全膝关节置换术对胫骨近端骨重建的影响

全膝关节置换手术是减轻关节炎患者病痛最有效的手段之一，但术后特别容易出现假体下沉、松动等一系列不良症状，导致假体的使用寿命缩短。其中，假体的应力遮挡效应导致的骨密度降低是诱发术后症状的重要原因。骨重建模拟可以实现对胫骨密度分布的数值模拟，还可以预测全膝关节置换术后骨密度变化及胫骨重建情况，对研究临床假体失效机理和防治置换术后不良症状的出现具有重要作用。 目前，国内外采用骨功能适应性理论对胫骨近端骨重建的模拟研究，大多是以平面模拟为主，三维结构模拟很少。本文采用三维胫骨模型，能够更为全面细致的研究不同材料的假体对胫骨重建的影响。本文的主要内容为：首先采用CATIA软件建立胫骨近端三维几何模型，以及短柄假体三维模型，然后将实体模型导入ANSYS软件中，利用智能网格划分法划分四面体网格。采用ANSYS中的APDL语言编写有限元计算程序，结合MATLAB中编写骨重建程序，通过MATLAB调用ANSYS实现了对胫骨近端骨重建过程的模拟。然后模拟人工膝关节置换术后胫骨的骨重建过程，建立了四个胫骨-假体有限元模型，四个模型的假体结构相同，但是材料不同（包括两种功能梯度材料、传统的钛合金材料和作为对照的理想骨材料），以此分析四种不同的假体材料对胫骨骨重建的影响。 分析结果表明，采用功能梯度材料假体的模型相对于采用钛合金材料假体的模型，其胫骨承担的Von Mises应力更高，在一定程度上减轻了假体的应力遮挡效应；同时采用功能梯度材料假体的模型其胫骨与假体交界处切应力分布更为均匀，胫骨与假体间的应力能够更加有效地传递。但是，这四种材料假体骨密度分布的模拟结果差异并不明显，说明短柄膝关节假体对于骨重建的影响是很有限的。通过本文的研究，能够为膝关节假体材料和结构的改善提供一定的理论依据，同时是深入研究膝关节假体与骨之间相互作用的基础。