定制型膝关节假体修复股骨远端骨缺损的三维有限元分析

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目的:通过对定制型膝关节假体修复股骨远端骨缺损的三维有限元分析,探讨假体柄长与截骨平面的关系,以期为临床合理选择假体柄长度提供理论依据。方法:采用CT薄层扫描数据建立定制型膝关节假体修复重建股骨远段大段骨缺损的三维有限元模型,比较远端40%股骨骨缺损时150mm、160mm、170mm、180mm、190mm股骨假体柄长(模型A、B、C、D、E)和170mm股骨假体柄长时远端30%、40%、50%股骨骨缺损(模型F、G、H)在平地慢速(3km/h)行走步态周期20%时点即约为4倍体重负载下下肢人工关节假体系统受力情况。结果:模型A~E随股骨假体柄长度由150mm增加至190mm,整体模型表面内外侧应力大小变化较前后侧明显;股骨皮质应力最大值出现在股骨距区域,由106.8Mpa减少至91.78Mpa,均未超过股骨轴向抗压强度194Mpa;骨水泥承受应力较低,应力最大值出现在骨水泥上1/4段内侧(压力侧),由27.2Mpa减少至19.06Mpa,均未超过骨水泥抗压强度55Mpa;假体柄承载最大负荷,应力最大值出现在假体柄中段内侧,应力最大值变化不明显,均未超过钴铬钼合金抗拉强度665Mpa。模型F、G、H随远端股骨骨缺损由30%增加至50%,股骨皮质应力最大值由116.6Mpa减少至68.38Mpa;骨水泥应力最大值由28.29Mpa增大至42.85Mpa,模型F、G骨水泥表面最大应力位于上1/4段内侧(压力侧),未超过骨水泥抗压强度55Mpa,模型H骨水泥表面最大应力位于上1/4段外侧(张力侧),已超过骨水泥抗拉强度20Mpa;假体应力最大值由336.5Mpa增加至341.5Mpa,模型F、G假体柄末端及假体干为低应力分布区,但模型H假体柄末端为高应力分布。结论:采用定制型膝关节假体修复股骨远端大段骨缺损术后股骨应力分布规律未发生根本性改变,说明使用肿瘤膝关节人工假体重建保肢符合人体生物力学规律,关节假体具有生物力学稳定性;在远端40%股骨骨缺损4倍体重静力负载下,模型A~E(假体柄长度150mm~190mm)都符合假体固定的稳定需要,出现骨折、骨水泥碎裂、假体柄断裂几率较小;但短柄假体(模型A、B)可引起骨、骨水泥应力集中,术后发生骨折、骨水泥碎裂风险较高,长柄假体(模型D、E)对骨的应力遮挡范围和程度大,术后易发生骨质溶解产生界面松动,因此在本研究条件下模型C(假体柄长170mm)即股骨干截骨长度与假体柄长度之比接近1时较为适宜。在170mm假体柄长4倍体重静力负载下,模型F、G(远端股骨骨缺损30%、40%)都符合假体固定稳定需要,出现骨折、骨水泥碎裂、假体柄断裂几率较小;模型H(远端股骨骨缺损50%)骨水泥末端张力侧应力超过其抗拉强度20Mpa,可能引起假体固定失败,因此在本研究条件下模型H(远端股骨骨缺损50%)为假体使用的极限截骨平面。
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