1、鎳鈦記憶合金無(wú)柄股骨假體的生物力學(xué)研究        【摘要】     目的評(píng)價(jià)新型記憶合金無(wú)柄股骨假體的生物力學(xué)特性。方法利用成人股骨的螺旋CT圖像，使用CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))軟件建立股骨的三維模型，根據(jù)股骨模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新型記憶合金股骨假體。建立三維股骨模型、傳統(tǒng)有柄假體及新型記憶合金無(wú)柄股骨假體有限元模型。在靜態(tài)載荷及行走載荷下，對(duì)各種模型的Von Mises應(yīng)力分布進(jìn)行分析和比較。結(jié)果記憶合金無(wú)柄股骨假體股骨上的應(yīng)力分布與正常股骨相近。記憶合金無(wú)柄假體股骨

2、近端的應(yīng)力明顯大于傳統(tǒng)有柄假體，與正常股骨的相近。記憶合金爪子本身的Von Mises應(yīng)力最大值僅為13.23 MPa，應(yīng)力分布較均勻沒(méi)有應(yīng)力集中的現(xiàn)象。結(jié)論(1）記憶合金無(wú)柄假體具有優(yōu)良的生物力學(xué)特性能有效避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)的發(fā)生；(2)記憶合金爪子的固定方式能達(dá)到既固定可靠又減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的目的。     【關(guān)鍵詞】  鎳鈦記憶合金； 無(wú)柄股骨假體； 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)； 生物力學(xué)    Biomechanical study of NiTi shape memory alloy stemless fem

3、oral prosthesis LIU Feng,LIN Yueqiu,RUAN Mo,et al.Orthopaedic Center of PLA,Kunming General Hospital of PLA,Kunming 650032,China    Abstract：ObjectiveTo evaluate the biomechanical features of NiTi shape memory alloy stemless femoral prosthesis.MethodUsing CT(computer tomography) scann

4、ing photographs of adult femur,threedimensional model of the femur was built by CAD (computer aided design) software.Based on the the structure of femoral model,shape memory alloy stemless femoral prosthesis was designed.Threedimensional finite element model was created for the normal femur,NiTi sha

5、pe memory alloy stemless femoral prosthesis,and traditional stemmed hip prosthesis.Under static loads and walking loads,the Von Mises stress distributions of each model were analyzed and compared.ResultThe stress distribution of shape memory alloy stemless femoral prosthesis was not obviously differ

6、ent from normal femur,stemless femoral prosthesis's proximal femoral stress  was close to that of normal femoral model but significantly higher than traditional stemmed hip prosthesis.Von Mises stress of memory alloy claws was distributed evenly,and the Max was only 13.23Mpa,there was no st

7、ress concentration.Conclusion(1) NiTi shape memory alloy stemless femoral prosthesis has great biomechanical properties,may reduce the stressshieding effect of the proximal femur.The fixed method that use memory alloy claws can make prosthesis fixed firmly to the bone and reduce stress concentration

8、.    Key words：NiTi shape memory alloy;  stemless femoral prosthesis;  computer aided design;  biomechanics     髖關(guān)節(jié)置換術(shù)被公認(rèn)為20世紀(jì)最成功和最具影響力的骨科手術(shù)。然而由于感染、脫臼、假體松動(dòng)、骨溶解等原因而導(dǎo)致手術(shù)失敗的病例也逐漸增多1。假體松動(dòng)、下沉是髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后最嚴(yán)重最常見(jiàn)的晚期并發(fā)癥。目前認(rèn)為，假體松動(dòng)主要與應(yīng)力遮擋、磨損微粒有關(guān)。臺(tái)灣學(xué)者設(shè)計(jì)了無(wú)柄髖關(guān)節(jié)假體，并有學(xué)者

9、通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)其可以有效解決應(yīng)力遮擋及骨溶解的問(wèn)題2。無(wú)柄假體沒(méi)有柄插入骨髓腔中，因此牢靠、有效的固定方式及良好的應(yīng)力傳導(dǎo)性對(duì)其顯得格外重要。作者根據(jù)三維重建的股骨模型利用先進(jìn)的CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))技術(shù)設(shè)計(jì)新型的記憶合金無(wú)柄髖關(guān)節(jié)假體，并對(duì)股骨模型、傳統(tǒng)有柄假體及幾種新型記憶合金無(wú)柄假體分別進(jìn)行力學(xué)分析，分析和比較各種模型的應(yīng)力分布。探討新型記憶合金無(wú)柄股骨假體的生物力學(xué)特性，為無(wú)柄髖關(guān)節(jié)假體提出一種新的設(shè)計(jì)思路。    1  材料與方法    1.1  主要設(shè)備與軟件    螺旋C

10、T機(jī);計(jì)算機(jī)；光盤(pán)刻錄機(jī)；彩色打印機(jī)；Materialise Mimics 10.01；ProE：UG。    1.2  股骨三維實(shí)體模型的建立    選取體檢健康人體，沿人體縱軸行螺旋CT掃描，掃描層距為1.25 mm，圖像存為DICOM格式，共掃描257層，光盤(pán)刻錄輸出。    將DICOM格式的圖像載入到Mimics軟件中，重建出右股骨中上段三維模型，導(dǎo)出DXF格式模型。再將模型導(dǎo)入到UG軟件中，利用UG軟件中的截面曲線功能分別捉取股骨的內(nèi)外輪廓線，然后以igs格式輸出。 

11、60;  將上述的igs格式輪廓線文件導(dǎo)入到PROE軟件中，對(duì)每一層輪廓線進(jìn)行B樣條曲線擬和光順處理。利用股骨輪廓曲線進(jìn)行由線到面、由面到實(shí)體的逆向工程處理，重建形成股骨的三維實(shí)體模型。    1.3  記憶合金無(wú)柄假體的設(shè)計(jì)及三維模型的建立    在PROE軟件中，首先沿著股骨頭的下緣垂直于股骨頸的軸線截去模型的股骨頭部分，在股骨頸周?chē)墓晒悄Ｐ蜕辖Ⅻc(diǎn)，由點(diǎn)連成曲線作為假體罩體底邊的形狀。根據(jù)股骨模型結(jié)構(gòu)同時(shí)考慮避開(kāi)重要肌肉附著點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)記憶合金爪子的位置、尺寸、方向及數(shù)量(圖1)，分別設(shè)計(jì)了四個(gè)記憶合金爪子和六

12、個(gè)記憶合金爪子的2種假體。根據(jù)股骨模型及解剖數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)股骨頭及中心釘?shù)哪Ｐ汀?#160;   圖1  無(wú)柄股骨假體設(shè)計(jì)過(guò)程  1a.股骨三維實(shí)體模型體  1b.切除頭部的股骨模型  1c.根據(jù)股骨模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)假體  1d.記憶合金無(wú)柄假體    1.4  傳統(tǒng)有柄髖關(guān)節(jié)假體模型的建立及與股骨模型的裝配    在PROE軟件中建立傳統(tǒng)有柄髖關(guān)節(jié)假體模型，根據(jù)股骨三維實(shí)體模型骨髓腔的形狀建立有柄假體的柄部模型，以保證假體與股骨緊密接觸。然后將建好的有柄假體與

13、股骨模型進(jìn)行裝配。    1.5  生物力學(xué)分析    表1  各種有限元模型的材料、節(jié)點(diǎn)數(shù)、單元數(shù)模型材  料節(jié)點(diǎn)數(shù)單元數(shù)模型一（股骨）（1）股骨158316571模型二（有柄模型）（1）股骨 （2）鈷鉻鉬合金假體柄及頭467113838模型三（1）股骨 （2）記憶合金罩體及爪子486314087（4爪無(wú)柄模型）（3）鈷鉻鉬合金頭及中心釘模型四（1）股骨 （2）記憶合金罩體及爪子499014516（6爪無(wú)柄模型）（3）鈷鉻鉬合金頭及中心釘模型五（1）股骨 （2）記憶合金罩體及爪子495314433（4爪

14、無(wú)柄模型2）（3）鈦合金頭及中心釘    (1）靜態(tài)載荷：模擬人單足站立時(shí)的情況；以650 N的載荷垂直作用于股骨頭。髖外展肌為260 N，方向與水平方向成60°夾角作用于股骨大轉(zhuǎn)子。    (2)步態(tài)載荷：模擬人正常行走、單足承重狀態(tài)時(shí)的情況：忽略矢狀面上各肌群的作用，髖關(guān)節(jié)的合力為1 588 N與人體的中軸線成24.4°角作用于股骨頭。髖外展肌力為1 039 N于人體的中軸線成29.5°角作用于股骨大轉(zhuǎn)子。髂脛束力為169 N與股骨的中軸線一致作用于股骨的外側(cè)7。   &

15、#160;   2  結(jié)  果    正常股骨，傳統(tǒng)有柄假體及3種記憶合金無(wú)柄假體模型，經(jīng)有限元分析后，其在靜態(tài)載荷下Von Mises應(yīng)力分布如圖2。正常股骨，其應(yīng)力傳導(dǎo)主要是通過(guò)股骨頸將應(yīng)力傳至股骨的內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)，股骨近端的應(yīng)力值在4.3322.20 MPa之間。有柄髖關(guān)節(jié)假體的應(yīng)力傳導(dǎo)方式則是通過(guò)假體與髓腔的接觸傳力，在股骨干上的應(yīng)力分布與正常股骨有較大的差異(圖3)。其最大應(yīng)力值在靜態(tài)載荷下位于假體頭頸接合處，股骨近端的應(yīng)力值水平在靜態(tài)載荷下約在5 MPa左右，在步態(tài)載荷下約為105 MPa左右。  

16、;  三種記憶合金無(wú)柄股骨假體模型的應(yīng)力傳導(dǎo)方式均是由罩體經(jīng)股骨頸及罩體與股骨的接觸面，將應(yīng)力傳至股骨的內(nèi)外側(cè)，其股骨上的應(yīng)力分布與正常態(tài)股骨相近，而與有柄假體模型股骨上的應(yīng)力分布有明顯的差別。三種無(wú)柄假體模型在靜態(tài)載荷下股骨近端的應(yīng)力值均在12 MPa左右的水平，在步態(tài)載荷下在17 MPa左右水平。另外，在兩種載荷下記憶合金爪子本身及其與股骨接觸的部位的Von Mises應(yīng)力最大值為17.46 MPa，最小值為5.21 MPa，并未出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。    模型3與模型4的主要區(qū)別是罩體上記憶合金爪子的數(shù)量不同。經(jīng)對(duì)比二者的有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種模

17、型的應(yīng)力特征基本一致(圖3、4)。模型五在有限元的分析過(guò)程中，采用鈦合金的參數(shù)給球頭及中心釘?shù)牟糠仲x值，而其他假體采用鈷鉻鉬合金參數(shù)賦值。結(jié)果示模型5其股骨頸及股骨近端相應(yīng)部位節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值略大于模型三的應(yīng)力值。    3  討  論    3.1  記憶合金無(wú)柄股骨假體其股骨上應(yīng)力分布與正常股骨相近，而與傳統(tǒng)有柄假體股骨上的應(yīng)力分布有明顯的差別。不論是在靜態(tài)載荷下還是在步態(tài)載荷下記憶合金無(wú)柄假體股骨近端的應(yīng)力值均明顯的高于有柄假體近端的應(yīng)力值。說(shuō)明記憶合金無(wú)柄假體較有柄假體能更好的將應(yīng)力傳導(dǎo)至股骨，從而可

18、以有效減少應(yīng)力遮擋的發(fā)生，減少假體松動(dòng)、下沉等并發(fā)癥的發(fā)生。表2  5種模型最大應(yīng)力及股骨近端應(yīng)力水平最大應(yīng)力（MPa)靜態(tài)步態(tài)股骨內(nèi)側(cè)近端應(yīng)力    3.2  單純依靠螺釘固定的無(wú)柄股骨假體容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，且應(yīng)力集中現(xiàn)象隨螺釘及螺孔的數(shù)量增加而更加8。記憶合金無(wú)柄假體其固定方式為中心釘固定加記憶合金爪將罩體固定于股骨上。結(jié)果示，記憶合金爪子及其與股骨接觸的部位應(yīng)力值較小，沒(méi)有產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。記憶合金爪子在體溫環(huán)境下所產(chǎn)生的高達(dá)約200 N的回復(fù)力可以將罩體牢固的與股骨皮質(zhì)固定。相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)柄假體采用松質(zhì)骨螺釘固定于大、小轉(zhuǎn)子上的固

19、定方式，記憶合金爪子的固定方式更牢固、可靠。因此中心釘結(jié)合記憶合金爪子的固定方式即可以達(dá)到可靠、牢固的目的，又可以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。    3.3  模型三與模型四的區(qū)別在于前者罩體上設(shè)計(jì)4個(gè)記憶合金爪子，后者則設(shè)計(jì)為有6個(gè)記憶合金爪子。模型三與模型四在兩種載荷下股骨上的應(yīng)力分布基本一致。兩種模型股骨近端的應(yīng)力值水平相差較小。罩體上采用4個(gè)記憶合金爪子或6個(gè)記憶合金爪子對(duì)股骨上應(yīng)力分布沒(méi)有明顯的影響，考慮到成本、加工及手術(shù)操作等因素，最后將罩體上有4個(gè)記憶合金爪子的假體作為最后的設(shè)計(jì)方案。    3.4  大

20、量的研究證實(shí)，低彈性模量的金屬材料與人骨接近，其引起應(yīng)力遮擋的趨勢(shì)就小5。對(duì)模型五分析研究的目的在于從材料方面著手進(jìn)一步對(duì)記憶合金假體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)分析，模型五在兩種載荷下股骨近端的應(yīng)力值較模型三略高近10。說(shuō)明應(yīng)用鈦合金代替鉆鉻鉬材料制造無(wú)柄假體中心釘及球頭等假體部件具有更佳生物力學(xué)傳導(dǎo)特性。       3.5  無(wú)柄假體罩體的形狀是在計(jì)算機(jī)環(huán)境下根據(jù)股骨解剖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。在靜態(tài)載荷下無(wú)柄假體罩體上的應(yīng)力值水平在14 MPa左右且應(yīng)力分布均勻。其與股骨骨皮質(zhì)界面節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力最大值僅為16.73 MPa，這說(shuō)明假體與股骨解剖形狀匹配良好，達(dá)到設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能罩體底邊與股骨多點(diǎn)支撐的目的。無(wú)柄假體罩體的底部覆蓋了全部股骨頸和大轉(zhuǎn)子的區(qū)域，使得由磨損而產(chǎn)生的微粒不能達(dá)到股骨的內(nèi)部，從而防止骨溶解現(xiàn)象的發(fā)生。    【參考文獻(xiàn)】  1 羅志平，戴 閩人工全髖關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)與安裝對(duì)活動(dòng)影響的研究進(jìn)展J中國(guó)矯形外科雜志,2005,10：778-780    2 Tai CL,Shih CH,Chen WP，et alFinite el