單髁膝關(guān)節(jié)置換有限元分析.pdf

1、本文主要從以下幾方面進(jìn)行闡述：
　　第一部分 正常膝關(guān)節(jié)和中立位單髁膝關(guān)節(jié)置換三維有限元模型的建立
　　目的:國(guó)內(nèi)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病率逐年增高，單髁膝關(guān)節(jié)置換術(shù)在治療前內(nèi)側(cè)膝骨關(guān)節(jié)炎方面體現(xiàn)出很多優(yōu)勢(shì)，但國(guó)內(nèi)有關(guān)其生物力學(xué)研究尤其是有限元研究較少。本研究旨在建立正常膝關(guān)節(jié)和假體放置中立位的活動(dòng)平臺(tái)單髁膝關(guān)節(jié)置換三維有限元模型，并驗(yàn)證其有效性，作為術(shù)后生物力學(xué)分析的基礎(chǔ)。
　　方法:對(duì)1名成年健康男性志愿者行左膝關(guān)節(jié)計(jì)算

2、機(jī)斷層掃描和核磁共振平掃，利用Mimics17.0行影像學(xué)數(shù)據(jù)處理及三維重建，導(dǎo)出正常膝關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)STL三角網(wǎng)格模型并在Rapidform XOR中轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體模型，接著在ABAQUS6.13中進(jìn)行裝配，建立正常膝關(guān)節(jié)三維實(shí)體模型。行網(wǎng)格劃分及賦值，設(shè)定邊界條件，于股骨施加1000N垂直壓縮載荷，計(jì)算載荷分配、接觸應(yīng)力與接觸面積，與文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證。在經(jīng)過驗(yàn)證的正常膝關(guān)節(jié)模型基礎(chǔ)上，利用ABAQUS6.13中的布爾操作，按照Oxf

3、ord第三代假體標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)技術(shù)，模擬截骨及假體裝配，建立假體中立位放置的活動(dòng)平臺(tái)單髁膝關(guān)節(jié)置換三維實(shí)體模型，行網(wǎng)格劃分及賦值，設(shè)定邊界條件，于股骨施加1000N垂直壓縮載荷，計(jì)算載荷分配、接觸應(yīng)力及骨應(yīng)力，與既往文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)照進(jìn)行驗(yàn)證。
　　結(jié)果:成功建立了正常膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，共212128個(gè)單元和219443個(gè)節(jié)點(diǎn)，包含了骨、軟骨、半月板和韌帶等主要結(jié)構(gòu)，計(jì)算載荷分配、接觸應(yīng)力和接觸面積與文獻(xiàn)結(jié)果相近，模型得到驗(yàn)證。在正常膝關(guān)

4、節(jié)模型基礎(chǔ)上建立了假體中立位放置的活動(dòng)平臺(tái)單髁膝關(guān)節(jié)置換三維有限元模型，共218043個(gè)單元和229524個(gè)節(jié)點(diǎn)，在垂直壓縮載荷作用下所計(jì)算載荷分配、接觸應(yīng)力和骨應(yīng)力，與文獻(xiàn)結(jié)果較為接近，模型得到驗(yàn)證。
　　結(jié)論:本研究所建立正常膝關(guān)節(jié)三維有限元模型經(jīng)過了嚴(yán)格的驗(yàn)證，具有較強(qiáng)的可靠性。假體中立位活動(dòng)平臺(tái)單髁膝關(guān)節(jié)置換三維有限元模型包含結(jié)構(gòu)較為完善，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性及可靠性，可用于進(jìn)一步的生物力學(xué)分析。
　　第二部分 單髁膝關(guān)

5、節(jié)置換脛骨假體排列的有限元分析
　　目的:脛骨假體的準(zhǔn)確安放是單髁膝關(guān)節(jié)置換具有長(zhǎng)期生存率的必要條件，然而關(guān)于其合理安放角度仍有較多爭(zhēng)議，既往的有限元研究存在較多缺陷、結(jié)論不一。本研究你在假體中立位單髁膝關(guān)節(jié)置換三維有限元模型的基礎(chǔ)上，建立脛骨假體不同內(nèi)外翻及不同后傾角度的有限元模型，研究脛骨假體排列對(duì)術(shù)后膝關(guān)節(jié)靜力學(xué)的影響，以尋求合理安放角度。
　　方法:在第一部分所建立假體中立位活動(dòng)平臺(tái)單髁膝關(guān)節(jié)置換三維有限元模型的基礎(chǔ)

6、之上，使用ABAQUS6.13將脛骨假體及半月板襯墊在冠狀面進(jìn)行一定角度的翻轉(zhuǎn)，并使用布爾操作模擬脛骨截骨，建立10個(gè)脛骨假體冠狀面外翻10°至內(nèi)翻10°的單髁膝關(guān)節(jié)置換三維實(shí)體模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分及賦值。對(duì)脛骨表面設(shè)定5個(gè)感興趣區(qū)域，統(tǒng)一邊界條件，于股骨施加1000N垂直壓縮載荷，計(jì)算所有模型中感興趣區(qū)域的峰值Von Mises應(yīng)力、峰值壓應(yīng)變和峰值拉伸應(yīng)變，并計(jì)算內(nèi)外側(cè)間室載荷比例和接觸應(yīng)力。同理，建立5個(gè)脛骨假體矢狀面后傾0°-11

7、°的單髁膝關(guān)節(jié)置換三維實(shí)體模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和賦值。于內(nèi)側(cè)脛骨表面設(shè)定6個(gè)區(qū)域，統(tǒng)一邊界條件，于股骨施加1000N垂直壓縮載荷，計(jì)算所有后傾模型中6個(gè)區(qū)域的峰值Von Mises應(yīng)力及松質(zhì)骨應(yīng)力分布，并計(jì)算內(nèi)外側(cè)間室載荷比例和接觸應(yīng)力。
　　結(jié)果:對(duì)于不同脛骨假體冠狀面翻轉(zhuǎn)角度的單髁膝關(guān)節(jié)置換模型，當(dāng)脛骨假體外翻大于4°時(shí)，近端脛骨內(nèi)側(cè)皮質(zhì)的峰值Von Mises應(yīng)力和壓應(yīng)變顯著增大，可能增加術(shù)后殘留痛的風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)翻角度大于4°時(shí)，

8、脛骨假體龍骨切槽處的峰值壓應(yīng)變都在高限之上，可能增加假體移位風(fēng)險(xiǎn)。脛骨截骨面的拐角處在任何內(nèi)外翻角度時(shí)都是拉伸應(yīng)變的集中點(diǎn)。水平截骨表面的壓應(yīng)變隨著內(nèi)外翻角度的改變而變化，但并不被認(rèn)為能導(dǎo)致骨吸收和假體松動(dòng)。隨著內(nèi)翻加大，外側(cè)間室的載荷比例和接觸應(yīng)力逐漸增加，可能導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展。對(duì)于不同脛骨假體后傾的單髁膝關(guān)節(jié)置換模型，所有模型中前內(nèi)側(cè)脛骨表面的峰值Von Mises應(yīng)力無顯著差異(P＞0.05)，而9°和11°后傾可致后內(nèi)側(cè)脛骨表面