人工股骨头置换治疗骨质疏松股骨转子间不稳定骨折的有限元应力分析

背景：通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体且模型间可比性低,对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段。 目的：运用计算机模拟骨质疏松股骨转子间不稳定型骨折人工股骨头置换,并做置换后股骨及假体的应力分析,评估置换后假体的初始稳定性。 方法：对志愿者双下肢进行薄层CT扫描获得股骨数据,图像处理软件Mimics11.1进行图像处理后数据导入建模软件UG4.0建立股骨三维模型;假体柄与股骨间行布尔运算,分为正常关节置换组和转子间骨折人工关节置换组,观察两组材料赋值、定义接触、受力加载、应力分析等情况。 结果与结论：人工关节置换改变了股骨的受力方式,股骨转子间骨折关节置换后的假体稳定性较好,在正常载荷下人工关节稳定。     

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。     

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。     

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。     

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。     

防旋髓内钉和InterTan固定A3型股骨转子间骨折:生物力学变化的有限元分析

背景:股骨转子间骨折是髋部常见骨折之一,伴随着老年骨质疏松以及高能量伤,骨折线常常下移导致A3型股骨转子间骨折,治疗困难。常见的髓内固定包括股骨近端防旋髓内钉和Inter Tan等,由于其具有较高的稳定性和微创性,得到了广泛的应用。目的:通过有限元分析的方法比较股骨近端防旋髓内钉和InterT an修复股骨转子间A3型骨折的生物力学稳定性。方法:分别建立AO3.1,3.2,3.3型股骨转子间骨折及股骨近端防旋髓内钉和InterT an两种内固定的三维有限元模型,按骨科要求予以固定,观察不同模型股骨、内固定的应力分布,比较股骨及内固定模型不同区域的应力峰值,分析其生物力学稳定性。结果与结论:AO3.1型骨折股骨近端防旋髓内钉组股骨侧应力集中在股骨近端外侧,InterT an组股骨侧应力集中在股骨近端内侧;AO3.2型骨折两种内固定系统股骨侧各个区域均无明显应力集中;AO3.3型骨折股骨近端防旋髓内钉组股骨侧应力集中在股骨近端内侧及内固定远端内侧,InterT an组股骨侧无明显应力集中。6种模型内固定远端应力均集中在内侧,其中股骨近端防旋髓内钉组应力大于InterT an组;内固定远端内外侧应力差值股骨近端防旋髓内钉组大于InterT an组;除股骨近端防旋髓内钉固定AO3.3型骨折外,其余5种模型应力峰值均位于头钉与主钉交叉处内侧。提示AO3.1和AO3.3型骨折中,InterT an比股骨近端防旋髓内钉具有更好的稳定性,AO3.2型骨折中,二者稳定性无明显差异;采用InterT an修复股骨转子间骨折时股骨端应力分布更加合理。     

髋关节表面置换术中可视化虚拟技术建立股骨头假体植柄通道的模拟研究

目的：通过计算机辅助对股骨头假体植柄通道的模拟研究,为人工全髋关节表面置换术股骨头假体植入方案提供更为科学的评估方法和预测手段。方法：选择无明显髋关节疾病的15具成人尸体标本,对整个骨盆进行连续CT扫描,将CT原始数据导入Mimics 10．1软件,重建出股骨近端三维模型。通过计算股骨头中心和股骨近端中心线,建立股骨颈轴线并确定股骨头假体最佳植柄通道,进行虚拟植入和三维可视化分析。结果：各维度观察股骨头假体植柄通道通过股骨头中心,位于股骨颈的中央。股骨头定位针模拟植入后假体柄干角与术前颈干角相比呈轻度外翻位,侧方偏移和水平偏移度较小,达到预期植柄方位的要求。结论：计算机辅助可以准确建立股骨头假体植柄通道并进行可视化分析,为个体化髋关节表面置换术提供了科学的评估方法和预测手段。     

本期专题:髋关节置换的三维有限元分析CSCD

1人工股骨头置换治疗骨质疏松股骨转子间不稳定骨折的有限元应力分析,2011年15卷35期6496页。2骨折髋支撑关节治疗股骨颈骨折的有限元力学分析,2010年14卷13期2462页。3骨质疏松股骨三维有限元模型的建立,2010年14卷9期1545页。     

高龄股骨转子间骨折人工关节置换的特点及假体选择

目的:探讨高龄不稳定型转子间骨折人工关节置换不同假体的选择策略及临床治疗特点。方法:采用电子检索的方式,在万方数据库(http://www.wanfangdata.com.cn/)中检索2000-01/2010-08有关高龄股骨转子间骨折人工关节置换的研究文章,关键词为"股骨转子间,骨折,人工关节,高龄"。排除重复研究、普通综述或Meta分析类文章,筛选纳入25篇文献进行评价。结果:高龄股骨转子间骨折人工髋关节置换前正确的假体选择很重要,应根据Evans标准分类以及股骨近端骨折情况进行选择。根据人工髋关节假体的类型,目前分为3类:第一类是根据不同的柄长来选择,即加长柄人工关节与普通柄长人工关节的选择;第二类是全髋关节假体与双极人工股骨头假体的选择;第三类是骨水泥型柄与生物型柄假体的选择。另外应该按照骨质情况选择,骨水泥型假体可获得置换后即刻稳定,因此绝大多数高龄不稳定型骨骨转子间骨折更适合于选择骨水泥型假体。结论:根据骨折类型以及患者全身情况选择不同类型的人工关节假体来治疗高龄股骨转子间骨折安全有效,功能恢复快,并发症少。     

TC股骨转子间骨折半髋假体系统的研制及力学测试

目的针对老年不稳定型股骨转子间骨折,研制一套新型半髋假体系统———TC(Trochanteric Prosthesis Sys-tem)半髋假体系统,以保存粗隆部骨量,达到早期功能锻炼的要求。方法选择1名正常成年男性志愿者,对其双侧股骨进行CT薄层扫描,所得图像信息以DICOM格式储存,导入有限元建模软件建立股骨中上段三维模型。利用计算机Pro/E软件进行半髋假体的辅助设计,计算机数控快速成型技术制造半髋假体的金属模型,在尸体骨上反复验证和修改完善后,开模铸造正式假体。将所研制假体模拟植入人体股骨后进行三维有限元分析。选择1名老年男性的新鲜尸体股骨标本,制作A2.2型(AO分型)股骨转子间骨折模型,模拟手术植入装配所研制的半髋假体系统。按照国家行业标准YY0117和YY0118的要求进行材料的性能测试、假体头颈部疲劳测试、假体柄部疲劳测试以及模拟植入新鲜尸体股骨后的抗压、抗扭转等生物力学性能测试。结果新型股骨转子间骨折半髋假体试样的头颈部、柄体部的疲劳性能测试结果 500万次(8 Hz),假体未断裂或失效;植入新鲜尸体股骨后抗压达到2 kN,试样未失效,抗扭转最大扭矩达到15.5 N.m。有限元分析应力云图显示假体柄与股骨接触应力主要由股骨转子部以下的骨干部所承担,最大平均Von Mises应力值为17.6～26.4 MPa,而大、小转子处的应力水平较低,最大平均Von Mises应力值分别为2.7、4.9 MPa。结论本研究所研制的老年不稳定型股骨转子间骨折半髋假体系统具有操作简便、固定牢靠、充分保存转子部骨量的特点,并且能够达到早期功能锻炼的生物力学要求。     

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.        

不同材料人工髋关节假体对骨界面应力分布及生物力学的影响

BACKGROUND: During joint replacement, different materials of prosthesis can be used. Different prosthesis can produce different effects and the stress distribution of bone interface. OBJECTIVE: To explore the effects of different materials on the stress distribution and biomechanics of the bone interface of artificial hip joint. METHODS: The CT scan of the hip was carried out. The image data were saved in DICOM format and processed by MIMICS software. The 3D finite element model of the femur was obtained by ANSYS. A three dimensional finite element model of the femur was made with the material properties of the femur. Three kinds of different replacement prosthesis materials (Co Cr Mo alloy, titanium alloy and composite materials) were selected, and the specific requirements of the actual joint replacement were selected, and different types of prosthesis were designed in CAE software. In the STL format, the prosthesis model was imported into MIMICS, and the femur and prosthesis were assembled. The stress status of different prosthesis was analyzed, and the stress shielding rates of exterior and interior sides of middle and lower parts of the femur, right to and 30 mm below lesser trochanter and right to lesser trochanter of the proximal femur were calculated. RESULTS AND CONCLUSION: Through three-dimensional finite element analysis, a direct and accurate model of the femur and the three-dimensional model of the prosthesis were established. According to the actual situation, material assignment of the femoral three-dimensional finite element model was conducted to obtain the corresponding model. Thus, the properties of different materials of the femur were shown visually. The femoral stress of cobalt chromium molybdenum alloy, titanium alloy, and composite material was simulated after replacement. Results found that the stress shielding rate can decrease in the middle and lower parts of the femur. After replacement, the femoral stress is higher than that of the intact femur. The experimental results show that the stress shielding of the joint was performed after joint replacement with Co Cr Mo alloy, titanium alloy and composite materials. Among them, the composite material is more close to the actual physiological environment of the human body, and it can better reduce the stress shielding effect, and is beneficial to the stress from the prosthesis to the femur.      

髋关节置换的三维有限元分析

目的本文建立股骨髋关节置换有限元模型，并进行了静力学模拟计算，寻求假体的材料属性对髋关节置换后产生的的影响。方法运用逆向工程与有限元的基本概念和理论，采用医学专用的建模软件mimics读取原始的股骨CT图片的dicom格式，完成股骨二维重建，然后根据股骨髓腔几何解剖状态应用CAD软件设计个性股骨假体。在ansys中对两个模型进行有限元装配，进行接触耦合分析!结果建立了精确的股骨模型和设计了个性假体。利用MIMICS基于灰度值进行赋材质，实现股骨有限元模型材料正确的非均匀及各向异性描述。成功模拟了三种假体材料置换后股骨的应力。结论三种材料中复合材料假体更接近人体生理环境，减弱了假体的应力遮挡，有利于力由假体传到到股骨上。为改进人工髋关节的设计、置换和提高人工髋关节寿命提供了一些有益的依据。研究结果表明这种假体设计和分析方法更为合理、可靠。     

齿槽型人工髋关节骨应力分布的三维有限元分析

基于人体股骨CT数据,结合髋关节解剖形态学,建立了齿槽型人工髋关节置换医学装配模型,运用三维有限元分析(3D-FEA)方法,选择1.5倍体重(70 kg)生理载荷条件,计算分析了人工髋关节柄三角区表面不同齿槽结构及分布对周围骨应力的影响。结果表明:关节柄三角区齿槽结构改变了关节柄/骨界面的应力传导,有利于降低股骨近端的应力遮挡效应。凸齿结构的效果优于凹齿,近端1/3凸齿分布的关节柄对降低骨的应力遮挡效果最佳,更有利于减轻股骨近端骨质疏松,能有效提高人工髋关节的使用寿命。     

新型带锁髓内钉在股骨粗隆间骨折愈合过程中的生物力学研究

目的 用三维有限元法测试新型股骨髓内钉（proximal femoral nail antirotation, PFNA）的刚度、强度等生物力学性能,探讨其在股骨粗隆间骨折愈合前后生物力学应力应变分布情况。方法 利用参数化设计软件UG建立髓内钉三维模型,并用三维图像处理软件MIMICS 对CT图片进行预处理,建立股骨骨折模型及愈合模型并进行数值模拟。结果 骨折愈合前,最大Von Mises应力发生在骨折位置,高达663 Mpa,髓内钉远端锁钉位置应力仅为113 Mpa;骨折愈合后,最大Von Mises应力发生在螺旋刀片与主钉接触位置,股骨干上的锁钉位置出现明显的应力集中现象。结论 骨折愈合后远端锁定钉位置常发生股骨干骨折,因此骨折愈合后应将髓内钉取出。     

组配式人工半骨盆假体置换后骨盆站立位生物力学有限元分析

背景：目前关于骨盆生物力学有限元分析主要是针对正常和外伤后的骨盆,缺乏对Enneking Ⅱ区的恶性肿瘤切除、组配式人工半骨盆假体重建骨盆环缺损后骨盆生物力学模型进行三维有限元分析。 目的：观察正常骨盆及半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后患者站立体位下应力分布。 方法：采用CT薄层扫描采集1例半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后17个月患者的骨盆原始数字影像和通信标准数据,将数据导入Mimics 8.1软件建立三维实体模型,再将实体模型导入Abaqus 6.7-1分析软件,分别以正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后的骨盆,建立三维有限元模型,并分别对双脚站立、患侧单脚站立两种静力状态下进行生物力学加载并对结果进行分析。 结果与结论：在正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后骨盆2种有限元模型中,不同站立体位相同载荷下健侧骨盆应力值接近;患侧组配式半骨盆假体不同站立体位时应力最大值均出现在髋臼杯上方CS脊柱内固定器与髋臼杯连接部内侧,所受最大应力均远低于其疲劳强度;组配式半骨盆假体重建后骨盆站立位时应力的分布规律与正常骨盆基本一致。说明：①组配式人工半骨盆假体置换对健侧骨盆影响较小。②站立体位下组配式人工半骨盆假体安全性好。③组配式人工半骨盆假体重建后的骨盆符合人体正常生物力学规律,具有良好的生物力学相容性基础。