外固定器对股骨头峰值压力影响的三维有限元分析.pdf

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1、第 2 6卷第 4期 2 0 0 7年8月 北京生物医学工程 B e r i n g B i o me d i c a l E n g i n e e r i n g Vo 1 2 6 No 4 Au g u s t 2 0 07 动力化髋关节外固定器对股骨头峰值压力 影响的三维有限元分析 王庆雷 侯树勋 李文锋 张伟佳 邓志党 摘要 目的用三维有限元分析方法，探 讨动 力化髋关 节外 固定器对 股骨头所 受压 力的影 响。方法 分 别建立正常髋关节、安装单轴髋关节外 固定器(A型)髋 关节、安 装双轴髋 关节外 固定器(B型)髋关节 的三维有 限 元模型，应用 接触压力分析 的方 法，观察并

2、分析髋关节双足站 立位、单腿站 立髋关 节 中立 位股骨头 的峰值压 力，并 进行统计学分析。结果髋关节外固定器均能减少股骨头 的接触压力(P0 0 5)，髋关 节外 固定 器在双腿站 立时 减少最明显，B型髋关节外 固定器较 A型髋关 节外固定器的股骨头接触压力减小。结论髋关节 外固定器可 减少 股骨头 的压力，可辅助 治疗髋关 节疾病。关键词髋关节；有 限元分析；外 固定器；压力 中图分类号R 3 1 8 0 1 文献标 识码A 文章编号1 0 0 23 2 0 8(2 0 0 7)0 4 0 4 0 80 4 Thr e e di me ns i o nal fni t e e l e

3、m e nt a na l ys i s o n t he pr e s s ur e o f f e m o r al he ad a ffe c t e d by dy nami c hi p e x t e r na l fix at o r W A N G Q i n g l e i -H O U S h u x u n ，L I We n f e n g ，Z H A N G We i i a ，D E N G Z h i d a n g 1 B e ij i n g O l d A g e s H o s p i t a l A t t a c h e d t o C a p i

4、t a l Me d i c a l U n i v e r s i t y。B e O i n g 1 0 0 0 3 9；2 D e p a r t m e n t o f O r t h o p e a d i c s of t h e F i r s t A f fil i a t e d H o s p i t a l，P G e n e r a l H o s p i t a l，B e ij i n g 1 0 0 0 3 7；3 B e i n g U n i v e r s i t y of A e r o n a u t ic s a n d A s t r o n a u

5、 t i c s，B e i n g 1 0 0 0 8 5 【Ab s t r a c t】0b j e c t i v e T o i n v e s t i g a t e t h e p r e s s u r e a f f e c t e d b y d y n a m i c h i p e x t e r n a l f i x a t o r(D H E F)o n f e m o r a l h ea d a c c o r di n g t o t hr e e d i me ns i o na l fini t e e l e me n t a na l y s i s

6、。M e th o ds Th e t h r e e d i me ns i o n a l fin i t e e l e me n t hi p mo d e l s o f n or ma l，t y pe A h i p e x t e rna l f i x a t o r wi t h s i n g l e-a x i s，t y p e B hi p e x t e rna l f i x a t o r wi t h d o u b l e-a x i s we r e e s t a b l i s he d t o o b s e r v e a nd a n a l

7、y s e t h e p r e s s u r e o n f e mo r al he a d i n d o ub l e-l e g s t a nc e a nd s i ng l e-l e g s t a n c eRe s ul t s I t wa s f o u nd t ha t h i p e x t e rna l f i x a t o r c a n d e c r e a s e t h e p r e s s u r e o n f e m o r a l h e a d(P 0 0 5)，e s p e c i al l y i n d o u b l e

8、 l e g s t a n c e。T y p e B h i p e x t e rna l f i x a t o r c a n d e c r e a s e t he p r e s s u r e o n f e mo r a l he a d g r e a t l y t h a n t y p e A。Conc l us i o n Hi p e x t e r n a l f i xa t o r c a n d e c r e a s e t he p r e s s u r e o n f e mo r a l h e a d，a n d i t c a n a s

9、s i s t o n t r e a t i ng h i p di s e as e s 【Ke y w o r d s】h i p；a n a l y s i s o f fi n i t e e l e m e n t；e x t e rna l f i x a t o r；p r e s s u r e 在髋关节的疾病 中，特别是股骨头坏死 的修复 期，由于软骨下骨的生物力学强度降低，股骨头因关 节力 负荷 的作用 而 易 于塌 陷；继 发 于 股 骨 头 坏死 或特发性软骨溶解导致的关节退变，髋关节的疼痛 和僵硬是临床急需解决 的问题。通过关节重建后，关节牵引有利于关节软骨修复，韧

10、带 的平衡恢复和 运动轴 的恢复。关 节牵弓 l 已应用在 肘关 节 和膝 关 节 的疾病 中，并 已取 得 良好 的效 果。为 此，解 放军总医院第一附属医院根据髋关节 的解剖学特点 基金项目：全军“十五”指令性课题(0 l L 0 7 9)资助 作者单位：1 首都医科大 学第六临床 医院教学基地北京老 年医院 骨科(北京1 0 0 0 3 9)2 解放军总 医院第一附属医院骨科(北京 1 0 0 0 3 7)3北京航空航天大学工程力学系(北京1 0 0 0 8 3)作者简介：王庆雷(1 9 6 6 一)，博士研究 生，主要从事骨创伤和脊柱外 科 的研究。E-ma i l：d o c t o

11、 r q l w y a h o o c o rn c n 和运动学，设计 了髋关 节外固定器(包括 A型和 B 型)。但髋关 节外 固定器 能否减 少髋 关 节 的关 节 力，在生 物力 学上 的研 究 报 道未 有。作 者 设 计 此 实 验，从髋臼与股骨头之间的接触特性人手，通过建立 髋关节的三维有限元模型，模拟人体在双腿站立、单 腿站立时髋关节的受力情况，研究髋关节外 固定器 对股 骨头 接触 压力 影 响。1 材料与方法 1 1 模型 来 源 志愿受试健康青年男性，2 7岁，体重 6 0 k g，身高 1 7 2 c m，无股骨及骨盆外伤史，无肿瘤史。髋关 节的 外固定器和固定针为不

12、锈钢材料，由本院设计，富乐 科技有限公司制造。髋关节外 固定器分 A型(见 图 1)和 B型(见 图 2)。维普资讯 http:/ 第 4期 动力 化髋关 节外固定器对股骨头峰值 压力影 响的三维有限元分析 4 0 9 图 1 A型髋关节外 固定器 F i g 1 T y p e a d y n a m i c h i p e x t e r n a l fi x a t o r(D HE F)图 2 B型髋 关节外固定器 F i g 2 T y pe B DHEF 1 2 三 维影像 重 建 采用 G E公司的 l i g h t s p e e d多层螺旋 C T对第 4 腰椎平面至膝关节

13、间隙进行扫描。扫描参数：层厚 1 2 5 mm，进床速度 1 mm s，球 管电流 3 0 03 8 0 m A，电压 1 2 0 k V，连续扫描后 以 0 7 5 m m 重建横轴位 图 像，并 传 输 到 S U N工作 站，选 择 骨 窗观 察 股 骨 及 骨 盆每一 个 层 片，并 三维 重 建 股 骨 和骨 盆，窗 宽 为 1 2 5 0 H u，窗位 2 5 0 H u。1 3 三维扫描横轴位图像的传输与转换 利用本院计算机局域 网将具 有 9 5 8二维 图的 D i c o m转 入移 动硬 盘。1 4 髋 关节 三维 有 限元模 型的 建立 将移动硬盘上的原始数据输入计算机

14、，选择从 第 19 5 8层 为 建模 范 围，确定 建 模层 面 间 距 为 0 5 m m，共选取 9 5 8层面“采用 5 1 25 l 2”矩 阵，根 据 D i c o m数据 的点 阵格式，编写 了一个 V T K软件 包，将 9 5 8个 D i c o m数 据文件读 进来，最 后形成 点 云，再通过 g e o m a g i c 将点云还原成骨骼 的外面光滑 的曲面，最后 由光滑的 曲面生成体用 Hy p e r Me s h对 骨骼实体进行 网格划分，以 4结点 四面体为最小单 元。测量 髋 关 节 外 固定 器 和 固 定 针 的尺 寸，用 A u t o A C D进

15、行构建，并按照临床应用 时外 固定器距 骨骼的距离，安装到髋关节三维模型上，然后把三维 模型输入到 a n s y s 进行有 限元分析。本模 型划分为 3 0 9 8 2个节 点和 1 6 6 4 9 7个单元。所有 的材料为各 向同性，材料特性为：皮质骨 的弹性模量 1 7 3 G P a，泊松比0 3 0；松质骨的弹性模量 1 0 G P a，泊松 比 0 2 9；不锈钢弹性模量 2 1 0 G P a，泊松 比0 2 8；铝合金的 弹性模量 7 7 G P a，泊松 比 0 2 8。标准正常髋关节的 模型见图 3，安装单轴髋 关节外 固定器(A型)的髋 关节模型见图 4，安装双轴髋关

16、节外 固定器(B型)的髋关节模型见图 5。其 中髋 臼上缘处穿入两枚 固 定针，直 径 为 6 m m；股 骨 干 中 1 3穿 入 两 枚 直径 6 m m的固定针；B型外 固定器增加 了髂骨翼上的固 定针，直径为 5 ra m，穿入髂骨 的内外板之 间。在外 固定器安装 的模 型中髋 关节间隙被牵开 5 mm。将 L S S 1、骶髂关节 和耻骨联合 视为一个整体。将骨 盆和股骨干的远端进行牢固的约束。图 3 正常髋关节的三维模型 F i g 3 T h e t h r e e d i me n s i o n a l f i n i t e e l e me n t mo d e l o

17、 f n o r ma l h i p 1 5重力 负荷 条件 取骨盆中立 位静态双足 站立位负荷 为体重 的 4 6(4 0 0 N)，单 腿 站 立 中立 位 负 荷 为体 重 的 5 6 (5 0 0 N)，自腰 5的椎体的上缘集 中加 载；双腿站立 位时股骨干的纵轴与身体 的纵轴成 9。内收位，单腿 站立中立位时在额状面上，股骨体相对 于骨盆内 收 l 5。；在矢状面上，股骨体垂直，观察在三种模型上股 维普资讯 http:/ 4 1 0 北京生物医学工程 第 2 6卷 图 4 A型外固定器的三维模型 F i g 4 T h e t h r e e d i me n s i o n a

18、l fi n i t e e l e me n t mo d e l o f h i p wi t h t y p e A DHEF 图5 B型外固定器的三维模 型 F i g 5 T h e t h r e e d i me n s i o n a l fi n i t e e l e me n t mo d e l o f h i p wi t h t y p e B DHEF 骨头的接触峰值压力。所有应力图中红色表示高应 力 区，深蓝 色为 低 应力 区，应 力 强 度 由红、橙 黄、黄、黄绿、绿、蓝绿、浅蓝、蓝、深蓝为阶梯依次 由高至低。1 6统计 方法 采用 S P S S 1 0

19、0统计软件分析，对于同一工况下 的三种髋关节有 限元模型的股骨 头的峰值压力(双 腿站立、单腿站立中立位)进行统计学分析，显著性 水 平置 于 0 0 5。2 结 果 2 1 双腿 站立 时股 骨头所 受 的压 力 双 腿站 立 时股 骨 头 所 受 的 压 力 分 布见 图 6(正 常髋 关 节)，图 7(A型髋 关 节 外 固定 器 的髋 关 节)，图 8(B型髋 关 节外 固定器 的髋关 节)。正 常髋 关 节 的负荷传导经股骨头表面的最上部分，压力 以放射 状分布向周边逐渐减弱。图 8显示股骨头的负重区 的中心为黄绿 色，股 骨头的峰值压 力为 2 3 1 MP a。在安 装 A 型髋

20、关 节外 固定 器 后，髋 关 节 的负 荷 经外 固定器传递一部分，股骨头的压力减小，图 9显示股 骨头 的 负 重 区颜 色 为 浅 蓝 色，峰 值 压 力 为 0 1 0 2 M P a。在 安装 B型髋 关节 外 固定器 后，图 1 0显 示股 骨头 压力 区 颜 色 为 深 蓝 色，股 骨 头 的 压 力 为 0。安 装 髋关 节外 固定器 后，股 骨 头 的压 力 比正 常 股 骨 头 的压力有显著性减少(P 0 0 5)。B型髋关节外固 定 器 较 A型髋 关 节 外 固定 器 明显 减 少 股 骨 头 的压 力(见表 1)。表 1 双腿站立时股骨头峰值压力的 比较 Ta bl

21、e 1 Co nt r a s t o f max i mum pr e s s ur e o n f e mo r a l he a d i n do ubl e l e g s t a nc e 注：A型与正常 比较 P 0 0 5。图 6 正常髋 关节 双腿站立 时股骨头的压力 Fi g 6 P r e s s u r e o n f e mo r a l h e a d i n d o u b l e l e g s t a n c e i n n o r ma l h i p 2 2单腿 站立 中立位 股 骨头所 受 的压 力 正常髋关节的负重 区中心 的颜色为红色，负荷 压力较大，

22、股骨头 的峰值压力 为 5 6 5 MP a。在安装 A型髋关节外 固定器后，股骨头负重区中心的颜色 变为浅蓝色，股骨头 的压力减小，峰值压力 为 0 5 2 MP a。在安 装 B型髋 关 节 外 固定 器 后，股 骨 头受 压 力 为 0 4 2 6 MP a。安 装髋 关 节 外 固定 器 后，股 骨 头 的压力 比正 常 股 骨 头 的 压 力 有 显 著 性 减 少(P 0 0 5)(见表 2)。表 2单 腿 站 立 中立 位 股 骨 头 的峰 值 压 力 比 较 Ta bl e 2 Con t r a s t o f ma xi mum pr e s s ur e o n f e

23、m o r a l he a d i n do ubl e-l e g s t a nc e 注：A型、B型与正常比较 P 0 0 5。3 讨论 3 1 髋关 节有 限元模 型 C o u r a n t 于 1 9 4 3年 首创 了 有 限 元 单 元 法，有 限 元单 元法 的基 本 原理是 一个 由无 限个质 点组 成并 由 无限个 自由度的连续体近似为由有限元单元所组成 的集合体，这些单元可 以是杆、梁、三角板、四边形、五边形空问四面体、二十面体等，而单元又在被称为 节点的一些特殊位 置上相 连。单元个 数越多越精 确，网格密度趋于无穷大时所得 的解收敛于模型 的 精确性。B r l

24、 e l m a n s和 R y b i c k i 在 1 9 7 2年 首次将有 限元 法应 用 于骨 科生 物力 学 的研究。最 先应 用 的是 股 骨。采 用 三维 有 限元 应 力 分 析 法，可 以计 算 股 骨 头每一点的应力、应变，同时进行上千、万、超百万点 的计算，可提供实验手段中不易得到的详细数据，并 可改变其 中的任意参数，观察其对完整结构的影响，故可 解释 股骨 头病 理或 生 理过程 中的各种 变 化。由于本 研 究建 立 的三维 髋关 节模 型采 用 多层螺 旋 C T(G E L i g h t s p e e d)对活体人骨盆、髋关节和股骨 干扫描、数据下载和

25、传输实现了全程数字化，能够精 确地将骨盆、髋关节及股骨三维立体信息记录下来，并得到数码影像，由此建立 的三维有 限元数学模型 与 实体标 本 几何 形态 一致，可 以旋 转、缩 放、切割，便 于 多角 度观 察。克 服 了 采用 半 骨 盆，或 直 接 加 压 在 股 骨头 上测 试关 节 力 的缺 陷，更 能 真 实地 模 拟 人 体正常的解剖结构和髋关节的负重。3 2 临床 意 义 股骨头承受的力有压应力和剪应力，由于人体 髋 关 节 面软 骨 摩 擦 系 数 很 小(0 0 0 2)，可 以忽 略剪 应力，所以股骨头主要承受压力 的作用。通过对 正常髋 关 节模 型、A 型髋 关 节 外

26、 固定 模 型 和 B型 髋 关 节外 固定 模 型进行 髋关 节 的受 力有 限元 分析 结果 显 示，髋 关 节外 固定 器 在 双 腿 站 立 和 单腿 站 立 时 均 可 明显 减少 股 骨 头 的 压 力。在 双 腿 站 立 时 B型 髋 关节外固定器可完全传递髋关节 的负荷；在单腿站 立的情况下，虽然髋关节 的部分负荷通过外 固定器 传 导，但外 固定器 均 能 明显 减少 髋关 节 的关节 力，在 临床上可辅助治疗髋关节的疾病。在股骨头坏死 的修复期，由于软骨下骨的生物 力学的强度降低，关节负荷的压力易于导致股 骨头 的塌陷。应用髋关节外 固定器可减 少股骨头 的压 力，降低股骨

27、头修复期 的塌陷率。在股骨颈骨折或 骨瓣移 植术 后，辅助 应 用 髋 关 节 外 固 定器 可 减 少 股 骨头 的压 力，可 间接 减 少股 骨颈部 的张力，有 利 于股 骨颈骨折早期的愈合。(下转第 4 3 5页)维普资讯 http:/ 第 4期 基 于影 像特征的经皮椎体成形 术及其建 模与仿真方法 4 3 5 (上接第 4 1 1页)3 3实验不 足 虽然本研究建立了比较逼真的骨盆的有限元骨 性模型，但髋关节的受力的大小还受软组织的影响。如在单腿站立 时外展肌 的作用，关节周 围韧带的作 用等，应在今后的研究中进行改进。本研究通过这种理想化的模拟重 建，利用有限 元的方法来分析髋关节

28、外固定器对股骨头 的受力的 影响，比较股骨头峰值压力，希望本研究的数据对临 床上髋关节外固定器辅助治疗髋关节疾病能提供生 物力学的依据和临床指导。参考文献 1 N i s h i i T，S u g a n o N，Mi k i H，e t a 1 D o e s a l e n d r o n a t e p r e v e n t c o l l a p s e i n o s t e o n e c r o s i s o f t h e f e mo r a l h e a d Cl i n Or t h o p Re l a t R e s，2 0 0 6(4 4 3)：2 7 3

29、2 3 4 5 6 S a l t e r RB，S i mmo n d s DF，Ma l c o l m BW，e t a 1 Th e b i o l o g i c a l e f f e c t o f c o n t i n u o u s p a s s i v e mo t i o n o n t h e h e a l i n g o f f u l l t h i c k n e s s d e f e c t s i n a r t i c u l a r c a rt i l a g e J B o n e J o i n t S u r g A m，1 9 8 0，6

30、 2：1 2 3 2 1 2 5 1 V a n V a l b u r g A A，v a n R o e r m u n d P M，Ma r ij n i s s e n A C，e t a 1 J o i n t d i s t r a c t i o n i n t r e a t me n t o f o s t e o a rt h r t i s(I I)：e f f e c t s o n c a r-t i l a g e i n a c a n i n e mo d e 1 Os t e o a rt h r i t i s Ca rti l a g e，2 0 00，8

31、：18 G h e n g S L，Mo r r e y BFT r e a t me n t o f t h e mo b i l e，p a i n f u l a rt h r i t i c e l b o w b y d i s t r a c t i o n i n t e r p o s i t i o n a r t h r o p l a s t y J Bo n e J o i n t S u r g B r ，2 0 0 0，8 2：2 3 32 3 8 Bo u c h a r d S M，S t e wa r t KJ，P e d e r s e n DR，e t a

32、 1 De s i g n f a c t o r s i n fl ue n c i n g p e r f o r ma n c e o f c o n s t r a i n e d a c e t a b u l a r l i n e r s：f i n i t e e l e me n t c h a r a c t e r i z a t i o n B i o m e c h，2 0 0 6，3 9(5)：8 8 5 9 3 崔旭 生物力学研究在股骨头缺血性坏死显微外 科治疗 中的 应用 骨与关节损伤杂志，2 0 0 4，1 9(3)：2 1 7 (2 0 0 6 0 51 7

33、收稿，2 0 0 7一 O 1 2 9修 回)(上 接第 4 3 0页)参 考文献 2 3 4 5 丁玲，王宜 民 采血方法和设备对血标本溶 血的影 响 国外医 学护理学分册 J ，2 0 0 4，2 3(5)：2 0 52 0 7 马雅静，谷杨，张蕾 不同采血管对 P T、AP 1 Y r 及 F I B检测 的影 响农 垦医学 J ，2 0 0 4，2 6(3)：2 0 3 2 0 4 I ma f uk u Y，Me g u r o S，Ka n n o K，e t a 1 Th e e f f e c t o f EDT A c o n t a mi n a t e d i n$e r

34、 a O i l l a b o r a t o r y d a t a C l i n C h i m Ac t a J ，2 0 0 2，3 2 5(1 2)：1 0 51 1 1 T o f f a l e t t i J G，W i l d e r ma n n RF Th e e f f e c t s o f h e p a r i n a n fi c o a g u l a n t s a n d f i l l v o l u me i n b l o o d g a s s y r i n g e s o n i o n i z e d c a l c i u m a n

35、d m a g n e s i u m m e a s u r e me n t s C l i n C h i m A c t a J ，2 0 0 1，3 0 4(1 2)：1 4 71 51 邹麟，程大林，王晓江 5种真空 采血促凝 管 在免疫 检验 中的 应用价值 江西医学检验 J ，2 0 0 3，2 1(5)：3 5 93 6 0 6 7 8 9 1 O 1 2 张建荣，许育，徐德安三种真空采血管对临床生化检测结果 的影响 现代检验医学杂志 J，2 0 0 3，1 8(3)：2 82 9 胡望平 血浆游离血红蛋 白见：总后卫生 部编 医疗 护理技 术操作 常规 M 第 4版 1 9

36、 9 8：1 8 4 7 胡望平 用 2，4一二氯酚色原酶法分析胆固醇 中 华 医 学 检 验杂志 J ，1 9 8 4，7(2)：8 4 孙艳，胡望平 测定血尿 2，4一二 氯酚 法 的建 立及 其 临床 应 用：硕士论文 福州：福建医科学大学，2 0 0 4 1 01 2 杨小钢，邓兆群，邱方城，等 血液分 离胶的制备研究 湖北医 科 大学学报 J ，2 0 0 0，2 1(2)：1 1 71 1 8 范业萍，孙心岩，刘卫 林，等 分离胶 管贮存 的血标 本再 离心 致钾离子增高 临床检验杂志 J，2 0 0 3，2 1(1)：3 9 W i wa n i t k i t V C o mp a r i s o n o f b l o o d s p e c i me n s f r o m p l a i n a n d g e l v a c u u m b l o o d c o l l e c t i o n t u b e s J Me d A s s o c T h a i J ，2 0 0 1，8 4 (5)：7 2 3 7 2 6 (2 0 0 6 0 6 0 8收稿，2 0 0 6 0 7 2 6修 回)维普资讯 http:/