半髋置换的三维建模和有限元分析

2. 实验中我们获得了股骨和骨盆的皮质骨的最 大米塞斯应力，在解剖模型和轴向模型中得到 的最大米塞斯应力是有明显区别的，因此，结 论是三维的解剖模型可以给出更加精确的髋关 节整体的应力分布。

3. 在本实验中发现了在半髋表面置换的骨组织 中出现了应力遮挡。但是这个应力遮挡的量是 要比文献报道的MOM表面置换和传统的THA5中，给出了皮质骨内侧和外侧区域米塞 斯应力的分布。 最大的米塞斯应力是39.24MPa，位置在大转 子的上方。这可能是由于肌肉力和转子力在这 个区域加载。在松质骨中，最大米塞斯应力也 是在大转子的上方，大小是3.35MPa。 Taddei等使用他们的有限元模型，发现股骨最 大米塞斯应力是35.9MPa。
结论

在这个实验中我们使用三维解剖模型，来分析 半髋表面置换的接触机制和应力分布。同时我 们也使用了三维和二维轴对称模型来与解剖模 型进行比较。在这些模型中，所有的部件都被 认为是均质的，各向同性的线弹性材料。我们 得到的结论如下：

1. 在使用三维解剖模型和轴向模型得到的接触 力学的结果有着良好的一致性，他们之间的区 别只有0.5%。而二维轴向模型与三维解剖模 型之间的差别在7%。因此，可以得到的结论 是轴向的有限元模型也可以用于接触力学的研 究中，因为他们更节省时间。



在分析了解剖有限元模型后，接触力结果从输出文件 中读取，在X方向是554N,Y方向 717N，Z方向是 233N。因此，只有大约三分之一的加载力传递到骨 盆，因为肌肉和转子力的中和。 之后这些载荷条件被加载在3D轴对称模型上并且这些 力的合力加载在2D轴对称模型上，来比较解剖和轴向 的模型。 使用接触单元来模拟关节面之间的接触。在城中面上 的接触被模拟为无摩擦的，来表现完美的接触条件



虽然骨是一个复合生物组织，有限元法仍然是吸引人 的，因为在宏观级别它显示了在日常活动级别下正常 范围内载荷下的线弹性行为。 股骨近端由皮质骨（致密坚硬的组织）和松质骨（蜂 窝状海绵组织）组成。文献中报告的测试得出两个区 域的均布的力学属性，通过建立骨表观密度的函数获 得各向同性的杨氏模量E和其他弹性的常数（在横观 各项异性的假设下）。 之前的髋关节表面置换有限元研究中使用了简化的材 料参数，几何条件和加载条件，并且并没有给出有效 验证。髋关节的力学有限元分析将骨的模型分成两种 不同材料，定义其中一个为皮质骨，另一种为松质骨。


在髋臼窝的网格区域表现出一个潜在的接触区 域。这个面全等于实际接触区域。这个接触区 域用于定义接触面单元的密度。 接触单元被划分为1000-8000不等，来确定网 格密度对产生的接触压力的影响。但是，没有 发现明显的影响。因此，我们使用了4000个网 格单元来表现可能的接触区域。因为这个数量 既不会影响运算速度，并且保持了一个平滑的 表面
结果和讨论----接触力学


图3给出了三维解剖模型和三维轴对称模型接 触应力分布结果的比较。 同样的也比较了三维解剖模型和二维、三维的 轴对称模型的从髋臼窝中心到边缘的接触应力 的分布，图4中给出。



三维解剖模型的最大接触应力为2.29MPa，很 好的峰值接触应力的一致性可以在三个模型之 间发现。 在三维解剖和轴对称模型之间只有0.5%的差 异，而在三维解剖和二维轴向模型之间的差异 是7%。二维和三维之间的差异可以归因于二 维模型的一维载荷条件。 三个模型的接触区域也体现了良好的一致性分 别为958，1023，和991平方毫米。
目的


大多数的半髋置换研究都偏向于临床方面，并且半髋 置换还没有广泛的，针对性的通过工程学的观点研究。 本研究的目的是获得半髋表面置换假体的接触力学和 应力分布，通过建立三维解剖模型。这个关于骨盆特 别是髋臼窝区域应力分布模式和接触压力在髋臼我软 骨的分布的研究，将对与后背疾病，骨盆疾病和髋臼 窝疾病的诊断有帮助。因此，这种类型的应力和接触 分析对完成髋关节生物力学的理解是有帮助的。同样 的，这些结果也可以对估算手术方法有帮助，普遍的 用于髋关节疾病的研究。

在建立有限单元后，分析者需要定义每个单元 的材料属性，如果一个一般的或平均的骨模型 建立，那么不同骨组织的力学属性通常是从已 经发表的实验结果报告中获得。这样，这种类 型的应力分析可以在术前或者不同手术后。获 得对髋关节生物力学完整的理解。同样的，这 些研究的结果对于评估手术方法是有帮助的， 可普遍用于髋关节疾病的论述。


人体骨骼生理活动下产生的机械应力的定义是 对研究和临床操作都非常重要的。不幸的是， 骨的机械应力不能在活体内测试，除非使用一 个侵入式的外科过程。但侵入式测量是通常伦 理学不允许的。 只有一种方法来能够非侵入的体内测试，就是 “基于目标”的有限元建模。



这个过程允许我们通过患者的CT断层创建一 个数字模型。CT提供了通过选择有限元研究 区域的骨断层来建模的可能。 Taddei等人发现了实验测试和通过CT断层骨 灰度密度，使用分布式的材料参数来建立有限 模型计算出的骨应力之间密切相关。 Polgar等推荐使用生理载荷条件来模拟正常不 幸状态下股骨上肌肉活动的加载。但是，有限 元模拟结果的精确度还取决于模型的精确度和 网格的优化。

在骨盆的内外侧皮质骨和松质骨上的米塞斯应 力在图6中给出，应力集中的区域发生在髋臼 窝上面的皮质骨上，大小是17.68mpa。在很 多文献中描述了骨盆的应力分布，最大米塞斯 应力范围在30-50MPa。这个区别可能是因为 我们的实验中使用了金属的股骨不见，导致了 应力遮挡。


但是，半髋表面置换造成的应力遮挡是要比一 些金属对金属髋关节表面置换和THA小的。 对于骨盆的松质骨，峰值米塞斯应力是 0.80MPa，但有趣的是应力的位置并不是发生 在皮质骨应力最高的位置，而是在髋臼窝的中 心位置，这与Dalstra and Huiskes的报道是一 致的。Majumder等也报告了骨盆松质骨的最 大米塞斯应力范围在0.3-1.7之间。 在皮质骨中的应力达到了松质骨的20倍。因此， 骨盆体现了一个三明治结构的特征。

与臼杯置换不同，半髋表面置换依赖于使用精 确固定在处理好的股骨头上。半髋置换保留了 股骨骨量，并且在转换到THA时不影响结果

有限元法用来研究生物结构的机械行为的应用， 在过去几年中应用逐渐增加。对比有限元的结 果和试验装置测试的结果之间，是有良好的相 关性的。因此这个建模方法的可行性得到了证 明。但如果有限元模型用来做临床前测试的目 的，它应该是在有比较的基础上应用。


治疗初始的过程通常第一步考虑的应该是一个 患者余生的治疗计划。 因为全髋关节置换在这些年轻患者中令人失望 的长期表现，无血管腓骨移植，重定向截骨术， 微创钻孔骨移植，和半髋表面置换术都开始应 用于这类患者。


半髋置换在FICAT3级和早期的4级骨坏死病人 中有很好，甚至优秀的结果，5年超过80%生 存率，10年存活率在60%，15年存活率在45%。 一个必须区别的是半髋表面置换与全表面置换 相比，全表面置换用更高的中期失败率，因为 有大量的聚乙烯碎屑产生。而前者，因为半髋 表面置换部分直接与髋臼软骨连接，几乎没有 磨损碎屑产生。

在股骨和骨盆的皮质骨上的应力都是低于皮质 骨压缩极限强度（大约200MPa），也低于皮 质骨的疲劳强度，40-80MPa@1e-7但是长期 的问题是关于周期关节力和应力遮挡的共同作 用。



在解剖模型和轴向模型之间的最大米塞斯应力 是有明显区别的，在表2中给出。 但是，要知道在轴向模型中只有股骨头和颈的 区域被使用。在解剖模型中最大的米塞斯应力 在头颈区域是6.84MPa，在颈的下端皮质骨和 1.56MPa，在柄和松质骨界面的末端。 Ysibash等的实验也报道了米塞斯应力发生在 颈底部区域，峰值在9-10MPa，在1500N的载 荷下。
材料和方法

从左侧髋关节的CT扫描中重建了髋关节的三 维解剖模型。植入一个股骨表面置换假体 （45°外展和10°前倾）到用IDEAS创建的原 始的股骨三维模型中，髋臼我的接触面按照接 触面接触是球形并且同心的假设来优化。之后 在IDEAS中对解剖的半髋置换模型进行网格划 分并且在ABAQUS中计算。（6.5版）。
摘要

使用线弹性有限元分析来进行表面半髋置换的 接触机制和应力分布的分析，使用了一个金属 假体 。 骨盆模型如下： 三维解剖模型 三维轴对称模型 二维轴对称模型


接触机制的结果显示了三维解剖模型和三维轴 对称模型有很好的一致性，区别只有0.5%， 而三维解剖模型与二维轴对称模型之间有7% 的区别。 最明显的区别是在解剖模型和轴对称模型的 von mises应力方面。



髋关节的半髋表面置换，股骨部分通常是要比自然股 骨头同号，或小一号，或者小两号，取决于术中的反 复测试。 因此在这个实验中，股骨头部件和髋臼窝之间的径向 间隙额定为0.5mm来模拟小一号的程度。 所有的界面都假定为完美的边界。 合力的大小是3200N（大约4倍体重），模拟在步态 中站理想的峰值接触力。同样的肌肉力和转子力也加 载在模型上，骨盆为各方向完全约束。


先前的研究已经使用过厚度为1-2mm的均质皮质骨层。 因此有限元模型设置为松质骨是覆盖在一层1.5mm厚 的皮质骨层下。股骨头部件通过非均匀的1.5mm厚的 骨水泥固定在股骨上。用一个柄来提供假体的对线和 连接股骨头和颈。 所有的材料在这个实验中都定义为线弹性材料，各向 同性的。Dalstra等曾报告过，均质的材料是适合于比 较研究的，关节软骨厚度设置为2mm。相应弹性模量 和泊松比等材料系数在表1中给出。因为在模型中会 发生大的变形，所以在设置中使用了有限变形。

McGibbon等在他们的半髋置换实验中测量到 髋臼接触应力峰值得到的结果是4.5-6.5MPa， 他们也报告了在术后32个月之后髋关节最大接 触压力大小有明显的降低（大约1MPa/年）。 他们的结论是这个髋关节压力的降低是时间相 关的，也就是，神经和肌肉的力会对髋关节的 应力有阻滞作用。因此在本市严重的结果比实 测的小可能是因为我们加载了肌肉力的原因