骨小梁髋假体柄植入的应力分析.pdf
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1、窑医疗卫生装备窑 2024年3月第45卷第3期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 3 窑 March 窑 2024骨小梁髋假体柄植入的应力分析李博1,高丽兰1,2,陈亚2,刘淑红2,胡亚辉1,吕林蔚1,2,叶金铎2,张春秋1,2*(1.天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,机电工程国家级实验教学示范中心,天津300384;2.天津市骨植入物界面功能化与个性研究企业重点实验室,嘉思特医疗器材(天津)股份有限公司,天津300190)摘要目的院分析髋关节置换中实心钛合金假体与骨小梁假体柄植入的应力。方法院基于Mimic
2、s软件逆向建立股骨模型,并使用Geomagic软件对股骨模型进行优化,再通过SolidWorks软件将模型实体化。将截骨后的股骨与金属股骨柄进行装配,并将装配好的模型导入ABAQUS中进行有限元计算。将股骨上部分为内侧近端点(小转子区)、外侧近端(大转子区)、股骨干近端点(茎突中段周围)、远端区域(茎突末端周围和远端)4个区域(处于不同整合状态),计算步态、爬楼梯载荷下植入实心钛合金假体和骨小梁假体前后的股骨应力以及区域未整合时的界面应力,并通过应力椭球分析骨界面的变形类型。结果院在小转子区,步态和爬楼梯载荷下骨小梁假体相比实心钛合金假体应力屏蔽率分别降低了20.5%和14.7%。实心钛合金假
3、体存在不同整合状态时,步态与爬楼梯载荷下界面拉应力最大分别为10.842、12.900 MPa,剪应力最大分别为7.050、6.805 MPa;而骨小梁假体存在不同整合状态时,步态与爬楼梯载荷下界面拉应力最大分别为3.858、4.389 MPa,剪应力最大分别为4.156、3.854 MPa。2种不同载荷下,界面内侧剪应力椭球开口朝向两侧,骨界面发生拉伸变形;界面外侧剪应力椭球上下开口,发生压缩变形。结论院全髋关节置换术后,骨小梁假体的整体性能优于实心钛合金假体,且假体-骨界面未整合边缘易发生应力集中以及变形,引发进一步失效。关键词髋关节置换;骨小梁型假体;假体柄;应力屏蔽;界面强度;界面变形
4、中国图书资料分类号R318.6曰TH781文献标志码A文章编号1003-8868渊2024冤03-0029-07DOI院10.19745/j.1003-8868.2024045Stress analysis of trabecular hip prosthesis stem implantationLI Bo1,GAO Li-lan1,2,CHEN Ya2,LIU Shu-hong2,HU Ya-hui1,LYU Lin-wei1,2,YE Jin-duo2,ZHANG Chun-qiu1,2*(1.Tianjin Key Laboratory of Advanced Electromecha
5、nical System Design and Intelligent Control,National ExperimentalTeaching Demonstration Center of Electromechanical Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China;2.Tianjin Key Laboratory of Bone Implant Interfacial Functionalization and Personality Research,Jiast Medical Equipmen
6、t(Tianjin)Company Limited,Tianjin 300190,China)AbstractTo analyze the stresses in implanted titanium solid and bone trabecular prosthesis hip replacements.A femur model was built inversely based on Mimics software,and optimized using Geomagic software,and thenmaterialized by SolidWorks software.The
7、osteotomized femur was assembled with the metal femoral stem to form a model,andthen the model was imported into ABAQUS for finite element calculation.The upper femur was divided into four regions indifferent states of integration:medial proximal point(small trochanter region),lateral proximal regio
8、n(large trochanter region),proximal point of the femoral stem(region around the mid-portion of the styloid process)and distal region(around the end ofthe styloid process and distal portion).Calculations were carried out over the femoral stresses before and after implantation oftitanium solid and tra
9、becular prostheses under gait and stair-climbing loads and the interfacial stresses when the region wasunintegrated.The type of deformation at the bone interface was analyzed by means of a stress ellipsoid.At the smalltrochanter region,the stress shielding rates of the trabecular prosthesis under ga
10、it and stair climbing loads were reduced by20.5%and 14.7%compared to the titanium solid prosthesis,respectively.In case of different integration states of the titaniumsolid prosthesis,the interface tensile stresses under the gait and stair climbing loads were up to 10.842 MPa and 12.900 MPa,and the
11、shear stresses reached 7.050 MPa and 6.805 MPa,respectively;in case of different integration states of the trabecularprosthesis,the interface tensile stresses under the gait and stair climbing loads were up to 3.858 MPa and 4.389 MPa,and theshear stresses reached 4.156 MPa and 3.854 MPa,respectively
12、.Under the 2 different loads,the inboard shear stress ellipsoidof the interface opened toward the sides and the bone interface showed tensile deformation;the outboard shear stress ellipsoidof the interface opened up and down and had compressive deformation.After total hip arthroplasty,the overallper
13、formance of the trabecular prosthesis is better than that of the titanium solid prosthesis.The unintegrated edges of the栽澡藻泽蚤泽论著李博,高丽兰,陈亚,等.骨小梁髋假体柄植入的应力分析J.医疗卫生装备,2024,45(3):29-35.29 窑医疗卫生装备窑 2024年3月第45卷第3期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 3 窑 March 窑 20240引言全髋关节置换术中,由于生物组织与金属之间的化学相互
14、作用太弱,钛合金作为植入物时不能保证植入物的长期固定1,因此固体钛植入物在替代松质骨缺损或作为椎间隔物时可能不利于实现长期稳定。临床使用的关节假体大致分为非生物型和生物型,其中非生物型假体主要靠黏接剂骨水泥实现其在股骨中的固定,而这种固定随着时间的推移会发生无菌性松动,同时可能发生心律失常、下肢静脉血栓等骨水泥植入综合征2。近年来,骨小梁型生物型假体在临床上表现较好,这种假体不需要黏接剂,而是靠多孔表面与骨的机械互锁实现良好固定。但是不论何种假体均对股骨有不同程度的应力屏蔽。临床上应用多种方法降低应力屏蔽,如改变假体位置、选择更优越的假体材料等。由于金属和骨之间的弹性模量存在差异,上肢对于髋关
15、节的生理载荷主要施加在金属柄上,而皮质骨承受载荷减小3-4,这种骨上载荷的改变可导致骨的适应性改建。而有研究发现模拟骨小梁结构的金属假体能够缓解实心钛合金假体导致的应力屏蔽,并有利于成骨和骨改建5,同时其与人骨相近的弹性模量及良好的刚度能够保证较长的寿命,因此临床上更多选择多孔骨小梁假体作为植入假体。研究表明,假体-骨的界面强度是决定假体稳定性的关键参数6。大量文献7-8研究了钛合金假体-骨界面的骨整合与粘结强度,以便进一步研究髋关节在骨内的长期稳定。骨-假体界面应力对假体稳定性影响重大9,界面应力过高可直接导致界面开裂引发进一步失效,增加患者痛苦。界面失效会引发一系列并发症,如股骨颈骨吸收、
16、股骨假体周围骨折、假体松动、假体旋转和假体下沉10。因此研究假体-骨界面未整合区域的力学状态非常必要。假体-骨界面由于复杂的受力情况会发生变形,而变形易导致进一步微骨折,因此探索骨界面变形也具有重要意义。研究表明,通过材料上一节点在应力偏量中的正应力椭球可以判断材料两侧尺寸变化的趋势,剪应力椭球的开口方向也可表征材料在空间中的变形11。已知一点在3个方向上的主应力可以绘制法向应力椭球和剪应力椭球,并可通过这2种图形判断不同应力状态下材料发生变形的类型及尺寸变化的规律,为结构设计或应力、应变分析提供了一种直观有效的方法,并可以借此研究假体-骨界面的变形规律。假体-骨界面不同整合状态影响着假体的长
17、期稳定,故本研究对假体-股骨模型进行有限元计算,研究步态、爬楼梯载荷下植入钛合金实心假体、骨小梁假体后的应力屏蔽效应,分析区域未整合时的界面的拉应力、剪应力,进一步研究假体-骨界面强度和骨界面内外侧变形,为假体的长期稳定提供理论依据。1材料和方法1.1建立模型股骨影像来自于正常成年男子,经检查股骨正常无病理现象。应用医学影像软件Mimics对股骨进行扫描,并进行逆向建模;然后使用逆向建模软件Geomagic对股骨模型进行优化;再通过三维建模软件SolidWorks将模型实体化。为方便对原始股骨与假体植入后的股骨进行对比,对股骨头进行截取12,并以半径为7.5 mm的弯管模拟骨髓腔,最终得到2种
18、股骨模型,如图1(a)、(b)所示。本研究中假体柄采用新型MINI微创短柄,参数为:柄长126 mm,颈干角130毅,材质Ti6Al4V。将截骨后的股骨与金属股骨柄进行装配13,植入假体的股骨近端模型如图1(c)所示,假体柄如图1(d)所示。使用网格划分软件Hypermesh对假体-股骨模型进行网格处理,防止出现计算不收敛和计算时间过长的问题。处理完成后导入有限元软件ABAQUS。1.2材料设置在有限元软件中设置假体-股骨模型的材料属性,其中股骨的弹性模量为20 GPa,泊松比为0.3;钛基金项目院国家自然科学基金项目(12072235,32271371);天津市自然科学基金项目(21JCYB
19、JC00940,21JCYBJC00910)作者简介院李博(2000),男,硕士研究生,研究方向为髋关节假体,E-mail:。通信作者院张春秋,E-mail:Zhang_prosthesis-bone interface are susceptible to stress concentrations and distortion which may result in occurrence of failures.悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造袁2024袁45渊3冤院29-35Key wordstotal hip replacement;trabecula
20、r bone type prosthesis;prosthesis stem;stress shielding;interface strength;in鄄terface distortion栽澡藻泽蚤泽论著李博,高丽兰,陈亚,等.骨小梁髋假体柄植入的应力分析J.医疗卫生装备,2024,45(3):29-35.30 窑医疗卫生装备窑 2024年3月第45卷第3期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 45 窑 晕燥援 3 窑 March 窑 2024表1载荷作用点坐标作用点xyzP0291.7224.5245.9P1365.2250.7221.6P23
21、56.7229.2143.3P3321.2230.1121.7注:x、y、z坐标轴正方向分别指向股骨内侧、股骨前侧、竖直向上。表2步态载荷下股骨力学环境作用点作用力x/mmy/mmz/mmP0F1395.577290.472-1 958.134P1F2-412.139-96.824514.059P2F35.733-117.845-591.733表3爬楼梯载荷下股骨力学环境作用点作用力x/mmy/mmz/mmP0F1460.551564.382-1 951.768P1F2-528.710-226.772492.401P2P3F3F414.01456.056-142.688-22.252-860.
22、587-1 701.427(a)完整股骨模型(b)截股骨头后的股骨模型(c)植入假体的股骨近端模型(b)中虚框放大(d)假体柄图1假体-股骨三维模型图3股骨边界条件及载荷设置注:F1F4为作用力。合金假体的弹性模量为110 GPa,泊松比为0.33。本研究中将假体及股骨视为分布均匀的各向同性材料,这样既简化了模型,又减少了计算时间,同时计算结果不会出现很大的偏差。研究表明弹性模量为7.69 GPa的多孔结构受力分布更均匀,能够较好地承担部分由宿主骨所承担的载荷14,因此本研究将骨小梁的弹性模量设置为7.69 GPa。实心钛合金假体柄如图2(a)所示,骨小梁假体柄如图2(b)所示。1.3边界条件
23、与载荷设置对股骨远端进行完全固定。骨整合完好区域设置为绑定,界面开裂区域设置为切向接触,摩擦系数为0.1,设置区域3(如图2所示)为未整合区域(开裂),其他区域整合良好。本研究采用简化后的力学加载15,这种简化后的负载条件与步态、爬楼梯情况下真实的体内力学环境十分贴切,载荷作用点坐标见表1,步态及爬楼梯载荷下股骨力学环境见表2、3。值得注意的是,载荷点要与周围表面进行耦合,以防止出现某点应力集中。步态载荷与爬楼梯载荷的股骨边界条件及载荷设置(设置点相同)分别如图3(a)、(b)所示。1.4观察指标1.4.1应力屏蔽有研究表明,髋关节置换术后股骨存在骨重建和骨量丢失现象,尤其是股骨近端16。文献
24、17认为,应力屏蔽作用大小以应力屏蔽率表示,计算公式如下:浊=(1-滓后滓前)伊100%(1)式中,浊为应力屏蔽率;滓前为置换前的骨应力;滓后为置换后的骨应力。为更直观地研究应力屏蔽效应,本研究基于Gruen分区进行简化,人为地将股骨近端分为4个区域。在简化后Gruen分区的基础上,每个区的平均值可以充分代表应力分布18。1.4.2界面强度假体植入股骨以后,不同阶段假体与骨的整合情况不同,存在整合良好与未整合区域,而假体-骨界面未整合影响假体的长期稳定。研究表明,无羟基磷灰石涂层时的假体-骨界面整合率为7%,有表面涂层时可达到90%19,基于此进行不同整合情况的界面强度研究。为了确定全髋关节置
25、换术后假体的稳定性,利用有限元软件对假体-股骨模型进行模拟仿真,探索不同整合状态下界面拉伸与剪切强度的最大值、未整合区域的应力分布,以保证假体-骨界面的可靠性。图22种不同的假体柄(a)步态载荷(b)爬楼梯载荷F1F2F3F4完全固定F1F2F3完全固定单位:mm注:x、y、z坐标轴正方向分别指向股骨内侧、股骨前侧、竖直向上。注:x、y、z坐标轴正方向分别指向股骨内侧、股骨前侧、竖直向上。zx骨髓腔zxzx注:(b)中1、4区为钛合金实体,2、3区为骨小梁区域,泊松比均为0.33。1234zx(a)实心钛合金假体柄(b)骨小梁假体柄zxzxzx栽澡藻泽蚤泽论著李博,高丽兰,陈亚,等.骨小梁髋假
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