套接式翻修假体设计、初步应用及三维有限元优化

摘要

目的：人工假体置换已经成为骨肿瘤切除功能重建的重要方法，随着越来越多的肿瘤假体置换手术的进行及肿瘤假体使用时间的延长，肿瘤假体也被观察到有假体断裂等并发症的发生。水泥型定制肿瘤假体断裂翻修是个棘手问题。我们针对此自行设计了一种套接式翻修假体，其适用于水泥型定制肿瘤人工髋关节股骨假体髓外部分发生意外断裂，剩余髓外柄部具有足够长度，而髓内柄骨水泥固定牢固的病例。本研究对该套接式翻修假体应用价值及临床效果进行了评价并对定制肿瘤人工髋关节股骨假体断裂的原因进行了探讨。 方法：翻修手术在硬膜外下进行，取原手术刀口的1/2或1/3，依次切开，只显露假体的断裂部位。取出断裂的假体的部分，将套接翻修假体与原假体的髓外部分套接，用骨水泥粘结和锁定钉挤压方式连接。冲洗刀口，置引流管一根，依次缝合。术后应用抗生素3d，低分子肝素钠4000U皮下注射，1次/d，7～10d，术后第2天拔除引流管后进行功能锻炼。后对该患者进行定期随访。 结果：对这例患者进行了31个月的随访，无刀口感染、假体松动、假体断裂，双下肢不等长等并发症发生，无肿瘤复发和转移。Enneking评分翻修术前为1分，术后为26分。最近一次随访为25分。 结论定制肿瘤人工假体的断裂有多种因素如假体的应力分布、定制肿瘤人工假体置换的特点、手术操作、并发症、假体自身问题等。为了防止假体的断裂，定制肿瘤人工髋关节股骨假体要在应力集中部位得到加强，假体应在设计、材料、加工方面更加科学。病人应控制体重、避免外伤，医生应提高手术技术，采取正确的手术方式，使假体放置在正确的位置，减少假体松动等并发症的发生。套接式翻修假体在其适用范围内有较高的应用价值，近期效果良好，但需进一步随访。 目的：基于计算机CAD、CAE以及数字图像处理技术，利用计算机断层成像CT数据中所包含的信息，实现股骨及定制肿瘤人工髋关节股骨假体三维几何形态的重建。在此基础上对股骨、定制肿瘤人工髋关节股骨假体、骨水泥的应力分布趋势、大小进行研究以指导临床工作并为下一步套接式翻修假体的三维有限元优化建立模型基础。 方法：1.突破传统的由扫描仪扫描CT片到PC机中实现CT图像数字化的方法，利用医学数字图像通讯标准DICOM3.0，直接把股骨CT图像文件通过网络的方式完整地传输到PC机，实现数据的精确传输。 2.采用Mimics图形处理软件对CT数字图像进行轮廓识别和矢量化处理，准确地生成股骨特征结构轮廓。利用CAD建模软件Unigraphics根据B样条蒙皮法的思想，由断面轮廓线构造股骨表面B曲面，完成股骨三维实体的真实重建，获得了股骨真实的三维几何参数。在此基础上，建立假体、骨水泥三维实体模型。 3.利用有限元分析软件Marc分别建立股骨、定制肿瘤人工髋关节股骨假体、骨水泥的三维有限元模型，并施加位移和力的边界条件，设置材料参数，实现对模型的应力和位移的有限元分析。 结果：1.在股骨有限元模型中，股骨颈体连接部上下和股骨干中远1/3内外侧为应力集中部位。股骨颈的应力最大值出现在小转子上方、稍偏股骨颈下部处，应力值为23.3MP；而股骨干以其外侧中下1/3交界处的应力值最大，应力值为61.35MP。 2. 定制肿瘤人工髋关节股骨假体有限元模型中，假体颈髓外柄连接部、髓内柄与髓外柄连接处、髓内柄的中下1/3至柄的尖端稍上方出现应力集中，应力值分别为137.1MP、102.4 MP、83.69MP。 3.骨水泥与假体髓内柄界面其应力分布趋势为内侧界面在近端首先出现-应力集中高峰后向远端应力逐渐减小到达中下段时应力再次升高，在与假体髓内柄远端相对应的区域达到第二高峰，内侧近端最大值6.78Mpa，内侧远端达4.68 Mpa；外侧界面应力由近端向远端逐渐增大，在与假体柄远端相对应的区域达到高峰，在最末端又再次变小。 结论：1.股骨颈及股骨干是主要的应力分布和集中区，并以股骨颈上下部及股骨干内外侧中下1/3交界处集中明显，且股骨干内外侧中下1/3交界处的应力集中程度和应力值远大于股骨颈处。 2.小转子上方的压力骨小梁和股骨距是载荷的重要承重者，载荷主要通过压力骨小梁和股骨距由股骨颈向下传至股骨干的中下1/3处，股骨距在应力分布、在骨折内固定、假体置换等方面有重要作用。 3.定制肿瘤人工髋关节股骨假体的应力集中于假体颈与髓外柄连接部的上下、髓外柄与髓内柄的连接部、髓内柄中下1/3内外侧至柄尖端稍上方，以假体颈与髓外柄连接部下部应力值为最大。根据假体的应力分布在假体设计时，应考虑柄的长度和直径的影响。鉴于假体颈处出现的异常应力值，假体设计时还应注意其颈干结合处的圆滑过渡。定制肿瘤人工髋关节股骨假体的应力分布与普通人工髋关节股骨假体有相似也有不同，可以用工程学原理来解释。 4.定制肿瘤人工髋关节股骨假体髓内柄与骨水泥界面在内侧界面近端、远端，外侧界面远端出现应力集中，以外侧远端应力值为最大。在这些区域应降低应力，增强骨水泥强度。骨水泥股骨界面应力较小，骨水泥假体的脱粘、松动与骨水泥的应力基本无关。 5.股骨X、Y方向的位移平均值远大于Z方向，故股骨的变形主要集中在XOY平面，并以股骨头和股骨干近端最为明显6.通过两模型整体应力及位移分布的对比，发现假体模型与股骨模型有较好的一致性，说明该假体的设计符合生物力学的要求。 目的：为了对套接式翻修假体的生物力学特性及其对原有假体系统的影响进行评价，进一步对套接式翻修假体的规格进行优化，我们对其进行了三维有限元分析。 方法：利用有限元分析软件Marc在已有的三维有限元模型(见第二部分)的基础上建立定制肿瘤人工髋关节股骨假体股骨颈与髓外柄连接处断裂模型，并建立套接式翻修假体应用后的三维有限元模型。将套接式翻修假体的套接部的长度分为50mm、70m、90mm、100mm四组，将套接式翻修假体与原假体髓外柄之间骨水泥的厚度分为3m、5m、7mm三组。不同假体长度和不同骨水泥厚度分别组合。后施加位移和力的边界条件，设置材料参数，实现对模型应力的有限元分析。 结果：骨水泥与原假体的髓外柄内外侧界面和骨水泥与套接假体内外侧界面是我们观察研究的重点。其结果为①在骨水泥与原假体髓外柄内侧界面应力分布趋势为近端有一中度应力集中区域，后应力逐渐变小，在中远1/3交界处开始变大在远端达到峰值。骨水泥3mm时套接假体长度为50mm、70mm、90mm其应力峰值分别为34.4943MPa、30.5537MPa、17.263MPa；骨水泥5mm时分别为26.5352MPa、20.3719MPa、、18.0981MPa；骨水泥7mm时分别为33.08MPa、25.897MPa、22.739MPa。而套接假体为100mm时没有远端的峰值，其远端值均小于近端应力中度应力集中值，均在10MPa左右。②在骨水泥与原假体髓外柄外侧界面应力分布趋势为套接假体长度为50mm、70mm、90mm应力由近端向远端逐渐增加，到达远端达到峰值。应力峰值骨水泥3mm时分别为33.4261MPa、15.3311MPa、8.22237MPa;骨水泥5mm时分别为20.2884MPa、19.3152MPa、12.7398MPa;骨水泥7mm时分别为20.1455MPa、18.5169MPa、16.4955MPa。而100m套接假体整个应力分布平稳，没有明显的峰值均较小，其值均在6 MPa以下。⑨骨水泥与套接假体内侧界面应力分布趋势为应力在近端出现集中达到峰值。骨水泥3mm时套接假体长度50mm、70mm、90mm、100mm，其应力峰值分别为23.2085MPa、21.3257MPa、34.9706MPa、26.8445MPa；骨水泥5mm时分别为24.8927MPa、35.995MPa、25.0992MPa、22.2 198MPa：骨水泥7mm时分别为30.3749MPa、26.6358MPa、26.5053MPa、27.837MPa，后应力逐渐减少在远端达到最小。④骨水泥与套接假体外侧界面应力分布趋势为由近端到远端骨水泥应力分布比较平缓且应力值均小于8 MPa。这种趋势在骨水泥厚度5mm时更加明显。⑤套接假体的应力集中在假体颈体交界处，主要集中在假体颈的上下，应力最大值在假体颈的下方135.376MPa，套接假体体部整体的应力均较小。⑥股骨、原假体髓内柄外侧应力峰值较套接式翻修假体使用前减小，余部位应力分布趋势应力大小未发生显著变化。 结论：1 套接式翻修假体和其他股骨假体一样由于颈体交界的形变，所以也存在着应力集中。同样需要增加颈体之间转角以避免假体断裂。套接式翻修假体体部的整体应力均较小。 2.套接式假体的使用减小了股骨、原假体髓内柄外侧的应力峰值，减少了假体周围骨折、假体髓内柄断裂的几率，这可能是套接式翻修假体与原假体髓外柄之间骨水泥缓冲了弯矩作用的原因。股骨、原假体髓内柄内侧的应力分布、大小基本没有改变，这与套接假体没有改变整个股骨侧假体系统的大体形态、其自身重量与所加载的力量比较非常小有关。 3.以骨水泥假体界面应力最小为标准，套接假体长度为100mm，骨水泥厚度为5mm是最优的套接假体规格。同时由于仍然存在应力超过骨水泥的疲劳耐受强度的问题，所以加锁定钉分散应力是必要的。在超过骨水泥的疲劳耐受强度区域可以通过其他方法如骨水泥增强剂等增加其疲劳强度，减少骨水泥碎裂脱粘的几率。

目录

声明

第一部分：适用于定制肿瘤人工髋关节股骨假体断裂的套接式翻修假体设计、初步应用

第1章引言

第2章材料与方法

第3章结果

第4章讨论

4.1定制肿瘤人工髋关节假体股骨假体断裂原因探讨

4.2套接式翻修假体的应用

第5章结论

附图及附表

参考文献

第二部分：定制肿瘤人工髋关节假体置换术后股骨侧的三维有限元分析

符号说明

第1章有限元法简介

1.1有限元法的发展概况

1.2有限元法的基本原理

1.3股骨有限元模型建立技术的发展

第2章有限元法图像处理、建模和分析工具简介

2.1图像处理软件Mimics

2.2大型CAD/CAM/CAE软件UG

2.3非线性有限元软件MSC.Marc

第3章研究方法

3.1研究方法概述

3.2三维CAD模型的建立和处理

第4章结果分析

4.1应力

4.2位移

第5章讨论

第6章结论

附图及附表

参考文献

第三部分：套接式翻修假体的三维有限元优化

第1章引言

第2章分析方法以及模型的建立

2.1三维CAD模型的建立和处理

2.2三维有限元模型的建立和处理

第3章结果及分析

3.1套接式翻修假体与原假体间骨水泥的应力

3.2套接式翻修假体的应力

3.3原假体的应力

3.4股骨的应力

3.5锁定钉的应力

3.6原始数据

第4章讨论

4.1套接式翻修假体、股骨、原假体的应力分布

4.2原假体髓外柄与套接式翻修假体之间骨水泥应力分布及骨水泥在高应力下碎裂

4.3影响骨水泥应力、疲劳特性的因素

第5章结论

附图及附表

参考文献

致谢

综述三维有限元分析在髋关节外科中的应用

攻读学位期间发表的学术论文目录

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