动态结构试验法评估全膝置换手术中胫骨假体的稳定性.docVIP

动态结构试验法评估全膝置换手术中 胫骨假体的稳定性 陶晏竣 LMS China 摘要：在生物力学中，模态分析被广泛应用于评估置换手术中股骨假体和牙种植体的稳定性。近几年生物医学研究已将此种技术扩大到胫骨假体的稳定性评价。本文旨在以模态分析手段研究胫骨假体和人工胫骨之间的固结度对于人工骨振动响应的影响。通过实验发现，通过加固胫骨假体和人工胫骨之间的连接，人工胫骨的共振频率得到了提高。将实验的结果和仿真模型比对，优化了人工胫骨的仿真模型。 关键词：人工胫骨，模态分析，测试仿真比对 Abstract: In this paper, the influence that fixations between tibial implants and artificial bones can have on the bones vibration responses was investigated by means of modal analysis. In addition, a finite element model (FEM) was created to represent the artificial bone used in the experiments, and was refined by correlating the computational model with in vitro test results. Results showed that as the fixation got loose, the resonance frequencies were lower. Keywords：tibial implant, modal analysis, correlation between test and simulation 背景介绍 在生物力学中，模态分析被广泛应用于评估置换手术中股骨假体和牙种植体的稳定性。近几年生物医学研究已将此种技术扩大到胫骨假体的稳定性评价。如图1所示，全膝置换手术的基本过程是，切除股骨远端安装股骨髁假体；切除胫骨顶端安装胫骨髁假体；切除髌骨内侧安装髌骨部分，最后用耐磨的聚乙烯垫片连接股骨假体和胫骨假体。胫骨假体的茎端需深入胫骨中心以提高假体的稳定性。假体茎端同胫骨的连接紧固程度很大程度上影响了全膝置换手术的寿命：过紧的连接会导致运动性肌肉劳损和关节炎，过松的连接则会导致假体和胫骨脱落，两者均会影响假体的使用寿命。 图1.全膝置换手术中的骨假体构造 [1] 因此，本实验试图以锤击试验测共振频率的方法研究胫骨假体和人造骨之间的固结度，并将测得的试件模态与其仿真模型对比，优化了仿真模型参数。试件为中等骨质疏松性右胫骨（人造骨）。 试验搭建 取三支试件胫骨，切去近端，植入金属假体并以骨水泥胶合。三支试件以不同的方式胶合：第一支的金属假体和胫骨是完全胶合的，试验中称为“紧固”状态；第二支在骨水泥和胫骨之间填入塑料夹层，称为“松弛1”状态；第三支在骨水泥和金属假体之间填入塑料夹层，称为“松弛2”状态。 试验台的搭建如图2所示。人工胫骨用橡皮筋悬吊在金属支架上，是完全自由状态。在活体实验中胫骨类似于铰接，同橡皮筋悬挂的状态十分类似。[2] 金属支架的刚度远大于橡皮筋，保证了胫骨的振动状态基本上不受支架的影响。 图2.胫骨模态试验的试验台搭建 试验中采用LMS SCADAS III 型号数采前端，配合Test.Lab Impact Testing软件获取结构响应。后处理和模态参数分析则由Test.Lab POLYMAX Modal Analysis完成。通过LMS Virtual.Lab 仿真计算胫骨有限元模型的模态参数，并和试验结果进行比对分析。 试验结果 对每个试件分别应用锤击法模态测试，图3显示的是“紧固”状态试件的结构频响函数和模态振型。 图3. “紧固”状态的试件频响函数和模态振型 前四阶模态的共振频率列在下表中。 紧固 松弛1 松弛2 1阶 134.86 129.04 133.02 2阶 406.43 376.69 387.40 3阶 734.35 652.10 667.37 4阶 1285.52 1064.16 1158.30 表1. 锤击法测试中各阶模态的共振频率[Hz] 为了便于比较，将各阶模态中“紧固”试件的共振频率作为基准，计算“松弛1”和“松弛2”两种试件的各阶模态相对共振频率frel ,即（以各阶模态“紧固”试件的共振频率为基准）。 将三种试件的各阶模态相对共振频率绘制成曲线（图4） 图4.以“紧固”试件各阶模态共振频率为基准的三种试件各阶模态相对共振频率 由图4易知，填入塑料夹层