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研究生:劉俊平
研究生(外文):Liu Chun Ping
論文名稱:全人工髖關節股骨柄設計參數之生物力學分析
論文名稱(外文):Biomechanical study of the design parameters in THA stems.
指導教授:陳文斌陳文斌引用關係施俊雄施俊雄引用關係
指導教授(外文):Chen Weng PinShih Chun Hsiung
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:醫學工程學系
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1999
畢業學年度:87
語文別:中文
論文頁數:71
中文關鍵詞:人工股骨柄應力遮蔽效應生物力學實驗有限元素法
外文關鍵詞:THA stemstress shieldingbiomechanical experimentfinite element analysis
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本篇研究利用人造股骨分別以實驗與有限元素法探討人工髖關節股骨柄之設計對股骨近端在負載轉移上的影響。完整股骨與植入兩種不同含骨水泥式人工股骨柄之股骨三維有限元素模型組成皆依照實驗假設。本研究將探討四個股骨柄設計參數:幾何外型、固定方式、材料性質與長度。首先,比較兩種不同外型設計之人工股骨柄─股骨柄長直對稱設計之C-fit股骨柄及股骨柄彎曲設計之PCA股骨柄分別以無骨水泥包覆、股骨近端三分之一骨水泥包覆與骨水泥全部包覆三種固定情況下所產生的應力遮蔽效應。接著在上述情形下探討人工植入物材質由鈷鉻合金改為鈦合金後所作的改變。最後,本研究將股骨柄長度約15公分之C-fit縮短使之與PCA(約11公分)等長,而後比較長度對應力遮蔽效應的影響。而且實驗量測與有限元素分析經比較發現其結果趨於一致,更加證實本研究結果的準確性。
由實驗及有限元素分析結果可得到以下結論:
(1) 在所有情況下,股骨內側的應力遮蔽效應明顯大於股骨外側。
(2) 在所有情形中以無骨水泥包覆固定植入鈷鉻合金PCA股骨柄所造成的應力遮蔽效應最為明顯。
(3) 無論對PCA或C-fit而言,骨水泥的施用將有助於減輕應力遮蔽效應,使股骨表面應變趨近於正常化。
(4) 股骨柄近端三分之一以骨水泥包覆固定時,植入與PCA股骨柄等長之鈷鉻合金C-fit股骨柄對減少應力遮蔽效應最為明顯。
此外,本研究中有限元素模型之收斂性與各層間之接觸問題均加以探討。藉由本研究對人工股骨柄設計參數的生物力學分析探討,可作為評估國外人工髖關節是否適合於國人的一項參考依據。
關鍵詞:人工股骨柄、應力遮蔽效應、生物力學實驗、有限元素法
The effects of design parameters in THA stems on the proximal femoral load transfer were investigated using both experimental strain gauge measurement and finite element analysis on synthetic femora. Three-dimensional finite element models for an intact femur and femora implanted with two different prostheses were constructed from the same experimental models used. Four design parameters in the THA stems were studied: (1) stem geometry, (2) fixation method, (3) stem material property, and (4) stem length. The stress-shielding effects at the proximal femur were investigated for the following conditions: (1) implantation of a straight Corin stem and a curved PCA stem with three different fixation methods (non-cemented, proximal-one-third-cemented, and fully- cemented), (2) Ti alloy was used for the Corin and the PCA stems instead of Co-Cr alloy, (3) the length of the Corin stem was shortened from 15 cm to be 11 cm as the PCA stem. Results for the strain measurements and the finite element analyses showed good agreements and thus verified the validity of the current study.
The following conclusions were reached from both the experimental and the finite element analysis results: (1) the stress- shielding effects in the medial sites are more significant than the lateral sites under all insertion conditions, (2) the stress-shielding effect is most significant for a femur implanted with a non-cemented, Co-Cr PCA stem, (3) the application of bone cement tends to decrease stress-shielding effect and normalizes the stress distribution for both the PCA and the Corin prostheses, (4) the least significant stress-shielding effect was found for the shorter, Co-Cr Corin stem with proximal-one-third-cemented fixation. Besides, the convergence of the finite element model was validated and the contact behavior between the implant and the bone or cement was incorporated in the analysis. Through this biomechanical study on the design parameters in THA stems, valuable information can be provided for the evaluation of currently used or newly developed prostheses.
Keywords: THA stem, Stress-shielding effect, Biomechanical experiment, finite element analysis.
中文摘要…………………………………………………………I
英文摘要…………………………………………………………II
目錄…………………………………………………………….. III
圖索引…………………………………………………………. V
表索引………………………………………………………… X
第一章 緒論 ………………………………………………… 1
1-1前言…….…………………………………… 1
1-2研究目的…………………………………………. 3
1-3文獻回顧…………………………………………. 3
1-4人工植入物介紹….……………………………… 6
1-4-1 PCA人工髖關節……………………… 6
1-4-2 C-fit人工髖關節……………………… 7
第二章 設備與研究方法………………………………….. 10
2-1研究設備..………………………………………. 10
2-2研究流程………………………………………… 12
2-3影像輪廓取得…………………………………… 16
2-4有限元素模型建立…….……………………… 17
2-5有限元素分析………………………………….. 18
2-5-1 MENTAT II 前處理…………….……..… 18
2-5-2材料特性………………..……………….. 19
2-5-3 MARC有限元素分析….……………….. 20
2-5-4 MENTAT II後處理……………………… 20
第三章 結果與討論.………..………..……………………... 25
3-1實際量測部分.…...……………………….…….. 25
3-2有限元素分析部分.…..………………………… 27
3-2-1完整股骨模型建立…………….……..… 27
3-2-2植入人工髖關節後股骨模型建立….….. 27
3-3不同固定方式之比較………………………………. 36
3-4不同材質之比較………………………………………. 44
3-5不同長度之比較…………………………..………….. 52
3-6有限元素模型收斂測試………………………… 60
3-7討論……………………………………………….. 63
3-7-1實際量測部分………………….……..… 63
3-7-2 有限元素模型的建立……………………….….. 63
3-7-3 有限元素分析部分………………………...….….. 64
第四章 結論與未來展望……….………………………….. 66
4-1結論.…………………..………………………….…….. 66
4-2未來展望……………….…..………………………… 68
參考文獻……………….……………………………………… 69
圖索引
圖1-1CT影像中金屬人工股骨柄所造成之散射圖…..…… 9
圖1-2本研究中使用之人工髖關節外觀:(A)C-fit人工髖關節、(B)PCA人工髖關節...…………………………...… 9
圖2-1標準化人造股骨頭………..……………………….…. 14
圖2-2應變規黏貼之位置圖(間隔:2公分)…..…………. 14
圖2-3實際量測之實驗步驟流程圖…….…………………… 15
圖2-4有限元素分析部分之研究步驟流程圖..……….……. 15
圖2-5股骨固定於壓克力板架之情形……………………... .21
圖2-6壓克力材質之人工髖關節外觀:(A)C-fit、(B)PCA………………………………………………………. 22
圖2-7CT影像…………………………………………….……. 22
圖2-8股骨之內外輪廓……………….…………….………. 23
圖2-9股骨輪廓之連續顯示圖…………………….………... 23
圖2-10各模型之邊界條件給予情形:(A)完整股骨、(B)植入PCA股骨柄、(C)植入C-fit股骨柄………………... 24
圖3-1完整股骨皮質骨部分四面體有限元素網格模型:(A)內側觀(B)前側觀(C)外側觀(D)後側觀………. 29
圖3-2完整股骨海綿質骨部分四面體有限元素網格模型:(A)內側觀(B)前側觀(C)外側觀(D)後側觀.. 29
圖3-3植入PCA股骨柄之有限元素網格模型內側觀:(A)完整模型、(B)皮質骨模型(C)海綿質骨模型(D)PCA股骨柄模型……………………………….… 30
圖3-4植入PCA股骨柄之有限元素網格模型前側觀:(A)完整模型、(B)皮質骨模型(C)海綿質骨模型(D)PCA股骨柄模型……………………………….… 30
圖3-5植入PCA股骨柄之有限元素網格模型外側觀:(A)完整模型、(B)皮質骨模型(C)海綿質骨模型(D)PCA股骨柄模型……………………………….… 31
圖3-6植入PCA股骨柄之有限元素網格模型後側觀:(A)完整模型、(B)皮質骨模型(C)海綿質骨模型(D)PCA股骨柄模型……………………………….… 31
圖3-7植入C-fit股骨柄之有限元素網格模型內側觀:(A)完整模型、(B)皮質骨模型(C)海綿質骨模型(D)C-fit股骨柄模型……………………………….… 32
圖3-8植入C-fit股骨柄之有限元素網格模型前側觀:(A)完整模型、(B)皮質骨模型(C)海綿質骨模型(D)C-fit股骨柄模型……………………………….… 32
圖3-9植入C-fit股骨柄之有限元素網格模型外側觀:(A)完整模型、(B)皮質骨模型(C)海綿質骨模型(D)C-fit股骨柄模型……………………………….… 33
圖3-10植入C-fit股骨柄之有限元素網格模型後側觀:(A)完整模型、(B)皮質骨模型(C)海綿質骨模型(D)C-fit股骨柄模型…………………………………….… 33
圖3-11植入較短之C-fit股骨柄之有限元素網格模型內側觀:(A)完整模型、(B)皮質骨模型(C)海綿質骨模型(D)C-fit股骨柄模型……………………………….… 34
圖3-12植入較短之C-fit股骨柄之有限元素網格模型前側觀:(A)完整模型、(B)皮質骨模型(C)海綿質骨模型(D)C-fit股骨柄模型……………………………….… 34
圖3-13植入較短之C-fit股骨柄之有限元素網格模型外側觀:(A)完整模型、(B)皮質骨模型(C)海綿質骨模型(D)C-fit股骨柄模型……………………………….… 35
圖3-14植入較短之C-fit股骨柄之有限元素網格模型後側觀:(A)完整模型、(B)皮質骨模型(C)海綿質骨模型(D)C-fit股骨柄模型……………………………….… 35
圖3-15以無骨水泥包覆植入人工股骨柄前後,皮質骨長軸方向之正應變值分佈圖(上圖為外側,下圖為內側):(A)完整股骨、(B)植入PCA股骨柄、(C)植入C-fit股骨柄(單位:microstrain)……………………………… 38
圖3-16以股骨近端三分之一骨水泥包覆植入人工股骨柄前後,皮質骨長軸方向之正應變分佈圖(上圖為外側,下圖為內側):(A)完整股骨、(B)植入PCA股骨柄、(C)植入C-fit股骨柄(單位:microstrain)…………………………………………….. 39
圖3-17以骨水泥全部包覆植入人工股骨柄前後,皮質骨長軸方向之正應變分佈圖(上圖為外側,下圖為內側):(A)完整股骨、(B)植入PCA股骨柄、(C)植入C-fit股骨柄(單位:microstrain)………………………………. 40
圖3-18以無骨水泥包覆植入PCA股骨柄與植入C-fit股骨柄之皮質骨表面長軸方向正應變縮減百分比橫條圖.… 41
圖3-19股骨近端三分之一以骨水泥包覆植入PCA股骨柄與植入C-fit股骨柄之皮質骨表面長軸方向正應變縮減百分比橫條圖.……………………………………………….… 42
圖3-20以骨水泥全部包覆人工股骨柄植入PCA股骨柄與植入C-fit股骨柄之皮質骨表面長軸方向正應變縮減百分比橫條圖.…………………………………………………..… 43
圖3-21以無骨水泥包覆植入鈦合金人工股骨柄前後,皮質骨長軸方向之正應變分佈圖(上圖為外側,下圖為內側):(A)完整股骨、(B)植入PCA股骨柄、(C)植入C-fit股骨柄(單位:microstrain)………………………… 46
圖3-22股骨近端三分之一以骨水泥包覆植入鈦合金人工股骨柄前後,皮質骨長軸方向正應變分佈圖(上圖為外側,下圖為內側):(A)完整股骨、(B)植入PCA股骨柄、(C)植入C-fit股骨柄(單位:microstrain)………… 47
圖3-23以骨水泥全部包覆植入鈦合金人工股骨柄前後,皮質骨沿長軸方向正應變分佈圖(上圖為外側,下圖為內側):(A)完整股骨、(B)植入PCA股骨柄、(C)植入C-fit股骨柄(單位:microstrain)………….……… 48
圖3-24以無骨水泥包覆植入鈦合金PCA股骨柄與植入鈦合金C-fit股骨柄之股骨皮質骨表面長軸方向正應變縮減百分比橫條圖…………….………………………….……… 49
圖3-25股骨近端三分之一以骨水泥包覆植入鈦合金PCA股骨柄與植入鈦合金C-fit股骨柄之股骨皮質骨表面長軸方向正應變縮減百分比橫條圖…………….…………… 50
圖3-26以骨水泥全部包覆植入鈦合金PCA股骨柄與植入鈦合金C-fit股骨柄之股骨皮質骨表面長軸方向正應變縮減百分比橫條圖…………….………………………….…… 51
圖3-27不同長度之C-fit股骨柄以無骨水泥包覆固定,股骨皮質骨表面長軸方向正應變分佈圖(上圖為外側、下圖為內側):(A)完整股骨、(B)較長之C-fit股骨柄、(C)較短之C-fit股骨柄(單位:microstrain).….… 54
圖3-28不同長度之C-fit股骨柄以骨水泥包覆股骨柄近端三分之一部份固定,股骨皮質骨表面長軸方向正應變分佈圖(上圖為外側、下圖為內側):(A)完整股骨、(B)較長之C-fit股骨柄、(C)較短之C-fit股骨柄(單位:microstrain)…….………………………….……….. 55
圖3-29不同長度之C-fit股骨柄以骨水泥全部包覆固定,股骨皮質骨表面長軸方向正應變分佈圖(上圖為外側、下圖為內側):(A)完整股骨、(B)較長之C-fit股骨柄、(C)較短之C-fit股骨柄(單位:microstrain)……… 56
圖3-30不同長度之C-fit股骨柄以無骨水泥包覆固定,股骨皮質骨表面長軸方向正應變縮減百分比橫條圖……… 57
圖3-31不同長度之C-fit股骨柄以骨水泥包覆股骨柄近端三分之一部份固定,股骨皮質骨表面長軸方向正應變縮減百分比橫條圖…………………………………………… 58
圖3-32不同長度之C-fit股骨柄以骨水泥全部包覆固定,股骨皮質骨表面長軸方向正應變縮減百分比橫條圖…….. 59
表索引
表1-1國外文獻回顧……………………………………………… 8
表2-1材料性質一覽表………………….……………………… 20
表3-1實際量測之應變量(單位:%)……………………… 26
表3-2實植入人工股骨柄股骨模型之元素及節點個數表…… 28
表3-3不同固定方式下有限元素分析之應變百分比結果(人工股骨柄材質為鈷鉻合金)(單位:%)…………………… 37
表3-4植入鈦合金人工股骨柄之有限元素分析應變百分比結果(單位:%)……………………………………………… 45
表3-5不同長度之C-fit股骨柄有限元素分析應變百分比結果(人工股骨柄材質為鈷鉻合金)(單位:%)………… 53
表3-6收斂測試之有限元素模型元素個數……………… 62
表3-7以應變能總和計算不同元素數量誤差值………………. 62
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