骨小梁髋假体柄植入的应力分析

目的:分析髋关节置换中实心钛合金假体与骨小梁假体柄植入的应力。方法:基于Mimics软件逆向建立股骨模型,并使用Geomagic软件对股骨模型进行优化,再通过SolidWorks软件将模型实体化。将截骨后的股骨与金属股骨柄进行装配,并将装配好的模型导入ABAQUS中进行有限元计算。将股骨上部分为内侧近端点(小转子区)、外侧近端(大转子区)、股骨干近端点(茎突中段周围)、远端区域(茎突末端周围和远端)4个区域(处于不同整合状态),计算步态、爬楼梯载荷下植入实心钛合金假体和骨小梁假体前后的股骨应力以及区域未整合时的界面应力,并通过应力椭球分析骨界面的变形类型。结果:在小转子区,步态和爬楼梯载荷下骨小梁假体相比实心钛合金假体应力屏蔽率分别降低了20.5%和14.7%。实心钛合金假体存在不同整合状态时,步态与爬楼梯载荷下界面拉应力最大分别为10.842、12.900 MPa,剪应力最大分别为7.050、6.805 MPa;而骨小梁假体存在不同整合状态时,步态与爬楼梯载荷下界面拉应力最大分别为3.858、4.389 MPa,剪应力最大分别为4.156、3.854 MPa。2种不同载荷下,界面内侧剪应力椭球开口朝向两侧,骨界面发生拉伸变形;界面外侧剪应力椭球上下开口,发生压缩变形。结论:全髋关节置换术后,骨小梁假体的整体性能优于实心钛合金假体,且假体-骨界面未整合边缘易发生应力集中以及变形,引发进一步失效。

一种脚踏式膝、踝关节康复训练装置的研制

目的:设计一种脚踏式膝、踝关节康复训练装置,以对下肢受损的患者进行膝关节单一自由度和踝关节两自由度康复训练。方法:该装置基于骑行方式设计,主要由双向踏板结构、轨道凹槽结构、机架、外壳以及动力输出结构5个部分组成,可实现被动、主动2种康复训练模式。采用ADAMS软件对该装置进行运动学仿真和动力学仿真,采用ANSYS软件对该装置的零部件进行有限元仿真,分析该装置运行的可行性。结果:仿真结果显示,该装置可实现踝关节内翻/外翻、跖屈/背伸训练及膝关节屈伸训练,其中踝关节内翻/外翻、跖屈/背伸训练角度分别为43°/30°、15°/16°,膝关节训练角度为61°~101°。结论:该装置可训练下肢受损患者膝、踝关节运动的协调性,提高其膝、踝关节的稳定性。

灌流动态压缩生物反应器设计

膝关节是人体运动的主要组织,也是临床上疾病的好发部位。以人体膝关节为主要研究对象,以软骨缺损修复体为根据,基于关节软骨处的流量和加载力学背景,通过灌流和动态压缩来模拟人体膝关节处的受力环境和状态,研制了灌流动态压缩生物反应器。对生物反应器的培养舱、加载与控制系统和循环灌流系统进行了结构设计。经实际测试,该生物反应器能够为膝关节提供所需的应变和灌流速度,真实模拟人体膝关节的运动状态和受力状态。

人体全膝关节精细有限元模型建立及有效性验证

近年来利用数字三维模型对人体全膝关节进行生物力学分析在国内外迅速发展,但是缺乏完整精细的膝关节有限元模型;同时对所建立模型的验证也比较单一,仅从韧带或者软骨受力单方面进行有效性的验证,导致模型的实用性和广泛性受到限制。目的以一种创新、高效的方法三维重建精细人体膝关节有限元模型,包括股骨、胫骨、髌骨、腓骨、股骨软骨、胫骨软骨、髌骨软骨、腓骨软骨、半月板、交叉韧带、侧韧带、髌韧带等组织结构,并对整体模型有效验证。方法利用CT和MRI医学影像,使用Mimics、3-Matic、Geomagic、Solidworks、Abaqus软件获得完整、精细的人体膝关节模型;在内外髁中点施加1 000 N竖直向下载荷,分析膝关节内外间室的力学分布及软骨的力学响应;以胫骨平台髁间隆起为参考施加134 N前向推力,模拟临床中的抽屉实验(ADT),获取各韧带组织的生物力学响应,并与现有人体实验及模型对比。结果 1 000 N载荷下,股骨软骨最大Mises应力值为2.514 MPa,半月板最大Miese应力值为7.693 MPa,胫骨软骨最大Mises应力值为1.848 MPa,均分布于膝关节的内侧;内外侧软骨接触面积分别为476.080 8 mm^2和338.446 8 mm^2;内外腔室分别承担总载荷的60.57%和39.43%。134 N载荷下,胫骨平台前端的位移量为5.687 mm;前十字交叉韧带(ACL)最大Mises应力值为28.030 MPa,后十字交叉韧带(PCL)最大Mises应力值为16.730 MPa,内侧副韧带(MCL)最大Mises应力值为4.511 MPa,外科韧带(LCL)最大Mises应力值为3.751 MPa;交叉韧带与股骨止点的最大Mises应力值为15.270 MPa。结论建立的精细膝关节三维模型很好地重塑了人体膝关节相关生物力学特性;该精细膝关节模型仿真结果与现有实验数据非常接近,证明了模型的有效性;完整、有效的精细全膝关节有限元模型将为植入物手术、人体运动分析、康复研究等打下基础。

不同步速下髋关节置换后股骨的应力分析

目的:探讨人工髋关节置换后在不同步速时股骨的力学行为,为髋关节置换患者及医生提供参考性意见。方法:利用人体动力学软件LifeMOD进行步速为0.51、0.61、0.77 m/s的步态仿真,选取行走时全足放平、站立中相、加速推离、摆动中相4个步态事件获得各瞬间髋关节的承力条件,同时建立完整的髋关节置换三维有限元模型,将动力学软件得出的力学条件作为边界条件进行加载,分析置换后股骨的应力分布及其随步速变化的情况。结果:在不同步速的各步态事件下,置换后股骨的整体应力模式并未改变,均由股骨近端到远端逐渐增加,在股骨中下段达到最大,最大应力在前外侧和后内侧附近。在全足放平和加速推离时,股骨应力与步速呈正比,全足放平的应力最大值范围为13.6~17.9 MPa,区间相差4.3 MPa;加速推离的应力最大值范围为3.3~17.6 MPa,应力呈倍数增长。在站立中相和摆动中相时,股骨应力随步速变化略有波动,但是变化程度很小。结论:步速改变对站立支撑时的股骨应力影响不大,但对双腿摆动时的股骨应力有明显影响,特别是在加速推离阶段,股骨应力随着步速增加呈倍数增长,建议患者在髋关节置换术后尽量减慢步行速度。

Design of a New Multifunctional Wheelchair-bed

Currently, the aging of the population has become the world＇s social problem. With the increase of aging population and lots of disability, paralysis makes nursing care more difficult. Because of many elderly cannot get timely care, the phenomenon that the elderly have chronic diseases has become more and more serious. It is important to research and develop a new product which can help the elderly and the disabled for improving the quality of their life. This paper suggests a new type of mnltifunctional self-caring wheelchair-bed, which is combined with a wheelchair and a bed. The bed can realize the free conversion among user sitting, leg lifting and lying down, and also can implement the function of turning on sides. Particularly, the wheelchair can be easily separated from the bed and combined, so that patients and the elderly can move freely using it, and even it can be transformed into a standing type to satisfy the patient＇s standing demand, and to a certain extent, carry out the purpose of rehabilitation.