圆锥形和圆柱形柄翻修股骨paproskyⅢ型缺损时有限元生物力学研究

发布时间：2020-07-30 16:22

【摘要】：目的:1、在髋关节翻修股骨paproskyⅢA型缺损时,研究锥形柄与圆柱形柄稳定性和力学分布的差异;2、锥形柄适用于股骨paproskyⅢB型骨缺损时峡部有效固定长度临界值以及生物力学分布。方法:选取一名58岁身高170cm、体重70kg的健康男性,使用CT对右侧股骨扫描。通过Mimics15.0软件、Solidworks 2015软件、Ansys18.2软件分别重建峡部残余长度为7cm、4cm、3cm、2.5cm、2cm、1.75cm、1.5cm的7个股骨模型和3个假体模型,假体模型命名为“ⅢA-JTwagner”、“ⅢA-JTechelon”、“ⅢB-JTwagner”;将股骨模型与假体模型组配构造出翻修术后模型,其中股骨paproskyⅢA型缺损以装配假体不同分为2组,分别命名为“7-echoelon”、“7-wagner”;股骨paproskyⅢB型缺损以峡部长度不同分为6组,分别命名为“4”、“3”、“2.5”、、“2.0”、“1.75”、“1.5”。通过加载ANSYS18.2软件,模拟不同强度轴向力,分别为4倍、6倍、8倍、10倍体重髋关节反作用力,以及扭转力。比较“7-echelon”、“7-wagner”轴向稳定性和扭转稳定性,探索锥形柄用于股骨paproskyⅢB型缺损时峡部残余的极限长度以及影响因素。稳定性检验指标一方面通过测量为假体提供稳定的骨干前方、后方、内侧、外侧的应力。比较是否高于股骨的横向压力极限强度133Mpa、扭转极限强度68Mpa。另一方面,测量假体与股骨峡部的相对界面的相对位移,评估假体的远期稳定性,高于150um时为远期松动。结果:1、在股骨PaproskyⅢA型缺损翻修中,柱形柄与锥形柄在加载4倍、6倍、8倍体重髋关节反作用力时股骨峡部应力及相对位移满足垂直稳定条件。加载髋关节反作用力在10倍体重时,柱形柄与锥形柄比较,锥形柄模型应力均值低于柱形柄模型,两者股骨峡部应力秩和检验P值0.073,差异不存在统计学意义。柱形柄应力标准差为24.82大于锥形柄应力标准差13.93。通过比较可以发现,柱型柄在峡部固定部位,由近端向远端应力增长快速,表现为峡部近端应力偏低,存在应力遮挡,而峡部固定部位远端又存在应力集中。同时,测得10倍体重髋关节反作用力下柱形柄最大位移165.4um,发生在股骨峡部固定部位近端,超过150um。锥形柄则在股骨峡部远端前方测得最大相对位移99.4um。统计学上,锥形柄模型和柱形模型相对位移秩和检验P值小于0.001,差异存在统计学意义;在扭转力下,锥形柄模型峡部剪切力高于柱形柄模型,两者均远低于极限强度68Mpa。秩和检验比较柱形柄模型与锥形柄模型的P值小于0.001,两者存在显著差异。同时对柱形柄模型与锥形柄模型相对位移行秩和检验。锥形柄模型和柱形柄模型的秩和检验P值小于0.001.两种模型存在显著差异,柱形柄模型的平均迭次大于锥形柄模型。柱形柄模型的峡部界面相对位移明显高于锥形柄模型。2、在股骨PaproskyⅢB型缺损翻修中,当峡部完整骨皮质骨2.0cm时及以上时,锥形柄在轴向稳定性与扭转稳定性方面得到较满意的结果。当股骨峡部骨皮质剩余1.75cm时,使用锥形柄在10倍体重髋关节反作用力下测的峡部最大应力为131.34Mpa,相对位移达到149.29um,接近极限强度。当股骨峡部骨皮质剩余1.5cm时,10倍股骨体重髋关节反作用力下最大应力147.16 Mpa,最大相对位移162.86um。在扭转稳定性方面,最大扭转剪切力为76.91Mpa。对于重度骨质疏松模型,当重度骨质疏松模型峡部骨皮质骨剩余2.5cm时,便产生与正常骨质峡部骨皮质骨剩余1.5cm类似的结果,实验提示骨质疏松严重影响股骨与假体的轴向、扭转稳定性。结论:1、使用医学影像三维重建软件Mimics15.0、同时配合CAD软件Geomagic Studio 2013、Solidworks 2015可以很好的模拟出有限元前处理模型,为有限元计算创造良好的开端。2、应用已有的研究数据,快速建立有限元模型的研究方法具有一定的合理性。3、在股骨PaproskyⅢA型缺损翻修中。锥形柄在轴向稳定性、扭转稳定性方面优于柱形柄。4、股骨PaproskyⅢB型缺损翻修中,当使用锥形柄翻修时,峡部皮质骨有效固定长度大于2.0cm可以提供生物力学上轴向及扭转稳定性。同时骨质疏松、肥胖会降低股骨峡部与锥形柄的稳定性。对于严重骨质疏松的病人则需要有效固定大于2.5cm。
【学位授予单位】：西南医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R687.3;R318.01
【图文】：

图 1-1 分割骨松质 CT 阈值：148-661HU，骨皮质 CT 阈值：FIG. 1-1 CT threshold of bone cancellous segmentation: 148-661hcortical CT: 662-1988hu

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骨松质、骨皮质处理前后三维模型

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