基于拓扑优化的股骨柄假体生物力学的研究*

张婷婷，程云章

(上海理工大学 上海介入医疗器械工程技术研究中心，上海 200093)

引言

髋关节是人体最大的负重关节，其病变会严重影响患者的生活质量。全髋关节置换术(total hip arthroplasty, THA)利用人工髋关节置换损伤的股骨恢复关节功能，减轻关节疼痛，矫正肢体畸形[1]。人工髋关节由股骨柄、股骨头、衬垫和髋臼杯组成。THA自19世纪出现以来，已成为骨科最成熟的手术之一，但人工假体与自然股骨的弹性模量之间的差距会造成不同程度的应力遮挡现象[2]。THA后，原本由股骨独立承担的髋关节力转为由股骨与假体分担，同时，高弹性模量的假体汇集了更多的载荷，使得载荷传递到股骨路径受阻，从而使股骨的应力分布不同于自然股骨，出现局部的高应力区和低应力区。在高应力区，应力集中可能会造成骨折；在低应力区则会出现不同程度的骨溶解现象[3]。骨在自然生长的情况下，骨组织的形态和密度会随着生物力环境的改变而改变。应力遮挡使得低应力区的股骨无法接受足够的应力刺激而引起骨质丢失。因此，关于假体的材料、固定方式、结构等方面仍有很大改进空间。

拓扑优化是一种在给定区域内生成最佳的形状和材料分布的数学技术[4]，是结构优化的一种，可分为密度法、晶格法、水平集法、无参数变形法等，所有方法均依赖于有限单元法(finite elementmethod, FEM)[5]。基于上游有限元分析系统，通过将区域离散成有限元网格，计算每个单元的材料属性，在给定的响应约束下改变材料分布以优化目标[6-9]。……