不同材料髋关节假体边缘负载动力学仿真参数研究

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因边缘接触引发的假体磨损是导致髋关节置换手术后关节假体失效的主要原因,目前临床上常用三种类型的髋关节假体:陶瓷对陶瓷,金属对金属以及金属对超高分子聚乙烯,这三种假体在使用过程中被证实均存在股骨头与臼杯边缘接触问题。虽然前人利用髋关节模拟机和有限元方法对假体边缘接触产生的磨损问题进行了研究,但并未探究边缘接触的持续发生时间以及边缘接触力值的大小。对上述三种材料髋关节假体在分离条件下边缘接触机制分别进行了探究,并对股骨头直径尺寸以及股骨头与臼杯径向间隙等可能影响假体边缘行为的设计因素进行了探讨。结合SolidWorks与Adams等三维建模软件构建髋关节假体三维动力学模型,假体运动条件为模拟步态条件。在Adams软件中加入弹簧,用来实现股骨头心与臼杯旋转中心之间的分离条件,使模型可以有效模拟股骨头与臼杯的边缘接触。经过验证证明了模型的有效性,并确定了三种假体模型的接触刚度系数。从最终的动态分离曲线来看,符合实际髋关节运动规律。对三种材料髋臼假体边缘接触进行参数仿真研究后发现:臼杯外展角,股骨头与臼杯在水平方向上的分离距离都会对髋关节假体的边缘负载情况产生较严重的影响,较小的臼杯外展角与初始分离能有效降低边缘接触时产生的接触力大小,对减小接触力产生的磨损有重要作用。股骨头尺寸的变化对硬对硬材质髋关节假体边缘接触产生的最大接触力与体积磨损度量指数的影响可以忽略。而股骨头与臼杯内衬之间较小的径向间隙会增大金属对聚乙烯材质关节假体的边缘接触力造成假体磨损。本文从生物力学的角度探讨了三种髋关节假体边缘参数研究,所得结果可用于进一步研究假体磨损问题,并能够为临床髋关节置换手术提供理论指导。
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