上楼梯对人工膝关节假体磨损影响的有限元研究
发布时间：2019-07-22 11:20
【摘要】：目的通过有限元磨损模型研究上楼梯对衬垫磨损的影响,对完善人工膝关节的磨损评估方法、指导假体设计等具有重要的理论和实际意义。方法基于Archard磨损理论建立人工膝关节衬垫磨损的有限元模型并验证,然后加载正常水平行走(ISO14243标准)和上楼梯的载荷,对比分析上楼梯对衬垫磨损的影响。结果水平行走步态载荷下,模型预测的磨损结果与文献实验报道结果一致,模型具有较好的有效性。上楼梯的体积磨损率为每100万次循环(million cycle,MC)37.10 mm~3,显著高于水平行走步态的体积磨损率(16.94 mm~3/MC),线性磨损也具有类似的结果。上楼梯内侧平台的磨损区域主要集中在后部,与水平行走时内侧平台的磨损主要发生在中部区域有明显不同。结论上楼梯作为高载荷、高屈膝角度的日常运动之一,对人工膝关节衬垫的磨损有较大影响,其磨损率和磨损区域与水平行走有明显差异,在人工膝关节的磨损检测和评估中应该给予适当的重视。
【图文】：
1．2有限元模型如图2所示，针对左膝人工关节假体(NexGen-ＲＲLPS-FlexFixedBearingKnee，ZimmerInc．)进行三维几何重建，几何模型包含胫骨衬垫和股骨髁两个部分，在ABAQUS/Standard6．11中建立有限元模型。胫骨衬垫网格主要区域用8节点六面体单元(C3D8Ｒ)划分，约占总体积的95%，部分角落和Cam区域用四面体单元(C3D10M)划分。股骨髁简化为刚体，与参考点设置了刚体耦合，网格用四边形单元(S4)划分。衬垫材料属性设置为线弹性，弹性模量为463MPa，泊松比为0．46［4］。股骨髁和衬垫接触面设置罚函数接触，库伦摩擦系数为0．07［4］。图2人工膝关节有限元模型及位移控制条件Fig．2FiniteelementmodelofTKＲanddisplacementcontrolconditions屈膝角度和轴向力通过参考点施加到股骨髁上，股骨髁参考点在其屈膝转轴上，并且根据ISO14243-3向内侧偏移5mm。股骨髁剩下的4个自由度被完全约束。内旋-外转角度和前后位移通过参考点施加到衬垫上，衬垫参考点在上下方向和股骨髁参考点对齐。衬垫参考点的屈膝、内外移动、外翻内翻3个自由度被完全约束，衬垫下表面在上下方向上被约束。1．3计算磨损预测UHMWPE衬垫关节面的线性磨损根据Archard磨损理论进行计算，其简化表达式为［18］:H=KpS其中:H为线性磨损，即磨损深度，单位mm;p为接触压力，单位MPa;S为相对摩擦距离，单位mm;K为磨损因子，是一个经验常数，K=2．64×10－7［mm3·(N·m)－1］［4］。采用自适应网格技术模拟磨损过程，，基于FOＲ-TＲAN语言编写了用户子程序UMESHMOTION，流程图如图3所示。首先，对水平行走步态或上楼梯进行有限元计算，并在每个增量步提取衬垫表面节点的编号、接触压力和摩擦距离等数据。然后根据Archard磨损公式计算?
嫉阍谏舷路较蚝?股骨髁参考点对齐。衬垫参考点的屈膝、内外移动、外翻内翻3个自由度被完全约束，衬垫下表面在上下方向上被约束。1．3计算磨损预测UHMWPE衬垫关节面的线性磨损根据Archard磨损理论进行计算，其简化表达式为［18］:H=KpS其中:H为线性磨损，即磨损深度，单位mm;p为接触压力，单位MPa;S为相对摩擦距离，单位mm;K为磨损因子，是一个经验常数，K=2．64×10－7［mm3·(N·m)－1］［4］。采用自适应网格技术模拟磨损过程，基于FOＲ-TＲAN语言编写了用户子程序UMESHMOTION，流程图如图3所示。首先，对水平行走步态或上楼梯进行有限元计算，并在每个增量步提取衬垫表面节点的编号、接触压力和摩擦距离等数据。然后根据Archard磨损公式计算每个表面节点的线性磨损。Knight等［4］研究了不同迭代间隔对磨损结果收敛性的影响，认为0．5MC是较合理的迭代间隔。本文也进行验证，结果发现，迭代间隔为0．5、0．25、0．125MC的磨损结果虽有不同，但差异小于5%。在综合考虑计算精度和时间成本的基础上，选择0．5MC作为迭代间隔。在第1个迭代结束时，根据计算的线性磨损，沿法线方向移动每一个衬垫表面节点，即完成了第1个0．5MC的磨损模拟。然后进入下一个迭代，直到完成10次迭代共计5MC的磨损模拟。图3子程序UMESHMOTION流程图Fig．3FlowchartofuserdefinedsubroutineUMESHMOTION2结果2．1模型验证为了验证磨损模型的有效性，对5MC水平行走步态下的体积磨损和最大线性磨损进行预测，并与磨损实验数据进行对比。如图4所示，模型预测111王川，等．上楼梯对人工膝关节假体磨损影响的有限元研究WANGChuan，etal．Finiteelementstudyontotalkneeprosthesiswearduringstairascent
【作者单位】： 北京航空航天大学生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室;中国科学院传感器技术国家实验室;
【基金】：国家自然科学基金项目(11072021,31200725,31470942) 国家科技支撑计划(2012BAI22B02) 传感器技术国家重点实验室开放基金(NSFC31470942)
【分类号】：R687.4
本文编号：2517589
【图文】：
1．2有限元模型如图2所示，针对左膝人工关节假体(NexGen-ＲＲLPS-FlexFixedBearingKnee，ZimmerInc．)进行三维几何重建，几何模型包含胫骨衬垫和股骨髁两个部分，在ABAQUS/Standard6．11中建立有限元模型。胫骨衬垫网格主要区域用8节点六面体单元(C3D8Ｒ)划分，约占总体积的95%，部分角落和Cam区域用四面体单元(C3D10M)划分。股骨髁简化为刚体，与参考点设置了刚体耦合，网格用四边形单元(S4)划分。衬垫材料属性设置为线弹性，弹性模量为463MPa，泊松比为0．46［4］。股骨髁和衬垫接触面设置罚函数接触，库伦摩擦系数为0．07［4］。图2人工膝关节有限元模型及位移控制条件Fig．2FiniteelementmodelofTKＲanddisplacementcontrolconditions屈膝角度和轴向力通过参考点施加到股骨髁上，股骨髁参考点在其屈膝转轴上，并且根据ISO14243-3向内侧偏移5mm。股骨髁剩下的4个自由度被完全约束。内旋-外转角度和前后位移通过参考点施加到衬垫上，衬垫参考点在上下方向和股骨髁参考点对齐。衬垫参考点的屈膝、内外移动、外翻内翻3个自由度被完全约束，衬垫下表面在上下方向上被约束。1．3计算磨损预测UHMWPE衬垫关节面的线性磨损根据Archard磨损理论进行计算，其简化表达式为［18］:H=KpS其中:H为线性磨损，即磨损深度，单位mm;p为接触压力，单位MPa;S为相对摩擦距离，单位mm;K为磨损因子，是一个经验常数，K=2．64×10－7［mm3·(N·m)－1］［4］。采用自适应网格技术模拟磨损过程，，基于FOＲ-TＲAN语言编写了用户子程序UMESHMOTION，流程图如图3所示。首先，对水平行走步态或上楼梯进行有限元计算，并在每个增量步提取衬垫表面节点的编号、接触压力和摩擦距离等数据。然后根据Archard磨损公式计算?
嫉阍谏舷路较蚝?股骨髁参考点对齐。衬垫参考点的屈膝、内外移动、外翻内翻3个自由度被完全约束，衬垫下表面在上下方向上被约束。1．3计算磨损预测UHMWPE衬垫关节面的线性磨损根据Archard磨损理论进行计算，其简化表达式为［18］:H=KpS其中:H为线性磨损，即磨损深度，单位mm;p为接触压力，单位MPa;S为相对摩擦距离，单位mm;K为磨损因子，是一个经验常数，K=2．64×10－7［mm3·(N·m)－1］［4］。采用自适应网格技术模拟磨损过程，基于FOＲ-TＲAN语言编写了用户子程序UMESHMOTION，流程图如图3所示。首先，对水平行走步态或上楼梯进行有限元计算，并在每个增量步提取衬垫表面节点的编号、接触压力和摩擦距离等数据。然后根据Archard磨损公式计算每个表面节点的线性磨损。Knight等［4］研究了不同迭代间隔对磨损结果收敛性的影响，认为0．5MC是较合理的迭代间隔。本文也进行验证，结果发现，迭代间隔为0．5、0．25、0．125MC的磨损结果虽有不同，但差异小于5%。在综合考虑计算精度和时间成本的基础上，选择0．5MC作为迭代间隔。在第1个迭代结束时，根据计算的线性磨损，沿法线方向移动每一个衬垫表面节点，即完成了第1个0．5MC的磨损模拟。然后进入下一个迭代，直到完成10次迭代共计5MC的磨损模拟。图3子程序UMESHMOTION流程图Fig．3FlowchartofuserdefinedsubroutineUMESHMOTION2结果2．1模型验证为了验证磨损模型的有效性，对5MC水平行走步态下的体积磨损和最大线性磨损进行预测，并与磨损实验数据进行对比。如图4所示，模型预测111王川，等．上楼梯对人工膝关节假体磨损影响的有限元研究WANGChuan，etal．Finiteelementstudyontotalkneeprosthesiswearduringstairascent
【作者单位】： 北京航空航天大学生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室;中国科学院传感器技术国家实验室;
【基金】：国家自然科学基金项目(11072021,31200725,31470942) 国家科技支撑计划(2012BAI22B02) 传感器技术国家重点实验室开放基金(NSFC31470942)
【分类号】：R687.4
本文编号：2517589
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