二代定制化双动半膝关节假体的设计及其韧带附丽相关的研究

摘要：针对一代双动半膝关节定制化程度不高,缺少有效的韧带附丽系统等问题,设计出具有有效韧带附丽的二代双动半膝关节假体,并提出半膝关节韧带附丽概念。通过计算机软件技术设计路线,在一代双动半膝关节假体的原理和基础上进行韧带附丽装置设计和高度个体化仿生设计。利用快速成型技术制造的树脂假体模型进行在此韧带附丽装置下韧带附丽点的选择、韧带的走行与规律、及假体初始安装角度等探索性实验。二代双动半膝关节假体能够有效进行关节韧带重建,并保持良好的稳定性和运动功能。实验表明,选取接近生理状态下的韧带附丽点,并使用LARS韧带进行韧带重建时,双动半膝关节假体的最佳初始固定角度是关节屈曲105°的状态,此时胫骨前向松弛度为5.96±0.05mm,后向松弛度5.00±0.03mm二代双动半膝关节假体设计较一代更为合理有效。韧带附丽装置和附丽概念为膝关节韧带重建提供新的思路和方法。     

一种新型膝关节假体设计及稳定性评估

根据人体生理学特点,整合通用人工膝关节置换假体设计的设计参数,首次使用扭转椭圆曲线拟合膝关节假体髁曲面,设计一种人工膝关节假体。根据外髁曲面向内侧扭转的角度分为0°,10°,20°,建立3种左侧膝关节假体模型(分别命名为1、2、3号模型)。将假体模型置于步态环境中,并将股骨组件绕胫骨旋转轴旋转±3°,在计算机软件中提取股骨置换假体与胫骨衬垫组件模型之间的相交体积,作为评估人工膝关节置换假体运动稳定性的依据。步态过程中,随着膝关节弯曲角度由0°到58°,1号模型相交体积由122 mm3降低到54.9 mm3,2号由131.9 mm3降到34.5mm3,3号由216.5mm3降到58.8mm3.这种设计可以使膝关节在低弯曲角度时具有很好的稳定性,同时在高弯曲角度时具有一定的灵活性,满足人体膝关节运动的特点。     

膝关节三维有限元模型的建立及分析

通过CT扫描数据和三维重建软件,建立考虑半月板,软骨和韧带的包括完整股骨、胫骨、腓骨的全膝关节三维有限元模型,进行单双腿站立两种工况的数值模拟.计算结果表明:单腿支撑时膝关节的应力大于双足站立时的应力.软骨和半月板,均是内侧受力较大易磨损;半月板内缘所受接触应力相对较大,导致内缘容易磨损.半月板在传递载荷中起十分重要的作用,膝关节中半月板磨损或缺失会导致关节内部载荷传导发生变化,导致应力分布不均,造成关节疾病的进一步恶化.文中结果表明:考虑半月板,软骨和韧带的全膝关节模型能够正确反应膝关节在生理载荷作用下的力学行为,半月板在膝关节承载中起重要作用,保护半月板免受伤害,对于保护膝关节具有重要意义,文中工作对膝关节保护、康复以及假体设计和优化有指导意义.     

复合胫骨半关节结构优化设计与制造工艺

应用解剖学建模技术对钛合金／多孔生物陶瓷复合胫骨人工半关节假体进行了个体匹配性设计，通过有限元技术对所构建的复合型人工关节进行结构优化，然后利用快速成型技术制造最优模型的树脂模具，并分别通过离心铸造和粉末烧结技术来实现复合型胫骨人工半关节假体的定制化制造．研究结果显示，提出的结构优化设计方法在保证假体个体匹配性和机械强度的条件下，使钛合金型假体的体积减少了51．7％，使复合型假体能够保持最大的生物活性，而以快速成型技术为基础的定制化制造方法可实现假体的快速且精确制造．临床应用表明，通过该方法设计制造的复合型胫骨人工半关节假体可恢复受损关节的功能，因此具有广泛的医学应用前景．     

近端股骨的非均匀及各向异性有限元模拟

为解决植入假体存在的松动和下沉等并发症,适应个性化内置假体快速自动设计和制造的要求,提出一种在定制型人工髋关节股骨内置假体设计过程中, 基于医用CT和CAD技术,利用有限元力学分析建立近端股骨各向异性力学模型的新方法.该方法利用CT原始图像数据、结合自主开发软件,使股骨三维模型具有原股骨的各向异性与非均匀性, 建立近端股骨接近真实股骨力学性能的三维有限元模型,为真实地模拟和分析近端股骨的结构和材料力学性能,更精确地测定股骨在生理载荷下的应力应变与植入假体后的响应,为定制型人工股骨假体设计提供了生物力学基础,实现人工股骨假体的优化设计创造了很好的条件.     

活动型单髁衬垫脱位力学机制的实验研究

研究活动单间室膝关节假体(UKAP)衬垫在力学环境下的脱位机制.通过制作髁假体固定工装与固定平台旋转圆盘工装,建立活动衬垫脱位的体外模型.在外载荷作用下,通过压力测量片测量活动衬垫在不同撑开量、不同后倾角以及不同旋转角度下的脱位力大小.随着撑开量的增加,衬垫脱位力不断降低;随着胫骨后倾角增加,接触压由胫骨近端前侧向胫骨近端后侧转移,衬垫的脱位力不断增加。后倾角降低将减少髁假体对衬垫的接触压力、并相对增加衬垫的撑开量,这将大大削弱衬垫后方的脱位力.衬垫过旋将减小脱位力,从而增加旋转脱位的风险.衬垫撑开量与手术中假体安装后屈伸间隙不平衡、内侧副韧带延迟伸长或损伤有关,衬垫后倾角度及内外旋角度均与术中截骨位置有关,衬垫脱位力在不同安放位置存在变化.研究结果可为临床上活动衬垫脱位机制提供理论依据,对活动单间室膝关节置换手术技术及治疗具有指导意义.     

高屈曲对UKA衬垫磨损性能数值分析

为探讨单间室膝关节假体置换后高屈曲载荷对高交联超高相对分子质量聚乙烯衬垫(高交联UHMWPE)磨损的影响,建立了基于Archard磨损理论的有限元模型,然后加载一个周期的水平行走步态载荷(ISO 14243标准)和高屈曲载荷,对比分析两种载荷对衬垫假体磨损影响.结果显示高屈曲时的体积磨损率要高于正常行走时的磨损率,线性磨损也明显偏高,并且衬垫和胫骨平台之间存在微动磨损.高屈曲在单间室膝关节置换的相关研究中应当予以重视.     

不同屈曲状态下固定轴和移动轴膝关节胫-股关节的生物力学变化

全膝关节置换术是治疗膝关节疾病有效方法,但对于固定轴和移动轴膝关节假体的优劣还未有统一的观点。以往对两种假体也有对比验证,但绝大多数都是静态模拟。首先构建健康自然膝关节有限元模型,然后分别建立含有上述两种假体的膝关节,通过动态模拟膝关节屈膝运动,计算出胫-股关节的接触应力和接触面积变化。结果发现:固定轴和移动轴人工膝关节在0°～90°屈膝角度下随着角度增大,接触区域由胫骨衬垫的前方转移到其的后方,胫-股关节接触应力不断变大,在90°时达到最大。移动轴间的胫-股关节接触压力始终小于固定轴,接触面积始终大于固定轴。随着屈膝角度加深,两种假体聚乙烯垫上的接触应力逐渐变大,接触面积随着逐渐变小。且两种假体接触应力无显著性差异,而假体接触面积有显著性差异。结果显示:在接触应力相同的情况下,接触面积越大,越不容易产生应力集中,越不易发生磨损,有助于延长膝关节使用寿命,因此移动轴膝关节假体优于固定轴膝关节假体。此研究可为临床假体移植类型的选择提供一定参考。     

半骨盆截肢后自体下肢长骨重建坐姿的生物力学研究

利用截肢后废弃的自体长骨重建半骨盆环是一种有效的生物学重建方法,其生物力学性质从未被研究过。本文旨在应用有限元分析方法研究半骨盆截肢后自体骨重建坐骨结节和骨盆环的可行性,对重建骨盆应力分布进行研究。评价了分别使用股骨髁和胫骨平台替代坐骨结节的重建方案,连同完整模型共建立3个有限元模型。对3个模型模拟坐姿进行计算,对vonMises应力比较分析。模型可靠性经过尸体标本应变与位移测试验证。重建骨盆的应力分布与完整骨盆明显不同,股骨髁重建模型应力主要集中在股骨与骶骨左侧耳状面接触处、右骶髂关节和接骨长钉左侧。与重建股骨不同,重建用胫骨最大应力位于胫骨干部,分布面积较大。从生物力学角度看,使用自体下肢骨重建半骨盆环应该优先考虑股骨重建方案。在实际手术设计中也要注意适当增加长钉的直径,并在保证强度的条件下适当降低其刚度。     

单髁置换术后胫骨平台近端愈合前后的生物力学研究

研究单间室膝关节置换术后胫骨平台近端愈合前后的生物力学规律,探讨临床上胫骨平台近端术后骨折及疼痛机理等并发症的力学机制。根据单髁手术技术,规划3种不同胫骨切割面模型:锐角切割模型,过切割模型,圆角优化的切割模型,分别研究单髁置换术后,在即刻稳定期(愈合前)与长期稳定期(愈合后),胫骨近端在轴向加载条件下的应力-应变分布。相对于手术正常切割的锐角模型,胫骨切割面过切时,最大主应力增加了2.5倍。切割面拐角处倒圆后,相对于过切模型,最大主应力降低了73.8%,相对于锐角模型,最大主应力降低了35%.在即刻稳定期,过切模型的切割面拐角处最小主微应变较锐角模型增加了65%,圆角模型的最小主微应变较锐角模型降低了23.6%.长期稳定后,圆角模型的微应变值均低于其余两个模型的微应变值。术中过切失误会大大增加胫骨近端的应力与微应变,削弱胫骨平台的支撑能力,将增加骨折的风险。术中圆角切割模型可明显降低胫骨平台近端的应力-应变分布,且能避免术中过切。同时,也为临床中单髁术后胫骨平台近端骨折及术后疼痛并发症的机理探讨提供一定的理论依据。研究结果对单髁置换术及临床应用具有实际意义。     

浅谈如何利用计算机信息处理技术提高人工假体的吻合度

随着计算机信息处理技术在现代医学中的不断应用,可将该技术与影像设备相结合,设计制造出吻合度较高的人工假体。介绍了人工假体置换领域的现状和问题,阐述了可以提高人工假体的吻合度的基于三维实体重建及快速成型技术。     

基于多点成形的颅骨钛板假体数字化制造技术

基于多点成形技术,提出了一种全新的用于颅骨缺损修补的钛板假体数字化制造技术.首先,从病人患处的CT数据集中重构颅骨三角网格模型.然后,采样该三角网格模型获得代表性散乱点集,使用薄板样条插值技术重建得到钛板假体表面形状模型.最后,将该表面模型传递给多点成形CAD/CAM系统控制多点压力机最终成形出所需的钛板假体.得益于多点成形和计算机辅助设计技术的紧密融和,该技术能够显著缩短钛板假体的制造周期,同时大大提高假体与患处的贴合精度.目前,应用该技术已完成近10例,可以初步证实其可行性及效率.     

MBCADAM软件包开发研究

在将液压技术同计算机辅助技术、三维图形技术、动画技术、数控加工技术、工艺设计技术同人工智能理论和专家系统技术相结合的基础上，对集成式液压系统中的关键零件－液压集成块从设计到加工制造全过程的集成化软件包－ＭＢＣＡＤＡＭ。     

生物瓣膜的计算机参数化造型研究

提出了人工生物瓣膜造型设计的结构参数及各参数值的计算方程式，将人工生物瓣膜从仿形近似设计推进到有可靠理论依据的参数化造型设计，该设计计算方法将有助于人工生物瓣膜的计算机参数化设计、瓣叶有限元分析，瓣膜功能三维动画模拟等研究工作的开展。     

并联机构在义耳成型中的应用

在分析义耳形态特征的基础上,研究了义耳成型中成型曲线规划和成型方法,提出了将Stewart并联机构与三轴数控机床相结合的义耳快速成型方案,并建立了义耳的成型曲线数学模型.对成型方案中并联机构进行结构化参数设计和位置反解分析,得到了义耳成型过程中并联机构的姿态变换规律.最后,利用虚拟样机技术对并联机构进行运动学仿真,验证了成型方案的可行性与正确性.     

向家坝水电站人工砂石系统生产工艺选择及后期调整

介绍了向家坝水电站马延坡砂石加工系统的工艺流程情况及后期工艺调整的原因、调整所采取的措施及其效果,为今后人砂系统的工艺设计及工艺转化提供了一些可借鉴的经验和思路.     

一种优化排料方法及其数学描述

采用人工智能技术与已有的计算机辅助排料技术相结合的方法,设计和实现了计算机辅助优化排料系统,并对该优化排料算法做了数学描述。     

人工浮岛在水体原位修复中的应用

人工浮岛技术是水上湿地,是治理水体富营养化的有效途径。对人工浮岛的现状、原理及浮岛设计进行了概述;指出人工浮岛存在的主要问题是净化效率低,浮岛技术没有形成规范,浮岛植物及载体选择无相关标准,抗风浪能力差,这些阻碍了人工浮岛技术的推广,这也是今后研究中需要重视和解决的关键问题。