文章编号:100427220(2004)0320147205人工髋关节承载状况下股骨柄应力的计算与分析郑晓雯,孟惠荣(中国矿业大学(北京)机电系,北京100083)摘要:目的建立全髋关节置换术后的三维有限元模型,分析研究股骨柄的应力分布,为临床应用提供理论依据。方法应用目前先进的大型有限元分析软件ABAQUS,对人工髋关节在不同条件下股骨柄的主要力学性能,即应力分布状况进行了较为详细的计算与分析。结果①在不同的边界条件和不同的承载状态下,股骨柄的应力均是随着受力方向α的增大而不断增大。②不同的边界条件对股骨柄的应力值影响较大。③应力值均与承载大小成正比,但应力分布曲线有所不同。结论①接受人工髋关节置换术患者在日常生活中应避免髋关节的活动范围过大(α<30°);②当仅有下三分之一股骨柄结合良好的情况下,无论承载大小,应力均随受力方向α(α>25°)的加大而不断的急剧增加,说明在受到意外暴力时容易出现骨折或股骨柄断裂;③当股骨柄与人体股骨结合不良的情况下,即使患者髋关节的活动范围较小,股骨柄的应力值仍较大。关键词:人工髋关节,力学性能,应力分布,有限元法中国分类号:R318101文献标识码:AStressCalculationandAnalysisontheStemofArtificialHipJointunderLoadsZHENGXiao2wen,MENGHui2rong1(Dept1ofMechanical&ElectronicEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China)Abstract:ObjectiveAthreedimensionalfiniteelementmodeloftherevisedtotalhipisestablishedtostudythestemstressdistributionsandtoprovideatheoreticalfoundationfortheclinicalpractice.MethodsThemainmechanicelpropertiesofthestemunderdifferentconditionsofexternalloadingsiscalculatedandanalyzedindetailusingABAQUSfiniteelementsoftware.Results①Thestemstressincreasesastheloadangleαincreasesunderdifferentboundaryconditionsandloadconditions.②Thestemstressissignificantlyaffectedbyboundaryconditions.③Allthestressvaluesareindirectproportiontotheloadvalues,butthestressdistributioncurveschangeshapewithrespecttoloadvalue.Conclusion①Thepatientsaftertotalhipreplace2mentshouldavoidtheactivityoflargerangeofmotionofthehipjoint(α<30°)1②Thestressesinallloadconditionsincreaserapidlywithloadangleα(α>25°)increasingwhenonlythelowerthirdpartofthestemisincontactwiththebone,sothefemurfractureorthestemrupturecaneasilytakeplaceifthereisanaccidentalimpact1③Whenthestemisnotinperfectcontactwiththehumanfemur,thestemstressisstilllargeevenwhentherangeofmotionofthepatient’shipjointissmall1Keywords:Artificialhipjoint;Mechanicalproperties;Stressdistribution;Finiteelementmethod人工关节是一类重要的人体替换器官,已广泛应用于关节炎的晚期治疗、外伤致残和骨瘤切除手术中,并已成为一种常规的外科手术。随着人类进入高龄化步伐的加快,患有各种关节疾病的人数日益增多,对人工关节的需求也日趋增加。但是,人工关节的平均寿命只有10年左右,而许多国家人的平均寿命已达70岁收稿日期:2004201208;修回日期:2004203216基金项目:国家自然科学基金项目(59975084)作者简介:郑晓雯(1958-),女,副教授,硕士生导师,研究方向:CAD/CAM及智能机械工程、医学假体等通讯作者:郑晓雯,Tel:010-62331089,Email:zxw@cumtb1edu1cn741医用生物力学2004年9月第19卷第3期JournalofMedicalBiomechanics,Vol119No13,September2004以上,这对中青年患者往往需要进行二次或更多次手术治疗,给患者带来巨大的痛苦和经济损失。人工关节主要包括有髋、膝、肩、肘、腕、踝等,其中以髋关节置换为主。人工髋关节置换后假体松动造成股骨柄与人体股骨接触不良是临床病例中常出现的问题,在众多的相关因素中,力学因素是其主要因素之一。笔者采用有限元法对人工髋关节置换后在多种条件下股骨柄的主要力学性能,即应力分布状况进行了较为详细的计算与分析,目的在于从生物力学角度为人工髋关节的设计和临床应用提供有益的参考依据。1人工髋关节承载状况下...
