人工髋关节柄-宿主骨系统生物力学研究

人工关节置换术成功应用于临床以来,置换后引起的临床并发症一直为人们所关注。人工关节的主要失效形式是无菌松动,其产生的原因较为复杂,目前认为假体界面微动磨损产生的磨损颗粒是主导因素,其次是假体固定后的应力遮挡问题,二者共同作用的结果引发骨溶解和吸收,并最终导致人工关节置换的失败。 本文基于所承担的“中国力学虚拟人”和“亚洲人工关节设计”两个国家自然科学基金重点项目,建立了人体股骨三维几何模型和有限元模型,在步态和爬楼梯状态下对引起假体无菌松动的生物力学问题进行了分析。计算涉及到应力遮挡效应、微动的研究和关节接触界面的应力分布等,具体内容包括: 1)利用冷冻层切图片数据通过医学断层图像处理技术和逆向工程法建立了股骨的三维几何模型;根据股骨几何模型建立了股骨的有限元网格模型为后续的研究提供基础。 2)建立了完整股骨和置换术后的股骨三维有限元模型,计算模型在步态和爬楼梯状态下的应力分布情况。结果显示,股骨内侧近端由于完整股骨的应力向外偏转,并没出现应力遮挡现象,而股骨的外侧和前后侧产生了较大的应力遮挡现象,其中股骨前后侧的应力遮挡对假体柄的弹性模量较内外侧更敏感。 3)建立了置换不同人工关节柄后的股骨模型,通过有限元方法分析三种假体柄植入股骨后在步态载荷下人工关节柄与股骨间的相对微动情况,结果发现,在股骨近端的微动大于远端,而股骨内侧的微动在近端小于其他三个面,在远端大于其他三个面。一定范围的过盈配合量对微动量具有明显的影响,股骨的内侧、前侧需要比外侧、后侧更大的过盈配合量用以减小微动的发生。 4)通过有限元方法分析了不同假体柄植入股骨后在步态和爬楼梯这两种载荷下接触界面上应力分布,分析结果表明,三种假体柄的内外侧应力大于前后侧应力,两种假体柄在内侧的远端出现了较大的应力集中现象,一种假体柄由于形状原因未出现内侧远端应力集中现象。接触界面上在股骨内外侧产生较大的应力差,将导致这些区域出现严重的界面松动和磨损。 总之,本文建立了人体股骨生物力学模型,并运用有限元方法进行了与人工髋关节失效相关的生物力学分析,计算结果为假体自主设计和术后康复训练提供了理论基础和有益的信息参考。