植入假体后的股骨分析

第!"卷!第#期 应 用 力 学 学 报 $%&’!"!(%’# !))*年"月 !"#$%&%’()*$+,(-+..,#%/0%!"+$#!& +,-’!))* 文章编号!#)))./0"0"!))*#)#.)/#.)" 植入假体后的股骨建模及有限元分析" 王!健#!!!邱!阳#!彭!磊" "西安交通大学!西安!@#))/0##!"北京强度环境研究所!北京!#)))@*#!!"中国人民解放军第四军医大学!西安!@#))))#" 摘要!目的"本研究建立股骨端髋关节置换有限元模型!并进行了静力学模拟计算!为寻求假体的个 体化和假体加长#加粗等起到指导作用$方法"运用逆向工程与有限元的基本概念和理论!采 用?(2c2$*>#对股骨进行静应力的计算$结果"通过完全适应髓腔假体和股骨的共同受力分 析!发现股骨受力的主要部位在股骨距$结论"该模型符合国人的股骨上端生物力学特性!是一个 较好的髋关节置换有限元模型!为进一步模拟翻修关节的临床实际奠定基础$ 关键词!逆向工程%三维有限元分析%应力分析%股骨%Q<片 中图分类号!<‘#!!!!文献码!!? #!引!言 随着全髋关节置换术的普及$需要髋关节翻修 手术的患者的绝对数量逐年增加$主要原因包括!植 入的假体存在远期松动%骨吸收%骨缺损等并发症& 引起松动的主要原因$一般认为是磨损碎屑和应力 遮挡所造成的骨质吸收’#(&髋关节在人体所有关节 中具有非常重要的运动及承载作用$所以$人工股骨 头翻修假体的设计及其优化具有很重要的意义& 对髋关节进行有限元分析的工作$前人已做了 一些$多是就股骨特性的某一方面分析&就临床应 用尤其假体设计而言$应趋向于个体化$并且更多的 考虑关节翻修中遇到的实际难题&本文对中国成年 人股骨的建模和静态有限元分析$并希望此项研究 为寻求假体的个体化和假体加长%加粗等设计及其 翻修中骨缺损起到指导作用$为临床治疗与实验研 究提供理论依据和参考& !!模型的建立与分析 模型的建立 选用成人股骨$将股骨沿长轴方向做横断面的 Q<扫描")>AII)6&EH5#如图#所示 图#!股骨横断面Q<扫描 运用相关软件提取轮 廓如图!所示!把所有图 形中的轮廓转化成 ?2Q 文件格式生成点云$运用 逆向工程中的基本概念在 N)中完成自由曲面的 构建& 由 于 Q< 片 是 每 图!!提取轮廓后的股骨断面 )>AII扫描一张$所以数 据非常庞大$我们选取股 骨的一部分进行研究$在 大转子附近层距1II 取 一张图$在骨干部分$因为 曲率变化较小层距!)II 取一张图& 曲面 构 建 完 毕 后$导 入 aP"a9E:-,FBEH6 $#A>)#中建立体元素$如图"所示& " 基金项目!国家自然科学基金重大项目"(%’!)!00)")#!来稿日期!!))/.)1.!)!修回日期!!))1.)".)" 第一作者简介!王健$男$#0@0年生$西安交通大学建力学院硕士$现在北京强度环境研究所工作> 图"!运用aP构建体 "!模型的静力有限元计算 978!有限元网格的划分 运用 ?(2c2$*>#进行网格划分!鉴于股骨 不规则的几何形状"我们将股骨干骨标本沿轴线方 向依次用垂直于轴线的平面进行分割!在股骨的上 端"形状变化幅度较大"采用密分割"在股骨形状变 化幅度较小的骨干段"划分较疏!计算采用"W实 体单元"共/@@"个节点"!)0@1个单元! 976!材料参数的选取 为了简化我们只考虑皮质骨和假体两部分"在 准静态载荷下无论是皮质骨还是假体"尽管他们是 各向异性和非均质的"却都可以近似假设为线性各 向同性材料#!$! 979!载荷及边界条件处理!9" 图/!股骨上端受力图 运用线弹性力学方法 求解!首先进行载荷简 化"股骨实际受力情况比 较复杂"国内外有不少研 究报道!我们选用比较接 近实际的模型"其力学分 析见图/中的左图! 97:!结果与分析 本 文 利 用 ?(2c2 $*>#计算了髋关节受@ 种不同作用力 7时应力! 7e #1‘R"@>/‘R"@>)‘R"1>)‘R"">/‘R" !>1‘R"!>!‘R%‘R?*))牛顿&!图1是 7e @>)‘R 时的应力云图"由此图可以看出"股骨的受 力主要集中在小转子和大转子之间的股骨距分布区 域"说明股骨在此处所受到压应力明显大于其他部 位"当作用力7变化时"最大应力随之改变"如图* 所示!这与文献#/$所报道的结果相似! 在临床的假体翻修中经常利用假体的加粗来解 决假体松动的问题!但是当髓腔扩大到一定程度 后"股骨不再能承受足够的应力而使手术失败!当 假体半径扩大到#>!倍和#>1倍"作用力为@‘R 时 应力的大小分别为/@>0@+N,和1*>/"+N,!由有 限元计算看出当半径扩大#>!倍时"股骨最大等效 应力已经接近作用力为#!‘R 时的应力值"而当半 径扩大#>1倍时"最大等效应力已经接近作用力为 #1‘R 时的应力值"且已超过皮质骨的极限强度#1$! 所以在假体的翻修中不宜轻易采用加粗假体的办法 而应该通过添加骨水泥等办法加强股骨的强度! 当假体加长时候对股骨应力影响!计算加长 1HI的应力改变!作用力仍为@‘R!由计算可以 看出最大等效应力数值没有明显改变"这说明应力 主要通过假体上端作用在小转子及股骨距区域"而 作用在股骨干较小! 图1!受力为@>)‘R时的应力云图 图*!股骨距部位不同载荷%‘R&条件下的最大应力值%+N,& /!结!论 通过计算分析得出以下结论! #&!股骨的受力主要集中在小转子和大转子之间的 股骨距分布区域!而且随着7力的增加应力明显 !/ 应 用 力 学 学 报 第 !" 卷 增大!图*"#这与文献$/%所报道的结果相似# !"!当假体半径扩大到#>!倍&股骨最大应力已经 接近极限应力值#而当半径扩大#>1倍时&最大应 力已经超过了极限应力#所以在假体的翻修中扩髓 的范围宜尽量小于髓腔的直径的!)g&超过!)g将 大大增加了股骨骨折的可能性# ""假体加长对于股骨的应力改变较小# 参!考!文!献 $#%!郭艾&罗先正等&人工髋关节置换的回顾和进展$V%>中华骨科 杂志�/&1!#/"’"#/’ $!%!;5-95-V&L8E64567&T,9Y593B5PL&53,&’Q%--5&,3E%9D5. 3X559F-5.%F5-,3ET5F5-EF-%63B53EHD%95J596E3G,9JF%63.%F5-. ,3ET5D%95&%66E9