产品
基于CT数据可以精确建立骨骼三维有限元模型。虽然已经有很多学者对股骨有限元分析做出了相关研究,但对金属植入体与股骨配合情况下两者的受力以及应力应变相关的研究却颇为少见。
三维重建
将患者的右侧股骨CT数据导入Mimics中,通过灰度值建立,阈值操作,计算3D模型,手动编辑erase命令将多余部分去除,draw命令将空白部分添实等一系列图形操作生成股骨3D模型。
假体构建
应用Mimics软件中tool命令对右侧股骨骨髓腔内部腔体进行测量。提取股骨的内轮廓线导入三维建模软件UG中,以股骨的内轮廓线为基础先建立起假体柄的中心轴线;然后以混合扫描的方法,沿着中心轴线以不同的截面进行扫描得到假体柄部。鉴于股骨提取的内轮廓线光滑和平滑性不够,再利用测量工具多层测量内轮廓骨髓腔多个阶段层的半径,自下而上选取几段有代表性的脊髓腔半径。标准股骨头直径为22、26、28、32mm的4种规格,由于本实验数据为70kg的成年男性,按照手术经验选择了ø28mm的股骨头。颈部区的颈干角及颈长共同影响偏心距的大小及外展肌的力臂。常见的颈干角为128°～135°,颈长一般在30～50mm,骨柄的设计一般为长柄型和短柄型两种。本研究选取无颈领的结构,其颈干角为130°,颈长为30mm的颈部,选用长度为100mm的短骨柄,最终确定植入体各个部分后的假体设计。
植入体与股骨的装配
将生成的股骨3D模型应用remesh功能导入到3-matic软件中进行网格划分,在Mimics中选择tool命令中的wrap功能对股骨中一些小的突起以及小坑进行处理以简化股骨模型。
由于Abaqus软件对网格划分的要求比较高,因此我们将3-matic中光顺处理后的股骨模型导入到GeomagicStudio中进行网格划分。导入皮质骨文件以.stl格式,利用网格医生功能对一些小突起和小组件进行处理。再利用探测功能进行轮廓曲线的探测,计算功能对模型进行分块划分,便于更加精准的网格划分。点击抽取命令,完成后点击构建曲面片,并应用、构造格栅,拟合曲面片,得到股骨的网格划分。将划分完成的股骨模型导入到UG中进行装配操作。
在UG中建立一个平面对股骨头进行模拟手术切除股骨头,操作后对松质骨进行建模。由于松质骨不同于皮质骨,松质骨是由许多针状或片状骨小梁互相交织构成的分布于股骨内部,呈海绵状。实际股骨中松质骨并不能形成整体的状态,不能通过Mimics软件得到3D模型进行有限元分析,因此我们要对松质骨模型化。在UG中利用布尔运算求差的功能对松质骨进行建模。将得到的植入体在UG中通过移动点的方法调整到与皮质骨和松质骨接触的最佳位置。保存成X.T文件。
有限元分析
将在UG中建好的模型导入到Abaqus中进行装配,将植入体、皮质骨、松质骨全部选用四面体网格,种子尺寸为3个单位,定义三者的材料属性:植入体的杨氏模量为110000,泊松比为0.35;松质骨的杨氏模量为8000,泊松比为0.3;皮质骨杨氏模量为16600,泊松比为0.3。全部定义为均质。建立分析步,设置为静态力学分析。设置增量布最大数目为1000,初始时间增量为0.1,最小时间增量为1E-8,最大时间增量为0.1。查找接触对,将多余的接触对删除,将剩余的全部接触对type在一起,设置为常量。
在植入体与股骨腔体配合的情况下,根据髋关节受力情况,对植入体顶端施加同样的载荷F=230。皮质骨下端约束:ENCASTRE(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3)为完全约束。全部设置完进行疲劳计算。
结果
在应力云图中显示:
①植入体的中端以及末端应力较大,尤其是末端贴近皮质骨外侧的接触处应力较大;颈部区应力较小,这是由于植入体的中下端与皮质骨接触产生挤压导致末端应力集中,同时末端与松质骨有接触,两者产生挤压大导致了植入体的末端应力较大。
②皮质骨以及松质骨接近中底部的地方应力较大,尤其是在底部1/3处应力最大最为集中,这是因为在植入体顶部施加载荷使松质骨和皮质骨产生了弯矩,对皮质骨和松质骨中下段产生了挤压导致应力较为集中。
③无论是植入体、皮质骨还是松质骨,其位移变化都是由上至下依次减小。产生这种结果的原因是因为皮质骨低端设定为完全约束,而在植入体的顶端产生的力导致了植入体、皮质骨以及松质骨三者共同向一侧发生位移。
讨论
本研究中应用中心线多截面混合的方法测量骨髓腔目的是可根据患者股骨结构形状和尺寸、骨髓腔的解剖状态和置换手术要求,并基于假体柄与股骨髓腔匹配等因素考虑,在股骨内轮廓建立假体柄的基础上补充股骨头、股骨颈部分的假体设计和完善假体柄的设计。本研究选用颈干角为 130°、颈长30 mm 短柄植入体,其优点是小角度短颈长的颈部区设计可缓解外展肌肌力减弱带来的髋部隐患,提高关节的稳定性,避免活动范围过大造成人工髋的撞击现象。同时短柄植入体便于术中插入,不易发生骨柄折断,避免应力遮挡的现象,而长柄型植入体一般应用于翻修手术中。
由于股骨下端1/3处应力应变较大,该处与膝关节位置比较接近,因此可对膝关节产生术后损伤。植入体的应力分析结果显示,植入体的末端由于与皮质骨内侧发生挤压摩擦,因此产生应力较大。这会产生植入体的末端发热以及磨损,最后导致植入体与股骨配合不紧密发生错位、晃动等问题,使患者在运动中发生障碍以及大幅度的运动造成影响,同时会影响植入体与肌肉的长入。应力云图显示植入体中间位置应力应变较小,利用这一点可以将该处做成金属网格形状,其优点为会减轻植入体的本身重量,减少患者术后不适情况;金属网格有利于骨组织的长入,便于金属植入物与股骨更好的配合与接触减少其不稳定性。
本研究提供了一个植入体与股骨腔体配合建模以及分析过程的方法,通过Mimics提取患者股骨模型,UG绘制三维植入体模型,Geomagic处理不规则的三角面片以及Abaqus进行有限元分析两者配合的情况下应力应变以及位移情况,得出植入体末端应力应变变化最为明显,是导致术后发生摩擦热以及后配合发生晃动的原因。同时得知术后易发生二次骨折的位置为股骨下端1/3处,因此植入体的中上端可做成金属网格状以便骨组织以及肌肉组织长入。由于对模型进行了简化只做了单一的重力载荷的静力学分析,未考虑实际股骨周围肌肉的牵扯作用以及运动过程中力的变化,因此具有一定的局限性。
01医学有限元分析服务内容
针对骨学、关节外科、普外科、囗腔科等提供医学力学有限元分析仿真、培训、临床手术模拟分析等；
代做有限元：脊椎、腰椎、颈椎、上下肢、假肢、前臂、血管支架、牙齿、骨关节等；
培训：ANSYS、Abaqus有限元分析，mimics骨头模型提取，Geomagic Studio模型处理；
服务对象：各省市、自治区从事运动生物力学、生物医学工程、基础医学、临床医学、囗腔力学、骨骼力学的教学、研究与应用的教师、科研工作者、各级教练员等方面的相关人员；国内各重点大学、科研院所相关研究领域的博士、硕士相关研究生和学者等。
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