本文選題：陶瓷髖關(guān)節(jié) + 異響　； 參考：《西南交通大學(xué)》2013年博士論文

【摘要】：自1970年Boutin首先將氧化鋁陶瓷應(yīng)用于全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)后,陶瓷髖關(guān)節(jié)假體的使用距今已有30多年。近幾年出現(xiàn)的第三代氧化鋁陶瓷假體以其優(yōu)越的摩擦學(xué)性能、極高的硬度和良好的生物相容性,日益得到醫(yī)學(xué)界的認(rèn)可。這些優(yōu)點(diǎn)使其在年輕患者中得到了大量的應(yīng)用。但是,近幾年陶瓷假體出現(xiàn)的“咯吱”聲異響(Squeaking,以下簡稱“異響”)問題逐漸引起了患者和研究者的重視。在美國和英國,使用者對關(guān)節(jié)異響很敏感,常常因關(guān)節(jié)異響而向廠商進(jìn)行法律索賠,這嚴(yán)重阻礙了陶瓷髖關(guān)節(jié)假體的廣泛應(yīng)用。對髖關(guān)節(jié)異響的研究成為了全球相關(guān)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。但是迄今為止,研究者對異響的產(chǎn)生機(jī)理認(rèn)識尚淺,還沒有提出控制關(guān)節(jié)異響的具體方法。所以,本課題就是針對陶瓷髖關(guān)節(jié)異響問題,運(yùn)用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究兩種方法較為全面地探究異響的產(chǎn)生機(jī)理及其相關(guān)影響因素,并最終提出減少異響發(fā)生可能性的方法。 Charnley早已指出,所有常見的關(guān)節(jié)材料在摩擦過程中都有可能產(chǎn)生聲響,所以關(guān)節(jié)異響實(shí)質(zhì)是一種摩擦引起的噪聲。而研究摩擦噪聲的實(shí)質(zhì)是研究摩擦引起的振動(dòng)。在數(shù)值模擬研究中,使用ABAQUS6.7建立了陶瓷髖關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)的數(shù)值模型,首先計(jì)算了各個(gè)假體部件的固有頻率。髖臼組件(裝配在一起的臼杯和陶瓷髖臼)的固有頻率遠(yuǎn)高于異響頻率而股骨組件(裝配在一起的陶瓷球頭和股骨柄)的固有頻率非常接近異響頻率,初步判斷髖臼組件的振動(dòng)與異響有重要關(guān)系。隨后運(yùn)用復(fù)特征值提取法探究了陶瓷髖關(guān)節(jié)系統(tǒng)在摩擦耦合下的不穩(wěn)定振動(dòng)模態(tài)。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)球頭和髖臼配合面的摩擦系數(shù)高于臨界摩擦系數(shù)時(shí),股骨組件有發(fā)生不穩(wěn)定振動(dòng)的趨勢,股骨組件的不穩(wěn)定振動(dòng)很有可能是異響產(chǎn)生的根本原因。為了驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果,在髖關(guān)節(jié)體外模擬實(shí)驗(yàn)儀中測試了相應(yīng)陶瓷髖關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)在干摩擦下的異響頻率,即不穩(wěn)定振動(dòng)頻率。實(shí)驗(yàn)測得的系統(tǒng)不穩(wěn)定模態(tài)頻率非常接近數(shù)值模擬預(yù)測的不穩(wěn)定模態(tài)頻率,這表明數(shù)值模擬研究方法和結(jié)果是準(zhǔn)確的,說明了股骨組件的不穩(wěn)定振動(dòng)確實(shí)是異響產(chǎn)生的根本原因。 既然股骨組件的不穩(wěn)定振動(dòng)是異響產(chǎn)生的根本原因,那么股骨柄和球頭必然對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要影響。作者提出通過提高系統(tǒng)的臨界摩擦系數(shù)來提高系統(tǒng)的振動(dòng)穩(wěn)定性,從而減少異響發(fā)生的可能性。在數(shù)值模擬研究中,首先分析了系統(tǒng)的模態(tài)耦合過程,揭示了原始系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定振動(dòng)的臨界摩擦系數(shù)。隨后,探究了股骨柄的剛度對系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定振動(dòng)的臨界摩擦系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明,降低股骨柄的彈性模量,系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定振動(dòng)的臨界摩擦系數(shù)降低很多；增加股骨柄的彈性模量,系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定振動(dòng)的臨界摩擦有少量增加。在股骨柄中加入CoCrMo合金和316L不銹鋼合金可以提高系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定振動(dòng)的臨界摩擦系數(shù),以上結(jié)果說明股骨柄的剛度對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要影響作用,提高股骨柄的剛度在一定程度上有減少異響發(fā)生可能性的趨勢。陶瓷髖關(guān)節(jié)數(shù)值模擬是一種預(yù)測性的研究,可以說明股骨柄對異響的影響趨勢,但是并不能證明提高股骨柄的剛度就一定可以抑制關(guān)節(jié)異響的發(fā)生。所以還需要進(jìn)行髖關(guān)節(jié)體外模擬實(shí)驗(yàn),研究臨床應(yīng)用的不同剛度的股骨柄和球頭對異響的影響作用。髖關(guān)節(jié)體外模擬實(shí)驗(yàn)中,首先設(shè)計(jì)了獲得假體系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定振動(dòng)的臨界摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。丙酮是一種揮發(fā)性的液體,將其滴入球頭和髖臼的摩擦配合面中,隨著液體的揮發(fā),界面的摩擦系數(shù)緩慢增加,直到系統(tǒng)發(fā)生連續(xù)的、穩(wěn)定的異響。第一個(gè)異響發(fā)生時(shí)界面的摩擦系數(shù)為系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定振動(dòng)的臨界摩擦系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,假體系統(tǒng)的確存在臨界摩擦系數(shù),高于臨界摩擦系數(shù),系統(tǒng)不一定保證有異響產(chǎn)生,而低于臨界摩擦系數(shù)時(shí),系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生異響。這表明異響的發(fā)生不僅取決于界面的臨界摩擦系數(shù)還與界面特定的潤滑模態(tài)有關(guān)。隨后,分別比較了3種臨床中常用的不同質(zhì)量和幾何結(jié)構(gòu)的股骨柄以及5種直徑不同的球頭對系統(tǒng)臨界摩擦系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果一致,股骨柄的剛度對異響的產(chǎn)生有重要影響作用。在同樣的摩擦條件下,較長的鈦合金股骨柄最容易產(chǎn)生異響,較長和較重的鈷鉻鉬股骨柄其次,而短的鈦合金股骨柄最不容易產(chǎn)生異響。這說明較高結(jié)構(gòu)剛度(高的彈性模量或者更短的)的股骨柄可以減少異響發(fā)生的可能性。最小的臨界摩擦系數(shù)與最大的臨界摩擦系數(shù)的變化值為34%(0.29-0.39)。相比股骨柄對異響的影響,球頭對異響的影響較小,其最小臨界摩擦系數(shù)與最大臨界摩擦系數(shù)的變化值只有20%(0.34-0.40)。中等球頭直徑(36mm)對應(yīng)的臨界摩擦系數(shù)最小,最大球頭直徑(44mm)對應(yīng)的臨界摩擦系數(shù)最大。但是,球頭直徑對系統(tǒng)發(fā)生異響時(shí)界面的臨界摩擦轉(zhuǎn)矩影響很大。隨著球頭直徑的增加,系統(tǒng)發(fā)生異響的臨界摩擦轉(zhuǎn)矩也隨之增加。直徑40mm和44mm的球頭對應(yīng)的臨界摩擦轉(zhuǎn)矩比其它直徑較小的球頭大非常多。雖然大球頭可以增加關(guān)節(jié)的活動(dòng)度,但是大球頭對應(yīng)的大的摩擦轉(zhuǎn)矩可能會(huì)引起其它臨床問題,因?yàn)榇蟮哪Σ赁D(zhuǎn)矩會(huì)傳遞給整個(gè)假體系統(tǒng)。以上研究結(jié)果表明,采用剛度較大的股骨柄以及合適大小的球頭可以減少異響發(fā)生的可能性。 除此之外,還擴(kuò)展研究了異響的相關(guān)問題,如異響只發(fā)生在“硬對硬”,一些噪聲會(huì)發(fā)生在“硬對軟”的配合面中,異響與摩擦力-滑動(dòng)速率斜率的關(guān)系問題等。 本論文通過數(shù)值模擬和體外實(shí)驗(yàn)兩種方法較為全面地揭示了異響的產(chǎn)生機(jī)理及其相關(guān)影響因素,提出了減少異響發(fā)生可能性的方法。對今后研究其它關(guān)節(jié)材料或設(shè)計(jì)新的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)有著重要的參考意義。
[Abstract]:Since Boutin first applied alumina ceramics to total hip arthroplasty ( THA ) in 1970 , the ceramic hip joint prosthesis has been widely used for more than 30 years .

It has been pointed out by Charnley that all the common joint materials have the potential to produce noise during the friction process , so the essence of the friction noise is the noise caused by friction .

Since the unstable vibration of the femoral component is the root cause of abnormal noise , the femoral stem and the ball head have an important influence on the stability of the system . In the numerical simulation study , the modal coupling process of the system is improved , the critical friction coefficient of the unstable vibration of the system is revealed .
The results show that the critical friction coefficient is less than the critical friction coefficient , and the minimum critical friction coefficient is only 20 % ( 0.34 - 0.40 ) . Compared with the critical friction coefficient , the minimum critical friction coefficient and the maximum critical friction coefficient are only 20 % ( 0.34 - 0.40 ) .

In addition , the related problems of abnormal noise , such as abnormal noise occur only in " hard - to - hard " , and some noise can occur in the " hard - to - soft " mating surface , and the relationship between the abnormal response and the friction - slip rate slope .

In this paper , numerical simulation and in vitro experiments are conducted to reveal the mechanism of abnormal noise and its influencing factors , and a new method to reduce the possibility of occurrence of abnormal noise is presented . It is of great importance to study other joint materials or to design new joint structures .

【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：R318.17

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1834277