新型限制型小关节假体应用于关节置换可行性的三维有限元分析

摘要

目的：通过使用三维有限元分析法，建立第3掌骨及近节指骨三维有限元模型，分别模拟并分析Swanson假体和新型限制型小关节假体在第3掌指关节置换术后不同屈伸角度的生物力学情况，探究新型限制型小关节假体在关节置换术中的可行性。 方法：1、第3掌骨及近节指骨三维有限元模型的建立：选取一名正常的处于功能位的成年男性手部CT，将其导入Mimics10.0软件中，选取第3掌骨及近节指骨并建立三维模型，在Geomogic Studio10.0软件中进行精细化处理后导入Ansys12.0软件中，经网格划分后完成第3掌指关节三维有限元模型。 2、假体模型的建立：使用游标卡尺准确测量Swanson假体及新型限制型小关节假体的各结构大小数值。在Ansys12.0软件中使用Workbench功能，根据测量数据精确建立Swanson假体及新型限制型小关节假体。同样经过材料赋值、网格划分后完成假体的三维有限元模型的建立。 3、假体模型的三维有限元分析：按照第3掌指关节置换术的临床手术方法，分别将Swanson假体及新型限制型小关节假体与第3掌指关节完成配对工作，以第3掌骨基底为不动点，在近节指骨头背侧处施加一垂直于近节指骨的200N的负荷矢量，计算第3掌指关节不同角度下Swanson假体与新型限制型小关节假体整体应力分布及变化情况；计算不同角度下Swanson假体铰链区及新型限制型小关节假体转动轴部分的应力分布情况，分析两假体旋转轴区域应力分布及变化、最大应力发生时假体的弯曲角度；计算不同角度下Swanson假体和新型限制型小关节假体柄与骨髓腔剪切力及相对位移变化情况，分析两假体柄在骨髓腔内发生滑动时的剪切力变化及相应屈伸角度，探究新型限制型小关节假体在关节置换术中的可行性。 结果：（1）利用Mimics10.0软件、Geomogic studio10.0软件、Ansys12.0软件可以将CT数据扫描后的第3掌指关节的数据进行三维重建，精确建立起了第3掌指关节的三维有限元模型。在精确测量各部分组件数据的基础上通过Workbench软件进行三维有限元建模，精确建立了Swanson假体及新型限制型小关节假体的三维有限元模型。（2）在200N的垂直应力负荷作用下，在-50°~60°（即最大背伸50°到最大曲屈60°）期间，新型限制型假体转动轴处的载荷应力小于Swanson假体，且Swanson假体随着屈伸角度的增加应力向中间铰链部分转移，而新型假体有向两端柄处转移的趋势。Swanson假体在曲屈＜30°时，假体柄无明显滑脱。当屈曲至30°时，假体柄在骨髓腔内明显发生滑动，屈曲角度再次增加时，最大位移呈现线性增加；同样，在背伸30°以内时，Swanson假体柄在骨髓腔内未发生明显滑脱，直至背伸40°时明显发生腔内滑动现象。新型限制型小关节假体在各屈伸角度时的最大位移变化较小，均未发生假体明显滑脱现象。 结论：新型限制型小关节假体的生物力学优于Swanson假体，在限定的角度内可自由屈伸，具有较好的生物力学平衡性，不易产生关节松动及假体断裂，并保留了关节的活动功能，使关节在日常生活中发挥更大作用，为临床进行关节置换术提供了新的选择，具有广阔的市场及应用前景。

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