三維有限元分析及相關(guān)技術(shù)在三翼臼固定后應(yīng)力和位移測定中的應(yīng)用.pdf

1、全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后松動，尤其是合并髖臼頂骨缺損的全髖翻修術(shù)，是骨科極富挑戰(zhàn)性的手術(shù)。國外學(xué)者應(yīng)用ARR(Burch-schneider、Ganz)、Bilobed假體等髖臼翻修假體修復(fù)各種嚴(yán)重的髖臼假體松動伴骨缺損的病例，臨床取得了良好效果。我院于上世紀(jì)九十年代初設(shè)計并應(yīng)用三翼髖臼假體治療髖臼異常的初次全髖置換和伴嚴(yán)重骨缺損的髖臼翻修病例，取得了良好效果。該假體通過三翼嵌入缺損臼窩內(nèi)骨床內(nèi)，擴大了假體容積，三個刃分別固定于臼窩內(nèi)使假體錨固

2、牢靠；三個翼之間形成的植骨間室有利于顆粒骨打壓植骨的植入，而且具有手術(shù)操作簡單等優(yōu)點。臨床應(yīng)用隨訪4-10年的結(jié)果顯示骨改造已經(jīng)完成。但是三翼臼假體固定后，髖臼周圍的相關(guān)應(yīng)力變化的力學(xué)研究還不充分。本實驗旨在通過有限元分析三翼假體固定后的力學(xué)分布及假體的穩(wěn)定性，為進(jìn)一步優(yōu)化三翼假體的設(shè)計提供實驗依據(jù)。 本課題采用先進(jìn)的有限元分析方法、數(shù)字散斑圖象相關(guān)法(DSCM)，對髖臼骨缺損的三維計算機模型和骨盆實體模型分別進(jìn)行了用三翼臼固定

3、后的應(yīng)力和位移測定。 實驗一、三翼臼假體植入髖臼骨缺損后的三維有限元分析目的：在計算機上建立骨盆和三翼臼三維有限元模型，模擬靜態(tài)下的髖關(guān)節(jié)受力，分析三翼臼和髖臼的應(yīng)力分布和它們之間的微動位移。 材料與方法：利用健康志愿者的骨盆CT掃描資料，提取CT圖象中骨盆的骨骼邊界信息，將骨骼信息進(jìn)行二維至三維的轉(zhuǎn)換，在Unigraphics17.0軟件的幫助下建立具有節(jié)段性臼頂骨缺損的骨盆三維模型以及三翼臼三個翼4種不同擴展角度的假

4、體三維模型。試驗中，根據(jù)三個翼擴展角度將三翼臼分別設(shè)為0°、36°、45°、60°四個實驗組，并設(shè)Bilobed臼杯假體和普通臼杯為對照組。在有限元分析中，既往均將研究對象作為一種均質(zhì)材料。本課題將骨盆作為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成的復(fù)合材料，分別設(shè)定其材料和力學(xué)參數(shù)，然后進(jìn)行有限元分析的網(wǎng)格劃分，其中對于髖臼的生物力學(xué)相關(guān)部位，進(jìn)行了精細(xì)的網(wǎng)格劃分，使有限元模型與既往的研究相比，更加可靠(共劃分面單元2253個，四節(jié)點四面體單元18124個，

5、節(jié)點4835個)。經(jīng)過有限元分析的限定邊界條件、加載等步驟，得到骨盆和三翼臼在人體單腿站立時的應(yīng)力和位移云圖。 結(jié)果：①在骨盆模型的臼頂上，各組精確地在5個相對應(yīng)的位置讀取有限元節(jié)點的應(yīng)力數(shù)值，分別比較了三翼臼翼不同擴展角度下應(yīng)力間的差別。結(jié)合應(yīng)力測試點、三翼臼翼擴展角度的兩種因素，進(jìn)行2因素方差統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示三翼不同擴展角度各組內(nèi)，36°實驗組和45°實驗組之間應(yīng)力差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，而0°實驗組和60°實驗

6、組之間、以及分別與36°實驗組、45°實驗組之間應(yīng)力差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。而四個實驗組與兩個對照組之間應(yīng)力差別均有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。 ②三翼臼假體的應(yīng)力分析結(jié)果顯示最大等效應(yīng)力為15.2MPa，最小等效應(yīng)力值為0.74MPa。對各組三翼臼的應(yīng)力峰值和其三翼臼擴展角度之間進(jìn)行了統(tǒng)計相關(guān)分析，兩者之間相關(guān)性無明顯統(tǒng)計學(xué)意義。 ③依據(jù)三翼臼三個翼板和髖臼的位移量，得到三翼臼和髖臼之間的微動位移量。

7、 實驗二、數(shù)字散斑圖像相關(guān)法在測量三翼臼固定后位髖臼位移變化中的體外實驗?zāi)康模涸陔x體骨盆標(biāo)本上制作臼頂骨缺損模型，植入三翼臼后，采用數(shù)字散斑圖像相關(guān)法測量髖臼上方的位移值，評估假體和髖臼的微動位移量。 材料與方法：先根據(jù)骨盆標(biāo)本的測量結(jié)果，設(shè)計了實驗用不同翼擴展角度的三翼臼，三翼臼的三翼擴展角度分別為0°、36°、45°和60°四種。在離體骨盆標(biāo)本上制作臼頂骨缺損模型，固定三翼臼后，在髖臼上方制作散斑圖，模擬手術(shù)情況在缺損髖臼內(nèi)

8、植入相應(yīng)大小的三翼臼假體，模擬單腿站立時髖關(guān)節(jié)的負(fù)重情況，進(jìn)行300N、600N和900N分級加載，記錄四組實驗于各級載荷前和載荷后的變形圖象。 結(jié)果：①經(jīng)過測試數(shù)字散斑相關(guān)法結(jié)果中髖臼上方測試區(qū)域最大的位移為192μm，出現(xiàn)在0°組，最小位移值為112μm，出現(xiàn)在60°組。 ②測試區(qū)的結(jié)果與有限元分析結(jié)果中相對應(yīng)位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)合位移測試點、三翼臼三翼擴展角度和測試方法三種因素，進(jìn)行3因素方差統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示有

9、限元分析方法和數(shù)字散斑圖象相關(guān)法之間位移的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，驗證了骨盆有限元的可靠性。 實驗三、電阻片應(yīng)變法在測量三翼臼固定后骨盆應(yīng)力變化中的體外實驗?zāi)康模弘娮杵瑧?yīng)變法測量骨盆實體髖臼骨缺損模型三翼臼固定后髖臼上方的應(yīng)力值，驗證骨盆有限元模型的可靠性。 材料與方法：骨盆標(biāo)本模型制作同實驗二，模擬手術(shù)情況在缺損髖臼內(nèi)植入4種相應(yīng)大小的三翼臼假體，設(shè)立1個髖臼無缺損無翼假體對照組。在5具骨盆標(biāo)本上各布置7組電

10、阻應(yīng)變花，1、2和3號位為骨盆外側(cè)與臼杯的三個翼對應(yīng)的髖臼上方，4號位置為骨盆外側(cè)髖臼與骶髂關(guān)節(jié)連線近端，5、6和7號位置為骨盆內(nèi)側(cè)髖臼與骶髂關(guān)節(jié)連線由外下向內(nèi)上方均勻分布。模擬單腿站立時髖關(guān)節(jié)的負(fù)重情況，進(jìn)行150N、300N、450N、600N、750N和900N分級加載，收集個組中各級加栽和卸栽的應(yīng)變片應(yīng)變信息。 結(jié)果：①測試點最大的等效應(yīng)力為6.93MPa，最小的等效應(yīng)力為1.08MPa。 ②測試點的結(jié)果與有限元

11、分析結(jié)果中對應(yīng)的位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)行3因素方差統(tǒng)計分析，統(tǒng)計分析結(jié)果顯示兩種方法之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，進(jìn)一步驗證了有限元的可靠性。 結(jié)論：1)建立了骨盆和三翼臼假體固定后的三維有限元模型。該模型可以任意角度、方向旋轉(zhuǎn)和切割，為實驗研究提供了一種可靠的、可重復(fù)性的方法。 2)在計算機模型中，建立了由皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成的非均質(zhì)材料模型，將皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨分開進(jìn)行分析。并通過了電阻應(yīng)變片法和數(shù)字散斑圖象相關(guān)法