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基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的3D打印脛骨重建假體治療脛骨近端嚴(yán)重骨缺損

2022-03-30

聚焦于脛骨近端嚴(yán)重骨缺損患者的關(guān)節(jié)重建假體的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。目前對(duì)于此類患者,臨床上通常選擇鉸鏈膝關(guān)節(jié)假體進(jìn)行重建,但術(shù)后假體生存率并不理想。本研究提出利用拓?fù)鋬?yōu)化和網(wǎng)格化技術(shù)設(shè)計(jì)一種新型的個(gè)體化定制脛骨重建假體,從而提高假體的生物力學(xué)性能,為臨床假體設(shè)計(jì)提供新的思路。本研究通過三維重建技術(shù)完成脛骨非均質(zhì)仿真建模;通過步態(tài)分析獲取完整步態(tài)周期內(nèi)脛骨平臺(tái)受力依據(jù);通過拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)及梯度化網(wǎng)格設(shè)計(jì)完成定制化假體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化;通過有限元分析技術(shù)完成假體與骨系統(tǒng)的生物力學(xué)分析;通過3D金屬打印完成假體的制造,并利用生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)完成生物力學(xué)的驗(yàn)證。

根據(jù)研究結(jié)果顯示,優(yōu)化后假體減重77%,假體柄遠(yuǎn)端應(yīng)力峰值下降39.1%,柄遠(yuǎn)端微動(dòng)降低49.7%,脛骨應(yīng)力及應(yīng)變能峰值分別增大39.6%和61.5%,說明優(yōu)化后假體與骨之間的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)顯著降低,遠(yuǎn)期發(fā)生假體松動(dòng)、假體周圍骨折及假體柄遠(yuǎn)端疼痛的風(fēng)險(xiǎn)被有效避免,假體的生物力學(xué)性能得到優(yōu)化。

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圖1 脛骨非均質(zhì)建模(A),步態(tài)分析獲取關(guān)節(jié)力(B),假體及脛骨有限元模型(C)

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圖2 假體的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和網(wǎng)格化設(shè)計(jì)(A,B)以及假體柄和脛骨有限元分析(C,D)

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圖3 假體柄應(yīng)力分布(A,C)以及脛骨應(yīng)力分布(B,D)


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