三維有限元分析及相關技術在三翼臼固定后應力和位移測定中的應用.pdf

1、全髖關節(jié)置換術后松動，尤其是合并髖臼頂骨缺損的全髖翻修術，是骨科極富挑戰(zhàn)性的手術。國外學者應用ARR(Burch-schneider、Ganz)、Bilobed假體等髖臼翻修假體修復各種嚴重的髖臼假體松動伴骨缺損的病例，臨床取得了良好效果。我院于上世紀九十年代初設計并應用三翼髖臼假體治療髖臼異常的初次全髖置換和伴嚴重骨缺損的髖臼翻修病例，取得了良好效果。該假體通過三翼嵌入缺損臼窩內骨床內，擴大了假體容積，三個刃分別固定于臼窩內使假體錨固

2、牢靠；三個翼之間形成的植骨間室有利于顆粒骨打壓植骨的植入，而且具有手術操作簡單等優(yōu)點。臨床應用隨訪4-10年的結果顯示骨改造已經(jīng)完成。但是三翼臼假體固定后，髖臼周圍的相關應力變化的力學研究還不充分。本實驗旨在通過有限元分析三翼假體固定后的力學分布及假體的穩(wěn)定性，為進一步優(yōu)化三翼假體的設計提供實驗依據(jù)。 本課題采用先進的有限元分析方法、數(shù)字散斑圖象相關法(DSCM)，對髖臼骨缺損的三維計算機模型和骨盆實體模型分別進行了用三翼臼固定

3、后的應力和位移測定。 實驗一、三翼臼假體植入髖臼骨缺損后的三維有限元分析目的：在計算機上建立骨盆和三翼臼三維有限元模型，模擬靜態(tài)下的髖關節(jié)受力，分析三翼臼和髖臼的應力分布和它們之間的微動位移。 材料與方法：利用健康志愿者的骨盆CT掃描資料，提取CT圖象中骨盆的骨骼邊界信息，將骨骼信息進行二維至三維的轉換，在Unigraphics17.0軟件的幫助下建立具有節(jié)段性臼頂骨缺損的骨盆三維模型以及三翼臼三個翼4種不同擴展角度的假

4、體三維模型。試驗中，根據(jù)三個翼擴展角度將三翼臼分別設為0°、36°、45°、60°四個實驗組，并設Bilobed臼杯假體和普通臼杯為對照組。在有限元分析中，既往均將研究對象作為一種均質材料。本課題將骨盆作為皮質骨和松質骨組成的復合材料，分別設定其材料和力學參數(shù)，然后進行有限元分析的網(wǎng)格劃分，其中對于髖臼的生物力學相關部位，進行了精細的網(wǎng)格劃分，使有限元模型與既往的研究相比，更加可靠(共劃分面單元2253個，四節(jié)點四面體單元18124個，

5、節(jié)點4835個)。經(jīng)過有限元分析的限定邊界條件、加載等步驟，得到骨盆和三翼臼在人體單腿站立時的應力和位移云圖。 結果：①在骨盆模型的臼頂上，各組精確地在5個相對應的位置讀取有限元節(jié)點的應力數(shù)值，分別比較了三翼臼翼不同擴展角度下應力間的差別。結合應力測試點、三翼臼翼擴展角度的兩種因素，進行2因素方差統(tǒng)計分析，結果顯示三翼不同擴展角度各組內，36°實驗組和45°實驗組之間應力差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，而0°實驗組和60°實驗

6、組之間、以及分別與36°實驗組、45°實驗組之間應力差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。而四個實驗組與兩個對照組之間應力差別均有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。 ②三翼臼假體的應力分析結果顯示最大等效應力為15.2MPa，最小等效應力值為0.74MPa。對各組三翼臼的應力峰值和其三翼臼擴展角度之間進行了統(tǒng)計相關分析，兩者之間相關性無明顯統(tǒng)計學意義。 ③依據(jù)三翼臼三個翼板和髖臼的位移量，得到三翼臼和髖臼之間的微動位移量。

7、 實驗二、數(shù)字散斑圖像相關法在測量三翼臼固定后位髖臼位移變化中的體外實驗目的：在離體骨盆標本上制作臼頂骨缺損模型，植入三翼臼后，采用數(shù)字散斑圖像相關法測量髖臼上方的位移值，評估假體和髖臼的微動位移量。 材料與方法：先根據(jù)骨盆標本的測量結果，設計了實驗用不同翼擴展角度的三翼臼，三翼臼的三翼擴展角度分別為0°、36°、45°和60°四種。在離體骨盆標本上制作臼頂骨缺損模型，固定三翼臼后，在髖臼上方制作散斑圖，模擬手術情況在缺損髖臼內

8、植入相應大小的三翼臼假體，模擬單腿站立時髖關節(jié)的負重情況，進行300N、600N和900N分級加載，記錄四組實驗于各級載荷前和載荷后的變形圖象。 結果：①經(jīng)過測試數(shù)字散斑相關法結果中髖臼上方測試區(qū)域最大的位移為192μm，出現(xiàn)在0°組，最小位移值為112μm，出現(xiàn)在60°組。 ②測試區(qū)的結果與有限元分析結果中相對應位置的數(shù)據(jù)進行比較。結合位移測試點、三翼臼三翼擴展角度和測試方法三種因素，進行3因素方差統(tǒng)計分析，結果顯示有

9、限元分析方法和數(shù)字散斑圖象相關法之間位移的差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，驗證了骨盆有限元的可靠性。 實驗三、電阻片應變法在測量三翼臼固定后骨盆應力變化中的體外實驗目的：電阻片應變法測量骨盆實體髖臼骨缺損模型三翼臼固定后髖臼上方的應力值，驗證骨盆有限元模型的可靠性。 材料與方法：骨盆標本模型制作同實驗二，模擬手術情況在缺損髖臼內植入4種相應大小的三翼臼假體，設立1個髖臼無缺損無翼假體對照組。在5具骨盆標本上各布置7組電

10、阻應變花，1、2和3號位為骨盆外側與臼杯的三個翼對應的髖臼上方，4號位置為骨盆外側髖臼與骶髂關節(jié)連線近端，5、6和7號位置為骨盆內側髖臼與骶髂關節(jié)連線由外下向內上方均勻分布。模擬單腿站立時髖關節(jié)的負重情況，進行150N、300N、450N、600N、750N和900N分級加載，收集個組中各級加栽和卸栽的應變片應變信息。 結果：①測試點最大的等效應力為6.93MPa，最小的等效應力為1.08MPa。 ②測試點的結果與有限元

11、分析結果中對應的位置的數(shù)據(jù)進行比較，進行3因素方差統(tǒng)計分析，統(tǒng)計分析結果顯示兩種方法之間差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，進一步驗證了有限元的可靠性。 結論：1)建立了骨盆和三翼臼假體固定后的三維有限元模型。該模型可以任意角度、方向旋轉和切割，為實驗研究提供了一種可靠的、可重復性的方法。 2)在計算機模型中，建立了由皮質骨和松質骨組成的非均質材料模型，將皮質骨和松質骨分開進行分析。并通過了電阻應變片法和數(shù)字散斑圖象相關法