有限元技术及其在人工髋关节领域的应用

髋关节具有独特的解剖学特点及复杂的生理功能,在人体直立和活动中发挥重要的作用。针对其正常力学结构和病损修复后的生物力学研究为临床所重视。而鉴于其结构的复杂性,在体的力学研究存在很大困难,多数实验是通过动物模型来完成,从而对实验结果的可靠性产生不同程度的影响。有限元技术是计算机力学分析的重要方法之一,已成功应用于工程力学的多个领域,尤其是对于不规则构件的力学分析,有其独特的优势。有限元分析法被应用于矫形外科领域,在全髋关节置换前后应力分布规律的研究、骨水泥等移植材料的应力分析、假体的优化设计、假体界面受力情况及表面磨损等方面已取得了很大进展。有限元法自引入生物力学领域以来,改善了我们在生物力学方面的研究思路,通过不断地完善与发展,在人工关节的研究中将具有更广阔的前景。     

有限元分析与髋关节研究进展

髋关节具有独特的解剖学特点及复杂的生理功能,其生物力学研究日益受到重视.对人体髋关节力学结构进行研究时力学实验主要通过动物模型模拟,在人体直接进行力学实验几乎不可能.有限元分析是计算机力学分析的重要方法之一,可在一定程度上替代生物力学实验,模拟人体生物力学情况.有限元分析在全髋关节置换术前术后应力分布和应力遮挡研究、骨水泥残余应力分析、假体的优化设计、假体表面磨损和术后脱位原因等方面取得了很大进展.有限元分析已成为儿童髋关节发育不良研究的新领域.     

聚乙烯微粒细胞因子与人工髋关节松动的相关性研究

[目的]研究聚乙烯微粒、细胞因子与人工髋关节松动的相关性.[方法]根据假体的类型及假体中是否含有聚乙烯将38例人工髋关节翻修病例分为3组:全髋置换组、双动头组和一体式单动头组,对各组术中松动假体周围界膜组织进行光镜下炎性细胞计数的半定量分析和肿瘤坏死因子(TNF)的测定,分析人工髋关节无菌性松动与聚乙烯微粒、细胞因子之间的相关关系.[结果]根据Joseph的半定量标准,全髋置换组和双动头组在光镜下界膜中炎症反应程度无显著性差异(P>0.05),而单动头组与另外两组相比炎性细胞反应程度有显著性差异(P<0.05);经统计学分析显示全髋置换组与双动头组界膜中TNF含量无显著性差异(P>0.05),而全髋置换组与单动头组界膜中TNF含量有显著性差异(P<0.05),双动头组与单动头组界膜中TNF含量有显著性差异(P<0.05). [结论]聚乙烯微粒比其他微粒(如金属微粒、水泥微粒等)更可以刺激界膜中巨噬细胞释放更多的溶骨性的细胞因子TNF导致骨溶解加剧,人工关节的材料中尽量不用聚乙烯或改变聚乙烯的特性以减少磨损微粒和其刺激巨噬细胞所释放溶骨性的细胞因子(如TNF)的数量,从生物学角度降低假体松动的发生率.     

人工髋关节置换术并发股骨骨折临床分析

目的探讨人工髋关节置换术并发股骨骨折的病因、治疗及预防。方法总结本院１９７２年４月～１９９６年６月行人工髋关节置换术９４５例，其中人工髋关节翻修术１４２例，初次人工髋关节置换术４９３例，人工股骨头置换３１０例。结果术中共发生股骨骨折２５例，总发生率为２．６％，其中人工髋关节翻修术８例，初次人工髋关节置换术１２例，人工股骨头置换５例。结论骨质疏松、医源性、先天性的股骨解剖结构改变以及软组织松解不彻底是发生术中骨折的主要原因。以下措施可有效地预防术中骨折的发生：（１）术前测量髓腔的大小，选择合适的假体；（２）彻底松解髋周软组织，脱位或复位时避免暴力；（３）用长假体应充分扩大髓腔；（４）假体置入时如遇有阻力，应避免强力打入，如突然有突破感，应考虑可能有骨折，应术中透视或照像。     

聚乙烯微粒、细胞因子与人工髋关节松动的相关性研究

目的：研究聚乙烯微粒、细胞因子与人工髋关节松动的相关性。方法：根据假体的类型及假体中是否含有聚乙烯将38例人工髋关节翻修病例分为三组：全髋置换组和双动头组和一体式单动头组,对各组术中松动假体周围界膜组织进行光镜下炎性细胞计数的半定量分析和肿瘤坏死因子（TNF）的测定,分析人工髋关节无菌性松动与聚Zr烯微粒、细胞因子之间的相关关系。结果：根据Joseph的半定量标准,全髋置换组和双动头组在光镜下界膜中炎症反应程度无显著性差异（P〉0．05）,而单动头组与另外两组相比炎性细胞反应程度有显著性差异（P〈0．05）;经统计学分析显示全髋置换组与双动头组界膜中TNF含量无显著性差异（P〉0．05）,而全髋置换组与单动头组界膜中TNF含量有显著性差异（P〈O．05）,双动头组与单动头组界膜中TNF含量有显著性差异（P〈0．05）。结论：聚乙烯微粒比其他微粒（如金属微粒,水泥微粒等）可以刺激界膜中巨噬细胞释放更多的溶骨性的细胞因子TNF导致骨溶解加剧,人工关节的材料中尽量不用聚乙烯或改变聚乙烯的特性可以减少磨损微粒和其刺激巨噬细胞所释放溶骨性的细胞因子（如TNF）的数量,从生物学角度降低假体松动的发生率。     

人工全髋关节置换术后翻修的假体选择

目的探讨人工全髋关节置换术后翻修的假体选择. 方法 1995年1月～2002年6月进行全髋关节翻修术33例(33髋),其中男7髋,女26髋.翻修原因:无菌性松动22例,感染后松动8例(其中2例合并窦道形成);股骨头置换术后髋臼磨损3例,不伴有假体中心性脱位.对无菌性松动和股骨头磨损患者采用骨水泥固定型假体13例,生物固定型假体12例,股骨侧翻修假体均选择骨水泥固定型广泛涂层假体,8例感染患者均行一期骨水泥固定型全髋置换. 结果随访6个月～7年6个月,平均3年11个月.2例出现X线透亮带,但无临床不稳;4例遗留持续性疼痛,无假体脱位、断裂.本组Harris评分由术前的24～47分(平均38.6分),上升为术后的68～88分(平均82.4分),满意率87.9%. 结论无菌性松动是全髋关节置换术后翻修的主要原因.髋臼侧翻修假体可选择骨水泥型假体、也可选择生物型假体,股骨侧翻修假体均选择骨水泥固定型广泛涂层假体,感染后的翻修选择骨水泥假体较好.     

松动的人工髋关节界膜的研究

目的：通过对松动假体界膜的研究分析人工髋关节松动的原因。方法：通过对38例人工髋关节翻修术中松动假体周围界膜组织进行肉眼外观、普通光镜及扫描电镜的观察来分析人工髋关节无菌性松动与界膜之间的相关联系。结果：所有本组38例松动假体周围均充填有薄厚大小不一的界膜组织,多数颜色为暗红色,约1／3的界膜部分有黑色;界膜较厚处质韧类似瘢痕结缔组织,薄处似纤维薄膜。光镜可见较多巨噬细胞和异物巨细胞及磨损微粒;扫描电镜观察可以见到大量的粗细不等排列无序的胶原纤维组织和大小不一分布不均的异物颗粒和骨碎屑,胶原纤维内有成纤维细胞分布。结论：人工假体与骨空隙的产生导致界膜充填,磨损微粒刺激界膜释放炎性细胞因子导致骨溶解而出现假体松动,如何尽可能地减少活动中产生的磨损碎屑从而减少炎性介质的释放,减少由充填性界膜向溶骨性界膜的转变,从生物学的角度降低人工髋关节置换术后松动的发生率。     

松动的人工髋关节界膜的研究

[目的] 通过对松动假体界膜的研究分析人工髋关节松动的原因.[方法] 通过对38例人工髋关节翻修术中松动假体周围界膜组织进行肉眼外观、普通光镜及扫描电镜的观察来分析人工髋关节无菌性松动与界膜之间的相关联系.[结果] 所有本组38例松动假体周围均充填有薄厚大小不一的界膜组织,多数颜色为暗红色,约1/3的界膜部分有黑色;界膜较厚处质韧类似瘢痕结缔组织,薄处似纤维薄膜.光镜可见较多巨噬细胞和异物巨细胞及磨损微粒;扫描电镜观察可以见到大量的粗细不等排列无序的胶原纤维组织和大小不一分布不均的异物颗粒和骨碎屑,胶原纤维内有成纤维细胞分布.[结论] 人工假体与骨空隙的产生导致界膜充填,磨损微粒刺激界膜释放炎性细胞因子导致骨溶解而出现假体松动,如果尽可能地减少活动中产生的磨损碎屑从而减少炎性介质的释放,减少由充填性界膜向溶骨性界膜的转变,就可从生物学的角度降低人工髋关节置换术后松动的发生率.     

界膜与人工髋关节松动的相关性分析

目的：通过对松动假体界膜的研究分析人工髋关节松动的原因。方法：通过对28例人工髋关节翻修术中松动假体周围界膜组织进行肉眼外观及扫描电镜对表面超微结构的观察来分析人工髋关节无菌性松动与界膜之间的相关联系。结果：所有本组28例松动假体周围均充填有薄厚大小不一的界膜组织,多数颜色为暗红色,约1／3的界膜部分有黑色;界膜较厚处质韧类似瘢痕结缔组织,薄处似纤维薄膜。扫描电镜观察可以见到大量的粗细不等排列无序的胶原纤维组织和大小不一分布不均的异物颗粒和骨碎屑,胶原纤维内有成纤维细胞分布。结论：人工假体与骨骼形状不完全匹配,空隙的产生导致纤维瘢痕组织（界膜）充填,磨损微粒沿空隙扩散至界膜刺激界膜释放炎性细胞因子导致骨溶解而出现假体松动,松动后的假体与骨髓腔空隙加大导致更多界膜组织充填、释放溶骨性细胞因子而形成恶性循环。     

骨质疏松症全髋关节有限元模型的建立与分析

目的 建立骨质疏松症全髋关节有限元模型,分析了运动荷载作用下髋关节平均刚度情况.方法对1名患有腰痛病的中老年女性志愿者的髋关节进行双能X线扫描记录其骨密度,同时进行CT扫描成像,应用CAD造型软件minics10.1、magics1 3.0软件和abaques 6.9软件,采用四面体网格划分方法,对髋关节周围组织赋予不...     

有限元分析应用于全髋关节置换中的研究进展

全髋关节置换术是治疗多种髋关节疾病的一种有效方式,多项研究发现术后假体的稳定性及多种并发症的发生均与关节周围生物力学因素有关,但髋关节复杂的解剖结构使得在体内和实验室对其进行生物力学研究非常困难。有限元分析对复杂物体的生物力学性能分析具有独特的优势,现已被成功应用于人体骨骼、关节和肌肉的相关研究,在骨科生物力学领域占有重要的地位。本文对近几年来有限元分析应用于全髋关节置换中的相关研究进行了较详细的总结,归纳了目前最新的研究进展及存在的问题,为以后的研究指明了方向。     

全髋关节置换术生物力学有限元分析的研究进展

有限元法(finite element method,FEM)是在工程科学技术领域广泛应用的解析方法,是解决复杂工程学问题的必备工具之一。对人体力学行为进行有限元数值模拟已成为深化对人体认识的一种有效手段,通过对实验条件的控制,更准确地模拟体内的力学情况,已显示出极大的优越性。应用FEM对全髋关节置换术(total hip arthroplasty,THA)生物力学机制进行精确深入的研究,可以有效地指导个体化假体的设计、置换及相关疗效分析。     

全髋关节置换前后股骨应力变化的有限元分析

目的:研究Chamley Elite骨水泥型和Summit近端多孔非骨水泥型股骨假体置换后股骨总体应力以及假体周围骨质区应力分布的变化。方法:根据Charnley Elite骨水泥柄和Summit非骨水泥柄假体形态建立三维有限元模型，并加载关节合力以及相关肌肉的肌力负荷，分析假体植入前后股骨总体应力模式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:两种假体植入后没有改变股骨总体的应力模式，应力峰值区域均位于全长股骨的中下段，但股骨应力峰值有所下降。股骨近端假体周围骨质等效应力水平出现了显著下降，下降最严重的区域为近段内侧象限即股骨距区，应力遮挡率分别达90．8％和95．3％；向假体远端应力水平逐渐增大，直至假体远段和末段水平应力值逐渐恢复并接近生理水平。就该两种不同固定方式的假体比较而言，引起的应力遮挡区域分布基本一致，应力下降程度Summit近端多孔非骨水泥型假体要高于Charnley Elite骨水泥型假体。结论:两种假体植入后均在股骨近端形成显著的应力遮挡，假体周围骨质应力大小和分布的改变是引起术后骨量丢失和假体松动的原因之一，也是术后股骨骨折发生的类型以术后肢体疼痛发生的力学基础。两种固定方式的假体均需通过进一步改进以减少应力遮挡。     

股骨生物力学特性的有限元分析

目的对股骨的生物力学特性进行研究以指导临床工作。方法根据股骨的螺旋CT片,采用计算机辅助技术建立股骨的三维有限元模型,通过分别对模型施加350、700、1400和2100N的垂直载荷及行走载荷,观察股骨的应力分布,并对结果做出分析。结果在各种载荷下,股骨颈和股骨干各有一个应力集中部位。股骨颈的应力集中部位在小转子上方、稍偏股骨颈后方处,应力值分别为6.3、12.6、25.1、37.7和20.8MPa;而股骨干以其内侧中下1/3交界处的应力最大,应力值分别为7.3、14.5、29.0、43.5和31.3MPa。结论股骨颈处的压力骨小梁和股骨距是主要的承重结构,内固定的放置应与压力骨小梁的方向一致,并紧贴股骨距;股骨干应力骨折好发于其中下1/3交界处,与此处应力集中有关。     

有限元分析在骨折生物力学研究中的应用

当前,骨折治疗理论要求寻找能真实反映在体骨力学特性的模型,以便提高生物力学实验结果的价值,指导临床工作中减少对骨折部位的应力干扰,达到促进骨折愈合的目的。传统的生物力学研究方法存在明显的缺点,其中包括：应用动物或人离体标本模型与人在体骨有较大差异;不能获得标本内部的应力变化;实验结果受标本个体差异、设备条件、实验者技术水平等因素的影响等。     

三维有限元分析在颈椎生物力学中的研究现状

有限元分析（finite element analysis,FEA）属于计算生物力学测试技术的范畴,Brekelmans et al（1972年）首次将该方法引入生物力学领域。有限元模型已由二维线性扩展为非线性模型,又由二维线性模型扩展至三维非线性模型,现今的研究成果使模型不仅能逼真地模拟     

Finite element analysis of different repair methods of Vancouver B1 periprosthetic fractures after total hip arthroplasty

ObjectiveTo use finite element analysis to study the stability of different fixation methods used to repair Vancouver type B1 periprosthetic fractures occurring after total hip arthroplasty (THA).MethodsAn artificial femur was used as the basis for the solid model; U2 series femoral stem (United Orthopedic Corporation, Hsinchu, Taiwan) was used for modelling of the prosthesis; and the modelling of the cable plate, wires and screws was based on information given in the manufacturer's catalogue (Zimmer, Warsaw, IN, USA). The analysis model was constructed using the ANSYS software, and all material settings were based on literature values. A six-orifice cable plate, unicortical screws (20 mm long and 4.5 mm in diameter) and bicortical screws (50 mm long and 4.5 mm in diameter) were constructed. Four analysis models were defined. The basic model had a plate and three cable wires above the fracture line and two bicortical screws below the fracture line. In the second model, two unicortical screws were added above the fracture line. In the third model, three wires were added below the fracture line. In the fourth model, both the proximal screws of the second model and the distal wires of the third model were added to the basic model. To ensure that the numerical values produced by analysis reached convergence, mesh convergence was tested.ResultsAdding two proximal unicortical screws to the basic Ogden construct (plate, proximal wires and distal screws) lessened displacement of the fracture and decreased the von Mises stress on the repair. Adding three distal wires to the basic construct had no noticeable effect.ConclusionBetter fixation power is achieved by using both proximal and distal screws (the locking-plate concept) in treating Vancouver type B1 periprosthetic fracture after THA.     

下颈椎全椎板切除后生物力学特性改变机制的有限元分析

目的:探讨下颈椎全椎板切除后生物力学特性改变的机制。方法:采集1例成年健康男性志愿者下颈椎(C3～C7)的CT数据集,应用Mimics 10.01、Geomagic studio 10.0、HyperMesh 10.0、Abaqus 6.9.1等软件建立下颈椎(C3～C7)完整有限元模型、完整保留双侧关节突关节三节段(C4～C6)全椎板切除后有限元模型。模拟施加74N头颅预载荷和1.8Nm运动附加力矩,使模型产生前屈、后伸、侧屈和旋转运动,测试颈椎全椎板切除前后的运动范围和关节囊韧带、后纵韧带在各种加载方式下的拉力。结果:C4～C6全椎板切除后即刻颈椎屈伸、侧弯和旋转的运动范围与完整状态下比较均没有增加,但C4～C6节段之间的关节囊韧带和后纵韧带在各种加载方式下受到的拉力均增大。结论:完整保留双侧关节突关节的全椎板切除术不会对下颈椎即时稳定性造成影响,但关节囊韧带和后纵韧带承受着超正常生理负荷。     

性别相关髋关节生物力学差异对全髋关节置换术疗效的影响

目的 探究性别相关的髋关节生物力学差异对全髋关节置换术(THA)疗效的影响.方法 回顾性分析2018年1月至2018年12月解放军总医院骨科收治且由同一主刀医生完成THA手术的单侧股骨头坏死患者共76例,其中男43例,女33例,平均年龄51.24(22～80)岁.收集患者一般人口学资料,测量THA手术前后患侧和健侧的髋...     

成人退变性脊柱侧凸后路三维矫形生物力学的有限元分析

目的通过有限元方法模拟成人退变性脊柱侧凸后路三维矫形手术,比较不同置钉方案的矫形效果,探讨手术策略的选择。方法通过CT图像建立1例退变性脊柱侧凸三维有限元模型,利用后路CD矫形模拟技术,分别设置不同的置钉方案,对比不同矫形操作中椎体成角及位移,比较术后矫形效果。结果 4种矫形方案的Cobb角以及腰椎前凸角无明显差别。融合至T10与融合至L1的矫形方案相比,顶椎区去旋转作用以及向中线纠正的能力更强。去旋转矫形过程中顶椎区的螺钉应力较高,尤其在长节段矫形方案。结论对于Cobb角较小、脊柱平衡性以及柔韧性较好的成人退变性脊柱侧凸,短节段融合也能取得满意的效果。