有限元分析3种内固定方式治疗伴有内侧骨缺损的C3型股骨远端骨折

目的:伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折预后差,目前尚无治疗伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折的金标准。本研究采用有限元分析比较股骨远端外侧单钢板、逆行髓内钉和内外侧双钢板这3种治疗伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折的内固定方式的生物力学特点,旨在为临床选择内固定治疗方式提供理论依据。方法:选取1位43岁体重60 kg男性志愿者,无股骨骨折及骨病史,股骨X线及CT检测表明骨质条件无异常。运用螺旋CT对志愿者的股骨全长进行层厚1 mm的断层扫描,通过有限元分析方法基于CT采集数据建立伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折仿真模型,并分别建立股骨远端外侧解剖钢板(单钢板组)、逆行髓内钉(逆行髓内钉组)以及内外侧双钢板(双钢板组)固定的三维模型。模拟60 kg体重男性行走步态中单足负重中立位受力情况,对装配模型施加300 N轴向应力,观察各组模型中内植物的应力、剪切力、位移、股骨应力分布及骨折端位移情况。结果:单钢板组、逆行髓内钉组、双钢板组的内植物应力峰值分别为149.300、59.281、58.038 MPa,应力峰值均在股骨远端骨缺损部位。单钢板组、逆行髓内钉组、双钢板组的内植物剪切力峰值分别为77.867、30.136、33.505 MPa,均出现在股骨远端骨缺损部位。单钢板组、逆行髓内钉组、双钢板组的内植物位移峰值分别为1.34、1.25、0.83 mm,骨折端位移峰值分别为1.529、1.264、0.880 mm,股骨应力峰值分别为72.682、112.430、40.716 MPa。结论:在治疗伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折的3种模型中,双钢板组的内植物位移及应力峰值最小,股骨应力峰值最小,出现内固定断裂风险最低,可能是治疗伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折的更好选择。

非骨水泥型人工髋关节假体固定界面骨整合力学分析

目的:探讨不同假体粗糙面和界面压配下,非骨水泥型人工髋关节假体固定界面初始稳定性以及对骨长入,继发稳定性的影响。方法:采用Mimics软件模拟髋关节置换术重建人工髋关节三维可视化模型。构建假体柄-骨界面摩擦系数为0、0.15、0.40及1.00,代表不同的假体表面粗糙程度;根据实际操作,构建假体柄-骨界面压配为0、0.01、0.05及0.10 mm,选择人体45%步态相模拟人体攀爬楼梯工况,计算并比较骨-假体界面的微动以及相对应的应力分布情况。结果:界面压配为0.05 mm情况下,摩擦系数为0、0.15、0.40和1.00相对应的假体-骨界面正向压力分别为230、231、222和275 MN,随着摩擦系数的增加,正向压力总体趋势变化不大;界面的相对滑移量分别为0.529、0.129、0.107和0.087 mm,表明两界面之间的相对滑移量不断减少。摩擦系数为0.40情况下,界面压配为0、0.01、0.05及0.10 mm相对应的假体-骨界面摩擦力分别为56.0、67.7、60.4和49.6 MN,界面的相对滑移量分别为0.064、0.062、0.043和0.042 mm,说明随着压配量的增加,股骨假体与骨通道之间的正向压力呈下降趋势,摩擦力在压配量为0.01 mm时达到最大值,界面之间的相对滑移量则不断减少。结论:髋关节置换术后,假体和骨组织之间存在骨改建、骨整合的动态过程,其程度决定了假体的远期使用效果。骨-假体界面的间隙和摩擦系数是决定骨假体界面骨整合的关键因素。

新研制的老年不稳定型股骨粗隆间骨折半髋假体有限元分析

对计算机辅助设计的新型股骨粗隆间骨折半髋假体进行模拟人体植入后的三维有限元分析,检验其设计的合理性。对1名60岁正常男性志愿者进行双下肢的股骨中上段CT扫描,以DICOM格式导入Mimics11.1软件,建立股骨近端模型,模拟AO分型中A2.2型骨折(大、小粗隆均有骨折的不稳定型股骨粗隆间骨折)形态建立老年不稳定型股骨粗隆间骨折的模型,将计算机辅助设计生成的新型半髋假体的Pro/E文件导入骨折模型中按手术要求进行装配,然后利用Mimics11.1软件进行网格划分、单元保形优化以及按灰度进行单元弹性模量赋值,最后导入Ansys11.0软件生成三维有限元模型,加载负荷,进行假体植入后股骨应力分布的量化分析研究。所研制的半髋假体植入人体后,力学加载后的应力云图显示假体柄与股骨接触应力主要由股骨粗隆部以下的骨干部所承担,最大平均Von Mises应力值在17.69～26.41 MPa,而大、小粗隆处的应力水平较低,最大平均Von Mises应力值分别为2.76和4.95 MPa。对于老年骨质疏松患者,所研制的股骨粗隆间骨折半髋假体属远段生物固定型假体,符合股骨粗隆间骨折治疗的要求,不易导致骨折分离和假体失稳。

原位微波消融与人工假体置换治疗股骨远端恶性肿瘤的三维有限元分析

目的:探讨股骨远端肿瘤型骨缺损,假体与残骨不同比例的生物力学研究。方法:1例股骨远端患者,术前行64排双源螺旋CT扫描,进行三维重建,建立股骨远端40%、50%、60%骨缺损的复合假体三维有限元模型,分析股骨及假体模型应力分布。结果:肿瘤假体置换40%骨缺损应力分布比较均匀,应力主要集中在假体柄中下段,40%、50%截骨与60%截骨有统计学差异(P<0.05)。40%骨缺损与50%骨缺损没有统计学差异(P>0.05)。结论:股骨截骨长度与假体柄长度之比接近1时较为适宜,出现假体松动、断裂的可能性较小。

病灶刮除后填充骨水泥联合钢板内固定治疗股骨近端良性病变术后股骨颈处的稳定性

背景:对于良性骨肿瘤患者而言,生存周期长,通过手术降低患者并发症发生概率并提高术后生活质量是目前广大医师共同追求的目标。通过探讨良性肿瘤患者的手术方式与预后,选择合理手术方式,预测并降低二次骨折风险,增加患者生活质量。目的:应用有限元技术分析股骨近端良性病变给予不同方案治疗后股骨颈处的受力情况,针对病灶范围较大的病例,评估不同治疗方式术后股骨颈处的稳定性与骨折风险。方法:根据10例股骨近端良性肿瘤患者(受试者)病变部位的术前CT数据,分别建立病灶刮除后填充骨水泥联合钢板内固定三维模型(A组)与病灶刮除后填充骨水泥三维模型(B组)。根据有限元方法模拟人行走股骨颈最大受力情况,对比2组模型术后股骨颈处应力峰值,并评估该处骨折风险。试验方案征得患者同意并经过承德医学院附属医院伦理委员会审查。结果与结论:①A组模型股骨颈处应力值小于B组,差异有显著性意义(P=0.007<0.05);②确认A组模型局部受力合理,采用A组方案对10例受试者进行手术治疗,另有17例符合条件但拒绝进入有限元实验的股骨近端良性病变患者接受A组手术方案;③术后随访14-42个月,随访期间复查影像学资料未发现术区新发骨折,内固定装置牢固无断裂。术后12个月,所有患者的国际骨与软组织肿瘤协会评分平均为(26.12±2.28)分;④提示通过有限元技术进行模拟受力评估与术后随访,验证了刮除病灶后填充骨水泥联合钢板内固定治疗股骨近端良性肿瘤更加合理有效,该方案可有效降低术后二次骨折发生风险,增强手术区域的稳定性。

股骨内侧髁软骨不同缺损面积影响周围软骨应力的三维有限元分析

背景:研究发现三维有限元分析可用于膝关节生物学研究,但关于股骨内侧髁不同缺损后周围软骨应力变化的研究不多。目的:探讨膝关节股骨内侧髁软骨发生不同缺损前后周围关节软骨应力的变化趋势,为膝关节股骨内侧髁软骨缺损患者提供生物力学数据。方法:选取正常成人1例建立三维数字有限元模型,在Abaques软件中将己划分好网格的模型录入材料力学特性,约束边界条件及在模型上加载载荷,进行有限元结构非线性计算,首先观察正常膝关节软骨半月板在载荷条件下的应力空间分布,然后观察股骨内侧髁软骨发生不同缺损(0,6,8,10,12,14,16,18,20 mm)后周边软骨在载荷条件下的应力空间分布,分析股骨内侧髁软骨缺损时发生在软骨上的应力改变情况。研究方案获得昆明医科大学第一附属医院伦理委员会批准,试验志愿者对试验过程完全知情同意。结果与结论:①成功定义了模型的材料属性、边界条件及载荷的引入,并得出了膝关节内侧髁软骨发生不同直径缺损时关节软骨的应力云图及其应力数据,经统计分析得到,当股骨内侧髁软骨出现10 mm(面积0.78 cm2)和12 mm(面积1.13 cm2)缺损分别为股骨髁和胫骨平台软骨上的应力较无缺损时有显著性变化;②应用三维有限元法计算得出了在膝关节内侧髁的软骨发生不同直径缺损的情况下膝关节软骨的应力变化趋势;③结果表明股骨内髁直径10 mm(面积0.78 cm2)缺损可能是进行软骨修复手术干预的最小直径。

人工股骨头置换术中置入不同直径假体球头的有限元分析

目的:针对老年股骨颈骨折行人工股骨头置换术中,借助三维有限元分析的方法,探讨置入不同直径的假体球头后的髋关节生物力学变化,观察对髋关节应力分布变化,以便选择出合适的假体球头尺寸。方法:利用薄层CT资料及人工股骨头假体相关参数建立装配有不同假体球头直径的人工股骨头置换术后髋关节有限元模型(M0:术前模型;M1:球头直径=原股骨头直径;M2:球头直径=原股骨头直径+1 mm;M3:球头直径=原股骨头直径-1 mm;M4:球头直径=原股骨头直径-2 mm),并加载关节合力及相关肌肉的负荷,模拟人缓慢行走时单足站立状态,分析不同直径假体植入后髋臼周围骨质及软骨的应力分布及变化。结果:(1)M1~M4中骨盆均出现了不同程度的应力集中,M3的骨盆Von Mises应力峰值为44.8 MPa,与术前最为接近,增量约13.4%,且M3的骨盆位移在术后4组模型中最小,为1.40 mm;其次是M1,应力峰值为47.3 MPa,增量约19.7%,骨盆位移为1.59 mm。(2)在髋臼区域,M3的Von Mises应力峰值为23.3 MPa,与术前最为接近,增量约6.3%,其次是M1,应力峰值为24.0 MPa,增量约8.1%。(3)髋臼软骨上,M1与M3的应力分布同术前相似,且M3的Von Mises应力峰值为18.5 MPa,与术前最为接近;其次是M1,应力峰值为22.5 MPa。(4)M1~M4均在人工股骨头的外上象限出现不同程度的应力集中,而在其下方表现为应力遮挡;其中M3的Von Mises应力分布较其余模型更为均匀,其峰值70.8 MPa为各组中最低,其次为M1(80.7 MPa)。结论:在行人工股骨头置换术时,建议优先使用比原股骨头直径小1 mm的假体球头,其次是与原股骨头直径相等的假体球头,来获得与置换术前的髋关节最接近的自然力学特性,降低因尺寸差异导致的并发症风险。

全髋关节置换前后股骨应力变化的有限元分析

目的研究Charnley Elite骨水泥型和Summit近端多孔非骨水泥型股骨假体置换后股骨总体应力以及假体周围骨质区应力分布的变化。方法根据Charnley Elite骨水泥柄和Summit非骨水泥柄假体形态建立三维有限元模型,并加载关节合力以及相关肌肉的肌力负荷,分析假体植入前后股骨总体应力模式并对股骨近端假体周围区域骨质应力分布进行分区量化研究。结果两种假体植入后没有改变股骨总体的应力模式,应力峰值区域均位于全长股骨的中下段,但股骨应力峰值有所下降。股骨近端假体周围骨质等效应力水平出现了显著下降,下降最严重的区域为近段内侧象限即股骨距区,应力遮挡率分别达90.8%和95.3%;向假体远端应力水平逐渐增大,直至假体远段和末段水平应力值逐渐恢复并接近生理水平。就该两种不同固定方式的假体比较而言,引起的应力遮挡区域分布基本一致,应力下降程度Summit近端多孔非骨水泥型假体要高于Charnley Elite骨水泥型假体。结论两种假体植入后均在股骨近端形成显著的应力遮挡,假体周围骨质应力大小和分布的改变是引起术后骨量丢失和假体松动的原因之一,也是术后股骨骨折发生的类型以术后肢体疼痛发生的力学基础。两种固定方式的假体均需通过进一步改进以减少应力遮挡。

股骨近端骨缺损与骨折相关性的有限元分析

目的 建立股骨近端不同缺损三维有限元模型,分析研究股骨近端在慢步行走步态周期中的局部应力及应变,估计骨折可能范围,为临床工作提供理论依据。方法 通过CT扫描股骨全长建立股骨近端3种缺损情况下的三维有限元模型,模拟下肢慢步行走负荷加载,分析股骨近端小转子区、转子间区和股骨颈骨缺损的应力变化。结果 ①小转子中点水平的股外侧单皮质缺损为5%～25%时,局部最大应力分别为96.74～179.10 MPa,当缺损≥10%时,局部最大应力均大于极限应力值141 MPa。内侧相对区域最大应力为46.15～62.13 MPa,远小于其屈服应力93 MPa。②转子间水平的股外侧单皮质缺损为5%~25%时,局部最大应力分别达45.70～127.11MPa,均小于极限应力。内侧应力改变同小转子缺损。③股骨颈内侧皮质完整的髓腔球形缺损≤40%时,局部应力均小于屈服应力93 MPa,缺损45%～50%时,局部最大应力分别为100.20 MPa和119.40 MPa,小于极限应力;④破坏内侧皮质1/2的髓腔球形缺损为15%～50%时,局部最大应力为87.79～1270.40 MPa,当缺损≥45%时,局部最大应力大于极限应力。结论 股骨近端外侧皮质缺损,对相应的股骨内侧影响不大;对于小转子水平股骨外侧单皮质缺损,当缺损≤5%相对安全,≥10%时将会出现局部骨折;转子间水平股骨外侧单皮质缺损,缺损≤20%时相对安全,≥25%时存在局部骨折风险;股骨颈内侧皮质完整的髓腔缺损,≤40%时均相对安全,45%～50%有一定的局部骨折风险,但若缺损≥45%而皮质完整特别是前后皮质完整者,其局部骨折风险很小;股骨颈内侧皮质破坏1/2的髓腔内缺损,≤20%时相对安全,≥45%将会出现局部骨折。

股骨偏心距对老年全髋关节置换术中应力水平影响的三维有限元分析

目的利用三维有限元分析法评估老年患者不同股骨偏心距（femoraloffset，FO）对骨水泥全髋关节置换术（totalhiparthroplasty，THA）中应力水平的影响。方法对2例正常双髋关节用CT图像进行影像学测定，参数包括FO、颈干角和颈长。建立三维有限元模型，对THA中不同颈长、颈干角和FO的变化进行VonMises应力分析。结果假体和骨水泥上应力随着颈干角的增加而单调下降，颈长在35～44mm范围内，假体和骨水泥上应力水平较低，超过这一范围应力水平单调上升。结论降低假体和骨水泥上的应力、提高股骨上的应力及增加髋关节活动范围与FO密切相关。重建F0有利于恢复外展肌力臂及正常髋关节的生物力学功能。

髋表面置换股骨侧假体外翻位植入后股骨近端应力变化的有限元分析

目的 探讨髋表面置换股骨侧假体外翻位植人后股骨近端的应力变化，并寻求最佳外翻植入角度。方法建立正常股骨近端髋表面置换股骨侧假体（Wright假体）三维模型，其中股骨假体按解剖颈干角（本文选用股骨模型的生理解剖颈干角为135°）、外翻5°、10°、15°植入，加载关节合力及相关肌肉的肌力负荷，分析假体植入前后股骨近端的应力分布变化，并对股骨近端假体周围区域骨质应力分布进行分区量化研究。结果股骨假体轻度外翻植入降低了股骨头颈交界处上方（2、8区）的应力，5°外翻植入股骨头上方假体杯下缘（1、7区）应力遮挡最小，股骨颈下方（4、10区）应力分布更接近正常股骨。结论外翻5°植入假体股骨近端应力更接近正常股骨，降低了股骨颈骨折和假体松动的危险。