鎳鈦記憶合金無柄股骨假體的生物力學(xué)研究

1、鎳鈦記憶合金無柄股骨假體的生物力學(xué)研究                          作者：劉峰，林月秋，阮默，徐永清【摘要】   目的評價新型記憶合金無柄股骨假體的生物力學(xué)特性。方法利用成人股骨的螺旋CT圖像，使用CAD( 計算 機輔助設(shè)計) 軟件 建立股骨的三維模型，根據(jù)股骨模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計新型記憶合金股骨假體。建立三維股骨模型、傳

2、統(tǒng)有柄假體及新型記憶合金無柄股骨假體有限元模型。在靜態(tài)載荷及行走載荷下，對各種模型的Von Mises應(yīng)力分布進行分析和比較。結(jié)果記憶合金無柄股骨假體股骨上的應(yīng)力分布與正常股骨相近。記憶合金無柄假體股骨近端的應(yīng)力明顯大于傳統(tǒng)有柄假體，與正常股骨的相近。記憶合金爪子本身的Von Mises應(yīng)力最大值僅為13.23 MPa，應(yīng)力分布較均勻沒有應(yīng)力集中的現(xiàn)象。結(jié)論(1）記憶合金無柄假體具有優(yōu)良的生物力學(xué)特性能有效避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)的發(fā)生；(2)記憶合金爪子的固定方式能達到既固定可靠又減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的目的。 【關(guān)鍵詞】   鎳鈦記憶合金； 無柄股骨假體； 計算機 輔助設(shè)計； 生物力學(xué)

3、0;   Abstract：ObjectiveTo evaluate the biomechanical features of NiTi shape memory alloy stemless femoral prosthesis.MethodUsing CT(computer tomography) scanning photographs of adult femur,threedimensional model of the femur was built by CAD (computer aided design) software.Based on the th

4、e structure of femoral model,shape memory alloy stemless femoral prosthesis was designed.Threedimensional finite element model was created for the normal femur,NiTi shape memory alloy stemless femoral prosthesis,and traditional stemmed hip prosthesis.Under static loads and walking loads,the Von Mise

5、s stress distributions of each model were analyzed and compared.ResultThe stress distribution of shape memory alloy stemless femoral prosthesis was not obviously different from normal femur,stemless femoral prosthesis's proximal femoral stress  was close to that of normal femoral model but

6、significantly higher than traditional stemmed hip prosthesis.Von Mises stress of memory alloy claws was distributed evenly,and the Max was only 13.23Mpa,there was no stress concentration.Conclusion(1) NiTi shape memory alloy stemless femoral prosthesis has great biomechanical properties,may reduce t

7、he stressshieding effect of the proximal femur.The fixed method that use memory alloy claws can make prosthesis fixed firmly to the bone and reduce stress concentration.    Key words：NiTi shape memory alloy;  stemless femoral prosthesis;  computer aided design;  biomech

8、anics     髖關(guān)節(jié)置換術(shù)被公認(rèn)為20世紀(jì)最成功和最具影響力的骨科手術(shù)。然而由于感染、脫臼、假體松動、骨溶解等原因而導(dǎo)致手術(shù)失敗的病例也逐漸增多1。假體松動、下沉是髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后最嚴(yán)重最常見的晚期并發(fā)癥。目前認(rèn)為，假體松動主要與應(yīng)力遮擋、磨損微粒有關(guān)。 臺灣 學(xué)者設(shè)計了無柄髖關(guān)節(jié)假體，并有學(xué)者通過實驗證實其可以有效解決應(yīng)力遮擋及骨溶解的問題2。無柄假體沒有柄插入骨髓腔中，因此牢靠、有效的固定方式及良好的應(yīng)力傳導(dǎo)性對其顯得格外重要。作者根據(jù)三維重建的股骨模型利用先進的CAD(計算機輔助設(shè)計)技術(shù)設(shè)計新型的記憶合金無柄髖關(guān)節(jié)假體，并對股骨模型、傳統(tǒng)有柄

9、假體及幾種新型記憶合金無柄假體分別進行力學(xué)分析，分析和比較各種模型的應(yīng)力分布。探討新型記憶合金無柄股骨假體的生物力學(xué)特性，為無柄髖關(guān)節(jié)假體提出一種新的設(shè)計思路。     1  材料與方法     1.1  主要設(shè)備與軟件    螺旋CT機;計算機；光盤刻錄機；彩色打印機；Materialise Mimics 10.01；ProE：UG。    1.2  股骨三維實體模型的建立    選取體檢健康人體，沿人體縱軸行螺旋

10、CT掃描，掃描層距為1.25 mm，圖像存為DICOM格式，共掃描257層，光盤刻錄輸出。    將DICOM格式的圖像載入到Mimics軟件中，重建出右股骨中上段三維模型，導(dǎo)出DXF格式模型。再將模型導(dǎo)入到UG軟件中，利用UG軟件中的截面曲線功能分別捉取股骨的內(nèi)外輪廓線，然后以igs格式輸出。    將上述的igs格式輪廓線文件導(dǎo)入到PROE軟件中，對每一層輪廓線進行B樣條曲線擬和光順處理。利用股骨輪廓曲線進行由線到面、由面到實體的逆向工程處理，重建形成股骨的三維實體模型。    1.3  記

11、憶合金無柄假體的設(shè)計及三維模型的建立    在PROE軟件中，首先沿著股骨頭的下緣垂直于股骨頸的軸線截去模型的股骨頭部分，在股骨頸周圍的股骨模型上建立點，由點連成曲線作為假體罩體底邊的形狀。根據(jù)股骨模型結(jié)構(gòu)同時考慮避開重要肌肉附著點來設(shè)計記憶合金爪子的位置、尺寸、方向及數(shù)量(圖1)，分別設(shè)計了四個記憶合金爪子和六個記憶合金爪子的2種假體。根據(jù)股骨模型及解剖數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)計股骨頭及中心釘?shù)哪Ｐ汀?#160;   圖1  無柄股骨假體設(shè)計過程  1a.股骨三維實體模型體  1b.切除頭部的股骨模型  1c.根據(jù)股

12、骨模型結(jié)構(gòu)設(shè)計假體  1d.記憶合金無柄假體    1.4  傳統(tǒng)有柄髖關(guān)節(jié)假體模型的建立及與股骨模型的裝配    在PROE軟件中建立傳統(tǒng)有柄髖關(guān)節(jié)假體模型，根據(jù)股骨三維實體模型骨髓腔的形狀建立有柄假體的柄部模型，以保證假體與股骨緊密接觸。然后將建好的有柄假體與股骨模型進行裝配。    1.5  生物力學(xué)分析    表1  各種有限元模型的材料、節(jié)點數(shù)、單元數(shù)模型材  料節(jié)點數(shù)單元數(shù)模型一（股骨）（1）股骨158316571

13、模型二（有柄模型）（1）股骨 （2）鈷鉻鉬合金假體柄及頭467113838模型三（1）股骨 （2）記憶合金罩體及爪子486314087（4爪無柄模型）（3）鈷鉻鉬合金頭及中心釘模型四（1）股骨 （2）記憶合金罩體及爪子499014516（6爪無柄模型）（3）鈷鉻鉬合金頭及中心釘模型五（1）股骨 （2）記憶合金罩體及爪子495314433（4爪無柄模型2）（3）鈦合金頭及中心釘    (1）靜態(tài)載荷：模擬人單足站立時的情況；以650 N的載荷垂直作用于股骨頭。髖外展肌為260 N，方向與水平方向成60°夾角作用于股骨大轉(zhuǎn)子。  

14、0; (2)步態(tài)載荷：模擬人正常行走、單足承重狀態(tài)時的情況：忽略矢狀面上各肌群的作用，髖關(guān)節(jié)的合力為1 588 N與人體的中軸線成24.4°角作用于股骨頭。髖外展肌力為1 039 N于人體的中軸線成29.5°角作用于股骨大轉(zhuǎn)子。髂脛束力為169 N與股骨的中軸線一致作用于股骨的外側(cè)7。        2  結(jié)  果     正常股骨，傳統(tǒng)有柄假體及3種記憶合金無柄假體模型，經(jīng)有限元分析后，其在靜態(tài)載荷下Von Mises應(yīng)力分布如圖2。正常股骨，其應(yīng)力傳導(dǎo)主要是通過

15、股骨頸將應(yīng)力傳至股骨的內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)，股骨近端的應(yīng)力值在4.3322.20 MPa之間。有柄髖關(guān)節(jié)假體的應(yīng)力傳導(dǎo)方式則是通過假體與髓腔的接觸傳力，在股骨干上的應(yīng)力分布與正常股骨有較大的差異(圖3)。其最大應(yīng)力值在靜態(tài)載荷下位于假體頭頸接合處，股骨近端的應(yīng)力值水平在靜態(tài)載荷下約在5 MPa左右，在步態(tài)載荷下約為105 MPa左右。    3.1  記憶合金無柄股骨假體其股骨上應(yīng)力分布與正常股骨相近，而與傳統(tǒng)有柄假體股骨上的應(yīng)力分布有明顯的差別。不論是在靜態(tài)載荷下還是在步態(tài)載荷下記憶合金無柄假體股骨近端的應(yīng)力值均明顯的高于有柄假體近端的應(yīng)力值。說明記憶合金無柄假

16、體較有柄假體能更好的將應(yīng)力傳導(dǎo)至股骨，從而可以有效減少應(yīng)力遮擋的發(fā)生，減少假體松動、下沉等并發(fā)癥的發(fā)生。表2  5種模型最大應(yīng)力及股骨近端應(yīng)力水平最大應(yīng)力（MPa)靜態(tài)步態(tài)股骨內(nèi)側(cè)近端應(yīng)力    3.2  單純依靠螺釘固定的無柄股骨假體容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，且應(yīng)力集中現(xiàn)象隨螺釘及螺孔的數(shù)量增加而更加8。記憶合金無柄假體其固定方式為中心釘固定加記憶合金爪將罩體固定于股骨上。結(jié)果示，記憶合金爪子及其與股骨接觸的部位應(yīng)力值較小，沒有產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。記憶合金爪子在體溫 環(huán)境 下所產(chǎn)生的高達約200 N的回復(fù)力可以將罩體牢固的與股骨皮質(zhì)固定。相對于

17、傳統(tǒng)無柄假體采用松質(zhì)骨螺釘固定于大、小轉(zhuǎn)子上的固定方式，記憶合金爪子的固定方式更牢固、可靠。因此中心釘結(jié)合記憶合金爪子的固定方式即可以達到可靠、牢固的目的，又可以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。    3.3  模型三與模型四的區(qū)別在于前者罩體上設(shè)計4個記憶合金爪子，后者則設(shè)計為有6個記憶合金爪子。模型三與模型四在兩種載荷下股骨上的應(yīng)力分布基本一致。兩種模型股骨近端的應(yīng)力值水平相差較小。罩體上采用4個記憶合金爪子或6個記憶合金爪子對股骨上應(yīng)力分布沒有明顯的影響，考慮到成本、加工及手術(shù)操作等因素，最后將罩體上有4個記憶合金爪子的假體作為最后的設(shè)計方案。 

18、   3.4  大量的研究證實，低彈性模量的金屬材料與人骨接近，其引起應(yīng)力遮擋的趨勢就小5。對模型五分析研究的目的在于從材料方面著手進一步對記憶合金假體進行優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)分析，模型五在兩種載荷下股骨近端的應(yīng)力值較模型三略高近10。說明 應(yīng)用 鈦合金代替鉆鉻鉬材料制造無柄假體中心釘及球頭等假體部件具有更佳生物力學(xué)傳導(dǎo)特性。       3.5  無柄假體罩體的形狀是在 計算 機環(huán)境下根據(jù)股骨解剖結(jié)構(gòu)設(shè)計的。在靜態(tài)載荷下無柄假體罩體上的應(yīng)力值水平在14 MPa左右且應(yīng)力分布均勻。其與股骨骨皮質(zhì)界面節(jié)點的應(yīng)力最大值僅為16.73 MPa，這說明假體與股骨解剖形狀匹配良好，達到設(shè)計過程中盡可能罩體底邊與股骨多點支撐的目的。無柄假體罩體的底部覆蓋了全部股骨頸和大轉(zhuǎn)子的區(qū)域，使得由磨損而產(chǎn)生的微粒不能達到股骨的內(nèi)部，從而防止骨溶解現(xiàn)象的發(fā)生。【 參考 文獻 】   1 羅志平，戴 閩人工全