人工髋关节承载状况下股骨柄应力的计算与分析.pdf

文章编号:100427220(2004)0320147205人工髋关节承载状况下股骨柄应力的计算与分析郑晓雯,孟惠荣(中国矿业大学(北京)机电系,北京100083)摘要:目的 建立全髋关节置换术后的三维有限元模型,分析研究股骨柄的应力分布,为临床应用提供理论依据。方法 应用目前先进的大型有限元分析软件ABAQUS,对人工髋关节在不同条件下股骨柄的主要力学性能,即应力分布状况进行了较为详细的计算与分析。结果 在不同的边界条件和不同的承载状态下,股骨柄的应力均是随着受力方向的增大而不断增大。不同的边界条件对股骨柄的应力值影响较大。应力值均与承载大小成正比,但应力分布曲线有所不同。结论 接受人工髋关节置换术患者在日常生活中应避免髋关节的活动范围过大(25)的加大而不断的急剧增加,说明在受到意外暴力时容易出现骨折或股骨柄断裂;当股骨柄与人体股骨结合不良的情况下,即使患者髋关节的活动范围较小,股骨柄的应力值仍较大。关键词:人工髋关节,力学性能,应力分布,有限元法中国分类号:R318101 文献标识码:AStress Calculation and Analysis on the Stem of Artificial Hip Joint underLoadsZHENGXiao2wen,MENG Hui2rong1(Dept1of Mechanical&Electronic Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing100083,China)Abstract:ObjectiveA three dimensional finite element model of the revised total hip is established to study the stem stressdistributions and to provide a theoretical foundation for the clinical practice.MethodsThe main mechanicel properties of thestem under different conditions of external loadings is calculated and analyzed in detail using ABAQUSfinite element software.ResultsThe stem stress increases as the load angleincreases under different boundary conditions and load conditions.The stem stress is significantly affected by boundary conditions.All the stress values are in direct proportion to the load values,but the stress distribution curves change shape with respect to load value.ConclusionThe patients after total hip replace2ment should avoid the activity of large range of motion of the hip joint(25)increasing when only the lower third part of the stem is in contact with the bone,so the femurfracture or the stem rupture can easily take place if there is an accidental impact1 When the stem is not in perfect contact withthe human femur,the stem stress is still large even when the range of motion of the patients hip joint is small1Key words:Artificial hip joint;Mechanical properties;Stress distribution;Finite element method人工关节是一类重要的人体替换器官,已广泛应用于关节炎的晚期治疗、外伤致残和骨瘤切除手术中,并已成为一种常规的外科手术。随着人类进入高龄化步伐的加快,患有各种关节疾病的人数日益增多,对人工关节的需求也日趋增加。但是,人工关节的平均寿命只有10年左右,而许多国家人的平均寿命已达70岁收稿日期:2004201208;修回日期:2004203216基金项目:国家自然科学基金项目(59975084)作者简介:郑晓雯(1958-),女,副教授,硕士生导师,研究方向:CAD/CAM及智能机械工程、医学假体等通讯作者:郑晓雯,Tel:[phone],Email:zxwcumtb1edu1cn741医用生物力学 2004年9月 第19卷 第3期Journal of Medical Biomechanics,Vol119No13,September2004以上,这对中青年患者往往需要进行二次或更多次手术治疗,给患者带来巨大的痛苦和经济损失。人工关节主要包括有髋、膝、肩、肘、腕、踝等,其中以髋关节置换为主。人工髋关节置换后假体松动造成股骨柄与人体股骨接触不良是临床病例中常出现的问题,在众多的相关因素中,力学因素是其主要因素之一。笔者采用有限元法对人工髋关节置换后在多种条件下股骨柄的主要力学性能,即应力分布状况进行了较为详细的计算与分析,目的在于从生物力学角度为人工髋关节的设计和临床应用提供有益的参考依据。1 人工髋关节承载状况下股骨柄的应力计算在生物力学的分析与研究中,常借鉴和应用工程分析与研究的方法。已有研究者利用有限元法对人工关节假体进行应力分布等的研究13,本文应用有限元方法对人工髋关节多种承载状况下的应力变化进行计算。1.1ABAQUS有限元软件简介ABAQUS有限元软件是美国HKS公司(Hibbitt,Karlsson&Sorensen,INC1)开发的功能非常强的大型有限元计算软件,是目前国际上最先进的通用有限元计算分析软件之一。该软件不仅能进行一般问题的分析计算,而且还能进行有关特殊问题的处理,特别是在大变形、非线性(几何、材料和边界等)、粘弹性、动态应力、接触问题以及多种不同材料复合问题等方面的分析计算有其独到之处2、3。ABAQUS有限元软件以它广泛而先进的模拟功能,强大的线性与非线性分析能力在世界各地学术界及工程界中赢得了良好的声誉和信赖4。1.2 有关假设及计算参数目前,全髋人工关节置换术最常见的模式是应用超高分子量聚乙烯髋臼与金属股骨头和股骨柄,采用骨水泥固定5。理想状况时,人工髋关节力的传递由骨盆开始,经人工髋臼、人工股骨头、人工股骨颈、人工股骨柄传至人体股骨干近端。因此,本文有限元计算时假设以超高分子量聚乙烯髋臼和钴铬钼合金股骨头作为主要接触面副,钴铬钼合金股骨头与股骨柄之间无相对运动,钴铬钼合金股骨柄全部置入人体股骨髓腔内。股骨柄的边界条件分三种状态近似模拟:(1)状态一 人工股骨柄假体与人体股骨充分吻合,且与人体股骨结合良好,没有任何移动和相对转动。实际上,这样的假设基本上是符合实际情况的,如果置入的人工股骨柄与人体股骨之间发生位移和转动,这对于人来说是不可容忍的,对于置换手术来说也是不成功的。(2)状态二 人工股骨柄假体与人体股骨结合稍差,骨水泥固定不充分,骨溶解等造成股骨柄上三分之一结合不良。(3)状态三 在第二种状态的基础上继续恶化,骨水泥固定破裂,或由于手术放置位置不正确,造成人工股骨柄假体与人体股骨仅有下三分之一结合良好。设作用在髋臼上的力为P,计算时认为该力通过人工股骨头的球心,且与骨股颈轴线成一定的角度,设为。另外考虑到髋关节的受力随着不同的活动范围而改变,仅从平地步行情况考虑,股骨头上的关节反力即可达到7倍人体体重。如果作剧烈的活动,关节反力将更大6。因此,P取27倍的人体体重,人体体重W取为735N(75 kg),在5 65 之间取不同的值。有关计算的材料参数:超高分子量聚乙烯髋臼的弹性模量为700MPa,泊松比为0.46,钴铬钼合金的弹性模量为210000MPa,泊松比为0129。计算时按不同的边界条件、不同的受力大小和方向分别进行。1.3 有限元计算在有限元的计算中,超高分子量聚乙烯髋臼和钴铬钼合金股骨头单元采用C3D8R单元(连续三维8节点减缩积分沙漏控制单元),钴铬钼合金股骨柄采用C3D4单元(连续三维4节点全积分单元)。髋臼共划分为468个单元,676个结点,股骨头共划分为264个单元,415个结点,股骨柄共划分为6580个单元,1533个结点。有限元网格的划分见图1,各种情况下的计算结果见图2和图3。841医用生物力学 2004年9月 第19卷 第3期Journal of Medical Biomechanics,Vol119No13,September2004图3 不同状态下股骨柄的Mises应力分布1-假体与股骨结合良好;2-假体与股骨上1/3结合不良;3-假体与股骨仅有下1/3结合良好Fig.3Mises stress distribution of the stem under different conditions1-Perfect contact of the stem;2-Imperfect contact of the upper third stem;3-Perfect contact of the only lower third stem941郑晓雯,等 1 人工髋关节承载状况下股骨柄应力的计算与分析2 计算结果与分析通过对不同的边界条件、不同的受力方向和不同的承载状态下人工髋关节股骨柄的有限元计算,由图2,3中的应力分布曲线可以看出:(1)受力方向对人工股骨柄的应力值有直接的影响。在不同的边界条件和不同的承载状态下,Mises应力均是随着的增大而不断增大,特别是当人工股骨柄假体与人体股骨仅有下三分之一结合良好的情况下,由25 增加到35 时,Mises应力在不同的承载状态下都有一个很大的变化,在图中表现为曲线明显变陡。因此,接受人工髋关节置换术的患者在日常生活中应尽量避免髋关节的活动范围过大,最好不要超过30,以防当人工股骨柄假体承受太大的应力,或与人体股骨出现结合不良的情况下加速人工髋关节的失效。(2)人工股骨柄假体不同的边界条件,即与人体股骨的结合状态对人工股骨柄的应力值影响较大,在结合良好的情况下,当承载较大,即当载荷达到人体体重的6倍和7倍的情况下,随着受力方向的不断增加,Mises应力分布曲线变化仍较平缓。当人工股骨柄假体与人体股骨仅有下三分之一结合良好的情况下,随着受力方向大于25 后,无论承载大小,Mises应力都不断的大大增加,在图中表现为曲线明显的变陡,特别是承载较大时,情况更加恶化。这说明了人体在受到意外时容易出现骨折或股骨柄断裂。因此,行人工髋关节置换手术的临床医生应注意尽可能地保证人工股骨柄假体的精确定位和与人体股骨的良好结合。(3)计算得到的Mises应力值均与人工髋关节所承受的载荷的大小成正比,当受力方向小于25 时,在人工股骨柄假体与人体股骨结合良好的情况下,包括股骨柄上三分之一结合不良,Mises应力分布曲线在不同的承载状态下都几乎是直线,而且亦较陡;当人工股骨柄假体与人体股骨仅有下三分之一结合良好的情况下,Mises应力分布曲线除了载荷为2倍人体体重外,在其他不同的承载状态下变化较缓,但应力值大大增加。考虑到出现这种情况主要原因是发生在人工骨股颈底部与骨股柄上部的过渡处表现出的应力集中现象。(4)由于各种情况下人工股骨柄的应力值均与人工髋关节所承受的载荷的大小成正比,所以承受过大的载荷轻则引起人工股骨柄的过早松动,重则发生人工股骨柄的断裂,因此,特别要避免人体受到较重的创伤和剧烈的活动。当人工股骨柄假体与人体股骨结合不良的情况下,即使患者髋关节的活动范围较小,人工股骨柄的应力值仍然较大;尽管最大应力值还未达到材料破坏的极限应力,但这仅仅是在静态下的计算,并没有考虑冲击及其它的情况。为避免出现意外,应使人工股骨柄假体与人体股骨有更好的匹配。(5)在人工骨股颈底部与骨股柄上部的过渡处表现出应力集中现象,因此应对此进行更好的形状优化,设计和制造时亦应更好地改进。总之,人工股骨柄的应力分布对于人工髋关节的承载能力、磨损、松动等均有很大的影响,利用先进而又功能强大的有限元分析软件深入研究人工髋关节的受力状况和生物力学性能,对进一步改进人工髋关节的设计,研制出更加符合国人解剖特点的人工髋关节,减少术后无菌松动的发生率和患者的痛苦,提高假体的承载能力和耐磨性及人工髋关节的置换水平和使用寿命,具有重要的理论意义和现实意义。参考文献:1 王以进 1 人体股骨的有限元计算J 1 上海科技大学学报,1980,2(34):1612Petrella AJ,Rubash HE,Miller MC1Effect of femoral component rotation on the stresses in an UHMWPE patellar prosthesis-a finiteelement study C 1In Bioengineering Proceedings of the 1997 ASME International MechanicalEngineering Congress andExposition1Dallas,USA:American Society of Mechanical Engineers,1997,309-3101(下转第156页)051医用生物力学 2004年9月 第19卷 第3期Journal of Medical Biomechanics,Vol119No13,September2004(1)模拟结构和骨量由载荷决定,与载荷下降方式基本没有关系,这证明了Wolff定律的基本观点:骨的基本结构总是和一定的力学环境相适应的,力负荷决定骨结构和骨量,当力学环境改变时骨结构也进行相应的改变。(2)妇女绝经后,由肌肉力降低和活动量减少,而使外载荷降低20%就会产生骨质疏松症,如达40%骨质疏松已较严重。(3)从质量曲线看出,骨量在初始阶段下降快,然后逐渐趋于平缓,最后达到平衡。这与妇女绝经的前几年骨量下降较快的结论相符,也说明早期防治骨质疏松的重要性。本研究可指导绝经后的妇女进行适当的运动以预防和减缓骨质疏松的发生。因此,可以说力学因素在防冶骨质疏松中的作用是非常关键的。研究人体内重建阈值的变化规律,以及与生物学因素的关系,对于研究治疗骨质疏松新型药物有非常重要的指导意意义。参考文献:1Frost HM.Why ISMNI and the paradigm?Their role in skeletal and extraskeletal disordersJ.J Musculoskel Neuron Interact,2000,1(1):5-9.2Ftost HM.The Utah paradigm of skeletal physiology:an overview of its insights for bone,cartilage and collagenous tissue organsJ.JBone Miner Metad,2000,18(6):305-316.3Jee WSS.Principle in bone physiologyJ.J Musculoskel Neuron Interact,2000,1(1):11-13.4Muuender MG,Huiskes R,Weinans H.A physiological approach to the simulation of bone remodeling as a self-organizational controlprocessJ.J Biomechanics,1994,27(11):1389-1394.5Doblare M,Garcia JM.Anisotropic bone remodelling model based on a continuum damage-repair TheoryJ.J Biomech.2002 35(1):1-17.6Doblare M,Garcia JM.Application of an anisotropic bone remodelling model based on a damagerepairtheory to the analysis of the proxi2mal femur before and after total hip replacement J.J Biomech 2001,34(9):1157-1170.7Garcia JM,Martinez MA,Doblare M.An anisotropic internal-external bone adaptation model based on a combination of CAO and con2tinuum damage mechanics technologiesJ.Computer Meth Biomch Biomed Eng 2001,4(4):355-378.8 张毅奕、陶祖莱.载荷诱导骨生长的力学细胞生物学机制J.力学进展2000,30(3):433-445.9Martin RB.Porosity and specific surface of bone,CRC Critical Reviews Biomed.EngineerM,1984,179-222.10Carter DR.Mechanical loading historyand skeletal biologyJ.Journal of Biomechanics,1987,20(8):1095-1109.11Carter DR,Orr TE,Pyhrie DP.Relationships betweenloading historyand femoral cancellous bone architectureJ.J Biomech,1989,22(2):231-244.12 包丽华.骨质疏松发生影响因素分析J.中国健康教育,2001,17(10):628-629.(上接第150页)3Singh YP1Finite element based design of prosthetic socket and socket/artificial limb connectionC1In:Proceedings of the 1998 17thSouthern Biomedical Engineering Conference1Piscataway,USA:IEEE,1998,91-9214 庄茁译 1ABAQUS/Standard有限元软件入门指南M1 北京:清华大学出版社,1998:1-215 罗先正,丘贵兴主编 1 人工髋关节学M1 北京:中国协和医科大学出版社,2003:31-3816 顾志华,高瑞亭主编 1 骨伤生物力学基础M1 天津:天津大学出版社,1990:189-1961651医用生物力学 2004年9月 第19卷 第3期Journal of Medical Biomechanics,Vol119No13,September2004