定制型股骨近段假体的骨水泥三维有限元模型研究

目的 建立股骨近段大段骨缺损及定制型股骨近段假体的三维有限元模型,分析不同柄长的股骨近段假体柄植入髓内后对股骨-骨水泥的应力分布的影响.方法 通过CT扫描数据建立股骨近段130 mm骨缺损不同髓内柄长度(140 mm、120 mm、100 mm、80 mm、60 mm)的定制型假体的三维有限元模型.模拟下肢单足行走进行负荷加载,分析股骨-骨水泥的应力分布.结果 骨水泥应力由近端向远端逐渐增加,在假体柄末端附近达到最大值.当髓内柄长度为140 mm时,骨水泥层内、外侧最大应力值分别为2.5 MPa和5.5 MPa,均小于骨水泥自身强度,可以有效避免因高应力而导致骨水泥的碎裂.结论 股骨近段假体髓内柄要有足够长度,以减少骨水泥所受应力,防止因骨水泥碎裂而出现假体松动.对于股骨近段130 mm的骨质缺损,采用髓内柄长为140 mm骨水泥型股骨近段人工假体重建能够有效减少骨水泥层压力,从而避免因骨水泥发生疲劳碎裂而导致假体松动的危险.     

原位微波消融与人工假体置换治疗股骨远端恶性肿瘤的三维有限元分析

目的：探讨股骨远端肿瘤型骨缺损,假体与残骨不同比例的生物力学研究。方法：1例股骨远端患者,术前行64排双源螺旋CT扫描,进行三维重建,建立股骨远端40％、50％、60％骨缺损的复合假体三维有限元模型,分析股骨及假体模型应力分布。结果：肿瘤假体置换40％骨缺损应力分布比较均匀,应力主要集中在假体柄中下段,40％、50％截骨与60％截骨有统计学差异（P〈0．05）。40％骨缺损与50％骨缺损没有统计学差异（P〉0．05）。结论：股骨截骨长度与假体柄长度之比接近1时较为适宜,出现假体松动、断裂的可能性较小。     

水泥型人工髋关节置换治疗老年EvansⅠ-Ⅲ型粗隆间骨折股骨假体的生物力学特性

目的探讨人工髋关节置换治疗老年EvansⅠ-Ⅲ型粗隆间骨折股骨假体的生物力学特性。方法根据DI-COM 3.0标准,采用Mimics软件及CAD建模软件Unigraphics完成股骨三维实体重建,以大粗隆尖到小粗隆下缘作为骨折线并将骨折线以上部分移除,建立粗隆间骨折模型。将两种不同柄长(120、170 mm)股骨假体模型置入骨折模型,采用3 mm厚的骨水泥套层重建假体与股骨间的缺损,5 mm厚的骨水泥套层代替重建小粗隆上1 cm股骨颈截骨线与粗隆间骨折线间的骨缺损。最后应用有限元分析软件ABAQUS 6.5建立三维有限元模型,模拟单腿站立姿势进行力学加载,得到股骨假体的应力分布云图,在应力集中区域取5个位点取其平均值得到应力值。结果短柄、长柄股骨假体应力分布基本相同。假体颈部有两个应力集中区,分别位于假体颈的上部和中下部,接近与假体柄连接处,其中中下部与小转子上方的交界处集中明显。假体柄部内侧的颈干交界处相当于股骨矩区域有一较小的应力集中区域,由此向下应力略降低,随之逐渐增大,在接近假体柄内侧末端时形成第二个应力集中区域;假体柄外侧由近端向远端应力逐渐增大,到接近假体末端时形成假体柄外侧应力集中区。结论水泥型人工髋关节置换治疗老年EvansⅠ-Ⅲ型粗隆间骨折,股骨假体的应力分布与常规人工全髋关节置换后股骨假体的应力分布相似;长柄股骨假体的各应力集中峰值较短柄股骨假体高,但均没有超过金属断裂的应力极值。     

股骨远端肿瘤性缺损两种不同内固定方法抗弯曲特性的三维有限元分析

通过三维有限元法对股骨远端肿瘤性缺损交锁髓内钉和加压锁定钢板两种内固定方式的抗弯曲生物力学特性进行对比评价,判断何种生物力学更稳定,为临床应用提供依据。选取一例健康男性全股骨进行CT断层扫描,模拟股骨远端肿瘤性缺损,采用锁定钢板和交锁髓内钉内固定方法,建立骨肿瘤三维有限元模型,导入ABAQUS进行有限元分析,在1000N载荷作用下,比较锁定钢板和交锁髓内钉抗弯曲的应变和应力分布情况。结果显示,两组模型应力均未达到屈服应力,两种模型在1000N作用下呈线性分布,锁定钢板的抗扭转特性大于髓内钉的,锁定钢板的应力分布比较均匀,最大主应力86．52Mpa,最人应变是5．749×10^-4,髓内钉的最大应力为91．25Mpa,最大应变是5．644×10^-4。由此认为,临床上锁定钢板和交锁髓内钉都能成功治疗骨肿瘤,满足临床内固定需要。弯曲状态下,锁定钢板的应力分布更加均匀,但在抵抗变形方面,髓内钉比锁定钢板更好,具有较大临床应用价值。     

股骨远端骨折髓内钉与锁定钢板内固定方式的有限元分析

目的模拟股骨远端骨折髓内钉与锁定钢板内固定,比较2种常用内固定的效果,并探索其对膝关节生物力学的影响。方法建立精确的膝关节三维有限元模型,在此基础上建立股骨远端A型骨折理想模型、髓内钉内固定手术有限元模型（Ⅰ型模型）和锁定钢板内固定手术有限元模型（Ⅱ型模型）。通过对多个关节屈曲度（0°、60°、90°、120°）的模型加载重力载荷来分析内固定物、关节软骨及半月板的应力变化和股骨远端最大位移等。结果Ⅰ、Ⅱ型模型的内固定物、关节软骨和半月板各有1个最大应力部位,最大应力峰值均出现在关节屈曲90°状态下。股骨远端位移峰值总体随着关节屈曲角度的加大而增加。同样屈曲角度下,胫骨平台软骨、半月板的最大应力值均大于股骨髁软骨,锁定钢板的最大应力值大于髓内钉,Ⅱ型模型的股骨远端最大位移值大于Ⅰ型模型。结论内固定方式有限元分析可以模拟膝关节不同运动状态下的受力情况,有效分析出不同模型中内固定物、关节软骨和半月板在不同运动状态下的生物力学特征。     

三维有限元方法分析头颈部开窗对股骨近段应力传导的影响

目的采用三维有限元方法研究股骨近端应力传导情况以及头颈部开窗对股骨近端的应力分布的影响.方法选取一例男性健康自愿者, CT扫描,应用建模软件MIMICS及HYPERMESH建立5组股骨近端三维有限元模型(1个对照组;4个开窗组).设置边界条件和加载条件后应用有限元分析软件ANSYS模拟人体站立及运动等不同情况进行计算.结果对比分析.结果各组模型结果与实际情况相符合;股骨颈前方均表现为低应力低应变区;模拟单腿站立(2.38 bw)和跳跃(7bw),最大应力值随着窗口增大而增加(单腿站立由49.3Mpa增加到69.8Mpa;跳跃由142.3Mpa增加到177.8Mpa),而最大应变值变化不大(单腿站立:1.002~1.006;跳跃:2.55~2.56).结论在低应力分布区(股骨颈前方)开窗符合生物力学规律,对股骨近端应力影响小,该方法是安全的.     

老年患者人工股骨头置换的三维有限元分析

目的 对人工股骨头置换治疗的老年股骨转子间不稳定骨折有限元模型进行生物力学分析。方法 对1 名健康老年男性志愿者左侧股骨行螺旋CT 断层扫描后将数据导入Mimics14.0 软件得到股骨实体,获得左侧股骨转子间不稳定骨折模型。根据AML 生物型假体及Muller 骨水泥假体的设计参数,制作AML 普通柄、加长柄及骨水泥柄模型,并植入骨折模型中模拟3 种不同材料的人工股骨头置换术。将人工股骨头置换模型与正常股骨模型导入Ansys13.0 软件中,对各部分材料赋值后加载负荷并作应力分析。结果 正常股骨自近端至远端不断增加,并于中下段达到峰值。人工股骨头置换后并未改变股骨总体的应力趋势,同样是由近端到远端逐渐增加,应力集中部位为全长股骨中段,但股骨近端的受力小于正常股骨,同时股骨上最大等效应力增加。3 种假体受力集中部位均为骨髓腔峡部与假体连接处,假体的最大等效应力相近;3 种假体对股骨受力的影响趋势相同,但加长柄对股骨下端应力的改变小于普通柄,股骨的最大等效应力由高到低依次为加长柄、普通柄和骨水泥柄。结论 人工股骨头置换术用于Tronzo-Evans IV 型股骨转子间不稳定骨折可提高股骨的最大等效应力。     

髋臼假体的方位对假体骨水泥界面应力分布的影响

目的 通过三维有限元分析，探讨假体—骨水泥界面的应力分布情况以及髋臼假体的方位对该应力分布的影响。材料和方法 根据人工髋关节的工业设计制造图．利用有限元软件Ansys5．6的三维几何建模功能，建立了人工髋关节的三维模型．再根据Lenfsfeld试验得出的髋臼假体在不同的外展角下髋关节接触力的大小和方向．经过换算，然后加载负荷于股骨头上，计算出髋臼假体在不同的外展角下股骨假体与骨水泥内外侧界面的应力值。结果 假体与骨水泥界面应力分布不均．在股骨假体柄的始端处最大，是应力传导至骨水泥或股骨的主要部位，称为峰值应力(Peak Value Stress)或主应力，然后快速减小，大约越过股骨近端狭部，以后趋于平稳．在外侧接近于假体末端处又轻微增加。髋臼假体外展角在45度时．峰值应力最小．随着外展角的增大或减小，峰值应力都会逐渐增大。在假体远端。随着髋臼假体外展角的减少。在假体远端内外侧面的应力均逐渐增大，而且外侧面的变化更为明显。结论 股骨假体与骨水泥界面应力分布不均匀，在假体柄的近端是传导应力的主要部位，在该部位．股骨假体柄及骨水泥容易出现疲劳断裂。髋臼假体外展角增大或减小，股骨假体柄近端峰值应力都会增加．从而影响假体的使用寿命；在股骨假体的远端．髋臼假体外展角越小．界面应力越大，骨水泥越容易产生蠕变，对假体的稳定也越不利。     

股骨远端肿瘤性缺损抗扭转特性三维有限元分析

目的：采用三维有限元法比较交锁髓内钉和加压锁定钢板固定股骨远端骨肿瘤切除重建术后抗扭转生物力学特性,为临床选择有效的内固定方法提供理论依据。方法：选取临床上骨肿瘤术后病人,采用锁定钢板和交锁髓内钉内吲定方法,建立骨肿瘤三维有限元模型,导入ABAQUS进行有限元分析,在（0-30）Nm作用下,锁定钢板和交锁髓内钉的应变和应力分布情况。结果：两组模型应力均未达到屈服应力,两种模型在（030）N—in扭矩作用下呈线性分布,锁定钏板的抗扭转特性大于髓内钉的,锁定钢板的应力分布比较均匀,最大主应力为0．2689Mpa,最大应变是2．378×10．髓内钉的最大应力为0．3669Mpa,最大应变是3．324×10^-6结论：在临床上锁定钢板和交锁髓内钉都能成功治疗骨肿瘤,交锁髓内钉的抗扭转性能弱于锁定钢板,但能满足临床内固定的需要,具有较大临床应用价值。     

髋关节置换术中2种不同髋关节假体的有限元分析:应力集中和位移变化比较

目的：应用有限元方法模拟不同假体下全髋关节置换术中应力集中和位移变化情况,通过分析这2种指标术后可能产生的假体晃动和松动等临床结果,为临床实际情况分析提供参考。方法：选取1例正常男性志愿者的髋关节CT数据进行三维重建,取2种假体（Corail和Synergy porous）进行建模处理,通过Mimics和ABAQUS等软件进行股骨非均质属性赋值,分析人体以站立姿态下2种股骨模型的应力集中与位移变化。结果：Corail模型股骨与Synergy porous模型股骨最大应力多集中于假体远端1/3处与近端拐角处,最大应力分别为31.82和55.05MPa,均小于股骨屈服强度（138MPa）。Corail与Synergy porous型假体模型最大相对位移分别为0.604和0.747 mm,均小于极限位移（1.500 mm）。以上指标均满足置换要求。结论：Corail型假体在模拟后应力集中与位移变化结果方面均优于Synergy porous型假体,不同类型假体的有限元分析可为髋关节置换术的预后效果评价提供重要参考。     

原位微波消融与肿瘤假体置换治疗骨肿瘤的三维有限元分析

目的：应用三维有限几分析比较原位微波消融与肿瘤假体置换二种手术方法治疗叫肢近关节骨肿瘤的生物力学性能,为临床手术治疗提供理论依据。方法：选择一例膝关节骨肿瘤患者,并与临床已经应用的肿瘤假体、锁定钢板进行CT薄层扫描,获得DICOM图像数据,导入三维有限元分析软件,分别模拟使用肿瘤假体和锁定钢板二种不同的治疗方式,应用三维有限元分析法进行两种不同治疗方式术后应力变化的测算,并对所得数据进行统计学分析。结果：两组模型应力均未达到屈服应力,肿瘤假置换的应力分布比较均匀,最大应力为56．32Mpa,锁定钢板的最大应力为161Mpa,两种治疗方式有统计学差异（P〈0．05）。结论：原位微波消融和肿瘤假体簧换二：种治疗方法的总体生存率达N85％,假体置换组优于微波消融组,而两种治疗方法的中远期效果如何有待进一步观察和比较。     

股骨小转子在转子间骨折内固定术中作用的有限元研究

目的建立Evans-Jensen’s I、IIb型股骨转子间骨折的滑动髋螺钉（DHS）、股骨近端防旋髓内钊‘（PFNA）内固定有限元模型,通过4种模型有限元分析、对比研究股骨小转子在该类骨折中的维稳作用和模型中内固定的安全性。方法采集健康成年男性左侧股骨CT图像和DHS、PFNA系统三维数据,建立左侧上段股骨DHS、PFNA内固定模型,设定边界条件以及负荷加载方式,进行有限元运算,研究500N至2000N及其间分级载荷下模型的有限元应力、位移。结果建立了左侧上段股骨Evans．Jensen’SI、IIb型股骨转子间骨折在DHS、PFNA内固定下4种工况的有限元模型,上段股骨模型（长196．777mm,40373节点,216255个单元）以及DHS（7761节点,33699单元）、PFNA（4312节点,18146单元）。4种内固定模型在递增载荷下,模型III内固定器压应力增加幅度较大,2000N下最大压应力为727．256＋34．66,为模型I的1．98倍,超出钛合金钢板强度范围。存分级载荷下模型III的z向位移增加幅度、曲率都明显高于模型I、II、Iv。结论在有限元角度,股骨小转子在股骨转子间骨折内固定手术中具有稳定支持作用,在Evans．Jensen’SIIb型骨折中应用DHS系统进行内固定是不安全的,PFNA是比较理想的内固定器械。     

口腔种植研究——上颌前牙平台转换种植体周围应力分布的有限元分析

目的建立种植体支持的上颌中切牙模型,分析平台转换基台连接方式对种植体周围组织应力分布的影响,为临床应用平台转换基台提供参考。方法利用Solidworks画图软件建立种植体支持的上颌中切牙模型,基台采用传统平齐对接（Normal Model,N）和平台转换（Platform switching Model,PLS）设计,将数据导入ANSYS11．0分析软件建立三维有限元模型进行应力分布分析。垂直舌侧牙面进行加载,载荷为118N,比较两种模型种植体周围各部位的应力分布情况。结果两种模型皮质骨最大应力值均位于种植体颈部颊侧骨皮质,N和PLS最大VonMises应力值分别是50．08Mpa、37．34Mpa．两种不同设计钛基台周围的应力值分别是133．05Mpa、284．15Mpa。结论与平齐对接形式相比,平台转换设计可减少种植体颈部皮质骨组织的应力,但同时使基台肩台、种植体颈部、牙冠颈部所受应力增加,两种模型松质骨应力大小相似。     

套筒冠与卡环固位型义齿修复末端游离缺失的应力分布比较

目的 通过模块化方式建立套筒冠及可摘局部义齿的三维有限元模型,比较三种修复体的应力分布特点。方法 调用正常牙列模型库编辑建立双侧末端游离缺失的牙列模型,在固定义齿模型库及可摘局部义齿模型库基础上,借助DELL Precision图形工作站,利用UG 5.0、HyperMesh 7.0和Abaqus 6.5软件,建立套筒冠义齿及近中支托和远中支托的可摘局部义齿三维有限元模型,进行有限元力学分析和比较。结果 在套筒冠义齿,基牙牙根及牙周膜、牙槽黏膜和牙槽骨的应力分布均匀,其牙根受力最大值（6.205 MPa）明显小于其他两种可摘局部义齿设计（分别为18.41 MPa和34.49 MPa）。结论 采用套筒冠设计修复双侧末端游离缺失病例,具有应力分布均匀,基牙受力较小的优点,有利于基牙及周围组织的健康。