复合材料股骨头假体三维有限元分析.pdf

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1、第 1 6卷 2 0 01年 第 3期 9月 医 用 生 物 力 学 J OURNAL OF MEDI CAL 1 3 1 OM ECHANI CS VO l _ 1 6 No 3 S e p，2 0 01 复合材料股骨头假体三维有限元分析 俞能宝 董天华 孙俊英(青岛海慈医院骨科 2 6 6 0 3 3 苏州大学第一附属 医院骨科 2 1 5 0 0 6)【摘要】目的：分析不同材料股骨头假体置换后的应力关系。方法应用三维有限元理论 分析碳 纤维聚砜(C R 1 7 P S F)复台材料与钴铬钼(C o C r Mo)台盎假体置换，在施加载荷，动静态下的 应力分布 结果：C R 1 7 P S

2、 F组股骨受力达 8 5 9 8，而 C o C r Mo只有 5 O；在假体的表面受力前 者只有 1 O 左右，后者则达 5 0，。结论 低弹C R F P S F复台材料假体能显著降低应力遮挡、应力 集中，从而推断低弹材料具有高疲劳强度，能达到较好的力学相容性。关键词 复台材料 股 骨头假体 三维有限元 全髋股骨头假体使用最广泛的材料大多数是金属合金，它们最大的缺陷是弹性模量太高，如 不锈钢为 2 1 0 G P a；钛台金 l 1 0 G P a，钴铬钼合金 2 2 0 G P a。而骨皮质与骨松质的弹性模量分别只有 1 8 G P a和 2 0 GP a。由于金属材料的模量是骨组织的十

3、几倍甚至几十倍，它们 的组合，因力学性能 无法相容，显然不可能创造一个较好的，接近生理状态的力学环境，由此产生应力遮挡，进而引起 骨吸收，骨萎缩，乃致假体松动等一系列并发症至今未从根本上得到解决。复合材料是各向异性 材料，可以达到低弹高强，被预为最有前途 的生物材料。人体髋关节及骨骼组织力学结构相当复杂，已不可能用解析方法来分析它的力学性能问题 因此，我们采用三维等参有限元技术来分析此结构。材料与方法 一、建立模型的依据 A国产仿 A ML型全髋股骨头假体的外表几何尺寸。B 人体湿股骨与假体材料力学性能如下表 二、建立三维有限元模型 将正常亚洲人股骨近端及仿 A ML型全髋股骨头假体几何形态的

4、参数及股骨、复合材料及钴 铬钼合金材料力学性能参数输入计算机 采用 S A P 5 程序，模型 自由度 2 6 1 8，整个结构被划分为 6 9 2个，三维单元，八节点等参元，3 2 8个板单元，3 3 6块单元 模拟全髋全髋股骨头假体置换后力 学模型。计算 中，根据临床上应用生物学固定模式，模拟人体正常生理体进行置换，以便达到重建 髋关节的最佳效果。随着弹性力学有限元方法在工程学计算 中应用 日益广泛，有限元分析就其几何形体来说越 来越复杂。股骨上段的几何外形很不规则，形态各异。解决的办法是，首先建立医学图象信息 的 软件处理，如单元划分，边界提取，几何补插等处理 在计算机 图形的屏幕上真实

5、地再现股骨假体 维普资讯 http:/ 1 5 6 医 用 生 物 力 学 第 1 6卷 结构，并且在此基础上构造三维有限元模型和网格的 自动划分、自动地确定节点坐标，编排单元 号码，单元节点组线，并形成数据文件和三维 网格图形，从而完成了有限元分析前的处理过程。S A P 5 C软件由八个功能模块 组成，通过对股骨假体的软件处理，建立起完整的三维有限元 结构分析模型。并且可以采用交互方式调整网格疏密程度和网格形状，做到结构形状准确 单元 划分方便 节点 自动确定 提高模型质量。在输入模型的几何形态与各种材料力学参数及边界约 束条件，计算中股骨远端的约束条件是一组边界元予 刚性固定=计算载荷情

6、况分为人体静止双足站立状态 与步态单肢负重站立如图示 设人体体重(B Y e 3 为 6 5 0 N，则根据 R v d e l l 对髋关节 的受力分析，静止时髋关节力 J=2 5 B W，肌力 M=1 9 7 B W，根 据人体在步态周期中髋关节力的测量得到髋关 节 力 在足 趾离 地 时为 7 B W 后跟 着 地 时为 4 B W，而肌力分别为 5 5 B W 和 3 1 5 B W。在两种 不同情况下输人所加的载荷，通过节点位移，算 出各部分应力应变分布规律。结果与分析 静 止 步 志 两种不同状悉 时的载荷方向 一、静止状态假体柄上的应力分布 静止状态作用于全髋股骨头假体载荷为人体

7、体重的 2 5 B W。钴铬钼合金材料和碳纤维增强聚砜复合材料制成全髋股骨头假体上晟大的正应力，在股骨 头假体柄的内侧为压应力，外侧为拉应力见表 l。襄 l股|头恨悻置换前柄上的应力分布f it S)结果表明：最大的拉压应力发生柄 的下 1 3部和假体的柄颈结合处。此时钴铬钼合金股骨假 体 内外侧的拉压应力分别是 9 2 MP a与 8 O MP a，而碳纤维 聚砜复合材料假体的内外侧最大是 8 0 MP a和 6 2 MP a,两者相差分别为 1 3 和 2 2 5。在肩颈附近前者为 3 O MP a，2 8 MP a；后者为 2 5MP a,2 4MPa 二、模拟全髋股骨头置换术后静态下的

8、应力分布 静止状态，当髋关节力施加之后，钴铬钼与复合材料两种全髋股骨头假体与股骨近端各部分 应力分布规律如表 2 3。寰2 置换后C,o C a-Mo 旨盒假体应力分析(M P a)维普资讯 http:/ 第 3期 复合材料股骨头假体三维有限元分析 1 5 7 结果表明：两种材料股骨头假体植人后，受到同样载荷在股骨表面与假体柄所受应 力分布有 明显区别，低模量复合材料组在股骨上所受到的应力明显高于钴铬钼合金组。拉压应力平均高出 1 8 一1 5 而假体本身的受力，钴铬钼合金因刚度大拉压应力则高出复合材料 1 7 一1 3。股 骨距轴向应力复台材料高出钴铬钼合金 1 4。钴铬钼合金组被假体间接传

9、递到股骨上拉压应力 只有 5 0 5 2；而复合材料组达到 8 4 9 5。襄 3 置换后 C I t P S F 股骨假体应力分析(加)三、模拟步态全髋全髋股骨头置换动态下应力分布 不 同学者如 P a u l(1 9 6 7)，R y d e l l(1 9 6 5)曾进行 了运动学测量，记 录了髋 关节反作用力的大 小，发现在站立相期间，由于外展肌收缩 以稳定骨盆，而使关节反作用力出现两个峰值，一个峰值 恰好发生在后跟着地时，约为体重 4倍，而在另一更大的峰值在足趾尖离地前达到体重 7倍左 右。当足放平时，由于身体重心迅速下降，关节反作用力下降到小于体重。摆动相时，关节反作用 力由于伸肌

10、收缩使大腿减速，数值相对较小，接近体重 在这两种情况下，髋关节股骨头置换术 后负重内外侧应力分布值见表 4 5。衰4 步矗时c I 1 I 假体置换后动矗应力分布(M p a)1 在步态单肢站立下，无论是假体还是股骨受到应力是静态下数倍，而足趾离地时为足跟 着地时假体与股骨受力值增大近两倍 2 复合材料组假体本身所受到的拉压应力明显低于钴铬钼合金组，后跟着地时假体 的拉压 应力分别降低 l 6 一1 8；而足趾离地时分别降低 l 0 一1 5。3 复合材料组在假体植人后股骨近端的应力明显高于钴铬钼合金组。后跟着地时，拉压应 力分别增加 l 7 一1 6 7；足趾离地时股骨的拉压应力分别增大 l

11、 7 与 1 6 6。而且两种假体最 大的应力没有超过材料的极限。4 两种材料的假体的应力集中在柄中下 1 3处及颈杆交接处。复合材料组的应力集中低于 钴铬钼台金组，在股骨上轴向应力前者大于后者约 2 0。5 在足趾离地时，钴铬钼台金组传递至股骨的应力只有假体的 6 0 一7 0，而复合材料达到 维普资讯 http:/ 1 5 8 医 用 生 物力 学 第 l 6卷 9 4 9 7；在足跟着地时，钴铬钼合金股骨受力为假体 6 1 一6 3，而复合材料组则达到 9 0 以上假体传递应力，明显降低了应力遮挡。讨论 一、碳纤维增 强聚砜(C F R P 3 r 3 与钴铬钼合金两种材料股骨头假体在施

12、 加相同载荷条件下，低模量的 c F P s F假体表面应力明显低于钴铬钼合金，前者比后者低 1 3 一2 2 5。根据材料 的胡克定律，应变与材料本身弹性模量成正 比。模量越低，柔韧性越好，能在假体加载时，吸收部 分能量，因此抗破坏能力也 越强。R e h l m a n n t”等证实假体模量增 加一倍时 柄中最大应力增大 2 5，反之，当假体柄的模量降低一倍时，可使柄中的最大应力减小 2 6。故我们选择低刚度的 C F R P S F复合材料股骨假体在植入人体后，随着人在行走时产生 的交变荷载，不易疲劳断裂。因 此延长假体的使用寿命。二、人体髋关节应力分布规律总是从骨盆经股骨头 颈直接

13、由股骨近端 向远端传递，行全髋 股骨头置换术后应力分布规律发生明显改变，系经假体间接向股骨传递。从有限元分析结果可以 发现，低模量的复合材料在置换后，股骨近端表面应力应变明显大于高模量钴铬钼合金组，而 C F R P S F复合材料假体受到应力则明显低于钴铬钼合金。前者由假体传递到股骨近端的应力至 少在 8 5 一9 5；后者只能达到 5 0 左右。应力遮挡高达 5 0 左右。临床上普遍使用的国产金属 假体易产生应力遮挡，进而导致骨吸收。而假体材料的弹性模量高，被认为是引起这一问题的主 要原因之一。众所周知，应力遮挡必然出现废用性的骨吸收与骨萎缩。在国外，K o e n e ma x l l-

14、l 等通 过大量实验与实践证实随着假体弹性模量的下降，股骨表面应力应变有不同程度增加，而假体柄 本身的应力则明显降低 而远期松动也相应不同程度降低。另外，在假体柄与股骨下 l，3与颈柄 交界处应力集 中明显 J 本实验中也得到相 同结论，低刚度的复合材料假体 比钴铬钼假体组应力 集 中降低约 2 O。因为这两个部位的弯矩大，临床常见于此处 出现疲劳断裂。故在设计与加工时 有必要增加该部位的力学强度。面低刚度 C F 彤P S F复合材料因韧性好、应力集中没有象高模量 钴铬钼等金属材料那样严重。在临床应用 中，理论上低弹性模量低复合材料必然比高模量的金属 材料抗疲劳性能强，这已被有关研究所证实。

15、当然，应力遮挡与应力集中这两种力学效应常同时 存在，而且相互作用，应力遮挡可引起骨吸收，骨吸收进一步使应力集中增大，反过来又进一步增 加应力遮挡使骨吸收加重。进而使假体完全松动、下沉及柄断裂等一系列并发症，最终依赖于翻 修术。三、模拟人体步态行走在假体置换 后时的应力分布，比静态时的变化明显，由于外展肌 的作 用，使股骨假体上的载荷约为体重的 4 7倍 从分析的结果 中可以看出，在足趾离地时 假体植 入后钴铬钼合金，传递至股骨近端的应力只有 6 9 7 3，而复合材料则高达 9 8 左右，接近生 理状态时的应力环境。另外，足跟着地时，前者的股骨应力仅为 6 0 左右，而后者高达 9 o 以上：

16、此外，应力集 中也较为突出，假体柄中 1，3应力集中已接近假体材料极限。因钴铬钼合金刚度大、应变范围小、韧性低，易发生远期假体疲劳断裂。而复合材料弹性模只有前者的 1 。它的力学性 能 已接近骨组织，植入后力学相容性好，能产生近似人体生理状态下的应力分布规律：由于人体 骨骼代谢总是符合 W0 l 律的，全髋股骨头假体植入后，由于钴铬钼合金弹性模量是骨组织的 十几倍以上，加载时本应由肢体承受的应力应变大部分由假体承载，而骨应变量相应减少。当骨 应变量少于维持骨代谢平衡的最小有效应变时，骨组织开始吸收，成骨效应降低并发生骨结构的 系列改变。临床上的 X 线 片主要表现为骨皮质变薄、骨小梁稀疏及髓腔

17、扩大等结构性的改变，进 而促使骨本身弹性模量 进一步下降的恶性循环。骨应变进一步发生变化，从低 于最小有效应变 维普资讯 http:/ 第 3期 复合材料股骨头假体三维有限元分析 1 5 9 值向该数值接近。最后恢复平衡值，骨改建得到新的平衡状态，符合骨应 力应变与骨吸收理论。结论 分析发现低弹 C F R,q F复合材料假体，在近似模 型全髋股骨假体置换术后 的应力分布，能 达到近似生理状态应力分布规律，这一结果显著的优于钴铬钼合金 通过三维有限元发现在两种 材料的假体在植入后，复合材料能够有效的将荷载向股骨传递，增加 了，股骨上的应力，显著降低 了应力遮挡与假体的应力集 中，从而增强了假体

18、的抗疲劳能力。这一分析结果同 C h r i s t e l 和 P e i j s 所实验及分析结果基本一致。由于人体髋关节生物力学机理相当复杂，本实验建立的力学模型仍存在一定的局限性。故 分析的结果在某些方面仍不能完全地反映实际情况。通过分析，低弹复合材料假体，在某些 力学 性能方面优于金属材料，但进入实际临床应用距离较远 然而，复合材料假体具有广泛的力学可 调性，故可为今后研究不同力学性能的假体对股骨应力的分布的影响提供 了方便，也为今后对假 体设计、制造的改进及选材等有非常深远的意义。参考文献 1 R e h h n a n n A，Mo s s e r V，B e r g ma n

19、n G，e t a l E f f e c t s o f s t e m d e s i g n a n d m a t e r i a l,p r o p e r ti e s o n s t r e s s i n h i p e n d o p r o s t h e s i s J Bi o me d En g，1 9 8 7，9：7 7 8 3 2 K o e n e ma n J B Ha n s e n T M l_ r H E ff e c t s o f i mp la n t g e o me t r yp o s i t i o n a n d b o u n d a

20、r yc o n d i t i o n s o n e E l tO-e I lan s be n e s t r e s s：a fi n i t e e l e me ri t a n a l v s h P r o c e e d i n g s o f b i o me c h a n i c s s y mp o s i u m Ame ri c a n s o c i e t y of mech a n i c al e n e e r s Ne w Yo n k NY，I 9 91，I 2(】：】1 7 一 I 2 0 3 P An d fi a e c h i，J O Gal

21、a n t e e t a 1 A s t r e s s a n a l y s i s of t h e f e mo ral s t e m i n t o t a l h i p p r o s the s i s】B o n e I t S u r g 1 9 7 6 5 8 f A1：6 1 8-6 2 4 4 Hu i s k e s RB o n e r e mo d e l i n g a r o u n d im p l a n t s c a n b e e x p l a i n e d a s a e ff e c t o f me c h a n i c a l a

22、 d a p t i o n i n t o t a l h i p r e v i s i o n s u r g e r y-Ra v e n p res s N e w Y 0 r I=1 9 9 5 1 5 9-1 7 1 THREE D玎 E NS 1 0NAL F m ELE MENT ANAI y S I S 0F C 0MP OS n F EM0RA L P R0s 1 既 S I S Y u Ne n g b a o Du n g T i a n h u a S u n J u h y i n g D e p a r t me n t o f O r t h o p e d

23、i c s，Q i n g D a o Ha i C i Ho s p i t a l 2 6 6 0 3 3 *De p a r t me n t o f Ort h o pe d i c s，N o j Ho s p i t o 1 a f fi l i a t e d t o S u z h o u u n i v e r s i t y-P u r D 0 s e：T o a n aly z e t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n of p ros t h e s i s wi t h d if f e r e m ma t e r i

24、a l s a f t e r r e p l a c e me n t Me tho d：T h e d i me n s i o n al fi n e _ e l e me n t a n a l y s i s w a s n 8 ed t o a n a l y z e t h e s t r e s s d i s t fi b u t o n w h e n t h e p r o s the s i s w e re l o a d e d i n t h e s t a t i c a n d walk i n g s t a t e a ft e r t h e rep l

25、ac e me n t of c o mp o s i t e ma ted al p ros t h e s i s and C o Cr Mo all a)p r o s t h e s i s r e p e d i v e Iy R e s u l t：Wh e n bo d e d，C R F P S F G r o u p r e c e i v e d 8 5-9 8 o f the s t r e s s w h i l e C o C r Mo Gr o u p o n l y r e c e i v e d 5 0 ：t h e s u r f a c e s t r e

26、s s o f t h e p ros t h e s i s w a s o n l y 1 0 f o r the C RF P S F Grou p an d 5 0 f o r t h e la t t e n C o n c l u s i o n：L o w e la s t i c C R F P S F c o mp o s i t e p ro s th e s i s e E l t s i g n i fi c a n 岍 r e d u c e s l res s s h ie l d i n g a n d c o n c e n t r a t i o n，h a v e h i ant i-f a t i gn e s t r e n g t h a n d rea c h be t ter mecha n i c al c o mp a t i b i l i t y I c o m p o s i t e m a te ri a l，f e m o r a l p r o s t h e s i s T h r e e d i m e n s i o n al fi n i t e-e l e m e n t 维普资讯 http:/