发育性髋关节发育不良患者不同髋关节外展角度下髋部应力分布的有限元分析

背景：目前对于髋关节发育不良的有限元研究相对较少,髋关节外展角度对髋关节生物力学分布的影响也不明确。目的：应用有限元方法分析不同外展角度下髋关节发育不良患者健侧及患侧的髋关节应力分布,为髋关节发育不良的预防、治疗、康复等提供方案。方法：选取1例左侧髋关节发育不良患者双侧髋关节CT薄层扫描数据,利用Mimics软件建立髋关节模型,Geomagic Wrap软件完成实体化,Solidworks软件进行皮质骨与松质骨的装配,然后应用Ansys Workbench软件加载关节负荷,分析不同外展角度下单足着地条件下髋关节应力分布情况。结果与结论：(1)该研究所建模型与实际情况相符合,随着髋关节外展角度增加,正常髋关节的股骨颈最大应力值逐渐增大,且一直位于股骨颈内侧,当健侧髋关节外展为15°时股骨头最大应力值最小,当髋关节外展20°时髋臼上方最大应力值最小;(2)发育性髋关节发育不良患者患侧髋最大应力值一直位于髋臼上方,且当髋关节外展为25°时,髋臼最大应力值最小,当髋关节外展20°时,股骨头最大应力值最小,当髋关节外展0°时,股骨颈部最大应力值最小,且位于股骨颈后方,随着髋关节外展角度增大,股骨...     

全髋关节置换中臼杯放置角度对关节屈伸活动安全性的影响

背景：全髋关节置换患者的主要并发症为以脱位为表现形式的不稳定,而脱位等并发症的发生概率与假体特别是臼杯假体的置入角度失误有较大关系。 目的：探究全髋关节置换中臼杯置入角度对关节屈伸活动安全性的影响。 方法：选取2012年1月到2014年12月在江苏大学附属武进医院接受全髋关节置换治疗的60例患者。利用三维定向监测装置、CT扫描以及图像处理工具,对患者进行臼杯预设角度,设置外展角和前倾角,记录试验数据,并且进行统计学分析。 结果与结论：在外展角45°,前倾角15°;外展角60°,前倾角15°;外展角30°,前倾角15°;外展角45°,前倾角5°;外展角45°,前倾角25°,共5种条件下进行不同臼杯角度置入。根据数据统计,在前倾角均为15°的患者中,当臼杯放入时,外展角越大时,骨盆倾斜角度变化导致的患者臼杯外展角变化的范围也越大。患者骨盆前倾角的增加,臼杯前倾角会减小。随着骨盆后倾的角度增加,患者的臼杯前倾角也会变大。此外,在前倾角均为15°的患者中,让臼杯前倾角均保持一致,当患者的臼杯置放外展角增大时,骨盆倾斜角度变化进而导致的臼杯前倾角变化范围就越小。提示臼杯外展角与前倾角两者之间具有相互制约的关系;在臼杯置入时,以较大的前倾角度置入时[安全范围(15±10)°],才能够对患者股骨头更好的包容,降低脱位的概率,使得关节屈伸活动更加安全。 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     

头颈比不同人工髋关节臼杯安置角度的安全范围

背景：由于假体安置角度不当时常导致臼柄撞击而使人工髋关节活动范围受限,不能满足正常的日常生活需要。目前人工全髋关节置换的臼杯安置角度一直存在争议,且对不同头颈比的人工髋关节置换中臼杯安置没有针对性指导。 目的：探讨不同头颈比人工髋关节臼杯安置角度的安全范围。 方法：参照人工髋关节内旋和外旋活动范围计算公式、人工髋关节内收和外展活动范围计算公式、人工髋关节前曲和后伸活动范围计算公式、髋臼外展角和前倾角动态变化的数学表达式,根据Widmer人工髋关节正常活动范围标准得不等式组：①外旋活动范围至少40°,内旋活动范围至少80°。②外展活动范围至少50°,内收活动范围至少50°。③前屈活动至少130°,后伸活动至少40°。解上述3组不等式得出不同头颈比人工髋关节臼杯安置角度安全范围。 结果与结论：不同头颈比的人工髋关节臼杯安置角度的安全范围不同。为满足正常髋关节活动范围人工髋关节头颈比应大于22/12,人工髋关节活动范围随头颈比增大逐渐增大,随头颈比增大臼杯安置外展角和前倾角度安全范围逐渐增大,具体头颈比臼杯外展角安全范围的上下极值随前倾角增大在一定的范围内逐渐增大,且极差亦逐渐增大。外展角安全范围的上极值随前倾角增大逐渐减小,而下极值逐渐增大对称波动于45°上下且逐渐趋向于45°,最大前倾时外展角均为45°。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：     

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。     

髋关节外展角度对股骨颈应力分布的影响

关节应力分布与外展角度关系密切,研究二者内在联系可为临床关节损伤的预防、治疗提供力学依据。本研究应用逆向工程软件Mimics14.0,基于正常人体髋关节CT图像数据,经一系列处理,建立髋关节三维模型;再划分网格,赋材质,生成三维有限元模型;再导入有限元分析软件Ansys13.0,加载体重负荷,求解、计算正立位与髋关节外展5°、10°、15°、20°、25°、30°等7个体位下股骨颈的应力值,并统计分析。结果表明:正立位或外展某一不同角度下,股骨颈内、外侧区域的应力值均高于前、后方区域;随外展角度的增加,股骨颈前方区域应力值基本不变,后方区域应力值逐渐减小,内、外侧区域的应力值逐渐增大,外侧区域变化较明显。股骨颈应力大部分集中于内、外侧皮质,髋关节外展可导致应力分布发生变化,为髋关节损伤患者选取合理的手术方案及预防举措具有指导作用。     

髋关节置换过程中假体位置的有限元分析

背景:三维有限元法研究发现,髋关节假体的安装位置和髋关节置换效果关系密切,但关于不同前倾角和外展角髋关节假体安装位置对髋关节生物力学影响的研究不多。目的:应用三维有限元法分析不同假体安放位置髋关节置换的生物力学特点。方法:选择1名健康志愿者,获得志愿者骨盆和股骨的影像资料,建立该志愿者的骨盆和股骨的三维几何模型并进行有限元网络划分,采用CT扫描获得假体模型数据建立准确的假体模型,然后建立16种不同假体安放位置的髋关节置换模型。在骶髂关节和耻骨联合上方垂直向下施加780 N的力,观察16种模型的髋臼应力峰值、股骨应力峰值、聚乙烯内衬应力峰值和聚乙烯内衬破坏区体积情况。结果与结论:(1)16种不同假体安放位置的髋关节置换模型观察结果显示,前倾角为10°外展角50°时,髋臼的应力峰值最小,为51.23 MPa;股骨的应力峰值最小,为26.34 MPa;聚乙烯内衬的应力峰值最小,为5.288 MPa;聚乙烯内衬破坏区体积最小,为2.239×10-7 m3;(2)结果可见,假体安装角度为前倾角10°外展角50°时最理想,此安装角度髋臼、股骨、聚乙烯内衬的应力峰值和聚乙烯内衬破坏区体积均最小,可为临床提供参考数据。     

股骨头缺血性坏死塌陷预测的生物力学研究

目的：探索不同部位囊性变对股骨头缺血性坏死的生物力学影响，为预测股骨头的塌陷和指导临床治疗方法的选择提供基础。方法：取新鲜股骨上段标本，行螺旋CT断层扫描，所得图像用Efilm软件系统处理，利用Ansys-5．7大型计算机软件建立股骨上段三维有限元异物同构模型，模拟股骨头内囊性变。施加3种不同载荷，分析股骨头内应力分布情况。结果：股骨头受压后，中央区域表现为压应力，而前方和后方区域则表现为张力，符合球体受压后的膨胀趋势。股骨头负重区下方及其内侧和外侧的囊性变应力集中最明显，易引起股骨头塌陷。当囊性变位于股骨头的前方、后方、中心和下方时，其上下缘的应力集中不是很明显，股骨头塌陷断裂风险不大。结论：股骨头内不同部位的囊性变对股骨头缺血性坏死的生物力学影响是不同的，三维有限元应力分析法可以预测坏死股骨头的塌陷，并指导临床选用适当的显微外科治疗方法。     

带血管蒂大转子骨瓣转移治疗股骨头缺血坏死的生物力学研究

目的:应用三维有限元方法检测带血管蒂大转子骨瓣移植修复前后股骨近端的力学特性变化,验证该术式力学安全性及有效性,指导临床工作.方法:选取单侧ARCO Ⅲ期股骨头坏死并行带血管蒂大转子骨瓣移植患者,术前及术后6个月行股骨近段的螺旋CT扫描,应用专业医学建模软件MIMICS及HYPERMESH建立正常、坏死和修复三组三维有限元模型.应用有限元分析软件ANSYS模拟人体站立及运动等小同情况,设置边界条件和加载条件,执行计算.结果:三组模型大转子及股骨颈前方均表现为低应力低应变区;坏死模型可见部分压力骨小梁被破坏呈囊性变,其与正常骨小梁交接处存在应力集中;修复模型股骨近端的力学特性与正常模型相近,结果明显优于坏死模型.结论:带血管蒂大转子骨瓣转移方法治疗股骨头缺血坏死是安全、有效的.     

计算机模拟全髋关节置换术后假体位置对关节活动的影响

目的　通过计算机模拟全髋关节置换术,研究假体位置对关节活动度及稳定性的影响。 方法　以CT数据为基础,利用计算机三维重建及虚拟手术技术建立全髋关节置换术后三维模型,在不同假体位置模拟关节运动并测量关节发生撞击前的最大活动范围。 结果　(1)髋臼外展角增大可导致屈、伸、屈曲90°内旋活动范围增大,对外旋影响小;髋臼及股骨前倾角增大均可导致屈及屈90°内旋活动范围增大,而伸及外旋均减小。(2)为满足日常活动需要,取较大髋臼外展角时,髋臼前倾角宜适当减小;取较小髋臼前倾角时,股骨前倾角宜适当增大,反之亦然;而髋臼外展角与股骨前倾角的相对位置取决于髋臼前倾角。 结论　在全髋关节置换术中,把握好假体的相对位置可改善关节活动范围,增加关节稳定性。此外,本结果对髋关节假体翻修术中假体安放及术后脱位患者日常活动范围具有重要的指导意义。     

有限元分析臀中肌宽度比在非创伤性股骨头坏死病程进展中的作用机制

背景：臀中肌不仅可外展髋关节,在限制股骨头外移方面也起到重要作用。目前,尚缺乏臀中肌状态与非创伤性股骨头坏死塌陷的相关研究。目的：探讨臀中肌宽度比、髋关节内侧间隙比与非创伤性股骨头坏死病程进展的关系,通过有限元分析探讨臀中肌萎缩对股骨头坏死股骨头表面、坏死区应力的影响。方法：回顾性分析广州中医药大学第三附属医院收治的单侧非创伤性股骨头坏死患者,所有患者均随访2年以上,根据随访过程中是否出现股骨头塌陷分为塌陷组和未塌陷组,测量并计算患者髋关节内侧间隙比、臀中肌宽度比、Sharp角、臀中肌长度比及臀中肌激活角,对比两组间差异。于初次就诊、随访3,6,12,24个月测量并计算内侧间隙比和臀中肌宽度比,探究这2个指标在非创伤性股骨头坏死病程进展中的变化情况。此外,通过三维有限元分析技术,基于CT数据构建日本骨坏死研究会分型C1型股骨头坏死骨性模型;同时基于MRI数据构建臀中肌模型,分为臀中肌萎缩组(臀中肌宽度比74%-76%)及臀中肌正常组(臀中肌宽度比94%-96%),每组构建10个模型,约束股骨远端的6个自由度为零,对骶骨上表面沿Z轴施加600 N压力。对比两组模型股骨头表面、坏死区应力分...     

钽金属棒置入修复股骨头坏死的三维有限元分析

BACKGROUND: Core decompression and tantalum rod implantation after core decompression are common methods to repair early and middle stages of necrosis of femoral head, can effectively control and even reverse the progress of necrosis of the femoral head. Comparison of mechanical support and curative effect of femoral head after operation deserves further investigation. OBJECTIVE: To explore the effect of core decompression on mechanical pulp femoral head support by using the finite element analysis and the advantages of tantalum implant treatment in the repair of avascular necrosis of the femoral head.  METHODS: The right femur of healthy adults was chosen as the research object, and CT scanning was conducted to get the images of cross-sections. The images were then inputted into computer to get contour of femur and rebuild three-dimensional model. Distal end of femur was completely fixed, the angle of the top of femoral head and the femoral shaft was 25°, and 570 N pressure on the femoral head was applied according to the three-dimensional space distribution of femur force under physiological state. Three-dimensional finite element models were calculated to get the collapse values in different necrotic areas of the femoral head before and after different repair methods. RESULTS AND CONCLUSION: After core decompression, collapse values were apparently increased, especially in the weight-bearing area. With increased range of necrosis, collapse values also increased. After core decompression, collapse values decreased obviously after porous tantalum rod implantation. Although core decompression could remove dead bone, decompression itself further reduced the mechanical properties of the femoral head and changed the original femoral head support. On the basis of core decompression, porous tantalum rod provided safe and effective mechanical support for femoral head and subchondral bone plate, could effectively prevent collapse and provide conditions for the restoration of bone tissue.      

强化螺钉骨水泥髓内钉固定治疗重度骨质疏松性股骨转子间Evans Ⅱ型骨折的生物力学有限元分析

目的 通过有限元分析探讨强化螺钉骨水泥髓内钉固定治疗重度骨质疏松性股骨转子间Evans Ⅱ型骨折的生物力学效果。方法 选取新疆医科大学第一附属医院骨科中心2020年10月5日收治的1例重度骨质疏松性Evans Ⅱ型左股骨转子间骨折患者的CT资料。患者女,73岁,身高160 cm,体质量56 kg。将患者髋部及股骨的CT数据在Mimics 20软件和 Geomagic Wrap 2017软件中进行提取、优化,得到右侧股骨三维模型;运用Solidworks 2017软件画出内固定模型并参考标准的手术技术进行股骨模型装配。将装配好的模型在3-Matic软件中进行截骨得到Evans Ⅱ型股骨转子间骨折模型,截取螺钉近端周围的部分松质骨设置为骨水泥部件,分别构建A模型[普通股骨近端防旋髓内钉（PFNA）内固定模型]、B模型（钉道强化PFNA内固定模型）及C模型（强化螺钉内固定模型）。按照患者CT数据及内固定的材质标准赋予相应的参数、条件,以及人体力学在股骨的受力及患者的体质量赋予载荷值分别储存,并利用ansys 2019软件中的Explicit Dynamics模块进行分析。观察指标：对比3种模型螺钉在股骨近端的切割程度、股骨颈向内翻角度、股骨颈内旋角度、应力在股骨的分布情况,以及股骨头近端移位情况。结果 3种模型螺钉在股骨近端骨水泥表面均由螺旋刀片四周向远端发生切割、形变、沉陷,程度由轻到重依次为C、B、A模型。股骨颈骨块内翻角度和股骨颈旋转角度,A、B模型均分别为0.37°和0.16°,C模型稍占优势分别为0.32°和0.15°。A模型应力主要集中在螺旋刀片和主钉交接处,B、C模型相较于A模型发生了应力转移,分散向骨水泥部位;C模型股骨骨折部分发生最大移位的距离为5.8 mm,相较于A、B模型（均为6.7 mm）减小。结论 强化螺钉内固定治疗重度骨质疏松性股骨转子间Evans Ⅱ型骨折较普通股骨PFNA及钉道强化PFNA具有更好的生物力学效果。     

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。     

股骨颈内固定系统固定股骨颈基底部旋转截骨的有限元分析

目的 采用有限元分析法比较股骨颈内固定系统（FNS）和空心螺钉作为治疗股骨头坏死的旋转截骨术中内固定装置的生物力学特性。方法 采用虚拟有限元建立中日友好医院分型L2型股骨头坏死模型,模拟前旋90°和后旋180°的旋转截骨术,分别模拟植入FNS（FNS组）及空心螺钉（空心螺钉组）,分析股骨近端截骨块、内固定装置、坏死区的应力分布及位移和股骨的位移。结果 前旋90°和后旋180°模型中,FNS组股骨近端截骨块、坏死区的应力和股骨近端截骨块、内固定装置、坏死区、股骨的位移均小于空心螺钉组。FNS组股骨近端截骨块和坏死区的应力峰值比空心螺钉组减少明显,近端截骨块应力峰值减小47.45%和13.64%,坏死区应力峰值减少44.96%和35.52%。结论 与空心螺钉相比,无论截骨后向前旋90°还是向后旋180°,FNS提供了更好的生物力学稳定性。     

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.        

基于CT灰度值赋值的股骨头坏死有限元模型对比

文题释义： CT灰度值赋值：此赋值法利用CT灰度的不同,将组织划分为不同的等级材料,利用数学公式将CT灰度值与弹性模量进行转换运算,将不同骨组织材料进行相应赋值,能够较真实的体现骨组织内部的复杂情况,使模型更加准确。 股骨头坏死应力集中：正常股骨头内应力延压力性骨小梁均匀分布在股骨头内,坚硬的股骨距承受大部分应力。股骨头坏死的应力因坏死区骨小梁的断裂、硬化带及肉芽带的形成无法均匀传导下行,股骨头负重区、坏死区应力分布不均匀出现多个应力集中区域,与正常股骨头不同的是,应力分散于股骨颈内外侧。 背景：目前研究股骨头有限元模型多采用单例或较少样本建模用于特定的生物力学研究,对于模型稳定性研究不多。 目的：以正常股骨头和股骨头坏死建模进行多样本的模型对照,通过应力分布规律和力学参数的对比,分析模型的准确性和稳定性,为股骨头坏死塌陷防治提供力学基础。 方法：选择20髋经1年非手术治疗稳定未塌陷的股骨头为实验组,20髋单侧股骨头坏死患者的健侧设为正常组。采集股骨头CT数据分别建立有限元模型,观察正常股骨头与股骨头坏死应力分布、股骨头负重区最大等效应力与最大总形变量,对比并统计分析。研究方案经中国中医科学院望京医院医学伦理委员会批准,患者签署知情同意书。 结果与结论：①建立了正常股骨近端、无坏死股骨近端和坏死骨有限元模型,单元数和节点数分别为       502 568±114 196、692 608±154 678,449 954±125 824、623 311±171 401,19 133±13 167、27 577± 19 131;②模拟单足站立位进行载荷设定的云图显示：当施以体质量2.5倍压强作用于股骨头负重区表面时,正常股骨头负重区表面应力均匀,应力延压力性骨小梁均匀分布在股骨头内,股骨距承受大部分应力;股骨头坏死负重区表面及坏死区出现应力集中区域,头内应力分散于股骨头颈交界,股骨颈内外侧应力相当,且股骨头坏死产生的形变多于正常股骨头;③股骨头坏死与正常股骨头的负重区最大总形变量分别为(4.14±1.31),(1.36±0.22) mm,最大等效应力分别为(1.94±0.77),(0.75±0.19)MPa,差异有统计学意义(P < 0.05),且两组数据偏于集中,模型稳定性较好。通过多样本的正常股骨头与股骨头坏死比较,证明了基于CT灰度值直接赋值反映了股骨头坏死的实际力学特性,具有较好的准确性和稳定性。ORCID: 0000-0001-5227-532X(薛志鹏);0000-0003-0831-1201(陈卫衡) 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     

3D Finite Element Analysis of a Man Hip Joint Femur under Impact Loads

Objective： The biomechanical characters of the bone fracture of the man femoral hip joint under impact loads are explored. Methods ：A biosystem model of the man femoral hip joint by using the GE （ General Electric） lightspeed multi-lay spiral CT is conducted. A 3D finite element model is established by employing the finite element software ANSYS. The FE analysis mainly concentrates on the effects of the impact directions arising from intense movements and the parenchyma on the femoral hip joint on the stress distributions of the proximal femur. Results：The parenchyma on the hip joint has relatively large relaxation effect on the impact loads. Conclusion：Effects of the angle δ of the impact load to the anterior direction and the angle γ of the impact load to the femur shaft on the bone fracture are given;δ has larger effect on the stress and strain distributions than the angle γ,which mainly represents the fracture of the upper femur including the femoral neck fracture when the posterolateral femur is impacted, consistent with the clinical resuits.     

有限元分析髓芯减压并同种异体植骨治疗股骨头缺血性坏死的生物力学改变

目的:分析髓芯减压并同种异体植骨治疗早期股骨头缺血性坏死的临床应用。方法:选取收治的1例早期股骨头缺血坏死男性患者,入院后术前对患侧股骨头行多层螺旋CT扫描,然后将CT扫描的图片资料导入专业的有限元分析软件,建立股骨头缺血坏死的有限元模型,在有限元模型上模拟进行髓芯钻孔减压术,隧道植入骨块到软骨下骨约0~6 mm处,自体松质骨夯实。双足站立位为股骨头的模拟受力体位,髋关节的负荷条件为:外展肌合力M、髂胫束力T以及髋关节接触力J分别为1 060、1 721、1 621 N,选取90°、120°以及150°的坏死角度,分别计算未处理过的股骨头坏死模型的塌陷值、行单纯髓芯减压以及行髓芯减压加植骨时的塌陷值。结果:股骨头的正常骨质杨氏模量高于坏死骨的杨氏模量,正常骨质的横向变形系数低于坏死骨。行股骨头髓芯钻孔减压术后,股骨头的塌陷值显著增加,而减压隧道植入同种异体骨后,其塌陷值显著减低,但高于正常的股骨头。同时,由于股骨头坏死角度的增加,其塌陷值也明显增加。结论:髓芯钻孔减压并同种异体植骨术能有效增进坏死区的骨质修复,加强减压通道所致股骨头支撑结构的改变,防止股骨头关节面的塌陷。     

三角稳定固定系统对股骨颈骨折生物力学特性的有限元分析

目的:运用有限元分析,探讨三角稳定固定系统对股骨颈骨折的生物力学特性。方法:选取1名健康青年志愿者,获取其股骨CT影像学资料,构建股骨三维模型及股骨颈骨折三维模型。运用Ansys12.1有限元分析软件,模拟人体直立情况下正三角、倒三角稳定固定系统对内固定物应力分布、骨折处位移的影响。结果:正三角内固定、倒三角内固定模型的股骨头最大等效应力接近,倒三角内固定模型的内固定物最大等效应力低于正三角内固定。正三角内固定、倒三角内固定模型的股骨近端、内固定物最大位移接近。结论:正三角、倒三角稳定固定系统的股骨头最大等效应力、股骨近端最大位移、内固定物最大位移接近,倒三角内固定模型的内固定物最大等效应力更低。 【关键词】三角稳定固定系统;股骨颈骨折;生物力学;有限元分析