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青少年股骨近端生长板应力分布的有限元分析

中华骨科杂志 2023年第23期43卷 1601-1609页

作者：蒋一帆黄靖杰彭阳龚啸元张颖古凌川罗江明杨君君眭文汤哲雄刘佳木陈光兴陆军军医大学第一附属医院创伤关节外科重庆400038

目的探讨力学因素对生长板形态和股骨近端发育的影响,为凸轮型(Cam)髋臼股骨撞击症发生机制提供力学依据。方法利用青少年股骨近端正常及延长型生长板的髋部CT扫描数据仿生构建正常和延长型两种股骨近端骨骺生长板的三维有限元模型。采... 详细信息

目的探讨力学因素对生长板形态和股骨近端发育的影响,为凸轮型(Cam)髋臼股骨撞击症发生机制提供力学依据。方法利用青少年股骨近端正常及延长型生长板的髋部CT扫描数据仿生构建正常和延长型两种股骨近端骨骺生长板的三维有限元模型。采用Vicon系统收集5名健康志愿者的日常活动(行走、单或双脚站立、上下楼梯、坐下起立和蹲下起立)及篮球训练上篮动作的动态力学和位置数据,选取最大峰值、动作起始与终止的股骨头力学负荷和位置的均值进行有限元力学分析,观察不同活动模式下两种模型生长板上等效应力、法向应力和剪切应力的分布。结果成功构建正常和延长型的股骨近端骨骺生长板的髋关节三维有限元模型,并获得日常活动和上篮动作中股骨头的力学负荷值和空间位置参数。日常活动中,正常与延长型两种模型骨骺生长板的等效应力峰值为1.6~11.0 MPa、压应力(1.7~12.0 MPa)、拉应力(0.5~10.0 MPa)和剪切应力(0.4~7.1 MPa),行走、单或双脚站立、上下楼梯、坐下起立和蹲下起立的压应力集中分布在中央及外侧区域、拉应力集中分布在中央及内侧区域,切应力集中在内侧区域及生长板前后侧边缘。在上篮动作中,正常模型生长板中央、外上侧及内侧边缘的区域压应力明显集中,峰值分别波动在5.5~19.0 MPa、5.7~11.0 MPa、5.4~7.3 MPa。拉应力与切应力在内外边缘及中央区域集中,峰值分别是3.0~24.0 MPa、3.0~26.0 MPa,均与日常活动下的应力分布有明显差异;延长型的生长板可见中央、外侧边缘区域压应力集中,峰值分别波动在17.0~41.0 MPa、17.0~38.0 MPa,模拟的延长部分剪切应力、拉应力较集中峰值波动在4.9~34.0 MPa,同样与日常活动应力分布有明显差异。结论力学分布在日常活动和篮球上篮训练及正常型与延长型生长板间的差异,可能是延长型生长板发育和Cam型髋臼股骨撞击症形成的力学始动因素。

关键词：青少年股骨髋臼撞击征骨骺应力,物理有限元分析

机械应力介导骨组织再生相关信号通路机制的研究进展

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中华创伤骨科杂志 2022年第10期24卷 916-920页

作者：余轶凡徐佳康庆林上海交通大学医学院附属第六人民医院骨科上海200233

阐明机械应力介导骨组织再生的信号通路机制,对于改善骨再生、临床治疗如骨缺损及骨延长等骨相关疾病的治疗具有重要意义。机械应力通过piezo通道、整合素等将机械刺激向细胞内传导,引起多种信号通路途径反应,进而改变转录因子转位、基... 详细信息

阐明机械应力介导骨组织再生的信号通路机制,对于改善骨再生、临床治疗如骨缺损及骨延长等骨相关疾病的治疗具有重要意义。机械应力通过piezo通道、整合素等将机械刺激向细胞内传导,引起多种信号通路途径反应,进而改变转录因子转位、基因表达和成骨细胞分化,最终实现促进骨再生的结果。本文就机械应力介导骨组织再生相关机制研究进展作一综述。

关键词：应力,物理骨再生信号传导伊利扎罗夫技术

三维有限元法分析成人髋关节发育不良重建髋臼的生物力学特征

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中国组织工程研究 2018年第35期22卷 5642-5647页

作者：田丰德赵德伟李东怡郭林安宁张耀程亮亮郝瑞胡杨帆大连理工大学电子信息与电气工程学部辽宁省大连市116024 大连大学附属中山医院关节外科辽宁省大连市116001

背景:成人髋关节发育不良目前主要的治疗方法有髋关节周围截骨术、髋臼旋转截骨术、髋臼加盖术等,方法多样,疗效不一。由于技术条件的限制,各种方法虽然不同程度的改善了头臼关系,但距离理想状态仍有一定差距,部分患者因而效果不佳,病... 详细信息

背景:成人髋关节发育不良目前主要的治疗方法有髋关节周围截骨术、髋臼旋转截骨术、髋臼加盖术等,方法多样,疗效不一。由于技术条件的限制,各种方法虽然不同程度的改善了头臼关系,但距离理想状态仍有一定差距,部分患者因而效果不佳,病情继续发展。目的:应用三维有限元方法从力学角度分析成人髋关节发育不良髋臼重建的可行性及有效性,为以后的科研及临床研究提供理论依据。方法:选择单侧髋关节发育不良患者髋关节CT薄层扫描数据,利用Mimics15.0、Hypermesh软件分别建立健髋及髋关节发育不良患髋模型,利用镜像消减计算患侧髋臼缺损的部位及范围,模拟重建髋臼,建立重建髋关节模型,应用Ansys10.0加载关节负荷,分析单足着地情况下各髋关节软骨下骨VonMises应力分布情况。结果与结论:(1)各模型结果与实际情况相符合,最大Von Mises应力值出现在髋臼顶穹部及股骨颈后内侧;(2)患髋骨性缺损出现在髋臼前外侧,大小为43mm×14mm×7mm;(3)应力加载后各组VonMises应力峰值分别为:健髋股骨头(2.800±0.012)MPa,髋臼(3.855±0.035)MPa;髋关节发育不良患髋股骨头(5.066±0.026)MPa,髋臼(8.168±0.034)MPa;重建髋股骨头(2.769±0.085)MPa,髋臼(3.804±0.132)MPa,统计学分析结果显示髋关节发育不良患髋各部位VonMises应力峰值明显高于另外二者(P0.05),证明髋臼重建后髋关节应力分布恢复正常;(4)通过有限元模型受力分析证明,髋臼重建能够恢复髋关节力学结构,该方法治疗早期成人髋关节发育不良是可行性的。

关键词：成人髋关节发育不良髋臼缺损关节应力三维有限元骨科植入物国家自然科学基金髋脱位,先天性髋臼应力,物理有限元分析组织工程

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一种基于动物实验多功能撞击仪的研制及应用

中国组织工程研究 2017年第20期21卷 3196-3201页

作者：王海林肖和达张生江宗兴刘卫辉汤礼军戴睿武解放军成都军区总医院全军普外中心四川省成都市610083

背景:目前有文献报道了一些用来研究创伤的仪器设备,但是鉴于这些设备自身适用范围有限,不利于创伤动物模型的建立。目的:研制一种多功能动物撞击系统并评估其初步使用效果,为动物实验创伤建模及基础研究提供支撑。方法:多功能动物撞击... 详细信息

背景:目前有文献报道了一些用来研究创伤的仪器设备,但是鉴于这些设备自身适用范围有限,不利于创伤动物模型的建立。目的:研制一种多功能动物撞击系统并评估其初步使用效果,为动物实验创伤建模及基础研究提供支撑。方法:多功能动物撞击系统基于储能换能装置、简便式多功能撞击装置、撞击参数测量装置等三大部件的原理设计,并对其有效性和稳定性检验。采用撞击仪预设定不同撞击参数(200,300,400,500 k Pa)并选择5 cm2撞击头对大鼠胸、腹部不同部位器官实施闭合撞击实验并立即记录撞击力数据。各部位不同撞击参数下随机选择3只大鼠实行撞击操作,随后处死大鼠以解剖观察。结果与结论:(1)成功地研制出该多功能撞击仪,其撞击应力峰值连续可调节且量程在0-200 kg,压缩和挤压应力连续可调节且量程在0-100 kg;(2)动物实验表明仪器能够造成大鼠肺、肝、脾等器官不同程度的组织损伤,验证了该仪器具有良好的有效性(P0.05);(3)结果说明,撞击仪操作简单,撞击方式多样,撞击参数可被实时记录;经过调试和动物实验,效果显著且性能稳定,可对不同实验动物形成不同强度和方式的创伤。适用于撞击伤的建模和有关基础研究。

关键词：创伤和损伤力学应力,物理组织工程组织构建撞击系统力学参数创伤模型应力国家自然科学基金

新型可吸收螺钉与传统螺钉固定Lauge-Hansen 1型内踝骨折的三维有限元分析

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中国组织工程研究 2018年第19期22卷 3027-3032页

作者：陈帆成禹宝庆施继飞敖荣广张旭李得见钱治上海市浦东医院骨科上海市201399

背景:聚L-乳酸等一类材料作为新型生物材料用于骨科领域,具有组织相容性好,可被组织吸收,无需二次手术,不与周围组织发生反应,而且可吸收材料的弹性模量接近骨骼,更有利于骨折愈合。然而目前的文献中尚未对可吸收螺钉的生物力学方面做... 详细信息

背景:聚L-乳酸等一类材料作为新型生物材料用于骨科领域,具有组织相容性好,可被组织吸收,无需二次手术,不与周围组织发生反应,而且可吸收材料的弹性模量接近骨骼,更有利于骨折愈合。然而目前的文献中尚未对可吸收螺钉的生物力学方面做较为充足的阐述。目的:利用现代计算机有限元分析技术探究新型可吸收螺钉用于固定Lauge-Hansen 1型内踝骨折固定的可行性。方法:利用CT原始数据建立简单内踝骨折模型,利用新型可吸收螺钉、新型金属螺钉以及传统金属螺钉进行固定,并导入有限元分析软件计算分析应力集中以及位移。结果与结论:(1)新型可吸收螺钉固定模型共有36 240个单元,7 660个节点,450 N压力下,螺钉最大应力为46.78 MPa,螺钉最大位移为0.239 mm,骨折远端最大位移0.248 mm;(2)新型金属螺钉固定模型共有36 240个单元,7 660个节点,450 N压力下,螺钉最大应力为46.49 MPa,螺钉最大位移为0.223 mm,骨折远端最大位移0.214 mm;(3)传统金属螺钉固定模型共有41 236个单元,8 121个节点,450 N压力下,螺钉最大应力为59.08 MPa,螺钉最大位移为0.182 mm,骨折远端最大位移0.207 mm;(4)新型可吸收螺钉用于Lauge-Hansen 1型内踝骨折的固定中,应力总体分布均匀,发生断钉可能性小;(5)实验验证了可吸收螺钉用于简单内踝骨折的生物力学可行性。对于临床医生而言,选择新型可吸收螺钉固定治疗Lauge-Hansen1型内踝骨折是一个行之有效的选择。

关键词：有限元分析生物力学踝骨折应力,物理组织工程可吸收螺钉胫距关节应力位移骨科植入物数字化骨科

不同材料人工髋关节假体对骨界面应力分布及生物力学的影响

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中国组织工程研究 2016年第9期20卷 1268-1274页

作者：李宁远龚亚莉刘煊文周强成都三六三医院骨科四川省成郜市610041

背景:髋关节置换过程中可以使用不同材料的假体,不同的假体组合会产生不同的生物力学效果和骨界面应力分布。目的:探讨不同材料人工髋关节假体对骨界面的应力分布及生物力学的影响。方法:对志愿者进行髋部CT扫描,所得图像资料以DICOM格... 详细信息

背景:髋关节置换过程中可以使用不同材料的假体,不同的假体组合会产生不同的生物力学效果和骨界面应力分布。目的:探讨不同材料人工髋关节假体对骨界面的应力分布及生物力学的影响。方法:对志愿者进行髋部CT扫描,所得图像资料以DICOM格式进行保存,并利用MIMICS软件进行处理,导入ANSYS获得股骨三维有限元模型。对股骨材料属性进行赋材质,获得股骨赋材质三维有限元模型。选择3种不同的置换假体材料(钴铬钼合金、钛合金以及复合材料),结合实际关节置换的具体要求,在CAE软件中对不同类型假体予以设计,得出相应的假体模型。按照STL格式将构建的假体模型导入MIMICS中,对股骨与假体进行装配。对不同假体关节置换后的应力情况进行分析,分别对3种假体在置换后对应完整股骨中下部应力集中区内外侧、小转子右下方30 mm、股骨近端小转子右侧的应力遮挡率进行计算。结果与结论:通过三维有限元分析,建立了直观、精确的股骨模型以及假体三维模型。按照实际情况对股骨三维有限元模型进行赋材质,获得相应的模型,从而更加直观的展现出股骨内部不同材质的属性,并对钴铬钼合金、钛合金、复合材料3种假体置换后的股骨应力进行了模拟。结果发现,应力遮挡率在股骨中下端股骨会出现下降的情况,置换后股骨远端部位应力高于完整股骨应力水平。提示使用钴铬钼合金、钛合金、复合材料3种置换假体进行髋关节置换后均会出现一定的应力遮挡情况。其中复合材料假体与人体的实际生理环境更为接近,可以有效减少应力遮挡作用,有利于应力从假体传导至股骨上。

关键词：关节成形术,置换,髋假体植入应力,物理生物力学组织工程骨科植入物人工假体髋关节关节置换人工髋关节置换假体应力

单髁置换与全膝置换:假体接触表面的应力分析

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中国组织工程研究 2015年第22期19卷 3467-3471页

作者：周秉正白伦浩李彬王广斌中国医科大学附属盛京医院辽宁省沈阳市110004

背景:单髁置换相比全膝置换具有微创优势,但相对于全膝置换金标准,单髁置换生存率仍存争议。目的:参数化建立人工单髁置换与全膝置换三维有限元模型,对比分析两者假体接触表面的应力变化。方法:选择1例单侧行人工单髁置换、对侧行人工... 详细信息

背景:单髁置换相比全膝置换具有微创优势,但相对于全膝置换金标准,单髁置换生存率仍存争议。目的:参数化建立人工单髁置换与全膝置换三维有限元模型,对比分析两者假体接触表面的应力变化。方法:选择1例单侧行人工单髁置换、对侧行人工全膝置换的志愿者,置换前采用3D CT扫描膝关节,通过三维软件建立膝关节模型,然后通过参数化软件设计与膝关节模型相匹配的关节假体,建立膝关节单髁置换与全膝置换三维模型,最后通过有限元分析软件模拟膝关节在站立和水平行走情况下,膝关节屈曲度分别为0°,10°,30°,60°时内髁的最大等效应力,并进行比较分析。结果与结论:在模拟站立位时,单髁置换假体与全膝置换假体0°,10°时最大等效应力差异无显著性意义(P>0.05),模拟30°,60°时单髁置换假体最大等效应力分别高于全膝置换假体15.01%,6.08%,差异有显著性意义(P应力分别高于全膝置换假体5.45%,6.65%,6.67%,9.01%,差异有显著性意义(P<0.05)。提示单髁置换假体与全膝置换假体水平位元件对聚乙烯垫片磨损无实际意义,但在水平运动时,单髁置换假体聚乙烯垫片磨损可能高于全膝置换假体,可为临床进一步提供指导意义。

关键词：关节成形术,置换,膝有限元分析应力,物理植入物数字化骨科单髁置换全膝关节置换三维有限元最大等效应力生物力学应力国家自然科学基金

低频超声对万古霉素骨水泥-假体柄界面剪切应力的影响

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中华医学杂志 2017年第7期97卷 545-550页

作者：赵琦辉朱芳兵蔡迅梓严世贵何荣新杭州市第三人民医院骨科浙江310009 浙江大学医学院附属第二医院骨科

目的探讨低频脉冲超声对载荷万古霉素丙烯酸骨水泥-假体柄界面剪切应力的影响。方法制备1%万古霉素骨水泥-假体柄界面模型，数字表法随机分为对照组、450 mW/cm^2超声组和1 200 mW/cm^2超声组，每组8个样本。对照组37 ℃磷酸盐缓冲液（... 详细信息

目的探讨低频脉冲超声对载荷万古霉素丙烯酸骨水泥-假体柄界面剪切应力的影响。方法制备1%万古霉素骨水泥-假体柄界面模型，数字表法随机分为对照组、450 mW/cm^2超声组和1 200 mW/cm^2超声组，每组8个样本。对照组37 ℃磷酸盐缓冲液（PBS）中浸泡30 d，超声组37 ℃PBS中超声处理7 d后再浸泡23 d，试件空气中风干24 h后万能力学试验机检测界面剪切应力，场发射扫描电子显微镜和Image-Pro Plus 6.0图像处理软件分析界面孔隙率。结果超声干预1周后，450 mW/cm^2组和1 200 mW/cm^2组界面剪切应力分别较对照组下降9%（P〉0.05）和17%（P〈0.05），两超声组之间无明显差异；450 mW/cm^2和1 200 mW/cm^2超声组界面孔隙率较对照组分别增加44%（P〉0.05）和110%（P〈0.05），1 200 mW/cm^2超声组界面孔隙率较450 mW/cm^2组增加46%（P〈0.05）。超声组界面体液渗透明显增加。结论低频脉冲超声干预1周可显著增加界面孔隙率，提高体液渗透界面，降低界面剪切应力，降低丙烯酸骨水泥-不锈钢假体柄界面初始稳定性。

关键词：假体和植入物万古霉素应力,物理超声疗法

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骨盆定制假体的设计及有限元分析

中国骨伤 2019年第6期32卷 564-568页

作者：郭鹏年张占阅高耀东内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院内蒙古包头014010 内蒙古科技大学机械工程学院内蒙古包头014010

目的:介绍骨盆定制假体的设计,利用有限元分析方法评价骨盆肿瘤定制假体在3种不同工况下的生物力学性能。方法:利用CAD软件设计1例骨盆肿瘤患者重建所需的钛合金材质假体,用有限元法分析检查和评估该定制假体在静态和缓慢步态工况下的... 详细信息

目的:介绍骨盆定制假体的设计,利用有限元分析方法评价骨盆肿瘤定制假体在3种不同工况下的生物力学性能。方法:利用CAD软件设计1例骨盆肿瘤患者重建所需的钛合金材质假体,用有限元法分析检查和评估该定制假体在静态和缓慢步态工况下的强度和刚度值。结果:有限元分析结果表明,3种工况下骨盆的最大Von Mises应力分别为39.0、202.8、42.4 MPa;最大位移分别为0.199、0.766、0.847 mm。假体中的最大Von Mises应力分别为62.3、318、468 MPa。骨盆和假体中的最大Von Mises应力都远低于相应材料的屈服强度。结论:该研究可以根据患者情况对定制假体的形状和尺寸做精确设计,通过有限元法强度计算可以降低骨骼应力水平和骨折风险,延长假体的使用寿命,保证了患者术后正常步态下的安全性和稳定性。

关键词：骨盆假体设计应力,物理有限元分析