人工髋关节不同材料假体对骨界面的应力分布研究
【摘要】 通过 计算 机三维有限元 方法 ，了解在应力状态下不同材料的人工髋关节假体组合对骨界面的应力分布 规律 ，从生物力学角度为人工髋关节的临床 应用 和设计制造提供有益的 参考 。［方法］采用三维有限元法对全髋置换前后进行单髋站立生物力学测试， 分析 假体植入前后股骨和髋臼总体的应力模式和植入后各种组合的假体对骨界面的应力分布规律。［结果］1、各种假体置换后等效应力（von Mises）峰值均位于假体远端相应股骨区域，但应力峰值有所下降，以股骨距区下降最为明显，遮挡率最大，而以弹性模量较钛合金低的CFR/PSF作为柄的股骨的相应区域的遮挡率较低。2、各种组合的假体对股骨界面的应力从近端至远端均呈逐渐增高趋势，而对于相同的柄比较而言，不管是金属—金属、陶瓷—陶瓷、陶瓷—聚乙烯还是金属—聚乙烯组合，其相应界面应力值无明显差别（P005），但以CFR/PSF作为柄对股骨相应界面存在较高的应力。3、置换前在髋臼顶穹部存在较高应力，并逐渐向周围递减；置换后应力主要集中在髋臼的周边区域，但从髋臼顶部→后下→前下呈逐渐递减趋势；而在相同区域的不同组合其界面应力值无明显差别（P005）。［结论］ 1、各种假体植入后均在股骨距处形成较高的应力遮挡，而用弹性模量较低的CFR/PSF作为柄，其股骨相应区域的应力遮挡率较低，但股骨相应界面应力较大，而界面应力过大是产生假体微动主要因素。2、股骨界面从近端至远端呈逐渐增高趋势的应力规律符合该假体的设计原理；相同假体柄的不同组合其股骨和髋臼相应界面应力值无明显差别，实验表明力学因素并不是选择假体组合的主要标准。 毕业论文。
【关键词】 髋假体 应力 物理 生物力学 有限元 论文代写。
Abstract［Objective］To study the stress distribution rule of artificial hip prothesis combined with different materials under the stress condition, with the help of three—dimesional (3D) finite element analysis (FEA) ［Methods］1Three—dimesional (3D) finite element analysis was used to test biomechanics of total hip replacement by single pelvic standing Global stress mode of femur and acetabular of prosthesis implantation and stress disposition of prosthesis exertion on the bone interface were also measured ［Results］Equivalent stress peak value all located at the distal end of corresponding femoral bone area after various kinds of prosthetic replacement, but decreased to some extent, most obviously in the calear femorale, with the maximum dodge rate The dodge rate of femur was lower in corresponding area that used CFR/PSF as handle which elastic modulus was lower than that of Ti alloy 2Stress of different kinds of prosthesis increased gradually on femoral bone interface from proximal to remote end, but the stress value of corresponding interface had no difference in the same area with the same material prosthesis(P005) The corresponding interface showed higher stress when use CFR/PSF as handle 3 Before the replacement, higher stress force was found in the fornix of acetabular top, and decreased gradually toward around After the replacement, the stress force concentrated in the perimeter area of acetabular, and decreased from top area to posteroinferior to anteroinferior The stress value of corresponding interface in different combination in the same area had no difference (P005) ［Conclusion］1 It showes a higher stress dodge in the calcar femorale after using various kinds of prosthesis implantation After using CFR/PSF of lower elastic modulus as handle, the stress dodge rate is lower in femur, but the interface stress is higher, and this is the main factor and reason for the prosthesis loosening 2 The stress force rule meets the design principle that the stress force decreases gradually in the bone interface from proximal to distal The stress value in different combination of same prosthesis handle has no significant difference, that showes mechanical factor is not the main standard for selecting prosthesis combination 论文网。
Key words：hip prosthesis;stress force/physics;biomechanics/finite element 代写论文。
全髋关节置换术（total hip replacement，简称THR）是公认的 治疗 髋关节疾病的安全有效的方法。但是，无菌性松动仍然是 影响 人工关节长期使用的主要原因。人们先后提出"骨水泥病、微粒病"的概念。学者们发现在众多的相关因素中，机械力学因素是造成假体松动的主要原因之一［1］。然而，对于相同的假体柄而言，使用金属对金属、陶瓷对陶瓷、陶瓷对聚乙烯或者金属对聚乙烯组合，其假体对骨界面的应力是如何呢？这些力学因素是否是我们选择不同组合的标准呢？这将是本文 研究 的重点 内容 。 论文网。
三维有限元法作为生物力学一种先进的实验方法，可以测量骨与假体的应力分布，并能对实验条件进行控制和模拟人体的生物力学条件，并且已有众多学者采用此种方法成功进行全髋置换的研究［2~4］。因此，作者采用三维有限元分析方法，来探讨不同材料假体组合对非骨水泥型人工髋关节置换术后骨界面的应力分布规律，为人工髋关节的临床应用和设计制造提供有益的参考。 论文代写。
11模型的设计与建立。
选择一例50~60岁的股骨颈骨折行人工髋关节置换术的病例，术前先行患髋及相应股骨中上段CT平扫，采用Super—sap软件建立全髋置换前三维有限元模型。普鲁斯(Plus)公司提供假体样品，以EP—FIT压配式球形臼、PE标准衬、钴铬钼合金球头、SL钛合金柄为原模型。用千分卡尺对假体进行坐标测绘，模拟骨整合后的界面状态，将假体与骨界面节点的自由度进行耦合，建立假体植入后的三维有限元模型。通过改变假体的材料参数，弹性模量、泊松比制造8种置换后模型。整个实验共建立9个模型。节点和单元数如表1所示。 论文代写。
表1模型节点单元划分情况（个）髋臼骨部分股骨部分假体部分节点单元节点单元节点单元置换前5204122102198100置换后478382189714593267301512模型命名分组 论文代写。
按照不同材料组合，分别命名为PCA（PE—钴铬钼合金；其中P代表超高分子量聚乙烯内衬、C代表钴铬钼合金球头、T代表Al2O3陶瓷、A代表钛合金柄，以下类同）、PTA（PE—陶瓷）、TTA（陶瓷—陶瓷）、CCA（钴铬钼合金—钴铬钼合金）。另假设以复合材料CFR/PSF作为柄的各种组合，分别命名为PCF（F代表CFR/PSF）、PTF、TTF、CCF；而置换前命名为ZHQ。 论文代写。
13材料参数。
上述各模型涉及的各种材料均简化为同性的均质线弹性材料。由于SL柄与股骨髓腔相匹配，近端（大粗隆附近）主要与松质骨接触，柄下端使假体柄表面与股骨小粗隆以下的皮质骨相接触，与骨腔固定的位置主要在髓腔的狭部及骨干髓腔。因此对股骨严格区分皮质骨与松质骨。而髋臼只考虑与臼杯接触的部分，置换前主要是髋臼软骨和软骨下骨（皮质骨）；置换后主要是松质骨。为了较真实模拟置换后人工股骨头与内衬间相互运动情况，在其两者之间应加一种接近髋关节滑液性质的物质，作者以泊松比为0499［5］的组织替代。各材料参数均采用相关 文献 ［4、6］及由Plus公司提供。表2所示。表2组织材料参数组成弹性模量向。
人工髋关节置换后，承受的载荷有两类，即人体的体重及运动时的载荷，单足站立时的情况是比较典型的［7~9］。该患者体重为72 kg，单髋站立位时为60 kg（5/6×72），经骶髂关节向下作用于股骨头，关节合力通过股骨头中心。根据骨盆力学原理，作用于股骨大转子上的外展肌力Fm’，其载荷大小为Fm’=3 bw，外展肌力Fm与水平轴大约为60°（图1）。据力矩平衡作用在股骨头上的力T2=Ty+Tz；Ty=Fm’+bw；Tz= cos60Fm；Fm=Fm’／sin60。根据等效应力原理我们将髋关节载荷加载于模型中髋臼骨表面及大粗隆相应区域，从而将力均匀的传递至髋关节。 论文代写。
图1单髋受力示意图及股骨分区简图15统计方法。
为量化分析假体对骨界面应力及股骨近端应力，将髋臼分为臼顶、后壁、前壁三个象限；将假体及相应股骨分成5个水平节段，每个节段再分成内外（冠状面）2个象限，内侧象限由近至远分别为A1、B1、C1、D1、E1，与之相应的外侧象限分别为A2、B2、C2、D2、E2（图1）。取每个象限所有节点的应力均值作为该区域的骨质应力水平。各组间均数比较用单因素方差分析后继以多样本均数间差异的显著性检验（F检验），ONE—WAY ANOVA。
2结果 论文网。
获得了髋关节置换前后的三维有限元模型（图2—3）。同时获得了髋关节在单足站立时的股骨应力和假体对骨界面的应力。
图2置换前髋关节三维模型侧位图图3置换后髋关节三维模型侧位图。
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211以钛合金为柄 毕业论文。
应力遮挡率η=1－σ/σ0（式中σ为术后等效应力，σ0为术前等效应力）［3］。
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综合图4—8可以看出，各种假体置换后没有改变股骨总体的应力模式，等效应力（von Mises）峰值均位于假体远端相应股骨区域，但应力峰值有所下降，以股骨距区下降最为明显，遮挡率最大，而以弹性模量较钛合金低的CFR/PSF作为柄的股骨相应区域的遮挡率均较小。对于相同的柄比较而言，不管是金属—金属、陶瓷—陶瓷、陶瓷—聚乙烯还是金属—聚乙烯组合，其置换后股骨相同区域的应力大小无明显差异（P005）。
图9—10可见：各种组合的假体对股骨界面的应力从近端至远端均呈逐渐增高趋势，且在B1→C1（B2→C2）变化幅度较大，然后在假体中下段界面趋向缓和。而相同假体柄的不同组合其相应界面应力值无明显差别（P005），但弹性模量低的CFR/PSF较钛合金柄在股骨相应界面存在较高的应力，在A1、A2象限两者有显著差异（P005）；在其余象限两者有非常显著差异（P001）。 论文代写。