产品
相昌鑫1，纪斌平2，陈维毅1，王长江3，郭 媛1 ( 1太原理工大学生物医学工程学院，山西省太原市 030024；2山西华晋骨科医院，山西 省太原市 030024；3Sussex大学工程与信息学院，英国布莱顿，BNI 9RH) DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.1471 ORCIhttps://www.gofarlic.com 0000-0001-5502-8789(相昌鑫)
文题释义：膝关节假体：膝关节中的软骨特别是半月板在运动时是人体最易受伤的部分，一旦关节受损，就会造成关 节疼痛、功能障碍，通过植入假体组件之间的接触曲面代替原有膝关节中关节接触面，重建膝关节功能， 提高患者的生活质量，尽可能恢复正常人体的膝关节生理功能。假体接触压力：在步态过程中，膝关节假体不同组件由于相对运动在接触面上产生的应力。
摘要
背景：人工膝关节置换后因为假体的失效部分患者的满意程度不高。造成膝关节假体早期失效的原因有高 分子聚乙烯垫衬的早期磨损、假体松动与假体失稳，且均与假体的接触压力有关。
目的：分析在步态过程中，载荷偏移角度对胫骨垫衬上接触压力、面积和压力分布的影响。
方法：将膝关节假体的模型导入到 Abaqus 三维有限元软件中，将步态过程中的轴向载荷偏移 0°，1°，2°， 3°，4°，5°和 6°形成 7 种不同工况，研究不同工况下胫骨垫衬上的接触压力、面积与接触压力分布的变化。
结果与结论：
①在步态过程中，高分子聚乙烯垫衬上的接触压力随载荷偏移角度的增加而增加；②随轴向 载荷向外侧偏移，胫骨垫衬与内侧髁的接触面积减少，与外侧髁的接触面积增大；③通过接触压力分布云 图发现，接触位置逐渐向胫骨垫衬边缘移动，在胫骨垫衬与外侧髁接触位置产生了应力集中现象；④结果 表明，下肢对线不齐造成的载荷偏移会引起高分子聚乙烯垫衬上的接触压力明显增大，改变原本的接触面 积和接触位置，易发生应力集中现象。如果膝关节假体长期处于上述不良的力学环境之中，会造成膝关节 假体的失效。
关键词：
人工膝关节；有限元分析；步态载荷；接触压力；接触面积；生物力学；国家自然科学基金
中图分类号：R445；R318.01；R684
基金资助：
国家自然科学基金(11472185)，项目负责人：郭媛；国家自然科学基金(11772214)，项目负责人：王长
0 引言 Introduction
骨性关节炎是一种由软骨退化引起的疾病，人工膝关节 置换是临床上治疗骨性关节炎的重要手段[1]。每年约有90多 万的患者接受该项手术，但仍有19%的患者因假体失效而继 续承受膝关节病痛的折磨[2]。由于人们对生活质量要求的提 高和膝关节疾病患者的年轻化，提高膝关节假体的寿命就变 得更加重要。假体部件的松动，高分子聚乙烯垫衬的早期磨 损与假体部件的失稳都是造成患者二次手术的原因[3]。
高分子聚乙烯垫衬作为膝关节假体的主要承重部件， 其早期磨损会影响膝关节假体的功能和寿命。膝关节假体 间的接触压力，相对运动和假体部件的材料特性都是引起 垫衬早期磨损的原因。经实验发现，接触压力是影响高分 子聚乙烯垫衬磨损的主要原因之一[4-8]。在复杂加载等特定 情况下，使用有限元法分析膝关节假体的接触压力情况， 较传统实验方法分析更具有优势，且模拟结果和传统实验 结果匹配度很高[9]。国内外学者基于有限元法进行了大量 关于膝关节假体的研究。Bartel等[10]分析了膝关节假体中， 假体部件曲面一致性和高分子聚乙烯的厚度对接触压力的 影响。Collier等[11]和Stukenborgcolsman等[12]的研究结果 表明，在部件曲面一直性较高的假体上的接触面积较大， 并且假体间的接触应力较小。Sathasivam等[13]使用临床步 态信息研究了股骨假体和胫骨假体的相对位置与接触压力 之间的关系，得到了多种工况下的高分子聚乙烯垫衬上的 接触压力。莫富灏等[14]通过对正常站立时的膝关节假体进 行有限元分析得到了股骨-假体-胫骨的应力分布。
下肢对线不齐会造成载荷偏移[15-17]，进而使膝关节假 体处于不良力学环境之中，这加剧高分子聚乙烯垫衬的磨 损。Barbour等[18]的研究表明胫骨垫衬的磨损不仅受接触压 力的大小影响，也受应力的加载方式影响。郭媛等[19]采用 有限元法研究了静态载荷作用下膝关节假体内翻5°时，接 触压力和接触面积的改变。Shi[20]研究分析了下肢力线变化 对于膝关节假体的影响。动态载荷下，下肢对线不齐引发 的膝关节假体接触压力与接触面积变化的研究较少，因此， 文章将采用有限元软件Abaqus分析在步态过程中，轴向载 荷偏移不同角度时，膝关节假体胫骨垫衬上接触压力，面 积与压力分布的变化，为临床中假体失效的研究和膝关节 假体的设计与优化提供参考。
1 材料和方法 Materials and methods
1.1 设计 膝关节假体的生物力学有限元模拟分析实验。
1.2 时间及地点 于2018年8至11月在太原理工大学生 物医学工程学院实验室完成。
1.3 材料 计算机设备：Dell工作站；软件：网格处理软件Hypermesh 12.0(Altair，美国)有 限元处理软件Abaqus 6.13-1(Abaqus公司，美国)。
1.4 方法
1.4.1 膝关节假体有限元模型 采用文献[21]中的膝关节 假体数据创建股骨组件，见表1，
同时建立一个与其对应的 胫骨组件，其冠状面曲率为22 mm，矢状面曲率为40 mm， 其模型见图1。CAD模型导入到网格划分软件Hypermesh 中，对假体模型进行网格划分及网格优化其具体数据见表2， 得到膝关节假体的三维模型，见图1。
将生成的stl.文件导入 到Abaqus软件，对模型进行赋值与装配。在膝关节假体中， 股骨组件通常选用钴铬合金，胫骨垫衬的材料通常选用高分 子聚乙烯[22-23]。钴铬合金的材料属性为线弹性，各向同性， 密度为8.9×103 kg/m3，弹性模量为209 GPa，泊松比为 0.31[24]。高分子聚乙烯垫片定义为非线性材料[25]，其材料属 性见图2，
密度为0.94×103 kg/m3，泊松比0.46[26]。模型中 将髌骨组件定义成线弹性材料，弹性模量为12 MPa，泊松 比为0.45，根据解剖学理论和文献[27-29]的方法添加韧带组 织，见图3，
考虑到韧带组织只能承受拉力不能承受压力， 且根据Taylor等[30]的研究表明韧带部分为非线性材料，因此 使用非线性弹簧单元来模拟韧带组织。包括内侧副韧带(内 侧副韧带a，内侧副韧带o，内侧副韧带d)、外侧副韧带、后 交叉韧带(后交叉韧带a，后交叉韧带p)、髌韧带(PL)，材料 属性见表3。
1.4.2 加载方式及边界条件 考虑到人工膝关节置换是为 了让患者能尽量恢复到自然膝关节的运动状态，且减缓患者 的病痛。依据ISO14243-3:2014标准提供的步态数据[31]，以 及Lafortune等[32]的研究可知，膝关节假体的运动状态分为膝 关节的伸展与弯曲，胫骨的内外旋转和胫骨的前后移动。因 此，该模型设置假体股骨组件可以在竖直轴线方向自由平 动，也可以做伸展-弯曲运动和外翻-内翻运动，胫骨组件可 以在水平面上自由运动，载荷数据具体见图4 [33]。
因此，股骨部分受到2个平动约束和2个转动约束，胫骨 部分受到1个平动约束和2个转动约束。对股骨骨骼施加沿股 骨向下的竖向载荷，作用点为股骨内外髁中心连线中点上， 同时对胫骨骨骼与假体接触面的中心施加转动力矩与前后 方向力。使定义膝关节假体接触时，将股骨假体内外侧髁曲 面定义为主面，胫骨垫衬的曲面定义为从面，摩擦系数为 0.05[24]，其他接触定义为无摩擦接触。将股骨和胫骨骨骼定 义为刚体，为了研究轴向载荷偏移对膝关节假体的影响，保 持轴向载荷的作用点不变，将作用在股骨部分的轴向载荷向 外侧髁偏转形成7种不同工况，见图5。
1.5 主要观察指标 在步态过程中，不同工况下胫骨垫衬 上的接触压力，接触压力分布和股骨假体的内外侧髁与胫 骨垫衬接触面积是主要的观察指标。
2 结果 Results
采用上述方法使用Abaqus软件进行有限元模拟分析。在步态过程中，将轴向载荷相对于中立位分别偏移0°，1°， 2°，3°，4°，5°与6°形成7种不同工况，得到不同工况下的 接触压力，面积与位置的变化。
2.1 接触压力 在步态过程中，不同工况下的胫骨垫衬上 接触压力变化见图6。
此文在0°工况下的接触压力最大值为 22.92 MPa，这与Gruionu等[33]的研究结果一致，表明该有限 元模型的准确性，接触压力的最大值出现在高分子聚乙烯垫 衬内侧髁。此次研究采用与Halloran等[25]相同的步态数据， 其研究表明在步态过程进行到44%和55%时，接触压力分别 为20 MPa和19.1 MPa。同样工况下，此次研究得到的接触 压力分别为22.60 MPa和18.64 MPa，此文的中0°工况下接 触压力曲线和Halloran等[25]接触压力曲线在趋势上相同，都 是在步态过程进行到14%与44%时到达2次峰值，进一步证 明了模拟结果的有效性。通过对比曲线，可以得到在步态周 期进行到达14%时，不同工况下的胫骨垫衬上的接触压力均达到最大值，0°，1°，2°，3°，4°，5°和6°工况下，其接触 压力最大值分别为22.92 MPa，25.84 MPa，27.44 MPa， 27.56 MPa，29.67 MPa，33.06 MPa和37.37 MPa。当步态 过程达到摆动期后，不同工况下的接触压力都随步态的进行 呈现波动性变化。通过对比其他工况和0°工况的接触压力曲 线，可以发现，在步态过程中轴向载荷偏移角度的增大会使 胫骨垫衬上接触压力明显增大。
2.2 接触面积 在步态过程中，不同工况下胫骨垫衬与股骨 假体内外侧髁的接触面积变化见图7。
由图可知，在步态过 程中的站立期(0-60%)，在0°工况下胫骨垫衬与内侧髁的接 触面积大于其与外侧髁的接触面积，胫骨垫衬与膝关节假体 内外侧髁的接触面积随步态过程的进行而呈现明显变化。发 现在0°工况和1°工况下接触面积结果相似，当偏移角度达到 3°以上时，同一个工况下在步态进程从20%-30%时，外侧 髁与胫骨垫衬的接触面积会逐渐大于内侧髁与胫骨垫片的 接触面积。在步态站立期，0°工况下外侧髁与胫骨垫衬接触 面积的最大值为108.80 mm2，最小值为46.77 mm2；内侧髁 与胫骨垫衬接触面积的最大值为128.41 mm2，最小值为 58.28 mm2。6°工况下外侧髁与胫骨垫衬接触面积的最大值 为106.52 mm2，最小值为57.17 mm2；内侧髁与胫骨垫衬接 触面积的最大值113.62 mm2，最小值为48.62 mm2。
2.3 接触压力云图 步态过程进行到14%时，胫骨垫衬 上的接触压力达到第一次到达峰值，故选取此时刻作为代 表点进行分析。不同工况下股骨假体和胫骨垫衬之间的接 触压力云图见图8。
对比7种不同工况，发现在同一步态时 刻，随着偏移角度的增加，接触位置逐渐由垫衬中心向垫 衬内侧边缘移动。同时，当偏移角度小于5°时，假体上的 接触压力最大值出现在高分子聚乙烯垫衬的内侧髁上；当 偏移角度大于5°时，假体上的接触压力最大值出现在高分 子聚乙烯垫衬的外侧髁。通过外侧髁接触形状的变化可以 发现，随轴向载荷偏移角度增大，当角度达到了5°时，在 步态过程中，股骨假体与高分子聚乙烯垫衬中部产生了接触。
3 讨论 Discussion
由于过去10年里接受人工膝关节置换的患者数量急剧 增多，其中年轻患者的数量也逐渐增多，这对膝关节假体 的寿命和活动范围提出了更高的要求，也促进了膝关节假 体的设计优化[34-35]。要求膝关节假体应尽可能的贴近自然 关节的生理运动，从而提高患者的术后满意度[36]。膝关节 假体部件间的相对运动与接触压力情况很大程度上决定了 膝关节的术后效果，接触压力与接触面积的改变可能会引 起高分子聚乙烯垫衬的磨损[37-39]。
文献表明，在静态载荷的作用下，高分子聚乙烯垫衬 的磨损因子会随接触应力的增大而减少。但是施加的载荷 若随时间与空间不断变化，材料的磨损因子会比同样大小 的静态载荷作用下显著升高[18]。因此，此文使用Abaqus有限元软件研究了在动态载荷下，轴向载荷偏移对膝关节 假体中高分子聚乙烯衬垫接触情况的影响。通过分析得到 了步态过程中的接触压力变化曲线可以得出，不同工况下， 接触压力在步态过程的变化趋势基本相同，然而随载荷偏 移角度的增加，胫骨垫衬上接触压力最大值也增大。步态 过程中接触压力和面积的变化趋势大致相同，而在载荷偏 移3°以上时，偏移角度越大其接触压力最大值也就越大， 接触压力的明显增大会加剧高分子聚乙烯垫衬的磨损。膝 关节假体的对线不齐造成上述现象的主要原因是，载荷向 外侧偏移会引起假体的翘起，造成高分子聚乙烯垫衬上的 接触压力发生如下的变化：随载荷偏移角度的增大，胫骨 垫衬与股骨假体内侧髁间的接触压力变小，胫骨垫衬与股 骨假体外侧髁的接触压力增大，股骨垫衬的翘起程度逐渐 增加，从而使胫骨垫衬与股骨组件外侧髁间接触压力逐渐 增加。同时在步态过程中，假体的翘起也引起了胫骨垫衬 与股骨假体内侧髁的接触面积减小和胫骨垫衬与股骨假体 外侧髁的接触面积增大。这种现象就会造成接触压力的分 布不均，进而形成如接触压力云图中的应力集中。根据文 献[40]中的报道，膝关节假体中高分子聚乙烯的屈服强度 的最大值为32 MPa，且疲劳强度会更低。在高分子聚乙烯 垫衬是假体中的主要承重部件，垫衬若长期处于此次研究 所述不良的力学环境之中，就会造成高分子聚乙烯的破坏， 从而缩短膝关节假体的寿命。所以要尽可能避免手术中和 术后日常活动造成的下肢对线不齐，尽可能提高假体间曲 面的一致性，从而提高假体的接触面积和减少接触压力。同时在临床手术中重建下肢力线会采用不同的方法，通常 情况下会允许3°以内的膝关节内翻，并且结合此次实验模 拟结果，若发生较大角度的偏移会增加患者膝关节假体失 效的风险，且影响患者对膝关节置换的满意程度。
此次研究通过对日常活动中步态载荷下的膝关节假体 进行有限元仿真分析，得到了下肢对线不齐会使高分子聚 乙烯垫衬上接触压力增大，接触面积和接触位置的改变， 造成垫衬上的应力集中。这种变化会导致膝关节垫衬的磨 损，进而造成膝关节假体的失效[41-43]。由于步态过程中弯 曲角度较小，在高屈曲的情况下载荷偏移对膝关节假体的 影响还不明确，且在临床中力线的偏移，骨质的溶解与膝 关节软组织的松弛等多种因素都会造成膝关节下肢对线不 齐[44]。因此，下一步的工作会将模型进一步优化，得到有 骨骼，肌肉，假体的三维有限元模型，使有限元模拟结果 更准确。之后，通过研究在高屈曲角度的静态载荷下的膝 关节假体的接触情况，获得极端状态下的力学信息，为关 于膝关节假体临床问题的分析提供进一步的参考，也为今 后的膝关节假体设计提供一个新的思路。
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