股骨是支撑人体的重要组成部分,过大的荷载、意外的冲击、疲劳等可能造成股骨的断裂损伤,股骨颈开裂与折断是一种典型、高发的损伤形式,此时需要用人工假体代替损坏的部分股骨。为使假体与股骨结合性能接近于原股骨,必需研究掌握股骨的应力分布特征。而假体的无菌性松动是一个最为突出的问题,接触应力过大、骨溶解等是导致假体松动的一方面重要原因。假体植入后股骨应力水平的较大降低又将产生所谓应力遮挡,影响骨组织生长,导致局部骨量丢失、骨质疏松等。因此,人工假体与股骨的理想结合至关重要,但假体与股骨结合体的生物力学实验受结构复杂性与技术因素等限制,大多数研究都基于有限元数值模拟结果。本文基于有关项目的完整股骨及植入金属假体股骨分别在纵向压力、横向弯折力、扭转力偶作用下的多点应力测量结果,进行有限元数值分析。采用基于股骨的CT扫描数据,利用MIMICS软件重建股骨的三维几何精确模型,再转入ANSYS软件划分单元后进行有限元数值分析,得到完整股骨及植入金属假体股骨的应力分布结果。有限元数值方法的应用使股骨的生物力学计算模型从二维发展到三维,特别是CT数据采集与重构技术的应用,使股骨实体模型与计算结果精度大大提高。基于测试结果的数值分析更具有可靠性。主要研究内容包含如下三部分:(1)股骨纵向受压时的应力分布特征分析。纵向受压是股骨遭受外作用的主要形式。分别对于完整股骨及植入金属假体股骨,基于纵向受压时多关键点(包括股骨颈)的测试应力结果,进行有限元数值分析,计算得到应力分布和关键点的应力值,比较计算与测试主要结果的一致性,然后研究应力分布及其随外力的变化规律,得到完整股骨内侧股骨干上部有一个大应力区,股骨内外侧股骨颈处应力较大,外侧股骨颈的拉应力将容易导致股骨的断裂损伤;植入金属假体后股骨的应力分布发生较大改变,股骨颈与股骨干交界处接触应力一定增大,容易导致假体松动,股骨干中部假体前端处的应力有一定减小,应力水平的下降即所谓应力遮挡,将引发骨量丢失。因此,合适的人工假体、优化的结合方式对于股骨的康复与健康极为重要。(2)股骨及其结合体端部受横向力时的应力分布特征。端部横向弯折力是股骨遭受外作用(如冲击等)的另一重要形式。类似上述情况,分别对于完整股骨及植入金属假体股骨,基于受横向力时多关键点的测试应力结果,进行有限元数值分析,计算得到应力分布和关键点的应力值,比较计算与测试主要结果的一致性,然后研究应力分布及其随外力的变化规律,得到完整股骨内侧股骨干上部有一个大应力区,股骨内外侧股骨颈处应力较大,容易导致股骨的断裂损伤;植入金属假体后股骨的应力分布也发生较大改变,假体后端与股骨接触部位应力增大,股骨干中部假体前端处应力减小。(3)股骨及其结合体端部受扭转力偶时的应力分布特征。端部扭转力偶是股骨遭受外作用的另一形式。类似地,分别对于完整股骨及植入金属假体股骨,基于受扭转力偶时多关键点的测试应力结果,进行有限元数值分析,计算得到应力分布和关键点的应力值,比较计算与测试主要结果的一致性,然后研究应力分布及其随外力的变化规律,得到类似结果,完整股骨内侧股骨干上部应力较大,植入金属假体后股骨的应力分布也发生较大改变,但应力方向发生改变。总之,对完整股骨及植入假体股骨在几种典型受力情况下的有限元数值分析应力分布结果与实验结果进行对比,符合性良好,说明有限元分析结果的可靠性;得到股骨易受损范围及骨折危险区域为股骨颈,与实际情况较为一致;假体后端与股骨接触部位应力较大且集中,容易导致假体松动,而股骨干中部假体前端处应力减小,说明假体与股骨结合体存在应力遮挡与骨量丢失问题。