【摘要】：目的通過有限元磨損模型研究上樓梯對(duì)襯墊磨損的影響,對(duì)完善人工膝關(guān)節(jié)的磨損評(píng)估方法、指導(dǎo)假體設(shè)計(jì)等具有重要的理論和實(shí)際意義。方法基于Archard磨損理論建立人工膝關(guān)節(jié)襯墊磨損的有限元模型并驗(yàn)證,然后加載正常水平行走(ISO14243標(biāo)準(zhǔn))和上樓梯的載荷,對(duì)比分析上樓梯對(duì)襯墊磨損的影響。結(jié)果水平行走步態(tài)載荷下,模型預(yù)測的磨損結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)道結(jié)果一致,模型具有較好的有效性。上樓梯的體積磨損率為每100萬次循環(huán)(million cycle,MC)37.10 mm~3,顯著高于水平行走步態(tài)的體積磨損率(16.94 mm~3/MC),線性磨損也具有類似的結(jié)果。上樓梯內(nèi)側(cè)平臺(tái)的磨損區(qū)域主要集中在后部,與水平行走時(shí)內(nèi)側(cè)平臺(tái)的磨損主要發(fā)生在中部區(qū)域有明顯不同。結(jié)論上樓梯作為高載荷、高屈膝角度的日常運(yùn)動(dòng)之一,對(duì)人工膝關(guān)節(jié)襯墊的磨損有較大影響,其磨損率和磨損區(qū)域與水平行走有明顯差異,在人工膝關(guān)節(jié)的磨損檢測和評(píng)估中應(yīng)該給予適當(dāng)?shù)闹匾暋?br>【圖文】：

1．2有限元模型如圖2所示，針對(duì)左膝人工關(guān)節(jié)假體(NexGen-ＲＲLPS-FlexFixedBearingKnee，ZimmerInc．)進(jìn)行三維幾何重建，幾何模型包含脛骨襯墊和股骨髁兩個(gè)部分，在ABAQUS/Standard6．11中建立有限元模型。脛骨襯墊網(wǎng)格主要區(qū)域用8節(jié)點(diǎn)六面體單元(C3D8Ｒ)劃分，約占總體積的95%，部分角落和Cam區(qū)域用四面體單元(C3D10M)劃分。股骨髁簡化為剛體，與參考點(diǎn)設(shè)置了剛體耦合，網(wǎng)格用四邊形單元(S4)劃分。襯墊材料屬性設(shè)置為線彈性，彈性模量為463MPa，泊松比為0．46［4］。股骨髁和襯墊接觸面設(shè)置罰函數(shù)接觸，庫倫摩擦系數(shù)為0．07［4］。圖2人工膝關(guān)節(jié)有限元模型及位移控制條件Fig．2FiniteelementmodelofTKＲanddisplacementcontrolconditions屈膝角度和軸向力通過參考點(diǎn)施加到股骨髁上，股骨髁參考點(diǎn)在其屈膝轉(zhuǎn)軸上，并且根據(jù)ISO14243-3向內(nèi)側(cè)偏移5mm。股骨髁剩下的4個(gè)自由度被完全約束。內(nèi)旋-外轉(zhuǎn)角度和前后位移通過參考點(diǎn)施加到襯墊上，襯墊參考點(diǎn)在上下方向和股骨髁參考點(diǎn)對(duì)齊。襯墊參考點(diǎn)的屈膝、內(nèi)外移動(dòng)、外翻內(nèi)翻3個(gè)自由度被完全約束，襯墊下表面在上下方向上被約束。1．3計(jì)算磨損預(yù)測UHMWPE襯墊關(guān)節(jié)面的線性磨損根據(jù)Archard磨損理論進(jìn)行計(jì)算，其簡化表達(dá)式為［18］:H=KpS其中:H為線性磨損，即磨損深度，單位mm;p為接觸壓力，單位MPa;S為相對(duì)摩擦距離，單位mm;K為磨損因子，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，K=2．64×10－7［mm3·(N·m)－1］［4］。采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)模擬磨損過程，，基于FOＲ-TＲAN語言編寫了用戶子程序UMESHMOTION，流程圖如圖3所示。首先，對(duì)水平行走步態(tài)或上樓梯進(jìn)行有限元計(jì)算，并在每個(gè)增量步提取襯墊表面節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、接觸壓力和摩擦距離等數(shù)據(jù)。然后根據(jù)Archard磨損公式計(jì)算?

嫉閽諫舷路較蠔?股骨髁參考點(diǎn)對(duì)齊。襯墊參考點(diǎn)的屈膝、內(nèi)外移動(dòng)、外翻內(nèi)翻3個(gè)自由度被完全約束，襯墊下表面在上下方向上被約束。1．3計(jì)算磨損預(yù)測UHMWPE襯墊關(guān)節(jié)面的線性磨損根據(jù)Archard磨損理論進(jìn)行計(jì)算，其簡化表達(dá)式為［18］:H=KpS其中:H為線性磨損，即磨損深度，單位mm;p為接觸壓力，單位MPa;S為相對(duì)摩擦距離，單位mm;K為磨損因子，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，K=2．64×10－7［mm3·(N·m)－1］［4］。采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)模擬磨損過程，基于FOＲ-TＲAN語言編寫了用戶子程序UMESHMOTION，流程圖如圖3所示。首先，對(duì)水平行走步態(tài)或上樓梯進(jìn)行有限元計(jì)算，并在每個(gè)增量步提取襯墊表面節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、接觸壓力和摩擦距離等數(shù)據(jù)。然后根據(jù)Archard磨損公式計(jì)算每個(gè)表面節(jié)點(diǎn)的線性磨損。Knight等［4］研究了不同迭代間隔對(duì)磨損結(jié)果收斂性的影響，認(rèn)為0．5MC是較合理的迭代間隔。本文也進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，迭代間隔為0．5、0．25、0．125MC的磨損結(jié)果雖有不同，但差異小于5%。在綜合考慮計(jì)算精度和時(shí)間成本的基礎(chǔ)上，選擇0．5MC作為迭代間隔。在第1個(gè)迭代結(jié)束時(shí)，根據(jù)計(jì)算的線性磨損，沿法線方向移動(dòng)每一個(gè)襯墊表面節(jié)點(diǎn)，即完成了第1個(gè)0．5MC的磨損模擬。然后進(jìn)入下一個(gè)迭代，直到完成10次迭代共計(jì)5MC的磨損模擬。圖3子程序UMESHMOTION流程圖Fig．3FlowchartofuserdefinedsubroutineUMESHMOTION2結(jié)果2．1模型驗(yàn)證為了驗(yàn)證磨損模型的有效性，對(duì)5MC水平行走步態(tài)下的體積磨損和最大線性磨損進(jìn)行預(yù)測，并與磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。如圖4所示，模型預(yù)測111王川，等．上樓梯對(duì)人工膝關(guān)節(jié)假體磨損影響的有限元研究WANGChuan，etal．Finiteelementstudyontotalkneeprosthesiswearduringstairascent
【作者單位】： 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物力學(xué)與力生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;中國科學(xué)院傳感器技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室;
【基金】：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11072021,31200725,31470942) 國家科技支撐計(jì)劃(2012BAI22B02) 傳感器技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(NSFC31470942)
【分類號(hào)】：R687.4


本文編號(hào)：2517589