全髋置换前后股骨应力分布变化理论研究及临床相关因素分析

论文摘要

研究背景:全髋关节术后股骨侧假体周围存在着骨重建早在1973年Charnley的研究中就有发现,临床上通过基于X线平片的测量,基于双能X线骨密度测定(DEXA)以及定量CT均发现骨重建的结果在稳定的髋关节股骨侧假体均表现为骨密度的下降和骨量的损失。这种现象在尸体样本的研究中得到了详细的测量,表现为皮质骨厚度的下降,皮质骨区域的减少以及骨矿密度的减少,造成这种情况的原因被认为主要的假体周围的骨骼反应,特别是在早期聚乙烯磨屑不严重的情况,骨骼反应的原因主要是应力的变化。临床和实验的研究认为假体周围骨量的丧失主要来自假体置换后的应力遮挡,骨根据Wolff定律为了适应新的力学环境造成的改建。其中在髋关节的研究上,第三代的髋关节假体更多的关心设计对假体的影响,此外临床研究和体外研究均提示许多髋关节手术和假体设计相关参数都对假体的生存率存在显著的影响,这些因素就包括了假体的固定方式,是否采用了骨水泥固定;假体的设计如偏心距的大小和前倾角的大小,以及骨水泥层的厚度,假体的材质和弹性模量。因此,我们希望通过一条研究途径能对假体术前术后的力学环境做一个全面的测定,并且能单因素和多因素对临床上述的相关参数进行定量研究。 研究目标:根据股骨侧假体的形态特征和结构特点构建起基于复合梁结构的数学解析模型,然后将所需要研究的临床影响因素作为数学解析模型的相关参数进行定量和批量的单因素和多因素的分析,以全面获得髋关节力学上的分布规律,为全髋基本理论的力学部分做一下详细的分析。 研究方法:股骨在荷载作用下会产生压缩、扭转、弯曲及剪切变形,由于其浙江大学硕士学位论文2005全骸置换前后股骨应力分布变化理论研究及临床相关因素分析变形较小,材料屈服强度较高,因此可以采用应力叠加原理计算截面上的等效应力,即将荷载简化为符合基本变形外力作用条件的外力系,分别计算股骨在每一种基本变形形式下的应力,根据等效应力公式进行叠加。在复合梁理论的基础上提出等效截面参数对置换后股骨、骨水泥及假体的应力进行分析。在上述分析的基础上构建起解析的数学推导方程,并进行量化的计算,将股骨假体周围骨分成等距的n个层面,每层面相距ICm,然后将每个层面均分成前、后、内、外四个象限,通过计算每个象限内的等效应力的均值来量化反应股骨假体周围骨的应力水平。并通过有限元分析获得同个层面同个象限的应力值,和解析解进行比较,通过直线回归分析看两者的相符性,以此来验证解析理论的正确性。 然后再通过上述得到验证后的解析理论构构建的数学模型和方程,来量化分析临床上相关因素对假体置换后股骨周围骨质的受力情况,这些相关因素包括了假体固定方式即骨水泥和非骨水泥型固定带来的应力差别,假体的前倾角、偏心距以及骨水泥型假体骨水泥层的厚度不同对假体周围骨以及骨水泥带来的应力差别。研究结果:通过构建解析数学模型并结合有限元分析的验证,证明本研究所推导的解析理论是有效的,其不仅能有效的获得应力分布的结果,而且更加注重对应力机制的具体剖析,对了解问题的机理有重要的意义。 在骨水泥和非骨水泥型置换的力学差别研究中,本研究再次阐述了应力遮挡现象的存在,两种置换应力遮挡最严重的区域均是近端的内侧象限,越向远端,应力值逐渐升高而遮挡率逐渐下降。临床结果和骨质应力研究的结果有一致性,在应力模式上骨水泥型和非骨水泥型假体具有相类似的模式,应力遮挡从近端向远端不断减少,应力遮挡率在非骨水泥型假体表现的更高,即骨水泥型假体有着更好的力学表现,这可能用于解释部分的骨重建的力学基础。非骨水泥型假体更高的整体刚度可能与术后大腿痛有直接的联系。 在假体前倾角对股骨近段应力分布的影响研究中,本研究显示中立位时,内外侧象限的应力值要高于前后侧象限,随着前倾角的增加,前后象限应力值的变化幅度要显著高于内外象限。近半段椭形截面,内外侧区的应力值分别出现小幅度的下降和__上升一,而前后区域出现了显著的上升;在远半段圆形截面,四个象限J诬力值均随着前倾的增加而卜升,前后象限的增幅要高于内外象限。随着前倾增

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 全髋置换前后股骨侧应力分析的研究背景
• 1.1 全髋术后股骨侧存在着骨重建
• 1.2 全髋术后骨重建和应力环境改变
• 1.2.1 全髋术后应力环境改变的实验研究
• 1.2.2 全髋术后应力环境改变的有限元分析研究
• 1.3 本章小结以及对本研究的提示
• 第二章 全髋置换前后股骨侧应力分析的理论研究
• 2.1 股骨侧应力数学解析研究的基本原理
• 2.2 股骨近端载荷的解析
• 2.2.1 股骨近端受力的力学模型
• 2.3 圆形内径截面应力的数学解析
• 2.3.1 术前股骨圆形内径截面应力的数学解析
• 2.3.2 术后股骨非骨水泥圆形内径截面应力的数学解析
• 2.3.3 术后股骨骨水泥型假体的应力分析
• 2.3.4 等效应力遮挡率
• 2.4 椭形内径截面应力的数学解析
• 2.4.1 术前股骨椭形内径截面应力的数学解析
• 2.4.2 术后非骨水泥型椭形内径截面应力的数学解析
• 2.4.3 术后骨水泥型椭形内径截面应力的数学解析
• 2.4.4 等效应力遮挡率
• 2.5 层面设计、负荷状态及有限元计算模型
• 2.6 结果
• 2.7 相关分析和讨论
• 2.8 本章小结
• 第三章 临床相关因素分析一：骨水泥和非骨水泥型固定对股骨近端应力分布的影响
• 3.1 骨水泥型假体临床应用现状
• 3.2 非骨水泥假体临床应用现状
• 3.3 骨水泥型和非骨水泥型假体的应力分布
• 3.4 相关分析和讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 临床相关因素分析二：股骨假体前倾角对股骨近端应力分布的影响
• 4.1 股骨前倾角对股骨近端的应力影响
• 4.2 相关分析和讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 临床相关因素分析三：假体偏心距对股骨近端应力分布的影响
• 5.1 股骨偏心距对股骨近端的应力影响
• 5.2 相关分析和讨论
• 5.3 本章小结
• 第六章 临床相关因素分析四：骨水泥厚度对股骨近端应力分布的影响
• 6.1 骨水泥厚度对股骨近端的应力影响
• 6.2 相关分析和讨论
• 6.3 本章小结
• 致谢