本研究在考虑骨盆的情况下,对假体置换前后的髋关节进行有限元仿真。考虑到置换前后髋关节受力的真实情况,采用无骨盆和有骨盆两种有限元模型进行模拟。通过研究得出置换前后有无骨盆的应变分布规律,进而进行比较,得出骨盆对髋关节应变分布规律的影响,从而为髋关节物力学分析提供一定的理论依据。模型的参数和边界条件仍需要优化。 The laws of strain and stress distribution were analyzed by finite element method after the re-placement of artificial hip joint prostheses with pelvis and without pelvis in this research. We found the effect of pelvis on strain and stress distribution of hip joint after the replacement of artificial hip joint prostheses, thereby providing guidance to medical companies and clinicians when manufacturing and operating. The parameters of the model and the boundary conditions still need to be optimized.
尉迟晨曦1,董黎敏1,曹照华1,施涛1,刘念2,陈伟2
1天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津
2嘉思特华剑医疗器材(天津)有限公司,天津
收稿日期:2017年7月7日;录用日期:2017年7月22日;发布日期:2017年7月26日
本研究在考虑骨盆的情况下,对假体置换前后的髋关节进行有限元仿真。考虑到置换前后髋关节受力的真实情况,采用无骨盆和有骨盆两种有限元模型进行模拟。通过研究得出置换前后有无骨盆的应变分布规律,进而进行比较,得出骨盆对髋关节应变分布规律的影响,从而为髋关节物力学分析提供一定的理论依据。模型的参数和边界条件仍需要优化。
关键词 :骨盆,髋关节置换,有限元分析
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随着我国迈入人口老龄化阶段和交通事故的增加,髋关节疾病已成为生活中的常见疾病。据统计,在65岁以上的人群中,90%的女性和80%的男性患有髋关节疾病,对人工关节置换术的医疗需求呈现迅速增长的趋势 [
股骨形状复杂,很难用三维软件直接绘制。该模拟使用的有限元模型由CT图像通过反求软件Mimics、Geomagic及ProE得到在Mimics中进行前期的点云,阈值设定,填充等处理;将处理好的股骨模型导入Geomagic中进行表面处理;将Geomagic处理后髋关节置换前的人工股骨的三维模型导入三维绘图软件ProE中,模拟临床置换髋关节手术方法在小转子上方1 cm处截断股骨颈,大转子保留;将截断股骨颈后的股骨模型导入Geomagic中进行股骨模型的表面处理。置换前后股骨模型如图1所示。
骨盆模型的建立过程与股骨大体相同。将在Mimics中建立好的骨盆模型导入Geomagic软件进行表面处理,需要注意的是要对有问题的曲面进行删除,并按照原有特征进行填充。将Geomagic修改后的骨盆模型导入ProE中,为了保证骨盆与臼杯的紧密连接,骨盆上的臼杯孔需要切除,建立与医用臼杯模型相同外形尺寸的半球(没有凸起和孔等特征),按照臼杯装配位置放入髋关节置换的装配图中,如图2所示。
图1. 置换前后股骨模型
图2. 髋关节置换后骨盆模型
本研究采用ProE对髋关节假体进行建模。在ProE中通过变截面扫描建立没有螺纹特征的人工髋关节假体的三维模型,由于建立好的假体柄模型有许多小曲面、小角度等问题,需在Geomagic中对有问题曲面进行处理。臼杯和衬垫模型可以由ProE软件直接通过旋转、拉伸、阵列等命令直接绘制。建立的假体模型如图3所示。
生理载荷即轴向载荷下,区分骨质材料赋值与单一材料赋值对股骨表面应力与应变的影响不大 [
对髋关节各组成部位分配好各自的材料及单元类型,采用自由划分网格对髋关节各部位分别进行划分。图4为网格划分后髋关节模型。
将模型按照人正常站立的姿势摆放 [
图3. 髋关节假体模型
图4. 网格划分后髋关节模型
结构 | 弹性模量/(Gpa) | 泊松比 | 单元类型 |
---|---|---|---|
骨盆 | 0.37 | 0.35 | Solid 45 |
臼杯 | 105 | 0.3 | Solid 45 |
衬垫 | 0.7 | 0.38 | Solid 45 |
人工股骨头(钛合金) | 105 | 0.3 | Solid 45 |
假体柄(钛合金) | 105 | 0.3 | Solid 45 |
髋关节置换后股骨 | 0.37 | 0.35 | Solid 45 |
表1. 单元类型和材料属性设置
图5. 加载和约束图
由图6髋关节置换前股骨整体的应变云图可以看出,置换前有无骨盆的应变分布大体位置相同,有骨盆的模型最大应变要高于无骨盆模型。
由图7髋关节置换后股骨整体的应变云图可以看出,最小应变均位于股骨头下方内侧,而无骨盆模型最大应变位于股骨近端内侧股骨干1/3处,有骨盆的模型最大应变位于股骨干远端外侧和股骨干近端内侧1/3处,与既往的研究结论一致 [
由图8髋关节置换后假体柄的应变云图可以看出,髋关节置换后无骨盆模型假体柄的最大应变、最小应变均比有骨盆模型的大,且有骨盆模型髋关节置换后骨柄最大应变位置上了。
为了更准确的对比模拟结果,从模拟结果中选取应变值变化较为突出或位置较为关键的10个测点,将置换前后的应变值进行比较。选取的测点位置如图9所示。
由图10置换前有无骨盆应变直方图可以看出,置换前有无骨盆模型的应变方向保持一致。其中,与无骨盆相比,有骨盆模型应变值增加较大的点为4,8,9三点,减小较多的点为2,10两个测点。
由图11置换后有无骨盆测点应变直方图可以看出,与置换前相比,置换后应变数值整体有所下降,但应变方向仍保持一致。与置换后无骨盆模型相比,有骨盆模型中8,9,10三个测点应变有所增加,其他测点应变值都有所减少。
图6. 髋关节置换前股骨应变云图
图7. 髋关节置换后股骨应变云图
图8. 髋关节置换后假体柄应变云图
图9. 测点位置
图10. 置换前有无骨盆测点应变
图11. 置换后有无骨盆测点应变
综合图10和图11来看,骨盆对髋关节处(1,2测点)应变影响不大,但是对股骨底部(8,9,10测点)影响较大,会使原来不具有研究意义的点变得有研究必要(8测点)。
本研究对置换前后骨盆对髋关节应变的分布规律进行了研究。通过上述分析可以看出,在有骨盆的情况下,原来不具有研究意义的位置会成为新的应变的极值点,因此,对髋关节置换的研究中带有骨盆会更有研究意义。虽然置换前后骨盆对髋关节应变的方向与无骨盆时存在一致性,但是对髋关节应变的分布有一定的影响,尤其是对股骨,不仅改变了最大应变和最小应变的位置,而且在数值上有所改变。所以在对髋关节进行生物力学分析时考虑有骨盆的情况下的研究成果更加切合实际。
尉迟晨曦,董黎敏,曹照华,施涛,刘念,陈伟. 考虑骨盆的髋关节假体置换对髋关节应变分布的影响 The Effect of Hip Replacement on Strain and Stress Distribution of Hip Joint Considering Pelvis[J]. 建模与仿真, 2017, 06(03): 151-158. http://dx.doi.org/10.12677/MOS.2017.63018