单髁膝关节置换有限元分析

第一部分:正常膝关节和中立位单髁膝关节置换三维有限元模型的建立目的：国内膝关节骨关节炎发病率逐年增高,单髁膝关节置换术在治疗前内侧膝骨关节炎方面体现出很多优势,但国内有关其生物力学研究尤其是有限元研究较少。本研究旨在建立正常膝关节和假体放置中立位的活动平台单髁膝关节置换三维有限元模型,并验证其有效性,作为术后生物力学分析的基础。方法：对1名成年健康男性志愿者行左膝关节计算机断层扫描和核磁共振平扫,利用Mimics 17.0行影像学数据处理及三维重建,导出正常膝关节各结构STL三角网格模型并在RapidformXOR中转化为三维实体模型,接着在ABAQUS6.13中进行装配,建立正常膝关节三维实体模型。行网格划分及赋值,设定边界条件,于股骨施加1000N垂直压缩载荷,计算载荷分配、接触应力与接触面积,与文献结果对比进行验证。在经过验证的正常膝关节模型基础上,利用ABAQUS6.13中的布尔操作,按照Oxford第三代假体标准手术技术,模拟截骨及假体装配,建立假体中立位放置的活动平台单髁膝关节置换三维实体模型,行网格划分及赋值,设定边界条件,于股骨施加1000N垂直压缩载荷,计算载荷分配、接触应力及骨应力,与既往文献结果对照进行验证。结果：成功建立了正常膝关节三维有限元模型,共212128个单元和219443个节点,包含了骨、软骨、半月板和韧带等主要结构,计算载荷分配、接触应力和接触面积与文献结果相近,模型得到验证。在正常膝关节模型基础上建立了假体中立位放置的活动平台单髁膝关节置换三维有限元模型,共218043个单元和229524个节点,在垂直压缩载荷作用下所计算载荷分配、接触应力和骨应力,与文献结果较为接近,模型得到验证。结论：本研究所建立正常膝关节三维有限元模型经过了严格的验证,具有较强的可靠性。假体中立位活动平台单髁膝关节置换三维有限元模型包含结构较为完善,具有较强的创新性及可靠性,可用于进一步的生物力学分析。第二部分:单髁膝关节置换胫骨假体排列的有限元分析目的:胫骨假体的准确安放是单髁膝关节置换具有长期生存率的必要条件,然而关于其合理安放角度仍有较多争议,既往的有限元研究存在较多缺陷、结论不一。本研究你在假体中立位单髁膝关节置换三维有限元模型的基础上,建立胫骨假体不同内外翻及不同后倾角度的有限元模型,研究胫骨假体排列对术后膝关节静力学的影响,以寻求合理安放角度。方法：在第一部分所建立假体中立位活动平台单髁膝关节置换三维有限元模型的基础之上,使用ABAQUS6.13将胫骨假体及半月板衬垫在冠状面进行一定角度的翻转,并使用布尔操作模拟胫骨截骨,建立10个胫骨假体冠状面外翻10。至内翻10。的单髁膝关节置换三维实体模型,进行网格划分及赋值。对胫骨表面设定5个感兴趣区域,统一边界条件,于股骨施加1000N垂直压缩载荷,计算所有模型中感兴趣区域的峰值Von Mises应力、峰值压应变和峰值拉伸应变,并计算内外侧间室载荷比例和接触应力。同理,建立5个胫骨假体矢状面后倾0。-11。的单髁膝关节置换三维实体模型,进行网格划分和赋值。于内侧胫骨表面设定6个区域,统一边界条件,于股骨施加1000N垂直压缩载荷,计算所有后倾模型中6个区域的峰值Von Mises应力及松质骨应力分布,并计算内外侧间室载荷比例和接触应力。结果：对于不同胫骨假体冠状面翻转角度的单髁膝关节置换模型,当胫骨假体外翻大于4。时,近端胫骨内侧皮质的峰值Von Mises应力和压应变显著增大,可能增加术后残留痛的风险。内翻角度大于4。时,胫骨假体龙骨切槽处的峰值压应变都在高限之上,可能增加假体移位风险。胫骨截骨面的拐角处在任何内外翻角度时都是拉伸应变的集中点。水平截骨表面的压应变随着内外翻角度的改变而变化,但并不被认为能导致骨吸收和假体松动。随着内翻加大,外侧间室的载荷比例和接触应力逐渐增加,可能导致骨关节炎进展。对于不同胫骨假体后倾的单髁膝关节置换模型,所有模型中前内侧胫骨表面的峰值Von Mises应力无显著差异(P>0.05),而9。和11。后倾可致后内侧胫骨表面的Von Mises应力显著增高(P<0.05),后侧胫骨松质的应力随着后倾角度的增加而增大,双侧间室的接触应力无显著差异(P>0.05)。结论：活动平台单髁膝关节置换术后的静力学受到胫骨假体排列的很大影响。在活动平台单髁膝关节置换术中进行胫骨假体安放时,冠状面排列在4。外翻至4。内翻之间,后倾角度在0。-7。之间时,可认为是合适的,有助于降低术后并发症风险并提高假体的长期生存率。