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膝下残肢界面应力准动态有限元模型研究
目的:为计算小腿截肢患者行走过程中残肢和接受腔之间的界面压力.方法:根据残肢、骨骼和假肢接受腔的真实几何形状建立了准动态有限元模型,采用了自动面面接触模型模拟皮肤和接受腔衬套之间的边界摩擦和滑动,并在考虑行走过程中外力和惯性载荷的同时,考虑了膝关节刚体位移和残肢弹性变形之间的耦合.结果:对一个步态周期内的残肢界面压力进行了仿真计算,结果表明界面压力主要分布在髌韧带区、腘窝区、胫骨内外侧.在站立相,除髌韧带区外,其他区域的压力具有与地面反力相似的变化规律.结论:本文所建立的准动态模型考虑了患者行走过程中膝关节位移,更接近于人体真实运动,能够用于假肢接受腔界面特性的预测和现代假肢的数字化设计.
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惯性载荷对截肢患者残肢/接受腔界面应力的影响研究
接受腔/残肢界面压力分布特征是假肢优化设计的基础,传统的有限元模型只限于静态分析,不符合实际情况.本文以小腿截肢患者为研究对象,建立了三维非线性有限元模型,给出了一个步态周期内残肢界面压力的变化规律,并对惯性载荷的影响进行了定量比较.结果表明:界面压力主要分布在髌韧带、胫骨内外侧和腘窝区,一个平地正常速度行走的步态周期内,站立相压力变化呈双峰蝶形,惯性载荷引起的平均压力幅值变化为8.4%;而在摆动相压力幅值变化高达20.1%,并且变化规律相反.行走过程中惯性载荷的影响不能忽略.
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国产人工颈椎间盘界面压力对假体-骨界面骨整合的影响
目的 探讨国产人工颈椎间盘置换术后,界面压力对假体终板-骨界面骨整合的影响.方法 取国产人工颈椎间盘置换术后1周的山羊行颈椎CT扫描,建立C3、4椎体及假体三维有限元模型,分析静态模式下假体上、下终板压力分布情况,并根据压力分布范围分区.取人工颈椎间盘置换术后6、12个月山羊,行MirCoCT扫描及三维重建,测量各个压力区骨体积分数(bone volume fraction,BVF)、骨小梁数目(trabecular number,Tb.N)、骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)、骨小梁间隙(trabecular separation,Tb.Sp)、骨密度(bone mineral density,BMD)、骨表面积体积比(bone surface/bone volume,BS/BV)、骨小梁模型因子(trabecular pattern factor,Tb.Pf),并进行比较.另取4只正常山羊,切取C3椎体下终板和C4椎体上终板标本,制备直径2 mm圆柱形骨块,于取材后即刻以及培养24、48 h行实时荧光定量PCR检测NF-κB受体活化因子配体(nuclear factor κB ligand,RANKL)、骨保护素(osteoprotegerin,OPG)、巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)、TGF-β基因表达.根据结果选择合适培养时间的样本进行力学加载后,同上法检测RANKL、OPG、M-CSF、TGF-β基因相对表达量;以同时间点未行力学加载标本作为正常对照.结果 C3、4节段三维有限元模型建立并给予25N载荷后,在静止状态时人工颈椎间盘上终板压力较大区域在终板中央偏后,下终板压力较大区域在终板中部的前方及两条固定轨道上.按照压力值大小,将终板分为5个区域.Micro-CT扫描观察,假体植入后12个月,上、下终板各区域BMD、Tb.Th、BVF、Tb.N均较6个月时增加(P＜o.05),而BS/BV、Tb.Sp、Tb.Pf均降低(P＜0.05).培养24、48 h RANKL、OPG及TGF-β基因相对表达量与取材后即刻比较,差异均有统计学意义(P＜0.05);培养24、48 h之间以上基因相对表达量比较差异均无统计学意义(P＞0.05).选择培养24 h样本进行力学加载测试.与对应正常对照组相比,C3下终板及C4上终板压力组RANKL、OPG基因相对表达量以及OPG/RANKL明显上调(P＜0.05);TGF-β、M-CSF基因相对表达量比较,差异无统计学意义(P＞0.05).结论 国产人工颈椎间盘终板压力分布特点不同,其中下终板受到压力稍大.压力不同区域对局部骨整合有重要影响,压力大的区域骨整合情况更佳.在假体终板-骨界面大压力作用下成骨细胞增殖分子含量增加,有利于局部骨整合.
