三維有限元分析在成人髖臼發(fā)育不良和全髖置換研究中的應用.pdf

1、本研究分為三部分： 第一部分、成人髖臼發(fā)育不良三維有限元模型構(gòu)建及其力學分析 目的：研究正常成人髖關(guān)節(jié)和髖臼發(fā)育不良成人髖關(guān)節(jié)三維有限元模型的構(gòu)建，并通過有限元分析探討其關(guān)節(jié)應力分布的變化。 方法：根據(jù)成人正常髖關(guān)節(jié)和不同類型髖臼發(fā)育不良髖關(guān)節(jié)薄層CT掃描數(shù)據(jù)，運用Mimics10．0軟件進行三維重建，利用有限元分析軟件ANSYS10．0構(gòu)建成人正常髖關(guān)節(jié)和不同類型髖臼發(fā)育不良髖關(guān)節(jié)三維有限元模型。模擬并加載關(guān)節(jié)

2、負荷，分析計算緩慢行走單足著地狀態(tài)下關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨的Von Mises應力分布及傳遞。 結(jié)果：所構(gòu)建髖關(guān)節(jié)三維有限元模型能逼真反映成人正常髖關(guān)節(jié)和不同類型髖臼發(fā)育不良患者髖關(guān)節(jié)的真實幾何形態(tài)及其生物力學特點。在正常髖關(guān)節(jié)、發(fā)育不良型、低位脫位型髖關(guān)節(jié)中，接觸應力均發(fā)生在股骨頭軟骨最上部及與其相對應的髖臼軟骨頂穹部。在髖臼發(fā)育不良型和低位脫位型髖關(guān)節(jié)中，在髖臼軟骨的后上緣區(qū)域存在較高的接觸應力區(qū)。在正常髖關(guān)節(jié)中，股骨頭軟骨的上

3、方負重區(qū)及髖臼軟骨的頂穹部峰值Von Mises應力分別為2．02MPa和2．37MPa。在發(fā)育不良型髖關(guān)節(jié)中，股骨頭軟骨及髖臼軟骨峰值Von Mises應力分別為4．23MPa和5．43MPa；在低位脫位型髖關(guān)節(jié)中，股骨頭軟骨及髖臼軟骨峰值Von Mises應力分別為8．45MPa和10．32MPa。高位脫位型髖關(guān)節(jié)中，股骨頭軟骨峰值Von Mises應力為8．67MPa，而由于真臼軟骨失去股骨頭的接觸，故峰值Von Mises應力則

4、反而下降為0．59MPa。在正常髖關(guān)節(jié)、發(fā)育不良型、低位脫位型髖關(guān)節(jié)中髖臼軟骨下骨的應力分布與關(guān)節(jié)表面的接觸應力分布相似。即應力主要集中在髖臼軟骨下骨的頂穹部，并以放射狀分布向周邊逐漸減弱。4種髖關(guān)節(jié)模型股骨側(cè)應力傳遞是從股骨頭經(jīng)股骨頸到近段股骨的內(nèi)上側(cè)，股骨頸內(nèi)側(cè)小轉(zhuǎn)子上方股骨距區(qū)存在較高的壓應力分布區(qū)。正常髖關(guān)節(jié)、發(fā)育不良型、低位脫位型髖關(guān)節(jié)中，股骨頭軟骨下骨應力集中區(qū)均發(fā)生在股骨頭最上四分之一象限，接近于矢狀軸的尖部：高位脫位型髖

5、關(guān)節(jié)中，股骨頭軟骨下骨應力集中區(qū)則位于膠骨頭前內(nèi)四分之一象限。在正常髖關(guān)節(jié)中，股骨頭和髖臼軟骨下骨峰值Von Mises應力分別為8．65MPa和2．52MPa；在發(fā)育不良型髖關(guān)節(jié)中，股骨頭和髖臼軟骨下骨峰值Von Mises應力分別為8．92MPa和2．73MPa；在低位脫位型髖關(guān)節(jié)中，股骨頭和髖臼軟骨下骨峰值Von Mises應力分別為10．65MPa和4．02MPa；高位脫位型髖關(guān)節(jié)中，股骨頭軟骨下骨和假臼峰值Von Mises應

6、力分別為8．17MPa和8．59 MPa。 結(jié)論：通過薄層CT數(shù)據(jù)構(gòu)建的成人正常髖關(guān)節(jié)和不同類型髖臼發(fā)育不良髖關(guān)節(jié)三維有限元模型具有較高的仿真度，該模型能夠模擬分析髖關(guān)節(jié)應力分布，為研究成人髖臼發(fā)育不良的生物力學行為和進行相關(guān)力學基礎研究提供了精確模型。 第二部分、髖中心內(nèi)移全髖置換的三維有限元分析 目的：建立以不同髖中心內(nèi)移全髖置換術(shù)后三維有限元模型，分析研究髖中心內(nèi)移對假體Von Mises應力分布的影響，為

7、臨床應用髖中心內(nèi)移技術(shù)提供理論依據(jù)。 方法：根據(jù)正常成人薄層CT掃描數(shù)據(jù)重建髖臼模型，按假體的各項參數(shù)建立髖臼假體模型，運用布爾運算模擬臨床手術(shù)要求進行打磨髖臼，植入假體。建立不同髖中心植入髖臼假體的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后三維有限元模型，模擬并加載關(guān)節(jié)負荷，分析研究聚乙烯內(nèi)襯和股骨假體頭頸結(jié)合部的Von Mises應力分布。 結(jié)果：在緩慢行走單足著地狀態(tài)載荷下，髖臼中心內(nèi)移影響聚乙烯內(nèi)襯和假體頭頸結(jié)合部的應力分布，在聚乙烯應力

8、主要集中在內(nèi)襯的內(nèi)面，而背面無明顯應力集中。正常髖臼中心放置時，聚乙烯內(nèi)襯峰值Von Mises應力為4．24MPa，假體頭頸結(jié)合部峰值Von Mises應力為17．02MPa；當髖中心內(nèi)移后假體內(nèi)壁距離Kohler線3mm時，聚乙烯內(nèi)襯峰值Von Mises應力為4．35MPa，假體頭頸結(jié)合部峰值Von Mises應力為17．78 MPa，分別較正常髖中心時增大2．59%和4．47%；髖中心內(nèi)移后假體內(nèi)壁接觸Kohler線時，聚乙烯內(nèi)

9、襯峰值Von Mises應力為4．70MPa，假體頭頸結(jié)合部峰值Von Mises應力為18．93MPa，分別較正常髖中心時增大10．85%和11．22%；髖中心內(nèi)移后假體內(nèi)壁超過Kohler線3mm時，聚乙烯內(nèi)襯峰值Von Mises應力為4．97MPa，假體頭頸結(jié)合部峰值Von Mises應力為20．50MPa，分別較正常髖中心時增大17．22%和20．45%；髖中心內(nèi)移后假體內(nèi)壁超過Kohler線6mm時，聚乙烯內(nèi)襯峰值Von M

10、ises應力為5．67MPa，假體頭頸結(jié)合部峰值Von Mises應力為25．36 MPa，分別較正常髖中心時增大33．73%和49．00%。 結(jié)論：聚己烯內(nèi)襯和假體頭頸結(jié)合部峰值Von Mises應力隨髖中心內(nèi)移距離的增加而增大，當假體內(nèi)壁超過Kohler線后，峰值Von Mises應力明顯增大。 第三部分、不同前傾角股骨假體植入的三維有限元分析 目的：建立以不同前傾角植入股骨假體的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后三維有限元模

11、型，分析研究不同前傾角植入股骨假體后，股骨和假體應力分布以及假體初始微動，為臨床提供理論依據(jù)。 方法：根據(jù)正常成人薄層CT掃描數(shù)據(jù)重建股骨模型，按股骨假體的各項參數(shù)建立股骨假體模型，模擬臨床手術(shù)要求進行截骨，以0°15°和30°前傾角植入股骨假體，建立全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后股骨側(cè)三維有限元模型，模擬并加載關(guān)節(jié)負荷，分析不同前傾角假體植入后股骨及假體Von Mises應力分布，假體界面主應力、剪切力分布和假體初始微動的改變。 結(jié)

12、果：（1）假體植入后，股骨所承受的負荷主要通過假體傳向股骨遠段，股骨近段大粗隆區(qū)域和股骨距區(qū)域應力減少，在假體柄端區(qū)的骨質(zhì)表現(xiàn)出高應力，股骨干中遠段出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。股骨假體以0°和30°前傾角植入較15°前傾角植入，股骨近段所承受的負荷減小，而在假體柄端遠側(cè)區(qū)域出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象明顯。15°前傾角植入時高應力的位置為股骨的內(nèi)外側(cè)，而0°和30°前傾角植入時高應力的位置逐漸向前后側(cè)轉(zhuǎn)移，改變了正常股骨在承受假體載荷后所表現(xiàn)的內(nèi)側(cè)的壓應變和

13、外側(cè)的張應變的受力模式。（2）股骨假體以0°和30°前傾角植入較15°前傾角植入，股骨假體各部分的Von Mises應力增大，在假體頸部出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象嚴重。不同前傾角股骨假體植入后，股骨假體界面應力發(fā)生變化，0°和30°前傾角植入時股骨假體界面主應力和剪切力分別比15°前傾角植入時增大。（3）在股骨近段，假體周圍的骨質(zhì)應力維持于低水平，而假體承受了絕大部分的應力，形成了應力遮擋。股骨假體以0°和30°前傾角植入時，在截骨平面的股骨大粗

14、隆和股骨距區(qū)域承受的載荷較15°前傾角植入時承受的載荷減?。涸诮毓瞧矫娴募袤w承受的載荷較15°前傾角植入時假體承受的載荷增加。在股骨外側(cè)大粗隆區(qū)域和股骨距區(qū)域應力減少，產(chǎn)生嚴重的應力遮擋，以15°前傾角植入時應力遮擋最小。（4）股骨假體以0°和30°前傾角植入時，股骨假體各部分的初始微動較15°前傾角植入時增大。 結(jié)論：全髖置換術(shù)后股骨近段產(chǎn)生應力遮擋，在假體柄端遠側(cè)區(qū)域出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。股骨假體以15°前傾角植入假體將獲得最佳