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。

运用有限元分析新型半髋假体装配过程中的应力分布

目的利用计算机模拟一种新型半髋假体系统假体装配过程中与股骨相互接触作用所产生的应力,探讨分析在临床手术中的操作界限值和相适应的假体外形。方法对一名60岁正常男性志愿者进行双下肢的股骨中上段CT扫描,从扫描图像中建立实体模型后利用与有限元的数据交互功能进行实体模拟装配、网格划分、保形简化以及单元弹性模量赋值等操作步骤,最后生成三维有限元模型,并构造股骨与假体之间的面-面接触关系,模拟分析假体植入装配过程中的相对滑移和应力分布情况。结果下压装配过程中假体柄对骨皮质产生附加应力,带棱槽假体的最大接触压力产生于棱槽变截面处,而最大装配应力和相对滑移量随假体压入深度呈非线性增长,当Δz≥0.5 mm后附加应力增长速率显著提高。结论与无棱槽假体的对比分析表明采用棱槽的半髋假体更容易装配并获得机械稳定,但在临床手术装配中应参照一定的量化操作要求,避免在植入时产生过大附加应力,对骨皮质产生破坏而导致治疗失败。

TC股骨转子间骨折半髋假体系统的研制及力学测试

目的针对老年不稳定型股骨转子间骨折,研制一套新型半髋假体系统———TC(Trochanteric Prosthesis Sys-tem)半髋假体系统,以保存粗隆部骨量,达到早期功能锻炼的要求。方法选择1名正常成年男性志愿者,对其双侧股骨进行CT薄层扫描,所得图像信息以DICOM格式储存,导入有限元建模软件建立股骨中上段三维模型。利用计算机Pro/E软件进行半髋假体的辅助设计,计算机数控快速成型技术制造半髋假体的金属模型,在尸体骨上反复验证和修改完善后,开模铸造正式假体。将所研制假体模拟植入人体股骨后进行三维有限元分析。选择1名老年男性的新鲜尸体股骨标本,制作A2.2型(AO分型)股骨转子间骨折模型,模拟手术植入装配所研制的半髋假体系统。按照国家行业标准YY0117和YY0118的要求进行材料的性能测试、假体头颈部疲劳测试、假体柄部疲劳测试以及模拟植入新鲜尸体股骨后的抗压、抗扭转等生物力学性能测试。结果新型股骨转子间骨折半髋假体试样的头颈部、柄体部的疲劳性能测试结果 500万次(8 Hz),假体未断裂或失效;植入新鲜尸体股骨后抗压达到2 kN,试样未失效,抗扭转最大扭矩达到15.5 N.m。有限元分析应力云图显示假体柄与股骨接触应力主要由股骨转子部以下的骨干部所承担,最大平均Von Mises应力值为17.6～26.4 MPa,而大、小转子处的应力水平较低,最大平均Von Mises应力值分别为2.7、4.9 MPa。结论本研究所研制的老年不稳定型股骨转子间骨折半髋假体系统具有操作简便、固定牢靠、充分保存转子部骨量的特点,并且能够达到早期功能锻炼的生物力学要求。

三种3D打印钛合金骨小梁多孔结构的力学性能及选型

3D打印钛合金骨小梁已成为骨科关节植入物应用的新兴材料,与涂层假体相比,钛合金骨小梁具有骨长入快和骨长入好的优点,而对其力学性能的研究是探究骨小梁假体可植入性的基础。为了保证植入物的安全,目前多采用试验方式确定骨小梁结构的力学性能,进而选出最优结构型。文章对无序仿生、立方、菱形十二面体三种3D打印钛合金骨小梁进行对比分析,通过拉伸、压缩、压缩-剪切试验,发现无序仿生钛合金骨小梁的抗拉强度、抗压强度与抗压-剪强度均高于另外两种结构的骨小梁,因此认为无序仿生钛合金骨小梁结构是制备金属骨小梁髋关节假体的优选型结构。

三维CT股骨转子间骨折的三柱分型

目的研究股骨转子问骨折新的临床分型并对手术治疗提出分型指导意见。方法收集2007年9月-2011年10月176例股骨转子间骨折患者，利用X线和螺旋cT三维重建方法，观察骨折的形态、部位、主要骨折块的数量和移位方向，结合手术所见和尸体骨解剖研究，在Mimics11．1建立的正常股骨近端三维实体模型上模拟股骨转子问骨折并进行分型研究。结果新分型以头颈骨折块与股骨转子部骨连接为基础，按照内侧柱、外侧柱、后侧柱的完整与破坏情况将股骨转子问骨折分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五种类型。结论新分型引入了三柱分型概念，较以往分型更为简明实用，对骨折稳定性的界定更为清晰，并提出了分型治疗建议。