(骨生物力学课件)不同股骨假体植入角度的髋关节表面置换术后股骨近端力学的有限元研究

1、不同股骨假体植入角度的髋关节表面置换术后股骨近端力学的有限元研究王特141002038第1页，共25页。一、髋关节及股骨近端解剖结构第2页，共25页。髋关节组成 髋关节是多轴性球窝状关节，由股骨的股骨头和髋骨的髋臼两部分组成，其中心位于腹股沟韧带中1/3稍下，关节面相互成曲面状，但大小不等，也不完全适应，只在完全伸展并轻度外展及内旋时紧密对合，年幼时其表面更似卵圆形，随年龄增长而变成球形。第3页，共25页。髋关节（已打开关节囊）第4页，共25页。髋关节冠状切面第5页，共25页。髋关节后面观第6页，共25页。髋关节在结构上形成了以下几个特征：髋臼周边有软性髋臼唇使之加宽加深，并超出半圆；股骨头成

2、球形，与髋臼相匹配；股骨头凹处有圆韧带与髋臼相连，内有血管可为股骨头提供营养；股骨颈狭长，与股骨干成角度，具有力学意义及增加髋的活动范围；周围有紧张而强大的韧带保护；关节囊厚而坚韧，后下壁薄弱，易脱位。周围有丰富的肌肉覆盖；第7页，共25页。二、髋关节表面置换术后股骨近端力学的有限元研究第8页，共25页。目的：探讨不同股骨假体植入角度对髋关节表面置换术后股骨近端力学变化的影响， 为临床髋关节表面置换术股骨假体植入角度选择提供生物力学依据。第9页，共25页。（一）股骨颈骨折是髋关节表面置换RSAH最常见的并发症。（二）有研究表明术后早期的骨折与置换手术中股骨假体的植入角度不同所致的生物力学变化有

3、关。第10页，共25页。方法：选取1 例年轻健康男性， 年龄32 岁， 行双髋关节CT 检查。并应用MATLAB 软件处理，绘制一侧股骨近段边界三维坐标； 将三维坐标按ANSYS 文件格式编写为ANSYS程序文件建立一侧股骨近段几何模型。依次建立股骨假体植入角度分别为120、125、130、135、140、145的模型。第11页，共25页。固定股骨远端，根据志愿者实际体质量（BW 为70 kg），对各模型均施加2.38 倍体质量（相当于70 kg 体质量病人缓步行走所受载荷）的载荷，施加部位为髋臼假体外表面上方，同时股骨大转子处施加1.04 倍体质量的外展肌拉力的载荷。第12页，共25页。不同

4、柄杆角度 RSAH 术后模型观察指标：首先获得不同模型有效应力云图，观察应力峰值点部位，并记录股骨假体下松质骨区、股骨颈皮质骨区、股骨颈松质骨区的有效应力峰值。第13页，共25页。假体植入角度130股骨假体及股骨近段有效应力图第14页，共25页。假体植入角度 145股骨金属假体下松质骨有效应力图第15页，共25页。无论假体植入角度如何，RSAH 术后残存股骨的应力集中区位于假体-股骨交界区。应力峰值点的位置与角度无关， 均位于假体-股骨内侧交界区；第16页，共25页。不同假体植入角度股骨头颈松质骨有效应力峰值图。HS_V_Max 为假体下松质骨有效应力峰值；NS_V_Max 为股骨颈松质骨有效

5、应力峰值；第17页，共25页。不同假体植入角度股骨颈皮质骨的有效应力峰值图第18页，共25页。各区的有效应力峰值均随角度的增大而减小， 且135145时应力峰值变化曲线较缓和。第19页，共25页。讨论：（一） 正常股骨头主要承受应力，而且皮质骨承受的应力要高于松质骨，其应力分布表现为负重区应力分布最大， 负重区以外的区域应力分布相同。 RSAH 术后，由于金属假体的植入致使股骨头皮质骨缺失，为假体金属帽所代替，股骨头松质骨内亦有金属中央杆的植入。这无疑改变了股骨头的承力和传导力的方式，股骨头内绝大多数应力为假体所承担，松质骨仅承担很少部分。第20页，共25页。 股骨头的应力也经由假体及假体中央

6、杆向远处传递。对于股骨颈而言亦是如此，应力主要由金属假体中央杆来承担和传递，其次由股骨颈皮质骨传递。本研究也证实股骨颈皮质骨所承受的应力要远高于股骨颈松质骨、股骨假体下松质骨所承受应力。第21页，共25页。（二）本研究显示，无论假体植入的角度如何，其骨折的危险层面均为股骨-假体交界面，即股骨颈处。这与资料报道中常见的髋关节表面置换术后股骨颈骨折发生部位一致第22页，共25页。本研究表明，随着假体植入角120至145的逐渐外翻放置，假体下松质骨有效应力峰值呈现逐渐减少的趋势，135145有效应力峰值变化幅度不大，对于股骨颈皮质骨及松质骨的应力变化趋势亦是如此。因此，可以认为135145假体外翻植入对股骨头及股骨颈骨质均具有保护作用。第23页，共25页。本研究结果是基于病人骨质正常，不存在股骨颈切迹、松质骨外露等其他骨折危险因素的条件下，因此从生物力学角度来说，如果病人骨