股骨柄髓外设计对髋关节接触力影响的骨肌多体动力学研究

目的 探讨全髋关节置换(total hip arthroplasty,THA)假体股骨柄颈干角、偏心距和前倾角等设计参数对髋关节接触力的影响。方法 基于AnyBody软件建立THA骨肌多体动力学模型,参数研究股骨柄颈干角在±10°、偏心距在±20 mm和前倾角在±10°内变化时单因素或多因素对髋关节接触力的影响规律。结果 偏心距减小20 mm,最大髋关节接触力增加26.08%。颈干角增加10°,最大髋关节接触力增加5.99%。前倾角增加10°,会减小步态周期0%~24%时髋关节接触力,峰值减小19.16%;但会显著增加步态周期38%~70%时髋关节接触力,峰值增加67.78%。结论 在进行股骨柄髓外个性化设计时,在重建患者解剖参数的基础上,可以适当增加股骨柄的偏置距离,减小颈干角和前倾角,以避免增加髋关节受力。

全膝关节置换个体化患者右转步态的骨肌多体动力学仿真

目的构建个体化患者全膝关节置换(total knee replacement,TKR)的骨肌多体力学模型,模拟患者下肢右转步态时体内膝关节的生物力学行为。方法以1位具体患者的相关数据为材料,基于骨肌动力学仿真软件Any Body及其依赖于力的运动学建模方法,建立与患者相对应的TKR下肢骨肌多体动力学模型,并对患者的右转步态进行模拟。通过逆动力学分析右转步态,同时预测患者膝关节接触力、关节运动、肌肉活性和韧带力。结果模型预测的胫骨-股骨关节内、外侧接触力的均值均方根误差分别为285、164 N,相关系数分别为0.95和0.61,预测的髌骨接触力均值最大值为250 N。模型预测的接触力和肌肉活性与患者实验测量结果基本一致。此外,模型预测的胫骨-股骨的伸展弯曲、内外旋和内外翻运动的均值分布范围分别为3°~47°、-3.4°~1.5°、0.2°^-1.5°,胫骨-股骨的前后、上下和内外侧平移的运动范围分别为2.6~9.0 mm、1.6~3.2 mm、4.2~5.2 mm。模型还预测了内、外侧旁系韧带力和后交叉韧带力,其最大值分别为190、108、108 N。结论所开发的模型能够预测人工膝关节体内生物力学行为,为后续研究膝关节假体临床失效问题提供强有力的计算平台。

基于术后髋骨CT数据重建个性化骨肌多体动力学模型及步态仿真

背景:髋骨体内受力复杂,需要更高效、准确的方法进行有限元分析。目的:构建与患者术后髋骨相对应的个性化骨肌多体动力学模型并进行步态仿真,探究患者术后髋骨的生物力学行为。方法:根据患者术后髋骨CT数据,在MIMICS中进行三维重建,在Geomagic Studio完成实体化和位置匹配并在Hypermesh中网格化。利用Any Body软件建立患者个性化骨肌多体动力学模型,模拟正常人平地行走时的动作,导出髋骨在整个运动过程中受到的肌肉力、关节力和关节力矩,将导出的数据作为有限元分析的边界条件,在软件Abauqus上计算步态过程中髋骨受到的应力、应变的大小及其集中部位。结果与结论:(1)关节力在2.1 s时,髋关节3个方向关节力的最大值分别为600,2 000,100 N;(2)髂骨关节几乎只有在Y方向受力,最大值为1 000 N;(3)髋关节所受最大应力在30%步态周期处约为12 MPa,最大相对位移为0.5 mm;(4)结果表明,患者术后髋骨所受应力较大的部位主要集中在骶髂关节附近、髋臼后上方、髂骨中央、耻骨上方,术后髋骨所受应力较正常髋骨偏大,患者在康复过程中应注意活动强度。

个体化骨肌多体动力学和有限元联合建模的肩胛骨锁定板生物力学评估方法

为解决难以在体内生理载荷条件下评估植入物力学性能的问题,建立了个体化骨肌多体动力学联合有限元建模方法,在个体抬高运动体内载荷状况下调查肩胛骨骨折板的设计和生物力学性能。以一例个体的相关数据为材料,基于骨肌多体动力学软件Anybody和有限元软件Abaqus,建立与个体上肢相对应的骨肌多体动力学模型和肩胛骨骨折固定有限元模型,模拟右臂外展90°和前屈45°运动;采用骨肌多体动力学方法,预测个体体内所有的肌肉力和关节力,然后将预测的肌肉力和关节力加载至肩胛骨骨折固定有限元模型,调查新设计骨折板的生物力学性能,并与传统重建板进行了对比。结果表明:在右臂外展和前屈运动中,最大盂肱关节接触力分别为428 N和379 N;2.6 mm厚度新设计骨折板的最大范氏应力分别为118 MPa和113 MPa,均小于3 mm厚度重建板的最大范氏应力128 MPa和142 MPa。与传统的植入物失效评估方法相比,个体化联合建模方法增加考虑了个体的解剖差异和体内生理载荷状况,允许在个体日常活动体内载荷下调查植入物的生物力学性能,可为假体设计、医生手术和术后康复提供理论指导。

DDH患者全髋关节置换中股骨偏心距对骨肌多体动力学和接触力学的影响

目的探讨先天性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)患者全髋关节置换(total hip arthroplasty,THA)中股骨偏心距的生物力学影响。方法以1例CroweⅣ型DDH女性患者的相关数据为材料,基于骨肌多体动力学软件AnyBody,建立与患者对应的个体化THA下肢骨肌多体动力学模型,分析股骨偏心距在±20 mm内变化时髋关节力、外展肌力的改变。同时建立不同偏心距下股骨-S-ROM假体动态有限元模型,由骨肌模型计算的不同偏心距下水平匀速行走步态内的动态载荷被加载至相应的有限元模型,对S-ROM假体柄与袖套之间的应力、接触应力和微动进行分析。结果股骨偏心距±20 mm内的变化对髋关节力峰值影响较小,股骨偏心距减小会导致外展肌力峰值显著增加,股骨偏心距增大会导致柄的最大应力、接触应力和微动显著增加。结论 DDH患者THA中股骨偏心距改变对外展肌力和假体最大应力、接触应力与微动影响显著,医生应予以考虑。

单髁膝关节置换术股骨部件不同内外侧安装位置的骨肌多体动力学研究

单髁膝关节置换术(UKA)中假体的手术安装精度是影响术后膝关节功能和假体寿命的重要因素。本文以UKA股骨部件相对胫骨衬垫内外侧位置的比值(a/A)为参数,分别考虑了9种不同股骨部件安装情况,建立UKA置换的骨肌多体动力学模型并模拟患者术后行走步态,研究UKA手术中股骨部件内外侧安装位置对术后膝关节接触力、关节运动和韧带力的影响。结果表明,随着a/A比值的增大,膝关节内侧假体接触力减小,外侧软骨接触力增大;膝关节内翻运动、外旋运动和关节后移运动增大;前交叉韧带力、后交叉韧带力和内侧副韧带力减小。UKA股骨部件内外侧安装位置对膝关节屈曲伸展运动、外侧副韧带力影响不大。而当a/A≤0.375时,股骨部件与胫骨会产生接触。为了避免内侧假体和外侧软骨承受过高的载荷、产生过高的韧带力以及内侧假体与胫骨碰撞等问题,本文建议医生UKA手术中安装股骨部件时a/A比值控制在0.427~0.688范围内,为UKA手术中股骨部件内外侧安装提供了参考依据。

后稳定型全膝关节假体的骨肌多体动力学研究

后稳定型全膝关节假体已经被广泛应用于骨科临床治疗膝骨关节炎,但是胫骨衬垫立柱的磨损、断裂以及假体松动等失效问题依然困扰着患者和医生。了解患者体内膝关节假体的生物力学特性有利于降低术后的假体翻修率和患者不满意度。本文针对6种不同后稳定型全膝关节假体分别建立了全膝关节置换的骨肌多体动力学模型,在模拟走路、右转和下蹲3种生理活动下,对比研究了6种后稳定型全膝关节假体的生物力学差异。结果表明,在走路、右转和下蹲活动中PFC Sigma和Scorpio NGR两种假体的立柱所受接触力较大,增加了立柱断裂和磨损破坏以及假体早期松动的风险。Gemini SL的螺旋型立柱设计更有利于膝关节的内外旋转运动,同时避免了立柱边沿接触磨损。后稳定型全膝关节假体矢状面较低的关节面匹配度设计和较晚的立柱-凸轮相遇接触设计将导致较大的前后平移运动。本文为临床指导医生选择、改进假体设计和降低假体失效提供了理论支撑。

UKA假体后倾角安装位置对衬垫磨损的影响

目的研究单髁膝关节置换(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)假体不同后倾角度安装对膝关节承载、运动及衬垫磨损的影响。方法联合UKA骨肌多体动力学模型、有限元模型和磨损模型,分析固定式UKA假体5种后倾角安装位置情况对术后膝关节力和运动、衬垫接触应力、线性磨损深度和体积磨损量的影响。结果后倾角0°时,衬垫的最大von Mises等效应力为24.84 MPa,接触应力为47.61 MPa,5百万次循环(million cycle,MC)周期的磨损量为47.29 mm3。随着UKA胫骨假体后倾角的增加,步态周期内旋和后移运动均增大,摆动相的内侧关节力增大,5 MC磨损周期后衬垫von Mises等效应力与接触应力显著减小,衬垫的磨损面积、最大线性磨损深度和体积磨损量随之减少。相对于后倾角0°,后倾角为3°、5°、7°时衬垫的线性磨损深度分别减小了17.8%、19.2%、20.6%;衬垫体积磨损量分别下降了24.5%、30.9%、34.3%。结论UKA假体考虑后倾角安装超过3°时会显著增加步态周期内旋运动和后移运动,减小聚乙烯衬垫关节面的磨损。

UKA关节线安装误差对膝关节接触力学和运动学影响

目的针对单髁膝关节置换(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)内侧假体松动和外侧关节软骨退化问题,通过骨肌多体动力学方法研究不同生理活动中UKA关节线安装误差对膝关节接触力学和运动学的影响。方法以内侧自然关节线为0 mm误差,分别考虑±2 mm、±4 mm、±6 mm共6种关节线安装误差情况,建立7个内侧UKA置换的骨肌多体动力学模型,对比研究步行和下蹲运动中膝关节接触力学和运动学的变化。结果在步行步态周期70%时,相比于0 mm误差UKA假体关节线升高2 mm时内侧假体接触力增大127.3%,外侧软骨接触力减少12.0%;在UKA假体关节线降低4 mm时内侧假体接触力接近0 N,外侧软骨接触力增大10.1%;胫股关节总接触力在关节线升高和降低2 mm时分别增大19.7%和减小14.2%。在下蹲屈膝100°时,相比于0 mm误差膝关节内侧假体接触力和胫股骨关节总接触力在UKA假体关节线升高2 mm时分别增大31.6%和11.1%,在UKA假体关节线降低2 mm时分别减小24.5%和8.5%,而膝关节外侧软骨接触力变化不大。同时,在步行步态周期70%时,随UKA假体关节线升高,膝关节外翻运动增大、内旋运动增大、关节前移;随关节线的降低,而呈现相反趋势。下蹲运动中膝关节内外翻运动和前后平移运动与步行步态趋势一致,但内外旋运动则刚好相反。结论为了降低内侧假体失效风险和外侧软骨退化风险,建议医生控制UKA假体关节线误差在-2~2 mm范围内。研究结果为UKA假体关节线变化引起的临床失效问题提供理论依据。

老年与青年下肢关节生物力学特征研究

目的应用三维步态分析系统评估日常活动中老年人与青年人的差异性,分别为其提供针对性的日常生活指导。方法老年组10例健康老年人,其中男3例,女7例;年龄平均(69±12.42)岁。青年组10例健康青年人,其中男6例,女4例;年龄平均(26.29±2.29)岁。应用Vicon运动分析系统与骨肌多体动力学软件比较运动学和动力学参数。结果老年组水平行走时步行周期较青年组增大,跨距减小(P<0.01)。水平行走过程中老年组个体间差异较大(P>0.05),老年组的踝关节合力峰值大于青年组(P<0.05)。结论三维步态分析在指导老年人日常生活保护有较好的实用价值。老年人应适当增加运动锻炼,可行步态矫正训练与矫形鞋垫等超早期干预。

人体足地接触模型的步速适用性

目的构建骨肌多体动力学足地接触模型,研究其适用速度范围。方法采集5名测试者的步态运动数据,以骨肌多体动力学仿真软件Any Body全身模型为基础,建立足地接触模型,分析慢走、正常行走、快走和慢跑不同步态速度下的地面反作用力(ground reaction force,GRF)和地面反作用力矩(ground reaction moment,GRM),并与测力板实验测量值进行对比,分析模型预测精度,获得足地接触模型的适用范围。结果在慢走、正常走和快走(步速0.69~1.68 m/s)时,足地接触模型预测能力较高,GRF预测值与实验值相关性大于0.875,GRM预测值与实验值相关性大于0.9。结论所开发的足地接触模型同时计算GRF和GRM,可以消除步态分析中对测力板的依赖,能够应用于老年人及病理性步态等低速步态的运动学分析。

老年健康个体的运动特征研究

目的 从生物力学的角度评估日常活动对老年人的定量影响,为其提供针对性的日常生活指导。方法 采集7例健康老年个体水平行走和起立过程的运动并进行骨肌多体动力学分析,7名健康青年作为对照组。采用独立样本t检验比较老年组与对照组在水平行走以及坐立起身过程中的运动学和动力学参数的统计学差异。结果 老年组水平行走时步行周期较对照组组增大14.8%(P<0.01),跨距减小17.3%(P<0.02)。水平行走过程中老年组个体差异较大,踝关节力比对照组大14.3%(P>0.05),是老年人中多发踝关节疼痛的主要原因。起立过程中地面反作用力之和较对照组更大,竖直方向加速度增大,采用双手叉腰起身时双腿对称性更接近1(P<0.02)。结论 老年人运动能力减弱,步速降低,跨距减小,踝关节力增大,起立过程的竖直加速度增大,双腿对称性更优。

三维有限元建模分析在髋关节撞击综合征诊疗中的应用研究进展

髋关节撞击综合征被认为是导致髋关节早期骨关节炎的主要原因之一,是一种以解剖结构异常为基础、伴随生物力学异常的临床疾病。目前关于髋关节撞击综合征的诊断手段不断发展。三维有限元分析是基于"化整为零"思想的力学分析方法,在分析物质力学特性和材料形变方面有着独特的优势。目前,有限元分析在髋关节撞击综合征诊疗中的应用不断扩展。本文就有限元分析在髋关节撞击综合征诊疗中的应用现状进行初步归纳,并对三维有限元的技术进展、适用范围进行归纳分析。

膝骨性关节炎合并内翻畸形患者运动特征研究

为研究膝骨性关节炎合并内翻畸形患者术前生物力学群体特征,用于比较患者术前术后步态延续性及进行术后康复指导,本文采集9例患者水平行走和坐立-起身过程的步态,并进行骨肌多体动力学分析。本文研究结果显示,水平行走时试验组下肢运动功能减弱,试验组非手术侧膝关节平均活动范围为22.5°~71.5°,拟置换侧膝关节平均活动范围为24.4°~57.6°,而对照组膝关节平均活动范围为7.2°~62.4°。单侧膝内翻患者完成坐立-起身过程时的下肢地面反作用力对称度介于0.72~0.85,非手术侧下肢起主要支撑作用。双侧膝内翻患者坐立-起身时地面反作用力之和最小。尽管单侧膝内翻患者采用非手术侧下肢过量负载的代偿方式能完成术后日常活动,但长期过量负载容易增加非手术侧下肢膝关节罹患膝骨性关节炎风险。对膝骨性关节炎合并内翻畸形患者完成日常活动的运动学和生物力学特征进行研究,有助于从生物力学角度理解内翻膝的发病机制,对患者的术前评估、预防和术后恢复具有较强的临床指导意义。