全髋关节置换中股骨和假体的三维重建及有限元分析

由于事故和病变引起的髋关节疾病严重影响患者的日常生活，人工髋关节置换术的出现有效解决了髋关节疾病引起的关节功能丧失。在人工髋关节置换中，人工髋关节的稳定性和使用寿命是决定髋关节置换成败的关键，这不仅取决于医生的手术技术，也与人工髋关节的固定方式有着紧密的关系。人工髋关节发展到今天，出现了多个种类。其中，根据固定方式的不同人工股骨柄可分为生物型股骨柄和骨水泥型股骨柄。人工髋关节置换手术中，这两种类型的股骨柄都被广泛的使用，但是哪种类型的股骨柄有更好的稳定性和更长的使用寿命仍旧没有定论。本文利用有限元法对以上两种植入股骨的股骨柄的稳定性和使用寿命这两方面问题进行讨论。使用Mimics、Abaqus和Catia等软件进行股骨模型的三维重建和假体三维模型的建立。利用Mimics基于股骨CT图像的灰度值对股骨赋予材料属性，建立了有较高精度的股骨有限元模型。假体模型根据其具体尺寸利用Catia建立。利用Abaqus分别对完整股骨模型、股骨上端模型、植入生物型股骨柄的股骨模型和植入骨水泥型股骨柄的股骨模型进行有限元分析。经过分析得出股骨上端应力集中位置在股骨颈下端，股骨干上的应力集中位置出现在股骨干下段1/3处；对于完整股骨模型，臀中肌和臀小肌肌肉力对其有限元分析结果有影响，其它肌肉力无显著影响；对于股骨上端模型，大小及作用位置相同作用面积不同的髋臼力对模型上施加载荷处的应力分布有影响，对其它位置的应力分布无显著影响；对于植入两种不同股骨柄的股骨模型，生物型股骨柄能有效地将应力传递给股骨，提高了股骨柄抵抗疲劳破坏的能力，也可更好地促进骨生长，但是骨水泥型股骨柄更具稳定性。