以骨长期适应性为目标的股骨柄内部结构设计

【摘要】 目的 股骨柄是用于全髋关节置换术的关键医疗器械,它代替部分股骨起到支撑人体重量的重要作用,当前的设计仍以其疲劳强度为主要目标,但过高的刚度引起了骨的应力屏蔽而导致股骨近端骨量丢失,不利于患者的术后恢复和长期稳定。本文研究发展一种数字化仿真和结构求解方法,并依此设计兼顾金属疲劳寿命和骨适应性的股骨柄结构。方法 首先以周围骨适应性最佳为目标函数,以股骨柄疲劳应力为约束,建立结构优化求解方法,分别推导目标函数和约束灵敏度的数学表达式。建立行走等多种工况载荷下股骨柄-股骨三维有限元模型,以股骨柄周围骨量增加为目标,兼顾疲劳应力约束,采用移动渐进性算法求解股骨柄内部结构。结果 数值计算结果表明,与实心股骨柄对比,优化求解得到的股骨柄能有效减少器械植入带来的应力屏蔽,有助于保留股骨近端的松质骨,促进全髋关节置换手术后的康复效果。股骨柄上的应力水平远低于ISO标准规定的疲劳强度,ISO7206-4和ISO7206-6的标准疲劳实验也显示,优化得到的股骨柄能够满足疲劳寿命要求。结论 本文发展的以骨适应性最佳并兼顾材料疲劳强度的结构优化方法,可获得兼顾金属疲劳寿命并提高骨适应性的股骨柄结构。更多还原