角是正常态的 0 .0 1倍。研究表明新型无柄解剖形人工髋关节具有低应力 ,高强度和小变形 ,抗松动 ,高刚度等一系列优异的力学特性 ,为其临床应用和推广 ,提供可靠的力学依据。     

人工髋关节活体有限元建模及力学分析

背景：有限元分析最为广泛地应用于人工髋关节置换的研究,能够反映人工髋关节置换前后的应力分布情况。 目的：通过CT扫描图像建立人工髋关节置换后的三维有限元模型,分析假体和股骨的力学分布,提供研究活体内假体的评估方法。 方法：选非水泥型人工髋关节假体置换后患者1例,64排CT扫描髋关节,通过三维建模软件建立三维有限元模型,加载载荷1 500 N,分析假体和股骨的应力分布,并与体外建模和正常股骨有限元模型比较。 结果与结论：应用患者人工髋关节置换后CT扫描图像建立的三维有限元模型,加载后应力主要分布在股骨干上端1/3处,在股骨假体柄颈结合处,假体外侧,假体的远端与股骨接触处,是假体置换后应力在体内传递的真实反映。结果说明活体髋关节建模优于体外建模,不改变假体在体内的位置,人工髋关节活体建模是假体评估新方法。     

The influence of design parameters on cortical strain distribution of a cementless titanium femoral stem

The strain distribution imposed on a femur following a total joint replacement is an important factor, in proximal bone loss due to stress shielding, and long term clinical success. This study investigated how five different design parameters of a cementless titanium femoral prosthesis influenced cortical strains. Test loads were applied and strains were measured with and without an abductor force simulation, using six human cadaveric femora. The cementless design used demonstrated significant calcar loading proximally and a similar strain distribution to the intact femur distally. Implant gross geometry was the major factor in determining the cortical strain distributions under abductor simulation in both axial and torsional loading.     

髓内及髓外内固定治疗股骨反转子间骨折的生物力学研究

目的 比较亚洲型股骨近端防旋髓内钉、动力髁螺钉、动力髋螺钉固定股骨反转子间骨折后的生物力学性能.方法 测量正常股骨的生物力学性能后,制作18具成人股骨反转子间骨折模型,分别以亚洲型股骨近端防旋髓内钉（PFNAⅡ）、动力髁螺钉（DCS）、动力髋螺钉（DHS）随机进行固定.利用电阻应变片和位移传感器测量实验数据,制作不同内置物固定后,垂直应力作用下股骨近端位移-压力以及压力-骨折近段角度位移统计表,同时在扭转应力作用下制作扭转角-扭矩统计表.测量3组标本的垂直及扭转刚度并进行统计学比较,对3种不同内固定物在反转子间骨折治疗中的生物力学性能进行比较.结果 垂直载荷作用下,股骨近端下沉位移＜1.0 mm时（垂直应力小于500 N）,PFNAⅡ、DCS两组之间的轴向应力值差异无统计学意义（P＞0.05）.超过生理负荷后两实验组间差异有统计学意义（P＜0.05）,且PFNAⅡ抗垂直压缩能力强于DCS,但PFNAⅡ应力遮挡较DCS更为明显;DHS抗垂直压力与PFNAⅡ差异有统计学意义.扭转应力作用下,在扭转角度≤4°时,3实验组间差异无统计学意义,当扭转角度加大后,PFNAⅡ抗扭转能力更强.3组不同内置物的刚度比较中,PFNAⅡ的垂直及扭转刚度最强,而DCS与DHS的扭转刚度差异无统计学意义（P＞0.05）.结论 PFNAⅡ抗垂直及扭转应力的作用强于DCS和DHS.在生理载荷下,PFNAⅡ及DCS均可用于股骨反转子间骨折的治疗,但PFNAⅡ应力遮挡率较高.DHS固定组易导致固定失败,不应用来治疗股骨反转子间骨折.     

骨质疏松股骨转子间不稳定型骨折人工股骨头置换的三维有限元应力分析

BACKGROUND: Artificial femoral head replacement provides a new idea for the repair of unstable intertrochanteric fracture. Artificial prosthesis replacement may affect original femoral biomechanical stability and lead to a variety of adverse consequences.  OBJECTIVE: To analyze the stress distribution of femoral head replacement in the treatment of unstable femoral intertrochanteric fractures with three-dimensional finite element analysis. METHODS: One male old volunteer was randomly selected from population who underwent health examination. The left femur was scanned with spiral CT, and the three-dimensional finite element models of the human femur and prosthesis were established. The three-dimensional finite element model was used to simulate the actual working conditions of human climbing stairs, and the stress distribution of the bone channels around the surface of the femur and the prosthesis was analyzed with three-dimensional finite element analysis. RESULTS AND CONCLUSION: Under normal condition, the stress of the human femur was in a consistent state. Stress changed gradually from the proximal end to the distal end. The stress of the prosthesis was concentrated in the middle section. The prosthesis of inner stress distribution was analyzed to obtain stress distribution of prosthesis and femur cancellous bone interface. The analysis found that stress change trend was consistent. The results suggest that artificial femoral head replacement does not have a significant effect on the overall stress distribution of the human femur, and the overall stress distribution does not change, and the maximum stress region is located in the middle of the whole femur. After the reconstruction, the stress concentration of the femur is not observed.        

人工髋关节置换前后股骨及假体的生物力学分析

目的:研究人工髋关节置换前后股骨及假体的应力分布以及假体设计参数对应力的影响。方法:建立股骨和假体有限元模型,分析在步行峰值关节载荷和主要肌肉载荷作用下,完整股骨和置换后股骨及假体的应力水平。结果:完整股骨中上部内侧受压应力,外侧受张应力,中下部外侧受压应力,内侧受张应力,股骨应力峰值位于中下部;置换后股骨受力总体模式不变,近端应力遮挡显著。随颈干角增加,假体及股骨应力水平降低;柄长对假体应力影响不大,股骨上的应力随柄长增大略有增加。结论:假体设计时可适当增大颈干角,在骨组织条件允许的情况下可适当增加假体柄长,以减轻术后的应力遮挡效应。     

The influence of mechanical properties of subchondral plate, femoral head and neck on dynamic stress distribution of the articular cartilage

A few finite element models have addressed the dynamic juxtaarticular stress transmission but none focused the investigation on the combined influence of the individual moduli of the underlying bones, including the subchondral plate, the femoral head and the femoral neck of the proximal femur. A finite element model including the acetabulum and the proximal femur was analyzed with dynamic loadings to study the effects of mechanical property changes in the underlying bones of the proximal femur on the stress distribution in the cartilage at the hip joint. We found the stress distribution was most sensitive to the subchondral plate stiffening, while the overall stiffening of the underlying bones had mild effect on the shear stress on the cartilage surface (or at the subchondral bone/cartilage interface) and on the strain energy density in the cartilage. Our results indicate that the subchondral plate plays a predominant mechanical role in the initial degeneration of the cartilage. The results may offer a mechanical explanation as to why the cartilage failure is common in patients with osteoarthritis but rare in patients with osteoporosis.     

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。