个性化多孔钽膝关节假体垫块有限元分析及优化设计

详细信息    查看全文 | 推荐本文 |

	作者：刘洋 ; 马幸双 ; 何鹏 ; 吴先哲 ; 罗彦凤 中文刊名：YISX 英文刊名：Journal of Medical Biomechanics 机构：重庆大学生物工程学院;重庆光学机械研究所; 出版日期：2019-07-15 出版单位：医用生物力学 年：2019 期：v.34 基金：“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFB1101401);; 国家自然科学基金重点项目(11532004) 语种：中文; 页：YISX2019S1098 页数：1 CN：S1 ISSN：31-1624/R 分类号：74

摘要

人工膝关节置换术是治疗末期膝关节疾病的最有效方法之一,可有效减轻患者疼痛、恢复关节功能,提高患者生活质量。现有的骨科金属植入材料主要为模块化金属,如不锈钢、CoCr合金、钛合金等,这些材料皆存在摩擦腐蚀、应力遮挡等问题。更重要的问题是,不同患者骨缺损的形态千差万别,使用这些模块化金属垫块无法充分填充缺损骨结构,而采用传统的骨水泥技术进行填补则会因为骨水泥和螺钉把持力低而影响翻修效果。而根据患者CT影像数据设计,采用3D打印工艺制备的多孔钽金属假体具有高孔隙率、与骨适配的弹性模量、高表面摩擦系数等优点,这使人工关节翻修术成功率大大提高。本文对7种不同孔径、丝径的多孔钽金属标准件进行了力学压缩试验,得到了不同孔径、丝径下多孔钽金属件力学属性。然后运用专业医学影像处理软件MIMICS和逆向工程软件Geomagic为1名需翻修膝关节假体的患者三维重建了骨骼CAD模型,并依据CAD三维模型及人工关节翻修术临床技术,采用三维机械设计软件Siemens NX模拟假体安放位置并设计出患者个性化骨缺损垫块的实体模型。最后采用有限元仿真软件ABAQUS建立了假体垫块和患者胫骨的三维有限元模型,模拟和对比了植入假体后单脚及双脚站立时不同孔径、丝径的多孔钽膝关节假体的受力和变形情况。力学压缩试验结果显示:7个批次样品的弹性模量均在1～6 GPa范围内,在丝径保持不变情况下,随着孔径的增大,弹性模量逐渐减小;在孔径保持不变情况下,随着丝径的增大,弹性模量会逐渐增大。有限元仿真模拟结果显示:丝径600μm、孔径900μm假体植入后,假体最大应力值和骨最大应力值在7个批次中最小。正常站立情况下,假体最大应力为20.22 MPa,骨最大应力为28.26 MPa,根据该结果本文为患者优化设计出了丝径600μm、孔径900μm的个性化多孔钽膝关节植入假体垫块,为临床上多孔钽植入假体提供了参考数据。
        

引文