新型骨水泥式人工髋关节有限元素模型及分析

2007-04-13 文章来源:admin 点击量:1083   我要说

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摘要=========================================
  此研究比较四款不同外型的股骨柄设计,找出其中最合适者。一种股骨柄设计是笔直的几何外型,两个为紧缩的几何外型,另一种为倒圆角的形状。紧缩及倒角外型目的为减少植入物相对於骨水泥的位移以达到稳定的效果。再使用有限元素分析软体分析其动态与静态的状况,静态分析采用平均体重的负荷;动态分析为人类行走状况下的条件进行分析。最後在基於有限元素分析结果来计算人工髋关节的安全系数和疲劳寿命。钛合金、钴铬合金及骨水泥疲劳计算采用Goodman, Soderberg Gerber破坏理论,所有计算是依照无疲劳寿命准则,最後结果与Charnley股骨柄比较。

前言
  植入人工关节後若有位移的情形,将使病患感觉到疼痛。目前全人工髋关节有两种固定方式,一为骨水泥式,另一为非骨水泥式。在人工髋关节的设计上,股骨柄是使其长期固定在骨骼上重要的一部分。若股骨柄外型上转折太锐利,在固定处会产生应力集中现象,导致破坏的发生。因此,作者利用有限元素法分析四款不同外型的股骨柄设计,进行材料应力分析、疲劳寿命分析和安全系数计算。

材料与方法
  作者利用Pro/E建立四个完整的新型股骨柄人工关节模型CAD(编号1∶笔直股骨柄;编号2∶紧缩率较高之股骨柄;编号3∶紧缩率较缓和之股骨柄;编号4∶具有圆弧倒角之股骨柄),然後汇入到ANSYS进行模型网格处理,人工关节模型由总计72485个六面体元素构成;股骨由48,205个元素构成,骨水泥由13,760个元素构成,股骨柄则由10,493个元素构成。把在负荷期间身体影响股骨和骨水泥介面的特徵考虑到ANSYS的分析中,且於皮质骨和致密骨设定成有等向性差异,接著进行材料应力分析、疲劳寿命分析和安全系数计算。

结果

  有限元素分析结果显示,全部的股骨柄元件均不会产生疲劳破坏,然而疲劳模拟预测编号2的股骨柄会在骨水泥上形成破坏,透过静态与动态负荷,编号2的股骨柄不能成功的防止疲劳破坏。透过疲劳准则可知,新型设计比Charnley的股骨柄的安全系数高,这代表著新型设计的形状在静态的状况下比Charnley的股骨柄有更高的疲劳寿命,在所有的新型设计外型当中编号2、3、4的股骨柄元件有较高的疲劳寿命,其中以编号3的股骨柄最佳。在钛合金和钴铬合金材料当中,亦是以编号3的股骨柄最佳,其最佳的组合是编号3的股骨柄与钛合金材料。

讨论
  在静态与动态负载下编号3的股骨柄表现最佳,且与钛合金材料在动态负荷下是最好的组合,然而安全系数在静动态的条件下会产生不同的值,即显示股骨柄在静态下会安全、防止疲劳,在动态的状况下并非如此。

结论
  一个好的植入物设计应有最高的安全性或是无限制的疲劳寿命,且减少疲劳现象发生在骨水泥中,静态的有限元素分析大部分是在体重负荷下的结果。然而,动态效应可能对於植入物的负荷会提高约10-20 %或更高的负载风险,这种情况下就必须考虑防止植入物产生裂缝或是疲劳破坏。因为新型植入物和骨水泥介面的位移比Charnley小很多,因此这些设计应具有更好的稳定效果。在开刀实行人工髋关节的置换前,可以先利用电脑环境设计与研究,这将省下时间去设计和防止任何永久性的伤害。

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