胫骨假体的构型与材料对胫骨骨重建行为影响的数值仿真研究

全膝关节置换术是治疗膝关节疾病的有效手段,随老年人口的日益增多,在未来将有更多患者接受全膝关节置换术的治疗。然而,胫骨假体植入后会造成应力遮挡与应力集中,从而诱发胫骨骨量分布异常,导致病人术后疼痛并增大假体松动的风险。因为假体的构型以及材料等设计因素会直接影响胫骨的应力遮挡与应力集中情况,所以假体的设计因素一直备受关注。本文通过数值仿真的方法,研究胫骨假体的构型与材料对胫骨骨重建行为的影响。研究分为以下两个部分:本文第一部分建立了三维胫骨和假体的有限元模型,结合骨重建算法定量地研究了非骨水泥型胫骨假体柄的材料与长度对胫骨骨重建行为的影响。采用柄的长度有三组,分别为110 mm、60 mm和30 mm,每组长度采用四种材料,分别为钛合金(Ti)、理想骨材料和两种功能梯度材料(FGM),FGM的组分分别为Ti和胶原-羟基磷灰石(FGM I),及Ti和生物玻璃(FGM II)。从胫骨骨密度分布、von Mises应力分布、柄与胫骨接触面切应力三方面研究柄的几何长度与材料对应力遮挡、应力集中,以及假体稳定性的影响。本文的研究结果表明:在长度方面,长柄会比短柄造成更严重的应力遮挡与应力集中,但是长柄造成的接触面切应力更小,会为假体提供更好的稳定性;在材料方面,与Ti相比,FGM I可以减小宿主胫骨的应力遮挡与应力集中情况,并提供更小且更均匀的接触面切应力,减小假体松动的风险;此外,当柄的材料属性接近骨的材料属性时,它的弹性模量变化才会对应力遮挡情况产生显著影响;最后,与柄的长度相比,材料对胫骨近端骨重建的影响更为显著。鉴于假体长度往往受限于假体的固定方式和病人胫骨的解剖结构,从材料方面对柄进行改进更具灵活性与可行性。从微创手术的角度考虑,应减小假体对胫骨骨组织的破坏;另外,考虑到胫骨结构以及生理载荷的非对称性,应设计体积分数较小的非对称假体结构用于全膝关节置换术。本文第二部分将拓扑优化理论与有限元分析相结合,对骨水泥型胫骨假体柄与加强肋区域进行优化设计。以设计域的高中低三种体积分数(分别为70%、50%和30%)为约束条件,结构的最大刚度为目标函数,分析所得结构对胫骨力学环境的影响,并得出理想的假体构型。结果表明:当松质骨区域与胫骨托盘距离小于20 mm时,拓扑优化后的三组假体均可以减缓应力遮挡情况;当该距离为30 mm-40 mm时,拓扑优化后的假体可以显著地减轻应力集中情况,其中以70%体积分数为约束的假体减缓应力遮挡效应最为明显。因此胫骨假体以较高的体积分数(70%左右)为约束时,获得的拓扑优化构型更为合理。分析原始的与优化后的假体构型差异发现,去除加强肋以及柄的前外侧区域,有助于减缓胫骨前外侧区域的应力遮挡,以及底端的应力集中情况。本文先将骨重建算法与有限元分析相结合,研究了非骨水泥型胫骨假体柄的材料与长度对胫骨骨重建过程的影响;然后建立了骨水泥型胫骨假体与胫骨的有限元模型,结合拓扑优化理论,探究体积分数优化后的假体结构对胫骨力学环境的影响。为胫骨假体的设计提供了理论依据,有助于提高胫骨假体使用寿命,并减轻病人疼痛。