全髋关节置换假体不同角度的生物力学特点(4)

Von Mises 应力：是基于剪切应变能的一种等效应力,其含义是当单元体的形状改变比能达到一定程度,材料开始屈服。Von Mises于1913年提出了一个屈服准则,这个屈服准则被称为Von Mises屈服准则。它的内容是：当点应力状态的等效应力达到某一与应力状态无关的定值时,材料就屈服;或者说材料处于塑性状态时,等效应力始终是一不变的定值。在弹塑性有限元计算中,屈服准则的数学描述是整个计算的核心。

王春成，等. 全髋关节置换假体不同角度的生物力学特点 ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH

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进行扫描，采用股骨柄前倾角为0°、20°和25°联合髋臼杯前倾35°、15°及10°三种不同的联合前倾技术进行全髋关节置换，髋臼杯外展角均为40°，将上述模型在Magics 软件(Materialise 公司，比利时)里根据上述角度精确摆放，建立好模型，并以INP 格式导入相关软件中，对单足站立状体是髋关节进行力学分析。

简化上述受力模型，固定股骨远端后结合解剖相关数据加载在关节表面，给予240 N 的力学加载，模拟体质量60 kg 单足站立时下肢所受的力，从而测定其峰值Von Mises 应力[15-16]。

1.5.2 尸体生物力学实验 所有的实体骨盆均在实验前进行CT 扫描，测定股骨前倾角。X 射线下测定髋臼前倾角、外展角、髋臼直径、骨髓腔直径等，扫描完毕后，剔除尸体标本中的软组织，放入浓度为0.9%NaCl 溶液浸润包裹，然后放入-20 ℃下保存[17]。

利用电阻应变片[电阻(119.5± 0.3) Ω，栅长×栅宽：3×1]以臼顶切线划一条线，并且在定位0°、向内、向外15°，在距离髋臼缘3 cm 处个放置一枚电阻应变片，采用股骨柄前倾角为0°、20°和25°联合髋臼杯前倾35°、15°及10°三种不同的联合前倾技术在240 N 载荷下，利用电阻应变片技术测量股骨柄周缘骨皮质和髋臼前后壁应变情况[18-19]。 1.6 主要观察指标 ①三维模型的Von Mises 应力变化；②尸体标本不同角度下股骨柄周缘骨皮质和髋臼前后壁应变情况。

1.7 统计学分析 采用SPSS18.0软件处理，利用ANSYS 软件(Materialise 公司，比利时)进行有限元分析，计数资料采用n (%)表示，行卡方检验，计量资料采用x _

±s 表示，t 检验比较不同角度差异，P < 0.05为差异有显著性意义。

2 结果 Results

2.1 不同角度下髋臼峰值Von Mises 应力差异 股骨柄前倾角为0°髋臼杯前倾35°下髋臼峰值Von Mises 应力变化相对较大；股骨柄前倾角为20°髋臼杯前倾15°下髋臼峰值Von Mises 应力变化最小。

股骨柄前倾角为25°髋臼杯前倾10°下髋臼峰值Von Mises 应力变化升高25.7%(图4)。

2.2 不同角度下髋臼杯峰值Von Mises 应力差异 股骨柄前倾角为0°髋臼杯前倾35°下髋臼杯峰值Von Mises 应力主要集中在臼杯侧面的前上缘，应力大小为135.21 MPa ；股

骨柄前倾角为20°髋臼杯前倾15°下髋臼峰值Von Mises 应力集中在臼杯内侧面上缘，应力大小为68.3 MPa 。

股骨柄前倾角为25°髋臼杯前倾10°下髋臼峰值Von Mises 应力为134.2 MPa ，主要集中在内侧面(图5)。 2.3 不同角度下内衬Von Mises 应力差异 股骨柄前倾角为0°髋臼杯前倾35°下内衬峰值Von Mises 应力为 6.8 MPa ；股骨柄前倾角为20°髋臼杯前倾15°下内衬峰值Von Mises 应力大小为3.9 MPa 。

股骨柄前倾角为25°髋臼杯前倾10°下内衬峰值Von Mises 应力为6.7 MPa(图6)。

2.4 不同角度下股骨柄Von Mises 应力差异 股骨柄前倾角为0°髋臼杯前倾35°下股骨柄峰值Von Mises 应力为127.1MPa ；股骨柄前倾角为20°髋臼杯前倾15°下股骨柄峰值Von Mises 应力大小为100.2 MPa 。

股骨柄前倾角为25°髋臼杯前倾10°下股骨柄峰值Von Mises 应力为128.2 MPa(图7)。

2.5 尸体标本不同角度下股骨柄周缘骨皮质和髋臼前后壁应变情况 0°-35°和25°-10°股骨柄周缘骨皮质和髋臼前后壁应变，显著大于20°-15°(P < 0.05；表1)。

3 讨论 Discussion

试验中3种联合前倾角技术，分别为股骨柄前倾角为0°、20°和25°联合髋臼杯前倾35°、15°及10°，并且对同一位志愿者进行全髋关节置换，对志愿者建立的三维模型骨盆施加240 N 竖直方向上的载荷，模拟人体正常情况下单足站立时髋关节所受的力，从多个方面对髋关节力学分布情况进行有效的评估[20-21]。

试验中，股骨柄前倾角为0°髋臼杯前倾35°下髋臼峰值Von Mises 应力变化相对较大，与正常模型相比升高18.7%；股骨柄前倾角为20°髋臼杯前倾15°下髋臼峰值Von Mises 应力变化最小，相对于正常模型下降6.9%；股骨柄前倾角为25°髋臼杯前倾10°下髋臼峰值Von Mises 应力变化升高25.7%。

由此得出，股骨柄前倾角为20°髋臼杯前倾15°下确定假体位置能避免骨盆位移的增加或减少，从而能保证髋臼获得稳定的力学环境，更加符合髋臼的生理条件，能最大限度的降低髋臼周缘的应力[22-23]。

髋臼杯在全髋关节置换中发挥了重要的作用，围手术期如果安置角度不合理，容易造成臼杯外表面和髋臼窝骨

图7 不同角度下股骨柄Von Mises 应力情况

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