【摘 要】
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目的:针对当今铰链膝关节假体远期无菌性松动、运动轴衬套磨损等并发症高发的情况,以及假体仅能双轴运动、难以完全胫骨髁负重的问题,研发具有更仿生运动模式的球形运动轴铰链膝关节假体;同时建立并验证假体的有限元模型;探讨假体部件一致性及假体运动轴系统对胫骨衬垫和运动轴衬套接触应力和接触面积的影响。方法:1、假体设计:本研究以球形结构的多轴运动方式为基础,结合当前主流的旋转衬垫设计,采用先进的计算机辅助设计
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目的:针对当今铰链膝关节假体远期无菌性松动、运动轴衬套磨损等并发症高发的情况,以及假体仅能双轴运动、难以完全胫骨髁负重的问题,研发具有更仿生运动模式的球形运动轴铰链膝关节假体;同时建立并验证假体的有限元模型;探讨假体部件一致性及假体运动轴系统对胫骨衬垫和运动轴衬套接触应力和接触面积的影响。方法:1、假体设计:本研究以球形结构的多轴运动方式为基础,结合当前主流的旋转衬垫设计,采用先进的计算机辅助设计和制造手段,研发出球形运动轴旋转衬垫铰链膝关节假体。2、球形运动轴假体有限元模型验证、接触应力静态分析:将设计模型导入有限元分析软件,建立球形运动轴旋转衬垫铰链膝关节假体的有限元模型;通过相同的加载方式进行生物力学试验和有限元分析,检测胫股关节面接触面积和聚乙烯变形程度,通过对比,验证有限元模型的有效性,继而进行接触应力静态分析,测定胫骨衬垫和运动轴衬套的最大接触应力和最大等效应力。3、球形运动轴假体部件一致性对接触性能的影响:对验证后的模型进行设计改进,研发出假体胫股关节面和球轴关节面不同一致性的模型,按照ISO标准对模型进行步态周期模拟,检测胫骨衬垫和运动轴衬套的最大接触应力和接触面积,通过对比,分析假体一致性对接触性能的影响。4、运动轴系统对假体接触性能的影响:依据现行的旋转铰链膝关节假体,设计出双轴运动模式假体的三维模型和有限元模型,通过生物力学试验和有限元分析的对比验证有限元模型的有效性,按照ISO标准和降低的ISO标准对球形运动轴假体和双轴假体分别进行步态周期的模拟,检测两假体胫骨衬垫和运动轴衬套的最大接触应力,通过对比,分析假体运动模式对接触应力的影响。结果:1、假体设计:球形运动轴铰链膝关节假体共分为大、中、小三个型号,球轴系统对应着三个高度,但直径恒定不变,胫骨衬垫可完成内外各12°的旋转活动。2、球形运动轴假体有限元模型验证、接触应力静态分析:生物力学试验和有限元分析所得接触面积和聚乙烯变形的结果相近,趋势相当,接触部位一致,验证了有限元模型。在接触应力静态分析上,胫骨衬垫的最大接触应力和等效应力分别为26.3071 MPa和10.5115 MPa,发生在13%的步态周期;而运动轴衬套的最大接触应力和等效应力均为0 MPa。3、球形运动轴假体部件一致性对接触性能的影响:对于胫骨衬垫,最大接触应力最高组为低形合度-长距离组（61.4486 MPa）,最大的接触面积发生在高形合度-长距离组（420.485 mm2）。对于运动轴衬套,最大接触应力最高组为高形合度-长距离组（72.8093 MPa）,最大的接触面积发生在低形合度-短距离组（2.41 mm2）。4、运动轴系统对假体接触性能的影响:生物力学实验和有限元分析所得假体接触面积接近,趋势相同,验证了有限元模型。双轴假体的胫骨衬垫最大接触压力（正常和降低ISO标准=48.11MPa和37.17 MPa）略高于球形运动轴假体（正常和降低ISO标准=34.16 MPa和26.3 MPa）。双轴假体的运动轴衬套最大接触应力在降低ISO标准加载时高于球形轴假体（4.43 MPa,对比于,0 MPa）;在正常ISO标准加载时,低于球形轴假体（4.25 MPa,对比于,25.15 MPa）。结论:1、球形运动轴铰链膝关节假体可完成多轴运动,并且具有旋转衬垫设计,利于假体应力的传导,初步试验显示假体在步态周期内的胫骨衬垫和运动轴衬套的最大接触应力低,接触面积大。2、球形运动轴和双轴假体的生物力学试验和有限元分析所得结果相近,趋势相当,表现出良好的一致性,验证了两种假体有限元模型的有效性。3、球形运动轴假体一致性的改变可影响胫骨衬垫和运动轴衬套的最大接触应力和接触面积。4、球形运动轴假体具有“自我调节”机制,可有效分散胫骨衬垫旋转轴聚乙烯的接触应力,使其较双轴假体具有更低的胫骨衬垫和运动轴衬套的接触应力。
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