人工半骨盆假体置换联合腰椎椎弓根螺钉固定术后生物力学的有限元分析

目的:建立人工半骨盆假体置换与联合腰椎椎弓根螺钉固定后的三维有限元模型,评价腰骶段生物力学改变后半骨盆假体力学结构的特点。方法:采用CT薄层扫描采集原始数据,分别建立正常骨盆、半骨盆假体置换术后以及半骨盆假体置换联合腰椎椎弓根螺钉固定术后骨盆的三维有限元模型,分别在第4腰椎上终板平面施以500 N的垂直纵向载荷,分析不同骨盆模型的应力分布特点。结果:与正常骨盆有限元模型相比,半骨盆假体置换术后健侧骨盆应力分布以骶髂关节、髋臼窝及耻骨为主,置换侧半骨盆假体以耻骨连接棒、髋臼杯及髂骨座为主,最大应力出现在耻骨连接棒,应力峰值为65.62 MPa。联合腰椎椎弓根螺钉固定后健侧应力相对减小,置换侧髂骨固定座与骶骨固定处应力相对减小,应力分布以腰椎椎弓根钉棒、耻骨连接棒及髋臼杯为主,最大应力出现在椎弓根螺钉,应力峰值为107 MPa。结论:半骨盆假体置换联合腰椎椎弓根螺钉固定后钉棒分担了半骨盆置换后健侧骨盆及置换侧髂骨固定座与骶骨固定处附近的部分应力,缓解应力集中现象,降低术后骨盆破坏风险,一定程度上增加了半骨盆置换后骨盆的稳定性。     

人工关节假体无菌性松动动物模型的快速建立

目的:人工关节置换手术发展至今,取得了非常大的成功,已在临床解决了许多终末期的关节疾患。研究表明,假体无菌性松动的患者,其假体周围处于高骨更新状态。因此骨-假体界面的早期整合对于阻止磨屑颗粒和细胞因子的迁移至关重要,而限制人工关节假体使用寿命的一个主要原因是磨屑颗粒诱导的假体无菌性松动。在本研究中,我们旨在尝试使用107个UHMWPE颗粒快速建立人工关节假体无菌性松动的兔动物模型,以便为进一步探讨假体无菌性松动的机制及防治奠定实验基础。方法:我们用雌性新西兰大白兔建立动物模型,随机均分为实验组和对照组,在两组动物的左侧胫骨髓腔内植入羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)涂层假体。在实验组中,分别于假体表面和膝关节腔内植入0.5×10~7超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)颗粒。结果:同对照组相比,实验组动物的关节内压力更高、骨组织形态学参数更差、假体生物力学固定强度更低,同时,促炎细胞因子和骨更新标志均显著高于对照组。结论:我们使用很少的UHMWPE颗粒成功快速地建立了人工关节假体无菌性松动的兔动物模型,从而为今后人工关节假体无菌性松动的进一步研究奠定了实验基础。     

半月板三维有限元模型的建立

目的：建立膝关节半月板三维有限元模型。方法：拍摄健康成人膝关节CT图像,使用Materialise Interactive Medical ImageControl System 10.0（Mimics10.0）、Freeform Modeling System 10（FMS10）、ANSYS12.0等软件建立半月板三维有限元模型并进行初步生物力学分析验证模型的有效性。结果：建立的半月板三维有限元模型几何形态与实体解剖标本相似性高。初步生物力学分析结果显示模型能准确反映半月板的生物力学特性。结论：采用CT扫描图像建立膝关节半月板三维有限元模型是切实可行的。     

半月板三维有限元模型的建立

目的:建立膝关节半月板三维有限元模型。方法:拍摄健康成人膝关节CT图像,使用Materialise Interactive Medical ImageControl System 10.0(Mimics10.0)、Freeform Modeling System 10(FMS10)、ANSYS12.0等软件建立半月板三维有限元模型并进行初步生物力学分析验证模型的有效性。结果:建立的半月板三维有限元模型几何形态与实体解剖标本相似性高。初步生物力学分析结果显示模型能准确反映半月板的生物力学特性。结论:采用CT扫描图像建立膝关节半月板三维有限元模型是切实可行的。     

人工单髁置换治疗膝关节骨关节炎的应用进展

人工单髁关节置换在治疗单间室骨关节炎已经有超过30年的历史,尽管早期的报告不尽如人意,但目前是可靠并安全的治疗关节炎的方法。单髁置换术的成功关键在于合适的患者的选择、细致的手术技术和避免对畸形的过度矫正。本文对人工单髁置换手术的发展历史作了简单回顾,然后分别对膝关节内、外侧单髁置换术患者的选择、手术要点、临床疗效、失败原因作一综述,并对其未来研究进行展望。     

全膝关节置换术对膝关节骨关节炎患者关节功能的影响

目的:探讨全膝关节置换术(TKA)对膝关节骨关节炎患者术后关节功能的影响。方法:回顾性分析2013年8月-2015年8月我院收治的76例膝关节骨关节炎患者的临床资料,所有患者均采用全膝关节置换术治疗。观察并比较患者手术前后膝关节HSS评分、膝关节疼痛目测类比评分(VAS)、膝关节屈曲活动度(ROM)的变化情况。结果:患者术后膝关节HSS评分、膝关节疼痛评分VAS及ROM均明显高于术前,差异具有统计学意义(P0.05);术前HSS评分、膝关节疼痛VAS评分、膝关节ROM、胫骨平台后倾角(PSA)以及股骨前髁偏距(ACO)与术后膝关节HSS评分呈正相关关系,而内翻畸形角度与术后膝关节HSS评分呈负相关关系,差异具有统计学意义(P0.05)。结论:全髋关节置换术能够改善骨关节炎患者的膝关节功能,并且术前膝关节HSS评分、膝关节疼痛VAS评分及PSA与术后患者髋关节功能恢复程度有关。     

ACL对膝关节胫骨内、外旋转稳定性控制作用的初步研究

目的:研究正常人前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament,ACL)对膝关节内、外旋转稳定性的控制作用;探讨膝关节ACL多纤维束动态力学特性。方法:采集5例新鲜正常成年男性左侧膝关节标本,评估标本完整性后,向ACL胫骨止点中心做斜行骨隧道,游离ACL胫骨侧止点,以象限法平均分为4区:1.后内区、2.后外区、3.前外区、4.前内区;将4区的附着纤维束分别连接至自制"膝关节交叉韧带测力计"传感器上,并固定于自主发明的通用生物关节自由度动态应力加载系统。对股内侧、股中间肌股直肌联合肌腱、股外侧肌群分别施以1.25N:1.5N:1N的负荷。分别在膝关节屈曲0°、30°、60°、90°位将ACL各纤维束张紧并系统平衡后,利用扭距传感器测量胫骨做内、外旋转时ACL的受力情况。结果:膝关节屈伸过程中,1区纤维束对膝关节内、外旋转稳定性的控制作用较小。2区纤维胫骨外旋时受力最大,并在屈膝30°时达最大(16.97±1.45N)。3区纤维束时对胫骨内、外旋控制作用相当,并在屈膝60°时最大,分别为10.67 1.34N和16.45 1.34N。4区纤维束对胫骨内旋稳定的控制明显大于胫骨外旋,在屈膝90°时作用最大,为11.67 2.25N。结论:膝关节在屈膝不同角度内、外旋转时,每一纤维束的受力是不同的且不断变化的。膝关节屈伸过程中ACL控制胫骨内、外旋转稳定性的最重要作用纤维束集中在胫骨止点的前内侧和后外侧。ACL后外侧纤维束(2区)对膝关节外旋稳定性控制作用最为重要,且以屈膝30°时控制作用最强。前内侧纤维束(4区)对膝关节内旋稳定性的控制最为重要,并且以屈膝90°控制作用最强。前外侧纤维束(3区)对膝关节的内旋和外旋相当,并且在屈膝60°对膝关节内、外旋转稳定性控制最强。     

3 种不同弹性模量钛合金股骨假体在羊股骨置换模型中应力分布的三维 有限元分析

目的:通过三维有限元分析方法来观察并比较3种不同弹性模量钛合金股骨假体在羊股骨置换模型中von-Mises应力分布的情况。方法:采用64排螺旋CT对一健康成年羊的下肢股骨进行全长的CT扫描,扫描层厚为0.5 mm,扫描所得的数据存储为DICOM文件。将得到的DICOM文件导入到CT图像分析软件Mimics 10.0,然后利用Mimics 10.0软件来生成股骨的骨质点云数据,再将生成的骨质点云数据导入到Simpleware分析软件,通过机械加工反求中的复杂曲面造型技术建立起精确的三维实体模型。对三维实体模型进行网格划分,确定了髓腔的形状,并根据羊下肢股骨髓腔的形状设计了作者实验用的羊股骨假体模型,然后在ANSYS 12.1软件中进行网格划分。给予加载缓慢行走载荷以及扭转载荷,分析并比较羊股骨以及3种不同弹性模量钛合金股骨假体在股骨置换模型中von-Mises应力分布的情况。结果:在缓慢行走载荷以及扭转载荷条件下,3种不同弹性模量钛合金股骨假体von-Mises应力分布变化趋势一致,假体的柄颈结合部以及假体柄上1/3为应力集中区域。3种不同弹性模量的最大应力集中点均位于柄颈结合部,60 GPa弹性模量的股骨假体植入后假体的最大应力最小(37.8 MPa、29.1 MPa),股骨的最大应力最大(12.6 MPa、24.5 MPa);80 GPa的次之,假体的最大应力(38.4 MPa、33.4 MPa),股骨的最大应力(12.5 MPa、24.5 MPa);110 GPa的股骨假体植入后假体的最大应力最大(38.9 MPa、38.1 MPa),股骨的最大应力最小(12.3 MPa、24.5 MPa)。60 GPa弹性模量的股骨假体植入后的假体最大位移和相对位移均最小(缓慢行走载荷下假体最大位移为0.551 mm、相对位移为0.008 mm,扭转载荷下假体最大位移为0.730 mm、相对位移为0.011 mm)。结论:较低弹性模量的钛合金股骨假体(60 GPa)由于其弹性模量更接近于骨组织的弹性模量,股骨假体与股骨间的"应力遮挡"效应较小,更有利于应力在股骨假体及股骨间的传递,增加了股骨假体的早期稳定性,延长了其临床寿命。     

“中国力学虚拟人”研究及应用

该课题利用"中国可视化人"项目研究成果和志愿者的相关数据,建立了人体全身和部分细分部位的骨肌系统生物力学仿真模型。模型可以按真实对象进行改造,并可植入人工关节等植入物。在所建实验平台中,通过运动捕捉系统测得的或人为设计的运动数据,模型可以仿真人体各种行为运动,进行动力学分析,计算关节力、关节力矩和肌肉力。成果集成在所开发的软件CMVHuman1.0中,完成软件注册登记,并建立了产业化服务体系。成果已在临床医学和植入物设计中获得广泛应用,并扩大到体育科学、人体工程学、航空、航天和虚拟士兵等领域。     

重组人骨保护素对聚乙烯颗粒刺激的人工关节置换术患者外周血IL-6和TNF-α表达的影响

目的：探讨重组人骨保护素（rhOPG）对聚乙烯颗粒刺激的人工关节置换术患者外周血IL一6和TNF一0l表达的影响,分析rhOPG防止关节置换术后假体无菌性松动的应用价值。方法：收集2009年1月-2011年3月我院收治的人工关节置换术患者的外周血清60份,采用梯度离心法分离出单个核细胞,并将其随机分成5组,每组12份。对照组：单个核细胞,模型组：单个核细胞＋1X109／mL聚乙烯颗粒,低剂量组：单个核细胞＋1×109／mLL聚乙烯颗粒＋10ng／mLrhOPG,中剂量组：单个核细胞＋1X109／mL聚乙烯颗粒＋100ng／mLrhOPG,高剂量组：单个核细胞＋l×109／mL聚乙烯颗粒＋1000ng／mLrhOPG。通过酶联免疫酶联免疫法（ELISA）＇~4定各组细胞上清液中白介素-6（IL-6）和肿瘤坏死因子（TNF-α）的含量,并进行组间比较。结果i（1）模型组、低剂量组、中剂量组、高剂量组的IL-6、TNF-α．含量均显著高于对照组（P〈0．05）。（2）低剂量组、中剂量组、高剂量纽的IL-6、TNF—α浓度均较模型组低（P〈0．os）。（3）随着rhOPG浓度的增加,IL-6和TNF．仪含量逐渐降低,组间比较差异有统计学意义（P〈0．05）。结论irhOPG可抑制聚乙烯颗粒刺激的人工关节置换术患者外周血1L-6和TNF—α．的表达,可有助于防治人工关节置换术后的无菌性关节松动。关键词：人工关节置换术;重组人骨保护素;假体松动;白细胞介素-6;肿瘤坏死N子     

滑膜白细胞计数和血清C-反应蛋白在全膝关节置换术后的诊断价值

为了探讨滑膜白细胞计数、多形核细胞百分比、红细胞沉降率和C-反应蛋白在膝关节置换术后早期感染诊断中的最佳截断值。在本研究中,回顾性分析了2008年1月至2017年5月的原发性全膝关节置换患者,其中16例关节假体周围感染病例和182例未感染病例符合本研究纳入标准。本研究比较了两组间的诊断指标(滑膜白细胞计数,多形核细胞百分比,红细胞沉降率和C-反应蛋白水平)。通过ROC特性曲线以确定每个参数的最佳截止值,并对每个诊断指标的敏感性、特异性、阳性预测值和阴性预测值进行研究。研究显示,滑膜白细胞计数和C-反应蛋白水平有2个理想临界值。滑膜白细胞临界值设定为11 300个细胞/mL,急性关节假体周围感染诊断敏感性(100%)和特异性(99.1%)最高。截断值设定为15 800个细胞/m L,阳性预测值和阴性预测值最高(分别为100%和99.4%)。同样,C-反应蛋白水平35.0 mg/L的敏感性(100%)和特异度(90.1%)最高,而C-反应蛋白水平74.8 mg/L时,阳性预测值(100%)和阴性预测值(99.1%)最高。在膝关节置换术后1～3周,滑膜白细胞计数和C-反应蛋白水平可作为急性关节假体周围感染的诊断依据。     

后交叉韧带断裂对外侧半月板生物力学的影响

目的:探讨后交叉韧带(Posterior cruciate ligament,PCL)损伤后对外侧半月板各部位生物力学特性的影响,为PCL断裂后外侧半月板损伤的防治避免骨性关节炎提供力学理论依据.方法:自愿捐献新鲜成年男性正常膝关节标本共10具,年龄21～36岁,平均32.3岁,为非对称性,左、右膝关节各5具.置于自制运动夹具上并通过电子试验机连续轴向加载0～800N负荷模拟膝关节的受力,采用压力感受器分别测定PCL完整组及PCL断裂组外侧半月板前角体部和后角于屈膝0、30、60及90°时应变值.结果:膝关节0°位,在PCL完整时,前角、体部和后角的应变均为负值,为压应变,当PCL完全切断时,前角、体部应变在各种载荷下较完整时均出现负向减小,而后角的应变却出现负向增大.膝关节30°、60°、90°位,PCL完整时前角、体部的应变为正值,是拉应变,且随载荷和角度的增大而增大,后角的应变是负值,为压应变,且随载荷和角度的增大而负向增大,PCL断裂组应变值明显大于完整组.不同角度不同载荷下两组差异均有统计学意义(P＜0.05).结论:PCL断裂会对外侧半月板产生显著的生物力学影响,这也为伤后避免膝关节屈曲负重和早期重建PCL保护半月板功能避免骨性关节炎提供了力学理论依据.     

新型非骨水泥柄设计特征及临床应用效果

目的:探讨一种新型的适合于儿童的非骨水泥固定型股骨柄设计特征,并通过随访获得其临床效果。方法:选取2010年9月~2013年4月在我科植入新型非骨水泥股骨柄的6名儿童患者,其中男1例,女5例;年龄8.5±3.2岁(5~11岁)。病理诊断结果骨肉瘤患者5例,恶性神经鞘瘤患者1例;右股骨下端患者5例,左股骨下端患者1例;其中一例患者术前有病理骨折。6例患者在我科行双动半膝关节置换术,其中股骨下端均采用了新型非骨水泥假体柄。采用Enneking骨肌肉肿瘤置换后下肢功能评定标准对患肢行功能评价,影像学重点评估股骨柄在髓腔放置位置是否得当、股骨柄假体有无松动、有无应力遮挡、骨溶解等现象,并测量术后患者患肢短缩畸形数据。结果:6例患者随访时间32个月(14~54个月),除1例5岁女童术前肢体条件较差在术后14个月行膝关节融合手术,其余无翻修病例,置换关节均无感染、折断等现象。MSTS评分21.33分;射线片示所有患者股骨髓腔内假体柄放置位置满意,股骨侧及胫腓骨侧假体周围未见骨溶解。结论:新型非骨水泥固定型股骨柄设计合理,早期稳定性可,后期可取得满意的生物固定效果。     

CroweⅣ型髋关节脱位儿童髋臼有限元生物力学分析

目的:建立CroweW型发育性髋关节脱位儿童骨盆三维有限元模型,对发育性髋关节脱位儿童真性髋臼及假性髋臼的生物力学进行初步分析.方法:采用单侧发育性髋关节脱位儿童骨盆CT扫描DICOM数据,通过Mimics10.0对图像DICOM数据进行重建,经Geomagic Proe5.0进行网格优化,在Hepermesh 10.0中进行有限元网格划分后输入ANSYS12.0中,在ANSYS中根据解剖部位建立骨盆主要韧带,行单腿站立载荷加载,计算该加载方式下骨盆的应力及位移分布情况.结果:模拟患者单腿(患侧)站立状态下身体重心通过假关节的中心,骨盆极度倾斜约45°,给予生理载荷,应力主要集中在假髋臼和骶髂关节面之间,耻骨上肢内侧是应力集中区但是应力小于骶髂关节周围部分;患侧骨盆位移以髂骨翼前侧向后侧逐渐减弱.结论:建立的有限元模型在静载荷下特征部位的应力及位移能够反映CroweⅣ型髋关节脱位儿童骨盆的力学结构特性,模型的准确性高,可以成为CroweⅣ型髋关节脱位儿童骨生物力学研究的工具,满足临床研究需要.     

基于CT的股骨有限元模型的建立及髋关节中空多孔假体植入后受力分布的初步研究

利用有限元分析的方法,对髋关节中空多孔假体植入后的受力分布改变进行研究,为改进中空多孔人工关节假体的设计提供依据.建立了股骨和假体三维有限元模型,应用有限元分析软件Ansys5.7模拟单腿负重状态,考察应力分布并进行比较.使用SPSS Statistics 17.0软件进行分析处理,绘制折线图.结果表明:a.开孔后张力侧最大压应力有所减小,开孔部位的应力水平变化不明显.b.与周围骨质形成连接后孔缘局部应力增加,张力侧受力改变不明显.c.短柄假体受力模式仍为远端应力集中;张力侧应力减小,开孔部位应力明显增加.d.下孔受力均大于上孔,受力方向基本一致.     

冠龙手部三维数字建模与初步功能分析*

冠龙是一种生活于侏罗纪晚期的基干暴龙类,现已发现的化石皆产于中国新疆准噶尔盆地的石树沟组。本次研究使用激光非接触数据化仪对冠龙标本IVPP V14531的左手进行扫描,用RapidformXOV2软件建立单块骨骼三维数字模型,然后用AutodeskMaya软件关联手部各块骨骼,建立整个手部的功能性三维数字模型。尽管基于骨骼化石对兽脚类恐龙手指活动范围进行推测受制于一些不确定性因素,但我们还是能够给出手指的可能活动范围,来测算兽脚类恐龙手指的背展和屈曲度。对模型的分析显示,冠龙手指Ⅱ和Ⅲ的有限背展度介于基干僵尾龙高棘龙和虚骨龙类当中的恐爪龙之间,有限屈曲度变化范围很大,但在高棘龙和恐爪龙变化范围之内;手指Ⅳ的掌骨和指节间关节几乎没有活动性,第一个指节间关节背展度很大,甚至强于高棘龙,第二个指节间关节活动性和高棘龙相当,第三个指节间关节活动性和恐爪龙相当。这也许暗示兽脚类恐龙在演化过程中,手指背展能力逐渐减弱,而屈曲能力逐步加强。这一演化趋势是否存在还需要更多相关数据来检验。     

人体足底韧带松解后足部的形态改变及应力分布的实验研究

较多足部畸形同足弓塌陷或不稳定有关,尤其是足纵弓塌陷.关于跖腱膜松解对足弓高度的影响已有许多研究,但对跖腱膜松解后足部的应力分布尚不清楚.本研究旨在探讨足底韧带损伤后对足弓生物力学的影响.通过CT图像数据建立人体足踝部三维有限元模型,包括足踝部骨骼、主要关节、关键韧带结构及足底软组织.在模型上模拟跖腱膜和其他跖侧韧带松...     

基于有限元法的下颈椎弓根螺钉人工椎体系统研究

本实验利用有限元法对下颈椎前路椎弓根螺钉人工椎体系统进行研究,采用有限元法对构建下颈椎的生物力学稳定性及应力情况进行分析,进而对椎弓根螺钉进行优化设计,为临床医用提供进一步的理论。通过对患者的下颈椎处进行CT扫描,获得DICOM数据导入Mimics中,根据不同HU值范围构建下颈椎参数,并运用蒙板编辑、阈值选取、三维增长等工具建立颈椎结构区域的三维模型。采用ANSYS对建立构建的三维下颈椎模型进行有限元分析。构建人体下颈椎有限元模型,对皮质骨、软骨终板等椎间韧带结构进行模拟,设计的下颈椎模型单元有276 382个,节点有413 522个。研究表明,下颈椎在侧弯、屈伸、旋转等六个工况下的ROM椎间值与Panjabi及Kallemeyn等实验研究进行对比,实验数值与Panjabi的实验很近似,且都处于有效区间内,进而证实了实验模型的可行性与有效性。对设计的模型进行网格划分,AVB组设置273 347个单元,378 746个节点,AP组设置265 634个单元,374 593个节点。AP组相较于AVB组的应力峰值明显有增大趋势,但是AVB组的应力情况呈现均匀分布,最大应力主要分布在螺钉尾部及L形钛板与人工椎体接触部位;AP组的最大应力分布在前路钛板的钛网、中上部、螺钉钉杆尾端以及上下椎体接触部位,在钉板连接部位AP组出现应力集中现象。     

基于有限元的第5 掌骨颈骨折钢板螺钉内固定的生物力学分析

目的：应用有限元方法建立三种不同的治疗第5 掌骨颈骨折的钢板螺钉内固定模型,比较三种模型的生物力学稳定性,为 第5 掌骨颈骨折的临床早期功能康复提供参考。方法：选取一名健康青年志愿者,将CT 扫描数据导入三维有限元软件建立第5 掌骨颈骨折模型,并选取三种钢板螺钉内固定方法进行骨折固定。对三种模型施加外力荷载并进行生物力学有限元分析,对比骨 折断端的最大位移和钢板螺钉的应力分布情况。结果：方法一、二、三的第5 掌骨骨折端的最大位移分别为0.189775 mm、 0.181428 mm、0.224299 mm,以方法二的骨折端位移最小;内固定材料的最大应力分别为1.20 KPa、1.00 KPa、1.39 KPa,以方法二 的钢板螺钉应力最小。结论：采用近端三颗螺钉远端两颗螺钉的直型钢板内固定方法治疗第五掌骨颈骨折的生物力学稳定性更 好,术后早期功能锻炼的安全性更高,是治疗第5 掌骨颈骨折的理想内固定方法。     

肱骨有限元模型建立及生物力学分析

目的:以成人肱骨为例,将医学图像三维重建技术和有限元方法结合应用于正骨手法研究,建立正常肱骨有限元模型,验证模型的有效性并进行生物力学分析。方法:选择一位青年男性志愿者,对其上肢自尺桡骨上端至肱骨头进行连续断层扫描,得到CT图像,将CT数据导入MIMICS软件中,通过图像分割、三维重建和材料属性赋值,构建正常肱骨有限元模型,利用ANSYS软件进行力学分析,与文献中肱骨的生物力学数据相比较,以此验证模型的有效性。结果:建立了正常肱骨三维几何模型和有限元模型。利用ANSYS软件,对模型进行了有效性验证。所建模型物理特性与真实骨骼相近,能很好地反映骨骼的力学变化,实现手法的定量分析。结论:所建立的肱骨模型外形逼真、在不同载荷下的应力值与相关文献一致,可用作中医仿真系统中的虚拟骨折模型。