骨干组配式假体重建股骨近端骨缺损的三维有限元分析

摘要

骨干组配式假体是重建股骨近端结构性骨缺损的常用方法之一，该假体目前已初步应用于临床，但由于应用时间较短，医生对于骨缺损重建后假体的稳定性尚不清楚，近端柄长度的变化和不同侧方钢板辅助固定方式对假体重建后稳定性的影响也需要进一步的探讨。本文通过有限元分析方法分析骨干组配式假体重建股骨近端的力学特性，验证骨干组配式假体的生物力学稳定性，并进一步探讨近端柄长度变化和不同侧方钢板辅助固定方式对假体稳定性的影响，以期为假体的优化设计以及股骨近端肿瘤患者的临床骨干组配式假体选择提供理论依据。
　　首先，利用CT扫描数据和三维重建软件重建区分皮质骨和松质骨的完整股骨实体模型及不同参数的假体模型。随后，将模型导入有限元分析软件ANSYS模拟骨干切除及假体植入，建立具有装配关系的股骨-假体有限元模型。本次实验的加载条件为正常行走时单足站立时刻的受力情况，接触条件模拟假体和骨水泥界面完全贴合且没有相对滑动，即假体-骨水泥界面以及骨-骨水泥界面设定为绑定接触。为便于结果对比分析，根据假体参数变化分别设立无钢板组、单钉组、三钉组，通过观察无钢板组中不同近端柄长假体的股骨近端、假体柄和骨水泥内、外侧应力分布，探讨近端柄长度变化对假体稳定性的影响。在相同近端柄长条件下，观察无钢板组、单钉组及三钉组中股骨近端、假体柄内、外侧应力分布，探讨侧方钢板辅助固定方式对假体稳定性的影响。
　　数值计算结果显示，假体近端柄长度的变化对股骨近端的应力分布影响显著，重建后的股骨近端内侧压应力峰值较正常股骨显著降低，在截骨平面附近产生了不同程度的应力遮蔽，柄长分别为4cm、5cm、6cm、7cm的假体重建后，股骨近端内侧压应力峰值较正常股骨分别下降15.9％、25.2%、32.2%、36.5%。对比分析单钉组、三钉组及无钢板组的股骨近端应力分布，研究发现侧方钢板辅助固定的三钉组、单钉组的股骨近端应力大小相较于无钢板组有显著降低，但三钉组及单钉组之间应力大小差异不明显。假体柄的应力分布显示，假体柄的应力由近端向远端逐渐升高，并在假体柄远端达到最大值。
　　对于假体的初始稳定性，外加侧方钢板辅助固定的假体优于无外侧钢板固定的假体，但是会增加股骨近端的应力遮蔽程度，可能不利于假体的远期稳定。短柄假体会获得更加符合生理的应力分布，因此，短柄假体的远期稳定性可能要高于长柄假体，但是早期稳定性较差。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 股骨生物力学的研究现状

1.3 论文的研究目的、内容和章节安排

第二章 三维模型的建立

2.1 研究环境与软件介绍

2.2 人体股骨三维实体模型的建立

2.3 骨干组配式假体三维实体模型的建立

2.4 股骨-假体的可视化装配

2.5 本章小结

第三章 股骨-假体三维有限元模型的建立及分析

3.1 有限元（ANSYS）软件介绍

3.2 三维有限元模型的建模步骤

3.3 人体股骨三维有限元模型的建立及分析

3.4 股骨-假体装配体的三维有限元模型建立及分析

3.5 近端柄长度的变化对假体稳定性影响的对比分析

3.6 外加侧方钢板辅助固定对假体稳定性影响的对比分析

3.7 本章小结

第四章 结论与展望

4.1 总结

4.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

综述:股骨三维有限元模型的建模方法

致谢