人工膝关节模拟试验设计研究进展

人工膝关节模拟试验是对假体材料和假体设计进行研究和评价的重要形式。天然膝关节运动和载荷情况复杂,无法用常规仪器进行测试,因此需要针对各参数进行专门的人工膝关节模拟试验。目前常用简化方式和完全模拟两种方式,完全模拟方式可以对材料和设计同时进行研究,简化方式则只能对假体材料进行研究。国际标准中已有基于膝关节的运动受力和位移两种方案可供选择。本文还详细论述了人工膝关节模拟试验的评价标准和检测手段,最后对人工膝关节模拟试验今后的研究进行了展望。     

膝关节假体置换发展及数字化成型技术的应用

背景：随着膝关节假体材料及生物力学研究的不断深入,假体设计不断更新。如何提高假体置入的几何精度,重建生物学意义上的膝关节,一直是临床关注的核心问题。 目的：总结不同膝关节假体的临床应用概况,探索膝关节三维重建个体化方案,为人工膝关节假体的设计及置换提供良好的生物力学基础。 方法：电子检索CNKI数据库、万方数据库中收录的膝关节假体设计,人工膝关节置换及数字化成型技术在人工膝关节设计中应用的相关综述、实验研究及临床论著,排除陈旧文献及置换方式保守治疗患者资料。 结果与结论：共纳入相关文献27篇。随着人们对膝关节生物力学和解剖的进一步理解,患者对人工膝关节的功能有进一步的要求,数字化重建技术为膝关节几何测量及置换的精准度提供新的思路和技术方法,为胫骨假体形态设计提供解剖数据,提高假体和截面适配度及关节稳定性,减少假体松动等并发症的发生,延长假体使用寿命。基于影像数据进行膝关节三维重建方案可行,效果肯定,可清晰、直观、多角度的观察膝关节的形态特点,既可作为骨关节局部解剖的教学方法又为临床应用提供可靠数据。     

基于计算机CAD/CAE的个体化人工膝关节假体的设计

目的探索一条利用CAD／CAE技术进行个体化人工膝关节假体设计的可行途径，内容涉及从患膝CT数据读取、三维重建，到假体设计，直至虚拟于术和假体应力状态评价整个流程，从而为个体化膝关节的设计以及手术策划提供一定的指导意义。方法①识别并读取患者病变膝关节CT数据；②运用逆向技术进行膝关节三维重建；③借助计算机辅助设计（CAD）技术进行个体化膝关节假体的设计；④利用计算机虚拟装配技术进行膝关节假体虚拟手术安装、系统运动功能评价；⑤对假体应力状态进行CAE分析。结果基于患者膝关节解剖形态的研究，运用CAD／CAE技术，立足于膝关节假体生物力学性、功能性、稳定性、可靠性及耐用性的设计原则，完成了个体化膝关节假体的设计输出；探索了利用CAD／CAE技术进行个体化人工膝关节假体设计巾从数据读取到产品验证的整个流程。结论CAD评估及虚拟手术证明该设计结构是可行的；CAE计算机辅助分析证明假体的几何尺寸是合理的；该设计流程是切实可行的，它不仅对产品设计甚至对于术的策划具有较强的指导意义。     

基于逆向工程的三维仿生膝关节建模(英文)

背景:膝关节置换后,要求患肢达到负重,伸屈及旋转活动,稳定性好。这就要求假体的几何形状要与人体相匹配并使其植入后与人体运动规律相一致,才能使假体与周围保留的软组织协调运动,这一切都得依赖于精确的膝关节假体设计与制造。目的:利用计算机辅助技术设计个性化人工膝关节。方法:利用三维镭射扫描和计算机辅助设计技术对人体膝关节进行扫描并对所输出的点云数据进行处理,利用工程软件Geomagic和UG进行膝关节三维实体模型重建。结果与结论:得到了非常精确的膝关节三维模型。为中国人工仿生膝关节的数字化制造,虚拟装配,应力分析,运动分析及模拟手术提供了精确的模型基础。     

一种新型膝关节假体在步态过程中接触应力的有限元仿真

目的对一种使用新方法设计的新型人工膝关节假体进行有限元模拟分析,研究改变关节假体外髁关节面的扭转角度对改善人工膝关节假体力学环境的影响。方法依据志愿者提供的膝关节CT测量数据,建立3个膝关节假体模型,内侧股骨髁在冠状面保持圆曲线,外侧股骨髁根据冠状面轮廓曲线的扭转角度不同,分为0°、10°、20°(分别命名为模型1、2、3)。将假体模型导入有限元软件,输入自然人体膝关节的运动步态信息为加载工况,模拟步态过程中膝关节假体的运动状态,并将通过模拟得到的髁间应力同使用接触力学理论公式得到的应力计算结果进行对比。结果 3组模型的最大应力出现在步态13%处,此时关节轴向力最大(2.6 kN)。模型1内、外髁最大应力分别为35.5、30.6 MPa,模型2内、外髁最大应力分别为38.4、32.6 MPa,模型3内、外髁最大应力分别为38.3、43.1 MPa。模型2、3的应力曲线相比模型1变化较为平缓。模拟得到的应力曲线与理论计算曲线的趋势相同,但个别步态时刻处有差异。结论通过增大人工膝关节假体外髁曲面的扭转角度可以改善膝关节力学环境,经过改进的膝关节假体在步态过程中对胫骨衬垫的应力突变减少,可以延长假体的使用寿命。     

高屈曲后稳定型旋转平台人工膝关节假体全膝关节置换

背景：传统的人工膝关节假体已成功在临床应用。有报道高屈曲后稳定型固定平台人工膝关节假体置换后有较高的高分子聚乙烯垫磨损,而高屈曲后稳定型旋转平台人工膝关节假体的设计能更好地解决这一问题。 目的：回顾性分析高屈曲后稳定型旋转平台PFC sigma RPF人工膝关节假体全膝关节置换后的近期效果。 方法：78例(113膝)行高屈曲后稳定型旋转平台PFC sigma RPF人工膝关节假体置换,采用骨水泥固定假体,髌骨不进行置换。随访3年,分别比较置换前、置换后膝关节活动度及特种外科医院膝关节功能评分。 结果与结论：随访3年,膝关节活动度从置换前平均110.7°改善到置换后平均124°,特种外科医院膝关节功能评分从置换前平均54.2分改善到置换后平均95.4分,优良率达93.58%,各种并发症发生率低。提示高屈曲后稳定型旋转平台PFC sigma RPF人工膝关节假体的近期置换效果满意,置换后的持续疼痛是患者不满意的主要因素,长期效果还需进一步观察。     

人工膝关节假体参数化设计影响因素与现状分析

背景：人工膝关节假体参数化设计是降低假体损耗、提高假体生存率的有效办法,但目前尚缺少对于人工膝关节假体参数化研究的综述性分析。目的：总结全膝关节置换假体的失效形式,综述膝关节假体参数化设计的研究进展并提出建议。方法：以“TKA,Knee prosthesis,Tibial liner,Parametric design,Prosthesis replacement,Prosthesis loosening,Failure mode,Durability,Kinematics”为英文检索词,以“全膝关节置换、膝关节假体、胫骨衬垫、参数化设计、无菌松动、失效形式、运动学、接触力学”为中文检索词,检索Pub Med、Embase、中国知网、万方和维普数据库中的相关文献,最终纳入64篇文献,从人工膝关节假体失效形式、膝关节假体参数化设计发展历程、完善膝关节假体参数化设计3方面对膝关节假体的研究进行综述分析。结果与结论：（1）无菌性松动、假体感染、假体失稳以及胫骨衬垫磨损是膝关节假体的主要失效形式。假体植入人体后需保留数年,假体损坏、骨质流失、原有膝关节平衡的破坏等都会对病情恢复与人体健康产生不...     

兔用金属对金属表面人工膝关节假体置入的可行性

背景：目前抗磨损方面的研究主要集中在关节摩擦副的改进和选择,其中金属对金属摩擦副是重要的革新与探索方向之一。 目的：观察兔用金属对金属表面人工膝关节假体置入动物体内的可行性及置入后12个月的使用情况,并探讨其生物力学性能。 方法：自行设计完成兔膝关节假体,人工股骨和人工胫骨假体表面均为不锈钢材料,使其摩擦表面配对成为金属对金属。10 只成年新西兰大白兔随机分成两组,每组5只,实验组和对照组分别行左侧人工膝关节置换,髌骨不置换,分别置入生物型网孔假体和骨水泥固定的非网孔假体。 结果与结论：置换后12个月,实验组标本大体观察可见大量骨质重建现象;两组膝关节功能差异无显著性意义;X射线检测示两组均固定良好,无脱位及松动发生;生物力学测试假体骨界面最大剪切强度实验组明显高于对照组(P < 0.05);扫描电镜观察实验组假体固定界面可见新骨形成,对照组假体与骨固定界面无新骨形成。提示金属对金属表面人工膝关节,无论是骨水泥假体还是生物型假体,均适合于在动物体内使用,置换后12个月动物实验观察见生物型假体及骨水泥假体在动物体内生存良好,多层网孔表面兔用生物型人工膝关节假体置入动物体内的固定强度要优于骨水泥假体。     

胫骨假体放置位置与人工膝关节置换后的稳定性

背景：目前关于在全膝置换中针对选择何种参照方法和技术来确定胫骨假体放置位置或参数尚报道较少。 目的：分析人工膝关节置换过程中胫骨假体放置的位置对其置换后稳定性及相容性的的影响。 方法：通过检索选择文章内容与人工膝关节置换过程中胫骨假体或角度相关的文章,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。 结果和结论：初检得到132篇文献,根据纳入标准选择关于胫骨假体放置的27篇文章进行综合分析。由于胫骨上端几何结构的个体差异以及手术操作等原因,假体与胫骨上端切面有时不能良好匹配。全膝关节置换中,胫骨假体各面的角度、对线、对位对置换后膝关节的稳定性、屈伸功能和假体使用寿命均有重要影响;胫骨假体的放置直接关系到人工膝关节置换后假体的松动、下沉及术后关节感等。因此选用适合患者型号的假体,使假体与胫骨上端切面能良好匹配的同时,还要提高假体植入技巧,以增强假体的稳定性。     

一种组合式个性化人工膝关节假体数字化设计方法

目的 提出一种组合式个性化人工膝关节假体结构,解决膝关节股骨肿瘤保肢手术由于截骨位置差异性较大,很难采用标准型人工膝关节假体满足个性化需求的问题。方法 首先将患部关节区域CT数据进行三维重建,并利用MRI增强扫描技术建立肿瘤的三维模型,再通过肿瘤模型与患部关节模型进行位置匹配,在三维模型上确定手术截骨位置,根据截骨尺寸设计个性化的股骨柄与标准股骨髁假体进行有效组合,形成一种组合式个性化人工膝关节假体。结果 根据本文设计方法的结果加工成型,骨科临床医生分析膝关节假体结构与人体膝关节生理结构相符,达到个性化假体设计要求,能够重建患者膝关节功能。结论 这种膝关节假体结构有利于降低个性化膝关节假体设计加工成本,缩短设计加工周期,有望提高患者生命质量。     

Reverse engineering in CAD model reconstruction of customized artificial joint

In order to meet the requirements of customized artificial joint design, and to reduce the production cycle and cost, we present a method to generate the complex surface of an artificial knee joint by co-ordinate measuring machine (CMM) from the normative prosthesis, and form the model data base. First, this paper describes how to plan the measure method to get the better data points and how to deal with the point cloud data. Then, the free-form surfaces are constructed from the point cloud data using the reverse engineering software-Surfacer. Lastly, the solid CAD model of the artificial knee joint is created from the surfaces by extension, intersection and so on. These models formed the data base of the prosthesis, in which we can select a suitable kind of artificial knee joint model to customize for the patient. That is, we only need to change the local data of the corresponding CAD model to meet the different requirements of the patient.     

一种基于表面肌电信号映射人体下肢运动意图的方法

智能膝关节假肢是截肢患者恢复日常运动的重要辅具。对人体下肢运动意图的识别是实现下肢假肢控制的关键。该文针对此问题,提出了一种通过表面肌电信号预测膝关节角度的方法。对表面肌电提取时域特征,通过 BP 神经网络模型建立平地行走过程中表面肌电信号和膝关节角度的映射关系,预测膝关节角度。     

膝关节形态学测量在人工膝关节置换领域的价值及意义

背景：对人工膝关节假体形态尺寸进行观察及测量,并对相关测量统计数据进行人工膝关节形态设计,有利于促进膝关节假体植入后的稳定性和组织相容性。 目的：结合文献探讨形态学测量在临床上膝关节置换中的重要性。 方法：以 “膝关节;假体;测量;设计;置换”为中文关键词,以“artificial knee joint; prosthesis;measure;design;replacement” 为英文关键词。采用计算机检索1998-01/2011-12有关人工膝关节假体设计、测量及膝关节假体植入后相容性的文章。 结果与结论：膝关节的形态学测量即膝关节的三维有限元模型、相关参数及角度、生物力学研究与膝关节假体选择及设计有着重要相关性。膝关节的形态测量有二维和三维测量,以三维测量法精确。膝关节线性尺寸之间、身高与线性尺寸之间均有很好的相关性,所测量的数据在临床上均有应用意义。典型的膝关节三维解剖模型,能为膝关节参数的测量提供一种可靠的方法,提高手术的成功。     

基于有限状态机控制的智能假肢踝关节

背景：目前智能假肢只是考虑了膝关节的作用,假肢踝关节只是作为假肢膝关节的辅助工具,无法根据外部环境和步态的变化实现假肢自然的行走。 目的：研制出可靠的智能假肢踝关节,有效改善截肢者的步态。 方法：在阻尼可变式踝足假肢的基础上,提出了有限状态机的控制方法,对踝足步态进行了详细的划分,在每个步态内制定了相关的控制策略。 结果与结论：实验结果表明,基于有限状态机控制的智能假肢踝关节能够有效的跟随健肢侧运动,能够适应不同的步速,为以后膝踝协调运动奠定了一定的实验基础。     

膝关节置换时股骨髓内定位对假体排列的影响

BACKGROUND: The femoral intramedullary guides in total knee arthroplasty require high precision, complex operation, it is very important for prosthesis and joint function to choose more precise positioning method and determine the correct needle point. OBJECTIVE: To study the effect of needle point position on prosthesis arrangement when applying different femoral intramedullary guides methods in total knee arthroplasty. METHODS: Totally 80 patients who received the treatment of total knee arthroplasty in Changshu No.1 People’s Hospital from January 2012 to July 2015 were selected and divided into test and control groups according to random number table (n=40/group). The patients in the test group accepted CT scan for femoral   intramedullary guides. The theoretical position of femoral intramedullary guides entry point was marked using radiographic parameters. In the control group, the traditional total knee arthroplasty technology was used to mark the entry point of femoral intramedullary guides. The needle point position when applying different femoral intramedullary guide methods was observed. The effect of femoral intramedullary guides on prosthesis arrangement in total knee arthroplasty was discussed. RESULTS AND CONCLUSION: Compared with the control group, the distance from entry point to femoral anatomic line on positive and lateral X-ray film in the test group was shorter, femoral prosthesis lateral angle and physiological valgus angle were closer to the theoretical value, distance from intersection of femur axis and femoral condyle to block center was shorter; the differences were statistically significant (P < 0.05). These results demonstrate that compared with the traditional two-dimensional intramedullary positioning, the needle point position of three-dimensional CT scan stimulative positioning is more accurate. The location more concentrates on within intercondylar fossa 2-5 mm, more front of intercondylar fossa 3-10 mm, three-dimensional CT scan stimulative positioning is a reliable choice for femoral intramedullary guides.      

膝关节单髁置换界面应力失效分析

目的 分析骨水泥型胫骨假体平台界面应力,确定界面应力损伤区域,为临床单髁置换胫骨平台的应力失效问题提供参考。方法 通过人体动力学软件模拟完整周期的步态,获得膝关节的承力条件;利用医学影像及三维重建软件建立完整的膝关节模型并进行单髁置换;通过有限元法分析单髁置换后胫骨假体平台界面应力的分布规律。结果 步态下膝关节的力和角度随时间呈周期性变化,1.3 s为1个周期,膝关节合力峰值为760 N;界面最大剪切应力为11.82 MPa、最大拉应力6.849 MPa,均发生在假体-骨水泥界面的内侧前端拐角处;对于界面的最大应力,钛合金假体低于不锈钢假体。结论 假体的弹性模量减小可以降低界面最大主应力,从界面应力考虑,钛合金假体优于不锈钢假体;胫骨假体平台界面损伤区域主要在内侧前、后端拐角和外侧中端处,故提高该区域假体-骨水泥结合能力能防止单髁膝关节胫骨假体平台松动。研究结果对临床中单髁术后胫骨假体平台松动预防具有实际意义。     

膝关节假体周围胫骨骨折研究进展

全膝关节置换术后,由于胫骨周围软组织的特殊性和假体松动,膝关节假体周围骨折已成为一个具有挑战性的难题。因此,合理治疗膝关节假体周围骨折对于恢复膝关节功能至关重要。这种骨折的合理处理要求术前仔细参阅影像学资料和了解完整的临床病史,同时需排除假体周围感染。膝关节假体周围胫骨骨折最常见的类型是胫骨平台周围骨折。对于稳定的膝关节假体周围胫骨骨折可保守治疗,但需定期复查。不稳定的膝关节假体周围胫骨骨折应立即手术治疗,但具体手术方式应视骨折分型而定。本文就膝关节假体周围胫骨骨折近年的研究进展作一综述,旨在为膝关节假体周围胫骨骨折的临床治疗提供参考。     

定制化单侧膝关节假体设计与快速制造方法研究

目前人工假体的制造还难以达到个体适配化，尤其是带有关节面的半关节，能否与对侧正常关节软骨完全匹配是决定手术治疗成败的关键。本文以临床影像学资料为数据源，应用逆向工程和快速原型技术相结合制作出与人体膝关节面形状完全相匹配的人工假体原型，而后利用传统的制作工艺完成假体关节面及其连接结构的最终成型。结合异体骨移植术，将该项研究结果成功地用于股骨下段肿瘤患者，临床资料显示该假体能够与患者对侧关节面良好匹配，患者关节功能恢复较理想。该方法可实现替换关节面和对侧面的匹配，而且假体制造的周期短、成本低，可实现个体定制化，为探索半关节置换及临床提供了制造方面的技术保障。