新型运动模式铰链膝关节假体磨损有限元分析

目的 对新型球轴运动模式铰链膝关节假体进行有限元分析,研究假体磨损仿真的方法及运动方式对假体磨损的影响。方法 基于球轴假体接触力学有限元模型,根据Archard磨损理论,建立磨损有限元模型,以各种运动数据为加载条件,模拟生理活动下膝关节的力学环境,研究球轴假体磨损情况。结果 对于胫骨衬垫,上下楼时平均和最大接触应力均高于步行,上楼时累积磨损体积大于下楼和步行,且磨损均主要发生在衬垫下表面。对于球轴衬套,仅步行时存在短时间接触和磨损,累积磨损体积为0.19 mm^(3)。结论 铰链膝关节假体的球轴运动模式可改善置换后膝关节力学环境,降低衬套磨损,延长假体生存期。有限元仿真可有效预测铰链假体的磨损,为其设计及改进提供理论支持。

儿童双运动轨迹半膝关节假体的问题与对策

背景:应用全膝置换治疗儿童股骨髁部恶性骨肿瘤会破坏胫骨端骨骺而导致儿童生长发育过程中出现双侧肢体不等长。本课题组针对单纯半膝髁表面置换后金属假体对胫骨平台造成磨损的问题,首次提出双运动轨迹半膝关节置换理念。目的:分析儿童双运动轨迹半膝关节假体在临床应用中出现的问题,提出改进意见,并对该假体的具体参数和力学特性进行研究。方法:随机选取2011年7月至2013年3月行双运动轨迹半膝关节置换术的6例患儿,对假体髁部参数进行测量及对术后膝关节AKS评分进行统计学分析。选取1例股骨远端骨肿瘤患儿,采集其健侧膝关节的CT及MR数据,利用Mimics10.01及Geomagic studio 12.0软件进行三维重建及图像配准。结果:6例患儿的术后AKS评分与其使用的假体髁部参数存在线性关系;三维重建的股骨髁及关节软骨的复合模型导入Pro/Engineer 5.0软件中计算膝关节力线及旋转轴,并做韧带打孔及内部结构的设计。结论:假体旋转中心在矢状面的横向及纵向偏移均可引起假体不稳,直接导致术后膝关节功能恢复不佳;新方法制作的双运动轨迹半膝关节假体拥有静力学稳定性,同时可最大程度恢复膝关节的前后向稳定性。

股骨近端骨干组配式假体在下蹲步态下的三维有限元分析

对骨干组配式假体重建股骨近端在下蹲步态下的生物力学特性进行分析,探究骨干组配式假体在下蹲步态下的稳定性及应力分布变化规律.根据已获得的CT数据利用计算机辅助技术建立完整的股骨-骨干组配式假体的三维有限元模型,将下蹲步态周期拆分为前期、中期与末期.通过对三维有限元模型施加下蹲步态下的关节力与肌肉力载荷,获得股骨-骨干组配式假体的应力分布.研究结果表明:在下蹲步态下股骨-骨干组配式假体中下段为主要承重部位,为应力主要集中处.其中在下蹲步态整个周期中,假体为股骨相应地分担了一部分应力,避免了应力集中,在下蹲步态三个时期中的末期应力最大为34.374 MPa.该研究能够为后续组配式假体的设计与改进与医学临床工作提供生物力学依据.

导航辅助髋臼肿瘤切除与个体化定制假体重建

目的探讨计算机导航辅助髋臼周围肿瘤精确切除与个体化定制假体重建的效果。方法选取1例左侧骨盆软骨肉瘤切除术后复发患者，男，55岁，二次术前行CT和MRI检查，利用三维图像融合技术判断髋臼周围肿瘤侵袭范尉，确定外科边缘及截骨平面，根据截骨后骨盆缺损范围利用计算机辅助设计与制造（CAD／CAM）技术设计并定制个体化髋臼似体。术前将CT数据、标记的截骨范围搜假体安装参数导入导航系统中进行规40，术中在导航引导下精确切除肿瘤并验证切除边界的准确性，继而在导航辅助下完成个体化定制假体的精确安装，验征假体的匹配程度。切除标本后送病理学检查，洲量患肢长度变化。并参照肌肉骨骼肿瘤学会93（MSTS 93）功能评分标准评定关节功能。、结果三维图像融合技术叮有效指导复杂区域肿瘤安全边界的确定。计算机导航辅助肿瘤}切除和个体化定制髋臼假体重建能够满足髋臼肿瘤精准切除和重建的要求，切除边缘经病理学榆查证实无肿瘤存在，导航验证及影像学证实假体安装准确，假体与截骨界面完美匹配，髋臼位置和角度理想。术后6个月假体在位良好、兀松动，螺钉无断裂，肿瘤无复发、转移，无感染，MSTS93评分为16分．结论综合利用计算机导航、图像融合、逆向工程、CAD／CAM可行效实现髋臼周围肿瘤的精确切除与个体化定制髋臼假体重建，实现手术目标。

计算机导航辅助髋臼肿瘤精确切除与重建

目的探索髋臼恶性肿瘤精确切除与重建的有效方法，评价其临床治疗效果。方法利用图像融合、逆向工程、计算机辅助设计与制造等技术，建立髋臼恶性肿瘤精确切除与重建的治疗流程，完成术前规划并制备个体化定制髋臼假体，利用计算机导航系统辅助手术实施，实现肿瘤的精确切除及假体安装。自2010年12月至2012年5月，采用该流程治疗3例髋臼恶性肿瘤患者，软骨肉瘤2例、原始神经外胚层肿瘤1例，均累及骨盆Ⅱ＋Ⅲ区。采用国际骨肿瘤协会（Musculoskeletal TumorSociety，MSTS）功能评分评价患肢功能，统计并发症发生情况。结果3例患者均成功获得精确的肿瘤切除与髋臼重建。1例患者术后因搬动失误发生髋关节脱位，予以闭合复位；该例患者术后出现下肢深静脉血栓形成，对症治疗后治愈。术后3例患者均获得随访，随访时间10-21个月。至末次随访时3例患者均无瘤生存，未见感染、假体松动、螺钉断裂等并发症。MSTS评分为18-26分。结论计算机导航辅助肿瘤切除和个体化定制髋臼假体重建能够满足髋臼肿瘤精确切除和重建的要求，肿瘤切除彻底、髋臼重建满意、并发症发生率低、近期效果良好，是外科治疗恶性髋臼肿瘤的一种有效方法，其远期疗效有待于进一步观察。

基于成人掌骨形态学数据设计的掌骨弹性髓内针治疗掌骨骨折的生物力学研究

目的探讨基于成人掌骨形态学数据设计的掌骨弹性髓内针的生物力学性能,为临床应用提供基础。方法选用成人新鲜冰冻手掌标本12例,取第2~5掌骨共计48根,按照随机数字表法将切取的掌骨分为3组,钢板螺丝钉内固定组、交叉克氏针内固定组和弹性髓内针内固定组,每组包含第2~5掌骨各4根,共16根掌骨;其中8根用于悬臂折弯测试,8根用于扭转测试。用骨刀距掌骨远端20 mm处横行截骨,制作简单横行骨折模型。钢板螺丝钉内固定组以直列4孔掌骨锁定接骨板,以骨折线为中心,在骨折线远端、近端各采用2枚2.0 mm双皮质锁定螺钉固定;交叉克氏针内固定组采用1.0 mm不锈钢克氏针以骨折线为中心交叉固定;弹性髓内针内固定组使用笔者团队设计的直径2.0 mm的掌骨弹性髓内针,配合把持器和开髓器,自掌骨基底部顺行穿入髓腔,经骨折线到达掌骨头关节面下固定。使用生物力学测试机对3组进行悬臂折弯和扭转测试,计算3组的最大折弯力、折弯刚度和最大扭矩、扭转刚度。数据比较采用单因素方差分析、SNK法。结果(1)在悬臂折弯测试中,钢板螺丝钉内固定组、交叉克氏针内固定组和弹性髓内针内固定组的最大折弯力分别为(126.3±53.9)、(48.7±18.2)、(88.4±13.9)N,3组比较差异有统计学意义(F=10.530,P=0.001);组间两两比较差异均有统计学意义(P<0.05)。钢板螺丝钉内固定组、交叉克氏针内固定组和弹性髓内针内固定组的折弯刚度分别为(12.33±4.90)、(5.86±5.02)、(10.49±2.05)N/mm,3组比较差异有统计学意义(F=4.988,P=0.017);交叉克氏针内固定组分别与另2组比较,差异均有统计学意义(P<0.05),钢板螺丝钉内固定组和弹性髓内针内固定组比较差异无统计学意义(P>0.05)。(2)扭转测试中,钢板螺丝钉内固定组、交叉克氏针内固定组和弹性髓内针内固定组的最大扭矩分别为(1.98±0.42)、(0.61±0.39)、(0.50±0.34)N·m,3组比较差异有统计学意义(F=36.635,P<0.05);钢板螺丝钉内固定组分别与另2组比较,差异均有统计学意义(P<0.05),交叉克氏针内固定组与弹性髓内针内固定组比较差异无统计学意义(P>0.05)。钢板螺丝钉内固定组、交叉克氏针内固定组和弹性髓内针内固定组的扭转刚度分别为(0.093±0.040)、(0.022±0.021)、(0.032±0.029)N·m/°,3组比较差异有统计学意义(F=12.554,P<0.05);钢板螺丝钉内固定组分别与另2组比较,差异均有统计学意义(P<0.05),弹性髓内针内固定组和交叉克氏针内固定组比较差异无统计学意义(P>0.05)。结论应用笔者团队基于成人掌骨形态学数据设计的弹性髓内针,最大折弯力,折弯刚度在钢板和交叉克氏针之间,且明显优于交叉克氏针;而最大扭矩和扭转刚度与交叉克氏针相当。该新型弹性髓内针能够满足掌骨骨折内固定术后早期功能康复需求。