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个性化3D打印钛合金短柄股骨假体的生物力学评价

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医用生物力学 2022年第6期37卷 1064-1069页

作者：张润泽刘宏伟张文王佳峰邵龙辉王庆蒋俊锋王彩梅大连医科大学研究生院辽宁大连116044 南京医科大学附属常州第二人民医院骨科江苏常州213003 苏州大学骨科研究所江苏苏州215006 河海大学物联网工程学院江苏常州213022 北京爱康宜诚股份有限公司北京102200

目的评估个性化3D钛合金打印短柄股骨假体的生物力学性能。方法采用4种不同的短柄股骨假体:3D打印1组(假体A)、3D打印2组(假体B)、BE组(假体C)、SMF组(假体D),分别对12根成人尸体股骨标本实行人工股骨头置换。在万能材料力学试验机上... 详细信息

目的评估个性化3D钛合金打印短柄股骨假体的生物力学性能。方法采用4种不同的短柄股骨假体:3D打印1组(假体A)、3D打印2组(假体B)、BE组(假体C)、SMF组(假体D),分别对12根成人尸体股骨标本实行人工股骨头置换。在万能材料力学试验机上通过初始稳定性测试和静力压缩测试,对比分析4组假体模型变形量、最大压缩载荷、最大压缩位移和抗压缩刚度。结果初始稳定性测试结果显示,3D打印2组假体变形量略低于3D打印1组,而明显低于SMF组和BE组,但差异无统计学意义(P>0.05)。3D打印2组假体最大压缩载荷、抗压缩刚度均大于其余3组,最大压缩位移小于其余3组,差异仍无统计学意义(P>0.05)。结论个性化3D打印钛合金短柄股骨假体力学性能与目前临床常用的股骨SMF、BE 1假体相当,力学稳定性较好。

关键词：人工髋关节置换术股骨假体 3D打印个性化力学测试

全膝关节置换过程中股骨假体旋转对髌股关节接触压影响的有限元分析

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中国组织工程研究 2022年第6期26卷 848-852页

作者：黄浩洪嵩瓦庆德遵义医科大学附属医院贵州省遵义市563000

背景:髌股关节并发症是全膝关节置换后的常见并发症,置换中股骨假体旋转不良会影响髌股关节的一致性,引起髌股关节接触力及运动学的改变。目的:通过有限元分析方法,研究全膝关节置换中当股骨假体在不同旋转角度放置时屈膝过程中的髌股... 详细信息

背景:髌股关节并发症是全膝关节置换后的常见并发症,置换中股骨假体旋转不良会影响髌股关节的一致性,引起髌股关节接触力及运动学的改变。目的:通过有限元分析方法,研究全膝关节置换中当股骨假体在不同旋转角度放置时屈膝过程中的髌股关节接触压变化。方法:根据志愿者右膝关节的CT、MRI数据,建立自然膝关节的三维模型。模拟全膝关节置换过程,股骨假体参照股骨外科上髁轴线(股骨内侧髁沟与股骨外侧髁最凸起点之间的连线)以3°为增量,从内旋6°至外旋9°安装(外旋3°、6°、9°,旋转0°,内旋3°、6°),而胫骨假体参考Akagi线(髌腱内侧缘与后交叉韧带止点中央的连线)旋转0°固定放置,建立全膝关节置换膝关节三维模型。将膝关节的三维模型进行网格划分,得到膝关节的有限元模型,并通过计算提取,获得各膝关节模型在屈膝过程中的髌股关节接触压。结果与结论:(1)所有模型的髌股关节接触压均随着膝关节屈曲加深而增高。股骨假体外旋3°组的髌股关节接触压均低于旋转0°组,当外旋大于3°时,随着假体外旋度数增加,髌股关节接触压增大。股骨假体内旋3°组和内旋6°组在屈膝过程中的髌股关节接触压明显高于其他组,且内旋6°组的接触压最高。(2)结果表明在全膝关节置换术中,当以上髁轴为股骨假体旋转的参考轴线时,外旋3°有可能减少髌股关节接触压,而过度的外旋股骨假体则可能导致髌股关节接触压的增大;置换中应避免股骨假体内旋,大于3°的内旋不良可能会导致髌股关节接触压明显增大,增加置换后膝前疼痛以及假体磨损的风险。

关键词：膝关节髌股关节全膝关节置换有限元股骨假体旋转对线接触压生物力学

唑来膦酸对髋关节置换后股骨侧假体下沉的影响

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中国组织工程研究 2022年第12期26卷 1812-1815页

作者：陈拥孙阳沈阳医学院附属中心医院骨科辽宁省沈阳市110024

背景:髋关节置换后假体下沉是导致手术失败的主要原因,唑来膦酸对改善髋关节置换后非骨水泥型股骨假体周围的骨量及骨密度具有良好的作用,推测其可减少假体下沉。目的:分析唑来膦酸对髋关节置换后股骨假体下沉的影响。方法:选择2019年4... 详细信息

背景:髋关节置换后假体下沉是导致手术失败的主要原因,唑来膦酸对改善髋关节置换后非骨水泥型股骨假体周围的骨量及骨密度具有良好的作用,推测其可减少假体下沉。目的:分析唑来膦酸对髋关节置换后股骨假体下沉的影响。方法:选择2019年4月至2020年4月沈阳医学院附属中心医院收治的绝经后骨质疏松性髋部骨折女性患者50例,采用随机数字表法分为2组,试验组25例全髋关节置换后1周接受静脉滴注唑来膦酸,对照组25例全髋关节置换后未给予唑来膦酸治疗。髋关节置换后1年,通过X射线片测量股骨假体下沉距离,通过双能X射线骨密度仪检测股骨假体周围骨密度,采用Harris评分系统评价髋关节功能。结果与结论:(1)试验组患者置换后1年的股骨假体下沉距离少于对照组(P股骨假体周围平均骨密度高于对照组(P0.05);(3)用药3 d内,试验组有8例患者出现发热症状,口服布洛芬混悬液及大量饮水后症状缓解;(4)提示:唑来膦酸能够有效减少非骨水泥型股骨假体周围骨密度丢失,提高髋关节置换后假体的稳定性。

关键词：骨质疏松全髋关节置换唑来膦酸髋部骨折股骨假体骨密度假体下沉

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个性化钛合金短柄股骨假体的生物力学研究

医用生物力学 2021年第3期36卷 359-364页

作者：刘宏伟张文蒋俊锋翁益平徐南伟张云坤王彩梅南京医科大学附属常州第二人民医院骨科江苏常州213003 苏州大学骨科研究所江苏苏州215006 河海大学物联网工程学院江苏常州213022 北京爱康宜诚医疗器材有限公司北京102200

目的通过有限元方法评价个性化钛合金短柄股骨假体的生物力学性能。方法在已验证有效性的股骨有限元模型基础上,模拟股骨颈基底部截骨,通过置入不同短柄股骨柄假体,分别建立4种人工髋关节置换(total hip replacement,THR)手术模型:SMF... 详细信息

目的通过有限元方法评价个性化钛合金短柄股骨假体的生物力学性能。方法在已验证有效性的股骨有限元模型基础上,模拟股骨颈基底部截骨,通过置入不同短柄股骨柄假体,分别建立4种人工髋关节置换(total hip replacement,THR)手术模型:SMF柄模型(模型A)、BE1柄模型(模型B)、MINI柄(模型C)、个性柄模型(模型D)。对4组THR模型施加同样的载荷和约束,计算分析模型von Mises应力分布和变形,比较各组模型的力学稳定性。结果所有THR模型变形都比生理状态模型要小。模型B、C变形量接近,模型A、D变形量接近。模型C应力峰值高于其他组模型,达到95.55 MPa,整体应力趋势是模型C>模型B>模型D>模型A>生理状态模型。结论个性化短柄股骨假体应力峰值、应力分布与SMF柄相当,应力分布合理,对股骨近端应力遮挡小,应力下假体整体变形度及剪切应力最小,其有效性和稳定性能满足人体生物力学要求,可为关节外科医生和假体研发人员提供参考。

关键词：股骨假体个性柄应力遮挡有限元分析生物力学

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股骨假体材料对膝关节置换性能影响的研究

股骨假体材料对膝关节置换性能影响的研究

作者：贾巍太原理工大学

学位级别：硕士

膝关节在日常活动中是重要的承重和运动关节,结构复杂,运动量大,其损伤病变处于关节首位。人工膝关节置换手术（TKA）作为治疗膝关节骨性关节炎,损伤等病症,恢复关节功能的重要手段,术后患者满意程度也较高,但每年仍然有患者术后出现不... 详细信息

膝关节在日常活动中是重要的承重和运动关节,结构复杂,运动量大,其损伤病变处于关节首位。人工膝关节置换手术（TKA）作为治疗膝关节骨性关节炎,损伤等病症,恢复关节功能的重要手段,术后患者满意程度也较高,但每年仍然有患者术后出现不同程度的功能性失败,需要进行二次翻修。膝关节股骨假体植入后由于材料属性与自然骨组织的差别造成应力遮挡,骨的自适应性会引发假体周围骨量异常,进而增加假体无菌松动和患者术后疼痛的现象发生。现接受人工膝关节置换的患者逐年增多,且患者也越来越低龄化,而膝关节置换通常寿命在10-15年,所以需要对膝关节股骨假体材料设计与优化,延长膝关节置换寿命。本文的主要目的是,对股骨假体组件材料使用功能梯度生物材料（FGBM）重新设计,设计了Ti基胶原-羟基磷灰石（FGBM I）和Ti基-生物活性玻璃（FGBM II）两种功能梯度生物材料,建立膝关节置换有限元模型,使用静态模拟分析和动态模拟分析两种方法,以股骨远端应力和胫-股假体组件间的接触应力为观察指标,来评估不同股骨假体材料（Co Cr合金、Ti合金和两种FGBM）对膝关节置换性能影响,以寻找适合人体且使用寿命更长的膝关节假体替换材料。研究工作内容如下:本文首先基于膝关节正常志愿者的CT数据,构建了膝关节股骨、髌骨、胫骨、腓骨骨组织和关节软骨、半月板软组织以及主要韧带结构,建立了自然膝关节几何模型。根据经典机械力学对线,调整下肢膝关节力学轴线。依据MA-TKA手术规范要求,进行对模型虚拟截骨,随后对各部件进行网格划分和赋予材料属性,建立人工膝关节置换术后有限元模型。选取股骨远端,胫骨近端和膝关节假体组件以简化模型,使用静态模拟仿真的方法评估不同材料下膝关节股骨远端、股骨-假体界面处和胫骨衬垫上的力学响应。仿真结果表明,两种功能梯度生物材料与现常使用的材料相比,能够提高股骨远端应力和股骨-假体界面处的应力,减少宿主股骨的应力遮挡情况,同时降低胫骨衬垫上的接触应力,FGBM I的效果最显著。FGBM II降低股骨应力遮挡的效果不明显,除能在种植体界面处产生较大的应力外,股骨远端的应力表现在部分路径中表现与Ti合金相差不大。随着k值的减小,功能梯度生物材料在胫骨衬垫上产生的接触应力也随之减少。而FGBM在k=1时在股骨-假体种植体界面附近表现出高应力,进而得到了适合膝关节股骨假体的最优梯度和组分。对建立的膝关节置换术后动态有限元模型,施加步态载荷进行动态模拟仿真。研究结果表明,不同股骨假体材料对膝关节假体组件间的接触压力会产生影响。与Co Cr合金相比,Ti合金和FGBM I（k=1）材料均能一定程度降低胫-股假体组件间的接触压力,FGBM I（k=1）的效果最明显。FGBM I（k=1）材料本身多材料属性,能更好的实现胫-股关节之间力的传递,进而接触应力云图分布发生了改变,胫-股关节之间的接触面积和位置没有变化。本文研究表明HAP-Ti功能梯度生物材料可以降低膝关节无菌松动的风险,延长假体使用寿命,可作为膝关节股骨假体潜在的替换材料。

关键词：功能梯度生物材料有限元分析人工膝关节无菌松动接触压力股骨假体

股骨假体矢状位置与术后膝前痛关系的临床研究

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股骨假体矢状位置与术后膝前痛关系的临床研究

作者：张迈鹤大连医科大学

学位级别：硕士

目的:探讨全膝关节置换术(Total Knee Arthroplasty,TKA)后股骨假体矢状位置与膝前疼痛的关系,为临床提供依据。方法:在2018年9月到2019年11月期间在大连大学附属中山医院行全膝关节置换术患者中选取100例(100膝)。所有患者均符合纳入... 详细信息

目的:探讨全膝关节置换术(Total Knee Arthroplasty,TKA)后股骨假体矢状位置与膝前疼痛的关系,为临床提供依据。方法:在2018年9月到2019年11月期间在大连大学附属中山医院行全膝关节置换术患者中选取100例(100膝)。所有患者均符合纳入标准且诊断明确。所有患者由同一术者及助手团队进行手术操作,均未置换髌骨假体。术后予患者镇痛抗凝药物治疗,应用下肢关节康复器帮助患者早期活动。通过患者术后标准侧位片的测量股骨假体屈曲角度(Fmoral Prosthesis Flexion Angle,FPFA)进行分组,分为后伸组(-3°≥FPFA>0°)、中立组(0°≥FPFA>3°)及后屈组(3°≥FPFA>6°)三组。采用美国关节协会评分(The American Kneesociety Score KSS)、视觉模拟评分(Visual Analog Scores VAS)及Feller髌股关节评分,评估TKA术前及术后膝关节的疼痛程度和功能状态。收集三组患者术前、术后KSS、Feller、VAS评分,进行统计学分析。结果:全部病例均进行最终随访至术后12个月,全部患者均可正常行走,膝关节功能满足患者日常需求。术前后伸组、中立组与后屈组组间BMI、性别、年龄无统计学差异(p>0.05)。术后后伸组、中立组、后屈组KSS功能、临床评分、Feller评分,较术前改善,差异有统计学意义(p0.05)。后伸组、中立组、后屈组的术后12个月VAS评分进行组间比较后无统计学差异(p>0.05)。后伸组、后屈组的术后12个月KSS临床评分与中立组相比较后无统计学差异(p>0.05),但后伸组与后屈组评分有差异(p股骨假体在矢状位的位置是影响术后膝前疼痛的因素之一;股骨假体矢状位上的过伸放置将增加术后膝前疼痛发生率;全膝关节置换术中,本研究建议将股骨假体置于中立位,即0°≥FPFA>3°。

关键词：全膝关节置换术股骨假体矢状位膝关节骨性关节炎

非水泥股骨假体对全髋置换术后大腿疼痛的影响

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中国矫形外科杂志 2022年第19期30卷 1762-1765页

作者：刘雪宁张坤移穷夏亚一兰州大学第二医院骨科甘肃兰州730030

全髋关节置换术在治疗终末期髋关节骨性关节炎等疾病方面取得成功的发展。骨水泥全髋关节置换术,由于其与假体周围骨溶解、置入物松动相关的并发症,在20世纪80年代早期被非骨水泥全髋关节置换术取代。尽管非骨水泥全髋关节置换术已经取... 详细信息

全髋关节置换术在治疗终末期髋关节骨性关节炎等疾病方面取得成功的发展。骨水泥全髋关节置换术,由于其与假体周围骨溶解、置入物松动相关的并发症,在20世纪80年代早期被非骨水泥全髋关节置换术取代。尽管非骨水泥全髋关节置换术已经取得良好的临床效果,但大腿疼痛仍然是一个严重的术后并发症,严重影响患者的术后满意度和生活质量。然而,目前关于大腿疼痛病因的研究较少。来自于中长期随访研究的数据表明大腿疼痛与股骨假体自身特性相关。本文旨在回顾近年来的研究,总结影响非骨水泥全髋关节置换术后大腿疼痛的股骨假体因素,并分析其原因。

关键词：全髋关节置换术非骨水泥髋关节股骨假体大腿疼痛

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股骨假体宏微一体化结构建模及优化技术

股骨假体宏微一体化结构建模及优化技术

作者：刘乐乐南京航空航天大学

学位级别：硕士

股骨假体置换手术是解决股骨部位肿瘤、损伤、炎症等病变的最有效的方式,然而,目前手术中采用的高弹性模量的系列化股骨假体往往并不能完全匹配患者的个性化股骨特征,造成应力遮挡等术后不良反应。随着制造技术的发展,增材制造技术可以... 详细信息

股骨假体置换手术是解决股骨部位肿瘤、损伤、炎症等病变的最有效的方式,然而,目前手术中采用的高弹性模量的系列化股骨假体往往并不能完全匹配患者的个性化股骨特征,造成应力遮挡等术后不良反应。随着制造技术的发展,增材制造技术可以在最大程度上降低模型的复杂度对制造工艺的影响,多孔结构由于其较低的弹性模量和力学性能可调控性正成为理想的骨科植入假体。本文提出一种能够根据股骨CT数据以及股骨受力情况进行宏微一体结构个性化参数建模设计方法,设计出的多孔结构股骨假体能有效降低股骨应力遮挡效应。主要研究内容如下:(1)针对系列化假体不能精确匹配患者的股骨力学特征,现有个性化假体的建模流程需要利用多种CAD软件,过程复杂设计周期长的问题。本文基于患者的股骨CT数据提取特征,提出了股骨假体宏微一体参数化建模的方法,实现了个性化假体自动化建模。(2)针对实体假体的高弹性模量容易造成股骨应力遮挡等术后不良反应的问题,提出复杂多孔结构假体建模方法,实现了多孔结构部分与股骨假体的随形匹配优化设计。(3)考虑到不同多孔结构的力学特性不同,对股骨载荷条件的适应性不同,以五种典型多孔结构为例,分析不同多孔结构的力学特性,实现五种不同的多孔结构假体的结构建模优化,并通过生物力学分析实验,实现了股骨上受到的应力遮挡效应的有效缓解。(4)针对多孔结构股骨假体在多孔结构部分和实体部分的结合处出现应力集中的问题,提出一种基于多孔结构假体所受应力的力学性能优化方法,能够有效地将多孔结构股骨假体上的应力降低到钛合金疲劳极限值下。(5)基于VS2015和Opencascad开源建模平台,开发了个性化股骨假体宏微结构建模系统,实现了股骨假体宏微观结构的参数化建模设计。

关键词：股骨假体多孔结构有限元分析参数化建模应力遮挡

微创单髁置换术后股骨假体的对线角度及修正措施

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中华实验外科杂志 2022年第7期39卷 1405-1409页

作者：刘洋高英杰毛兴佳向川山西医科大学第二医院骨科太原030001

临床上常行配以微创器械的第三代牛津假体单髁置换术(MP-UKA)以重建关节功能。MP-UKA相较于常规UKA在股骨定位方面有所改进,但器械改进之后的股骨假体在各个切面上的理想对线角度以及术中如何对其加以纠正等问题仍没有答案。本文聚焦于... 详细信息

临床上常行配以微创器械的第三代牛津假体单髁置换术(MP-UKA)以重建关节功能。MP-UKA相较于常规UKA在股骨定位方面有所改进,但器械改进之后的股骨假体在各个切面上的理想对线角度以及术中如何对其加以纠正等问题仍没有答案。本文聚焦于国内常用的第三代牛津单髁假体配合微创器械(MP-UKA)这一单一术式,在排除其他单髁术式经验干扰下收集相关临床及生物力学等研究。旨在阐述并全面分析在该术式下股骨假体在各切面上的理想对线角度及其影响因素,并进一步提出更具针对性和个性化的意见。

关键词：单髁置换术股骨假体措施