三维有限元分析在成人髋臼发育不良和全髋置换研究中的应用

摘要

本研究分为三部分： 第一部分、成人髋臼发育不良三维有限元模型构建及其力学分析 目的：研究正常成人髋关节和髋臼发育不良成人髋关节三维有限元模型的构建，并通过有限元分析探讨其关节应力分布的变化。 方法：根据成人正常髋关节和不同类型髋臼发育不良髋关节薄层CT扫描数据，运用Mimics10．0软件进行三维重建，利用有限元分析软件ANSYS10．0构建成人正常髋关节和不同类型髋臼发育不良髋关节三维有限元模型。模拟并加载关节负荷，分析计算缓慢行走单足着地状态下关节软骨和软骨下骨的Von Mises应力分布及传递。 结果：所构建髋关节三维有限元模型能逼真反映成人正常髋关节和不同类型髋臼发育不良患者髋关节的真实几何形态及其生物力学特点。在正常髋关节、发育不良型、低位脱位型髋关节中，接触应力均发生在股骨头软骨最上部及与其相对应的髋臼软骨顶穹部。在髋臼发育不良型和低位脱位型髋关节中，在髋臼软骨的后上缘区域存在较高的接触应力区。在正常髋关节中，股骨头软骨的上方负重区及髋臼软骨的顶穹部峰值Von Mises应力分别为2．02MPa和2．37MPa。在发育不良型髋关节中，股骨头软骨及髋臼软骨峰值Von Mises应力分别为4．23MPa和5．43MPa；在低位脱位型髋关节中，股骨头软骨及髋臼软骨峰值Von Mises应力分别为8．45MPa和10．32MPa。高位脱位型髋关节中，股骨头软骨峰值Von Mises应力为8．67MPa，而由于真臼软骨失去股骨头的接触，故峰值Von Mises应力则反而下降为0．59MPa。在正常髋关节、发育不良型、低位脱位型髋关节中髋臼软骨下骨的应力分布与关节表面的接触应力分布相似。即应力主要集中在髋臼软骨下骨的顶穹部，并以放射状分布向周边逐渐减弱。4种髋关节模型股骨侧应力传递是从股骨头经股骨颈到近段股骨的内上侧，股骨颈内侧小转子上方股骨距区存在较高的压应力分布区。正常髋关节、发育不良型、低位脱位型髋关节中，股骨头软骨下骨应力集中区均发生在股骨头最上四分之一象限，接近于矢状轴的尖部：高位脱位型髋关节中，股骨头软骨下骨应力集中区则位于胶骨头前内四分之一象限。在正常髋关节中，股骨头和髋臼软骨下骨峰值Von Mises应力分别为8．65MPa和2．52MPa；在发育不良型髋关节中，股骨头和髋臼软骨下骨峰值Von Mises应力分别为8．92MPa和2．73MPa；在低位脱位型髋关节中，股骨头和髋臼软骨下骨峰值Von Mises应力分别为10．65MPa和4．02MPa；高位脱位型髋关节中，股骨头软骨下骨和假臼峰值Von Mises应力分别为8．17MPa和8．59 MPa。 结论：通过薄层CT数据构建的成人正常髋关节和不同类型髋臼发育不良髋关节三维有限元模型具有较高的仿真度，该模型能够模拟分析髋关节应力分布，为研究成人髋臼发育不良的生物力学行为和进行相关力学基础研究提供了精确模型。 第二部分、髋中心内移全髋置换的三维有限元分析 目的：建立以不同髋中心内移全髋置换术后三维有限元模型，分析研究髋中心内移对假体Von Mises应力分布的影响，为临床应用髋中心内移技术提供理论依据。 方法：根据正常成人薄层CT扫描数据重建髋臼模型，按假体的各项参数建立髋臼假体模型，运用布尔运算模拟临床手术要求进行打磨髋臼，植入假体。建立不同髋中心植入髋臼假体的全髋关节置换术后三维有限元模型，模拟并加载关节负荷，分析研究聚乙烯内衬和股骨假体头颈结合部的Von Mises应力分布。 结果：在缓慢行走单足着地状态载荷下，髋臼中心内移影响聚乙烯内衬和假体头颈结合部的应力分布，在聚乙烯应力主要集中在内衬的内面，而背面无明显应力集中。正常髋臼中心放置时，聚乙烯内衬峰值Von Mises应力为4．24MPa，假体头颈结合部峰值Von Mises应力为17．02MPa；当髋中心内移后假体内壁距离Kohler线3mm时，聚乙烯内衬峰值Von Mises应力为4．35MPa，假体头颈结合部峰值Von Mises应力为17．78 MPa，分别较正常髋中心时增大2．59%和4．47%；髋中心内移后假体内壁接触Kohler线时，聚乙烯内衬峰值Von Mises应力为4．70MPa，假体头颈结合部峰值Von Mises应力为18．93MPa，分别较正常髋中心时增大10．85%和11．22%；髋中心内移后假体内壁超过Kohler线3mm时，聚乙烯内衬峰值Von Mises应力为4．97MPa，假体头颈结合部峰值Von Mises应力为20．50MPa，分别较正常髋中心时增大17．22%和20．45%；髋中心内移后假体内壁超过Kohler线6mm时，聚乙烯内衬峰值Von Mises应力为5．67MPa，假体头颈结合部峰值Von Mises应力为25．36 MPa，分别较正常髋中心时增大33．73%和49．00%。 结论：聚己烯内衬和假体头颈结合部峰值Von Mises应力随髋中心内移距离的增加而增大，当假体内壁超过Kohler线后，峰值Von Mises应力明显增大。 第三部分、不同前倾角股骨假体植入的三维有限元分析 目的：建立以不同前倾角植入股骨假体的全髋关节置换术后三维有限元模型，分析研究不同前倾角植入股骨假体后，股骨和假体应力分布以及假体初始微动，为临床提供理论依据。 方法：根据正常成人薄层CT扫描数据重建股骨模型，按股骨假体的各项参数建立股骨假体模型，模拟临床手术要求进行截骨，以0°15°和30°前倾角植入股骨假体，建立全髋关节置换术后股骨侧三维有限元模型，模拟并加载关节负荷，分析不同前倾角假体植入后股骨及假体Von Mises应力分布，假体界面主应力、剪切力分布和假体初始微动的改变。 结果：（1）假体植入后，股骨所承受的负荷主要通过假体传向股骨远段，股骨近段大粗隆区域和股骨距区域应力减少，在假体柄端区的骨质表现出高应力，股骨干中远段出现应力集中现象。股骨假体以0°和30°前倾角植入较15°前倾角植入，股骨近段所承受的负荷减小，而在假体柄端远侧区域出现应力集中现象明显。15°前倾角植入时高应力的位置为股骨的内外侧，而0°和30°前倾角植入时高应力的位置逐渐向前后侧转移，改变了正常股骨在承受假体载荷后所表现的内侧的压应变和外侧的张应变的受力模式。（2）股骨假体以0°和30°前倾角植入较15°前倾角植入，股骨假体各部分的Von Mises应力增大，在假体颈部出现应力集中现象严重。不同前倾角股骨假体植入后，股骨假体界面应力发生变化，0°和30°前倾角植入时股骨假体界面主应力和剪切力分别比15°前倾角植入时增大。（3）在股骨近段，假体周围的骨质应力维持于低水平，而假体承受了绝大部分的应力，形成了应力遮挡。股骨假体以0°和30°前倾角植入时，在截骨平面的股骨大粗隆和股骨距区域承受的载荷较15°前倾角植入时承受的载荷减小：在截骨平面的假体承受的载荷较15°前倾角植入时假体承受的载荷增加。在股骨外侧大粗隆区域和股骨距区域应力减少，产生严重的应力遮挡，以15°前倾角植入时应力遮挡最小。（4）股骨假体以0°和30°前倾角植入时，股骨假体各部分的初始微动较15°前倾角植入时增大。 结论：全髋置换术后股骨近段产生应力遮挡，在假体柄端远侧区域出现应力集中现象。股骨假体以15°前倾角植入假体将获得最佳的近段匹配，使股骨近段获得更多的载荷，有效降低股骨及假体应力集中、应力遮挡、假体界面应力和假体初始微动，有利于骨长入及远期稳定。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:英文缩略词表

声明

前言

第一部分 成人髋臼发育不良三维有限元模型构建及其力学分析

材料与方法

结果

讨论

第一部分参考文献

第二部分 髋中心内移全髋置换的三维有限元分析

材料与方法

结果

讨论

第二部分参考文献

第三部分 不同前倾角股骨假体植入的三维有限元分析

材料与方法

结果

讨论

第三部分参考文献

结论

综述一 三维有限元在成人髋关节研究中的应用

综述二 成人髋臼发育不良全髋置换的研究进展

攻读博士学位期间发表论文

致谢