Finite element analysis applied in design of orthopedic implants for repairing tibial bone defects in revision total knee arthroplasty

Abstract

目的 探讨有限元分析在膝关节翻修胫骨缺损修复中的应用. 方法 选取1名正常健康男性志愿者,25岁,身高170 cm,体质量62 kg,通过螺旋CT扫描、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)软件,建立三维膝关节翻修胫骨缺损有限元模型.建立胫骨平台内侧5.0、7.5、10.0、12.5和15.0 mm高的5种不同楔形及块形骨缺损,分别模拟采用骨水泥(水泥固定组)、骨水泥强化螺钉(水泥强化组)和金属垫片(金属垫片组)修复不同骨缺损.受力和边界条件模拟体内膝关节受力情况.通过有限元应力分析比较骨-水泥界面之间位移,以及界面间骨水泥的受力情况. 结果 当骨缺损高度为12.5、15.0 mm时,水泥固定组和水泥强化组的相对位移超过松动的阈值,即＞150 μm;当骨缺损的高度为7.5、10.0 mm时,水泥固定组的位移＞150Iμm,但水泥强化组的位移＜150 μm;当骨缺损的高度为5.0 mm时,所有治疗组的位移均＜150 μm.所有治疗组骨水泥的最大剪切力都随着骨缺损的增大而增加.随着骨缺损的减少,水泥强化组的最大剪切力较水泥固定组的剪切力分别提高了21％、16％、11％、9％和7％,而金属垫片组则显示出最小的骨水泥剪切力. 结论 在膝关节翻修胫骨缺损修复的有限元模型中,当楔形骨缺损高度＞ 10.0 mm时,骨水泥强化螺钉修复发生松动的几率较高；当骨缺损高度＜ 10.0 mm时,骨水泥强化螺钉修复块形骨缺损具有良好的生物力学稳定性.