以骨长期适应性为目标的股骨柄内部结构设计

目的股骨柄是用于全髋关节置换术的关键医疗器械,它代替部分股骨起到支撑人体重量的重要作用,当前的设计仍以其疲劳强度为主要目标,但过高的刚度引起了骨的应力屏蔽而导致股骨近端骨量丢失,不利于患者的术后恢复和长期稳定。本文研究发展一种数字化仿真和结构求解方法,并依此设计兼顾金属疲劳寿命和骨适应性的股骨柄结构。方法首先以周围骨适应性最佳为目标函数,以股骨柄疲劳应力为约束,建立结构优化求解方法,分别推导目标函数和约束灵敏度的数学表达式。建立行走等多种工况载荷下股骨柄-股骨三维有限元模型,以股骨柄周围骨量增加为目标,兼顾疲劳应力约束,采用移动渐进性算法求解股骨柄内部结构。结果数值计算结果表明,与实心股骨柄对比,优化求解得到的股骨柄能有效减少器械植入带来的应力屏蔽,有助于保留股骨近端的松质骨,促进全髋关节置换手术后的康复效果。股骨柄上的应力水平远低于ISO标准规定的疲劳强度,ISO7206-4和ISO7206-6的标准疲劳实验也显示,优化得到的股骨柄能够满足疲劳寿命要求。结论本文发展的以骨适应性最佳并兼顾材料疲劳强度的结构优化方法,可获得兼顾金属疲劳寿命并提高骨适应性的股骨柄结构。