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三维有限元分析及相关技术在三翼臼固定后应力和位移测定中的应用

刘玉增  
【摘要】:全髋关节置换术后松动,尤其是合并髋臼顶骨缺损的全髋翻修术,是骨科极富挑战性的手术。国外学者应用ARR(Burch-schneider、Ganz)、Bilobed假体等髋臼翻修假体修复各种严重的髋臼假体松动伴骨缺损的病例,临床取得了良好效果。我院于上世纪九十年代初设计并应用三翼髋臼假体治疗髋臼异常的初次全髋置换和伴严重骨缺损的髋臼翻修病例,取得了良好效果。该假体通过三翼嵌入缺损臼窝内骨床内,扩大了假体容积,三个刃分别固定于臼窝内使假体锚固牢靠;三个翼之间形成的植骨间室有利于颗粒骨打压植骨的植入,而且具有手术操作简单等优点。临床应用随访4-10年的结果显示骨改造已经完成。但是三翼臼假体固定后,髋臼周围的相关应力变化的力学研究还不充分。本实验旨在通过有限元分析三翼假体固定后的力学分布及假体的稳定性,为进一步优化三翼假体的设计提供实验依据。 本课题采用先进的有限元分析方法、数字散斑图象相关法(DSCM),对髋臼骨缺损的三维计算机模型和骨盆实体模型分别进行了用三翼臼固定后的应力和位移测定。 实验一、三翼臼假体植入髋臼骨缺损后的三维有限元分析 目的:在计算机上建立骨盆和三翼臼三维有限元模型,模拟静态下的髋关节受力,分析三翼臼和髋臼的应力分布和它们之间的微动位移。 材料与方法:利用健康志愿者的骨盆CT扫描资料,提取CT图象中骨盆的骨骼边界信息,将骨骼信息进行二维至三维的转换,在Unigraphics17.0软件的帮助下建立具有节段性臼顶骨缺损的骨盆三维模型以及三翼臼三个翼4种不同扩展角度的假体三维模型。试验中,根据三个翼扩展角度将三翼臼分别设为0°、36°、45°、60°四个实验组,并设Bilobed臼杯假体和普通臼杯为对照组。在有限元分析中,既往均将研究对象作为一种均质材料。本课题将骨盆作为皮质骨和松质骨组成的复合材料,分别设定其材料和力学参数,然后进行有限元分析的网格划分,其中对于髋臼的生物力学相关部位,进行了精细的网格划分,使有限元模型与既往的研究相比,更加可靠(共划分面单元2253个,四节点四面体单元18124个,节点4835个)。经过有限元分析的限定边界条件、加载等步骤,得到骨盆和三翼臼在人体单腿站立时的


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