吉林大学学士学位毕业论文
工假体和髋臼形态的匹配状况、假体结构形态、安装方式方法及假体材料是影
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响假体使用寿命的重要因素。其中，关节匹配不合理和假体结构设计不当所造成的置换关节假体松动，下沉等术后症状尤为突出和严重。一旦出现这些不良后果，就要进行人工髋关节假体翻修手术治疗。但翻修手术又相当困难，且远期疗效又不如初次全髋关节置换术的疗效好。因此，如何有效提高髋关节假体服役寿命便成为相关研究的重点。 1.1.2课题的提出和意义
在人类站立、跳跃、跑步以及整个步态周期的过程中，髋关节是人体最重要的承重和减震结构。充分的了解关节处的结构和应力应变分布，对于髋关节置换手术前的规划和手术后的康复是非常有用的。短期和长期的髋关节置换效果主要取决于人工关节骨内植入后最佳应力状态的构建。其中结构、形状和材料是假肢设计中的三个主要因素【4-5】。
经过多年的研究和临床实践后，现在的人工髋关节基本上可以分为两种。【6】
一种是人工半髋置换系统，另一种是人工全髋置换系统，半髋置换系统是指人工股骨头，全髋置换系统由人工髋臼和人工股骨头组成。由于人工股骨头与人工髋臼形态结构的匹配状况对于整个关节假体的稳定性、摩擦磨损性能等都有着直接的影响，因此从假体结构设计上寻找提高人工髋关节寿命的措施越来越受到人们的重视。
为了保证人体正常的生理功能，对于植入的假体必须满足下列要求。首先是生物相容性，即假体材料本身对人体的正常生理功能无不良影响；其次是生物力学相容性，即植入的假体要与周围的组织在力学上反应匹配；再次是生物结合性，即植入的假体与周围的组织彼此依附结合，植入的假体尽量少用附加材料固定。人工髋关节假体的设计主要从股骨头和髋臼两方面来进行。对于人工髋关节股骨头的设计，必须要保证股骨头假体植入后，健康的关节中心位置要与关节的旋转中心位置保持一致【7-8】。为了满足这一要求，除了可以利用球头颈长的不同在一定范围内调节外，主要是把设计重点放在人工股骨头上。 为了使假体与假体植入床的骨皮质部分贴合的紧密，提高关节的稳定性，就要对股骨头假体的材料、结构、安装方式等进行优化设计和分析对比，从中找出最接近自然人类的设计，这具有重要的现实意义、科学意义和临床应用价值。
1.2人工髋关节的研究进展
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第一章 绪论
人工髋关节用于临床已有百年历史，在科研工作者们的不断努力下，人工髋关节从材料的选择到结构的设计再到研究方法，都取得了很大的进步。 1.2.1人工髋关节材料 1.2.1.1金属材料
19世纪50年代以前，人工关节的材料采用的是白金和银等贵金属，因
其价格昂贵后来采用高速钢、含铬钢等金属，但是最终都因为受到体液的腐蚀严重而宣告失败。到了20世纪20年代，不锈钢广泛作为人体的植入材料。经过多年的临床验证：316L不锈钢生物相容性尚可，其具有优良的加工性能及适当的抗压强度，其表面形成的钝态氧化铬氧化膜，降低了均匀腐蚀的速度，但是处理不良的316L不锈钢植入物，无法避免局部腐蚀、孔蚀、间隙腐蚀等腐蚀现象，关节头亦可能因为摩擦腐蚀而造成假体松动和下沉。钴铬合金的生物相容性，抗蚀能力，耐磨性能等都较好，但其不适合机械加工。钛的生物相容性更好，它最显著的优点是耐蚀性好，比重轻，但是纯金属钛的强度低，耐磨性差，不适合用作摩擦频率大的髋臼杯材料。 1.2.1.2陶瓷材料
陶瓷的人工髋关节是指整体或重要部分使用了生物陶瓷材料的人工髋关节。高纯度的氧化铝主要用于关节头和关节臼，它的化学性能稳定，生物相容性好；硬度高，耐磨性能好。但是其抗折强度和抗冲击韧性较低，属脆性材料；弹性模量远高于人体骨，与人体骨匹配性差；在使用过程中，常出现脆性破坏和骨损伤。
1.2.1.3高分子材料
高分子材料中的硅橡胶虽然早已用于临床，但是疗效并不理想。其原因主要是它的工艺流程与纯度没有得到严格的控制，它做成的植入体的表面光洁度和硬度等指标也达不到医用要求。聚乙烯是最早被用于人工髋关节的高分子材料，后来又采用了性能更好的超高分子聚乙烯。它已经成功用于临床，主要用于关节凹等摩擦面（如人工髋臼等），并较好的解决了人工关节的摩擦磨损问题。但是在晚期磨损严重，产生磨损碎屑迁移，由于反应引起骨吸收，从而导致支撑关节的固定消失，无菌松动产生并最终导致置换失败。其中，人工髋关节的主要材料参数见表1-1。
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表1-1 主要材料参数
材料 UHMWPE 316L不锈钢 钴铬钼合金 Ti6A14V合金
弹性模量（GPa)
1.4 196 230 110
泊松比 0.3 0.3 0.3 0.3
综合比较，本研究直接选用Ti6A14V合金材料作为假体的材料进行优化分析。
1.2.2 人工髋关节的结构力学研究 1.2.2.1 人工髋关节的柄部研究进展
目前人工髋关节主要采用直柄和弯柄两大类，弯柄因解剖吻合性好而广泛使用，直柄则较多的用于股骨解剖机构有变异的患者。人工髋关节按其固定方法，其柄部设计有相应的几种形式：
（1）压贴法：形状设计为与植入处有解剖类似性，从而使植入后的人工关节与骨紧贴固定，并使负重后力的传递类似人体正常的关系。 （2）骨水泥固定法：在柄与骨的间隙填充骨水泥，使人工关节与骨紧密结合。骨水泥的化学名称为聚乙烯吡咯烷酮，是性能优异、用途广泛的水溶性高分子化合物，属高科技含量、高附加值精细化工产品，是国际倡导的重要化工中间体和医药中间体。在人工关节柄与骨之间填充骨水泥后，因其具有粘滞性，所以有很优良吸收震波的作用。
（3）骨组织长入的机械式固定法：柄部设计成珊瑚面或者珍珠面，植入人体后骨组织沿多孔表面长入，从而达到机械咬合。
（4）生物锁定固定法：柄部涂上具有生物活性的材料，引导骨组织长入表面微孔中，从而形成牢固的化学键结合，这就是生物自锁固定。 1.2.2.2 人工髋关节股骨头研究进展
髋关节是典型的球窝结构关节，球形曾经被认为是股骨头的形状，并且，在人工髋关节置换术中，人工髋关节股骨头假体也都被设计成为球状结构。但【9】是，Menschik曾经指出，人类的天然股骨头的形状并不是标准的球体结构，【10】
Afoke等研究者，通过实验仿真研究也得出了人类天然股骨头与标准球体
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是有偏差的结论，这就对原有的人工髋关节股骨头的形状提出了质疑。丁秀
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第一章 绪论
敏对不同形状的人工髋关节进行了力学行为研究，她选择了半球和椭球两种形状的髋臼假体，通过仿真分析比较，得出了在椭球形的髋臼杯的状态下，髋臼
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的应力分布更接近于自然人类的髋臼。韩树洋和葛世荣通过建立人工髋关节三维有限元模型，针对不同形状的股骨头，如球形和椭球形进行了人体步态模拟，分析计算了髋臼以及股骨头的变形和应力分布情况。最终通过分析比较发现，椭球形的股骨头与球形的股骨头相比，前者对聚乙烯髋臼产生的变形影响更小，其表面应力更低。因此，在静力学分析方面，椭球股骨头比球形股骨头有着更明显的优势。
【2】
针对于人工股骨头结构的设计，王野平和沈继飞提出了一种带滚动体的新型人工髋关节结构，它的结构特点是在人工股骨头上有两条封闭的滚道，滚道内置有微小的滚动体。这种设计的好处是，使髋关节由原来的全滑动摩擦运动变为滚动摩擦与滑动摩擦相结合的运动，即当髋关节作伸展、屈曲等运动时，滚动体能相对于人工髋臼和人工股骨头作滚动摩擦运动，从而大大减少关节表面间的摩擦、磨损，提高了人工髋关节的使用寿命【23】。
1.2.2.3 人工髋关节的研究方法
根据每位患者的骨骼解剖特点，为患者量身定制，单独设计人工关节，是最为理想的治疗方案，其效果最佳。根据这一设想，就形成了计算机辅助人工关节置换术的新方法。其中，计算机技术包括:计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)和计算机辅助加工(CAM)。有了计算机技术的辅助后，可以利用激光扫描的方法对自然人类的关节进行测量，得到关节表面完整的点云数据，然后采用反求工程的技术和方法，对点云数据进行分析，利用计算机技术完成
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人工关节的三维重建。Roberston 是第一位应用CT技术后经过计算机辅助设计、加工，从而使生产出的人工髋关节假体不仅达到了手术植入的要求而且使假体和骨的接触面积最大化。此后，基于计算机辅助设计和计算接辅助加工技术，开始有研究者研制适用于畸形和肿瘤病人的假体。计算机技术的成熟应用，大大降低了人工关节置换术中人为因素的影响，提高了设计过程的准确性。
目前，针对人工关节力学分布的研究，最为有效的方法之一就是有限元的方法。它是一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续体力学问题的数值方法，此方法在国内外医学工程领域已得到广泛应用。例【12】如，郭欣利用有限元的方法研究了腕部载荷的传递情况及关节接触应力的分
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布情况；姜海波通过有限元方法对人工髋关节的应变特性和应力特性进行了分析研究。
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综上所述，针对人工关节材料的研究已经相对成熟，人工髋关节的材料都具有如下优点，1）化学性能稳定，生物相容性好，与人体骨骼能够较好的匹配；2）硬度高，耐磨性能好，能够使用足够长的时间而不会失效；3）具有较高的抗折强度和抗冲击强度，能够抵抗髋关节所承受的较大较复杂的载荷冲击。
【13-16】
针对于人工髋关节的结构力学的研究，大部分研究者都会模仿天然的髋关节的宏观大结构，所涉及的方法及技术主要有有限元法、医学图像处理技术、逆向工程技术和计算机辅助技术等。虽然研究者们为人工髋关节特别是股骨头设计了各种各样的结构，但是因为髋关节要实现的运动极为复杂，所要承受的载荷较大。所以，人们所设计的人工髋关节股骨头仅仅考虑宏观大结构，而对表面形态未有太多考虑，这在一定程度上会影响到人工股骨头的作用效果。基于此，本文进行假体结构的创新设计与优化，探索提高人工髋关节使用寿命的有效方案。
1.3 本课题的主要研究内容
以上主要论述了人工髋关节的研究现状，针对目前的人工髋关节股骨头
结构设计方面的不足之处，主要指几乎所有的结构都是模仿天然股骨头的外形（如图1.2），而对形态未有较多考虑，本文将综合运用医学图像处理技术、逆向工程技术、计算机辅助技术和有限元分析的方法，完成人工髋关节股骨头的三维重建与有限元模型的仿真。通过结果比对与分析，最终得到一种具备优良结构力学特性的股骨头结构。
图1.2常见的人工髋关节示意图
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