国人生物固定型股骨柄假体几何设计系统方法.pdf

4 8生物骨科材料与临床研究。盯H O 陬E D I cB I o M E c H N I c sM T E R u L SA N DC u N l“LS T u D Y2 0 0 1 6 年0 8 月第3 卷第4 期国人生物固定型股骨柄假体几何设计系统方法王彩梅周学玉贺靠团 摘要生物固定型股骨柄假体要达到取代病变骨组织、完成被替代部分的动力学功能的目的，就必须要求假体结构上满足两个特征，即：与股骨髓腔良好的结构相容性(假体与股骨良好的匹配、稳定密合)和与骨组织的生物力学相容性。目前，国产股骨柄基本上以仿制欧美柄型为主，因此，国人与西方人种之间股骨的解剖学统计差异直接影响到股骨柄的临床使用效果。本文从国人股骨几何解剖特征入手，详细阐述股骨柄分型的具体方法、股骨柄几何形状确定的一般原则，并运用c A D c A E 虚拟设计与分析系统以及生物力学试验等必要的评价来说明股骨柄假体几何设计的系统思路。关键词 生物固定；国人股骨解剖特征；股骨柄设计；设计评价；设计验证；设计优化 中图分类号】T G l l 文献标识码】A前言白19 1 0 年G r e e n f i e l d 冈生物固定概念的提出而获得一项专利，1 9 7 1 年欧洲人J u d e t 旨先应用了具有生物学固定理念的人工关节假体，到目前为止，生物固定型假体己被广泛应用于临床之中。生物固定型股骨柄是人工髋关节的重要组成部分，它要达到取代病变骨组织、完成被替代部分的动力学功能的目的，在结构上就必须满足两个特征，即：与股骨髓腔良好的结构相容性(假体与股骨良好的匹配、稳定密合)和与骨组织的生物力学相容性，以试图将来自髋臼由经股骨头传至股骨柄所产生的非生理性负载，尽可能地按照生理性负载的大小及分布形式再传递至患者的生理股骨，这需要设计者对国人生理股骨几何解剖深入的理解及运用评价、优化并重的系统设计方法。-国人生理股骨几何解剖参数鉴于假体与股骨良好的匹配、充分密合是有效避免植入物早期松动、减少术后后遗症和延长其使用寿命的前提，对人体骨骼几何特征分析具有显著的必要性。股骨几何参数是人工髋关节设计的重要依据之一，N o b e l 等测定了白种人股骨的几何尺寸b 1；K h a n gG对韩国人股骨几何形态进行了测定口1；龙公等用摄片法与新鲜骨进行对比，研究了国人股骨髓腔的几何特征“1。各种数据表明不同种族、年龄、性别之间存在着明显的差异，从而解释了欧美及其它种族髋关节假体有可能出现与国人髋部不匹配的问题，揭示了亚洲髋、国人髋的研究背景。作者单位：北京百慕航材高科技股份有限公司，北京1 0 0 0 9 51 1国人股骨几何解剖特征为精确描述国人股骨几何解剖特征，许多国内学者专家也付出了卓有成效的努力：章纯光用c T 法列国人股骨几何尺寸进行了较为精确的测定8 1；薛文东研究了计算机自动测量股骨曲率变化的方法陆，；汪伟进步将c T 与及先进的计算机三维重建技术相结合对国人股骨几何特征进行了研究】。表l 列出了一般采用的用来统计国人股骨几何特征的各参数发其物理意义。表1 股骨几何特征参数及特征变量示意图变量名均值标准差撮小值最大值样本量参数口m i nm“年龄体重身高偏心距X I股骨头直径X 2股骨头位置X 3服骨颈长X 2 3L T 十2M LX 40A _ PX 5M LX 6L TA _ PX 7l f T 2陋LX g0A P)(9M LX 1 70X l B狭窄M LX 1 0髓肿X J】狭窄M 山X 1 2皮A PX 1 3颈干角X 1 4股骨长度X 1 5图l 股骨特征变量示意图狭窄位置X 1 6 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据5 2生物骨科材料与临床研究O R T H O P A E D I CB I O M E C H A N I C SM A T E R I A L SA N DC L I N I C A LS t U D Y2 0 0 6 年0 8 月第3 卷第4 期A DU G：C A Dl。爨鸶；嚣镶蕤赣|甏|罄|鬻赣l 蘩|赣|攀C A M鬟i 鬻魏|黎甏甏琵琵臻|缓鬻；f、。萋浚絮参数缀安德造型曩薯雾一黎黪爨黪烈零纂囊鬈一i曩蓊燕茇冀爱甏篡妥雾篓篓誊麓薹|?二8 2：“二一。”二Ii萋二。|臻j 鬣鼍罄|囊簦；稳|凳鬟罄臻繇鏊|鬃穗l 篱|羲穗l 篱罄馨、：、?j 一靴m 磊?，弹毪。j。i A M 墨L 一”“。蒸提供C A 分E 仇结果A n a l y s i s：!镪沁1、)L 镪镪真鬻及优化方案。了州、：L、l 盟，j t 斜I慧。2、应变分析2、性能仿真t 鬻。一。分析：1、运动学性能结果分析；淤觥赫谱厂一2、动力学特性结果分析l竺笙I图7C A D I C A E C A M 虚拟系统框架(运用典型工具软件举例)2 2 设计评价、验证及优化2 2 1评价指标标准要求：股骨柄的设计应符合现行的相应的国家或行业标准的要求。标准未规范出的其它要求：假体的性能要符合使用的功能及性能要求。2 2 2结构符合性评价按照Y Y0 1 18，髋关节部件的表面粗糙度、尺寸及形位公差须符合相应要求。2 2 3功能及性能评价指标生物力学相容性生物力学相容性关系到关节置换植入物是否能更为理想地将骨性组织的最大预期负载及其作用(力和力矩)相互传递，从而尽可能优化人体对植入物形状刚度的动态反应，例如根据沃尔夫定律而导致骨缺失与骨重建现象的发生“，具体分为：A 足够的力学强度即植入人体使用部位后对复杂受力的耐承性。B 抗疲劳断裂的性能以避免人体部位的低周循环力学环境所导致失效的发生。2 2 4 评价方法依据表3 评价依据“全髋关节假体试验的相关节部件的相对角度转动，施加I S O1 4 2 4 2力的形式，试验的速度和持续时间，样本配置和试验环境。”外科植入物一半髋和全髋关节假体一第四部分：带柄股骨I S O7 2 0 6 4部件的耐久性的确定外科植入物一半髋和全髋关节假体一第六部分：带柄股骨I S O7 2 0 6 6部件的头和颈的耐久性的确定科植入物一半髋和全髓关节假体一第八部分：具有扭转使I S O7 2 0 6 8用的带柄股骨部件的耐久行为2 2 5C A E(C o m p u t e rA i d e dE n g i n e e r i n g)功能及性能评价对人工关节的功能进行评价，也可以通过计算机虚拟仿真及分析技术系统来评价(见图8)。因为C A D C A E 之问是通过链接的方式共享几何模型数据，包括尺寸、尺寸参数和装配参数等。因此，将股骨假体仿真植入人体模型，通过数字模拟人体的运动情况(可通过A D A M S 软件)，从而仿真假体在不同的人体行为及负载下所表现出来的运动学及动力学特性，如实时位置、速度加速度以及假体各个位置点的负载情况。载荷谱可输入到A N S Y S 等C A E 程序，通过对C A D 模型经过网格划分、施加载荷工况与边界条件，可以进行小变形小位移的深入分析，从而进一步得出人骨假体应力场和应变场的分布。运动学及动力学分析的最终目的在于返回设计阶段为设计人员提供可靠的结构上的优化方案，C A E 的系统的优势在于可提供参数化的优化方式，即设定某一尺寸为变量，通过综合计算可迅速确定其最佳尺寸。该评价系统简洁而迅速，成本低，但要求设计人员要有足够的软件操作技术储各及使用技巧。目前，将利用计算机辅助工程对股骨柄进行系统评价，在国内尚处于起步阶段，由于篇幅原因，本文不对评价的具体方法作出阐述。2 2 6物理样机评价即生物力学试验利用试验机或装置在模拟人体环境下及人行走过程中会经历的动作、载荷，进行髋关节产品的全尺寸或模型化生物力学实验，从而测定人工髋关节关节的疲劳寿命及功能，为结构改进提出宝贵数据。图8 人工髋关节柄疲劳测试系统，图9 人工髋关节柄的强度试验该评 万方数据 万方数据国人生物固定型股骨柄假体几何设计系统方法国人生物固定型股骨柄假体几何设计系统方法作者：王彩梅，周学玉，贺靠团作者单位：北京百慕航材高科技股份有限公司,北京,100095刊名：生物骨科材料与临床研究英文刊名：ORTHOPAEDIC BIOMECHANICS MATERIALS AND CLINICAL STUDY年，卷(期)：2006,3(4)被引用次数：1次 参考文献(16条)参考文献(16条)1.吕厚山;卢士璧;戴尅戎 人工关节外科学 19982.Nobel PC;Alexander JW;Lindahl The anatomic basis of femoral components design 19883.Khang G;Choi KW;Kim CS A study of Korean femoral geometry外文期刊 2003(406)4.龙公;戴克戎 股骨上段形态曲线的测量、参数化与统计分析 1998(02)5.章纯光;吕厚山;邹德威 国人正常股骨CT测量与假体设计的相关研究期刊论文-中华骨科杂志 1998(08)6.薛文东;戴克戎 计算机自动测量股骨曲率变化的方法 19997.汪伟 正常国人股骨三维几何形态测量及相关研究 20028.李贤平;陈子毅 概率论与数理统计 20039.罗先正;邱贵兴 人工髋关节学 200310.Iguchi H;Hua J;Walker PS Accuracy of using radiographs for custom hip stem design 199611.Kim YH Long-term results of the cementless porous-coated anatomic total hip prosthesis 2005(05)12.蔡谞;崔健;王岩;张力 侧中空股骨柄假体的研制及体外静力试验研究期刊论文-中华骨科杂志 2006(05)13.姚振强;王成焘 从股骨横截面CT片获取股骨纵向剖面轮廓 1997(03)14.Laine H-J Image processing for femoral endosteal anatomy detection:description and testing of acomputed tomography base program hy MedBiol 199715.金家桢;许宝元;周叔平 材料力学 200216.UG、ADAMS、ANSYS软件使用手册 引证文献(1条)引证文献(1条)1.刘宏伟.孙俊英.张云坤.郁忠杰.王禹基.孙荣彬 股骨近段髓腔解剖参数测量与不同类型人工股骨假体的选择期刊论文-中国临床解剖学杂志 2011(1)本文链接：http:/