个性化人工髋关节可以提高假体与骨之间的匹配程度,延长假体寿命,而且可满足特殊病例需要。精确获得股骨的几何参数,通过生物力学分析优化假体设计,一直是该领域的前沿课题。鉴于此,本文利用图像处理和计算机辅助设计技术,将股骨的螺旋CT二维图像进行三维重建研究。并采用非线性有限元方法,进行人工髋关节的生物力学分析。感染是关节置换术后一个灾难性的并发症。因此,本文还采用离子注入方法对假体材料表面改性,系统研究抗菌性、耐磨性等性能。以期为个性化人工髋关节的设计和制造提供模型基础及几何设计和材料设计的依据。
利用Mimics、Imageware和Unigraphics软件,实现了CT数据的精确传输和股骨三维重建,成功区分了皮质骨和松质骨。重建模型具有较高的精度,曲面平均误差低于0.5 mm。采用三维CT法测量了股骨前倾角。而且,实现了畸形股骨的三维重建,并利用快速原型方法制作了实体模型。采用非线性有限元方法,建立了髋臼—假体头有限元模型,进行超高分子量聚乙烯(UHMWPE)内衬的应力分析。研究结果显示,步行过程中,内衬应力远低于UHMWPE屈服强度。支撑相内衬应力较高,主要分布在后外侧四分之一象限,摆动相应力水平较低。假体头直径增大,内衬应力降低;而内衬厚度和头材料对内衬应力均无显著影响。
同时,采用非线性有限元方法,建立了假体头—颈有限元模型,进行头、颈接合面的相对位移和接触应力分析。经研究分析表明,增大假体头直径可减小相对位移及接触应力;随接合面锥度的增大,相对位移下降,而接触应力先降低后升高;假体头刚度和表面摩擦系数增加,相对位移和接触应力下降;假体颈刚度增加,相对位移降低,接触应力却增大。
采用三维有限元分析方法,进行置换前后股骨及假体应力分析。结果表明,完整股骨中上部内侧受压应力,外侧受张应力,而中下部,外侧受压应力,内侧受张应力,股骨应力峰值位于中下部;置换后股骨受力模式基本不变,近端应力遮挡显著,中下部应力遮挡较轻,股骨远端应力水平略有增加。随假体颈干角增加,假体及股骨应力水平降低;柄长对假体应力水平影响不大,股骨上的应力随柄长增大略有增加;降低假体材料刚度,假体应力降低,股骨近端应力升高。
