基于ABAQUS的髖臼杯設(shè)計(jì)研究

傅彥棉 彭偉 盛浩 方明*

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（(totalhiparthroplasty，THA）是一項(xiàng)對(duì)髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良、股骨頭壞死、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、退行性髖骨關(guān)節(jié)炎等疾病終末期病變的治療最為有效及重要的手術(shù)之一[1]。全髖關(guān)節(jié)假體組件通常為髖臼杯、髖臼內(nèi)襯、股骨球頭、股骨柄；依據(jù)人體髖臼部位的解剖尺寸，髖臼杯外徑通常為40～70mm；股骨球頭直徑通常范圍為22～32mm，而設(shè)計(jì)者往往趨向于更大的球頭直徑（36mm或40mm及以上），這就勢(shì)必要減小髖臼內(nèi)襯的壁厚，然而髖臼內(nèi)襯的壁厚與其機(jī)械磨損、抗沖擊能力密切相關(guān)[2]。故在確保髖臼內(nèi)襯壁厚一定的情況下，可減薄髖臼杯的壁厚，以此來(lái)滿足更大球頭的使用。生物型假體因其良好的骨長(zhǎng)入、更佳的初期穩(wěn)定性，故而逐步被用在中青年患者的首次THA手術(shù)中。生物型髖臼杯與髖臼窩之間通過(guò)壓配的模式進(jìn)行初期的固定連接，因而髖臼杯的初始穩(wěn)定是通過(guò)髖臼杯和髖臼窩之間的過(guò)盈配合獲得的[3]。生物型髖臼杯與髖臼窩之間的過(guò)盈壓配量勢(shì)必將引起髖臼杯及宿主骨的變形，而更薄的髖臼杯勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生更大的變形。髖臼杯的變形可能影響髖臼內(nèi)襯、股骨球頭的正確定位和鎖定，甚至還會(huì)影響關(guān)節(jié)面的潤(rùn)滑和摩擦特性，從而導(dǎo)致假體系統(tǒng)有較高的磨損率和過(guò)早的失效[4]。

本文基于 ABAQUS對(duì)薄壁燒結(jié)髖臼杯的壓配變形進(jìn)行數(shù)值模擬研究，找出變形量最大的規(guī)格并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，計(jì)算得出變形量最大規(guī)格的杯口剛度，并與已上市產(chǎn)品進(jìn)行比較，確保髖臼杯的變形不會(huì)顯著影響假體系統(tǒng)的功能特性。

1 材料與方法

1.1 髖臼杯徑向壓縮基本假設(shè)

采取壓配固定技術(shù)的燒結(jié)涂層髖臼杯在植入前，須用髖臼銼對(duì)患者髖臼部位進(jìn)行銼修，使得患者的髖臼部位形成一個(gè)滿足一定壓配量的、略小于髖臼杯外徑的半球形髖臼窩，用以滿足燒結(jié)涂層髖臼杯的植入；燒結(jié)髖臼杯在植入這個(gè)半球形髖臼窩時(shí)，髖臼杯的變形勢(shì)必由壓配時(shí)最先接觸髖臼窩皮質(zhì)骨的兩處（髖臼窩的前上緣、后下緣）開始。故本文以邊緣加載用于模擬燒結(jié)髖臼杯在髖臼前上緣至后下緣軸線上的壓配變形。

1.2 髖臼杯徑向壓縮模型建立

依據(jù)薄壁燒結(jié)髖臼杯（髖臼杯材料Ti6Al4V，材料屬性如表1所示[5]）各個(gè)規(guī)格的外形特征，在 NX10.0環(huán)境下，建立其實(shí)體模型，同時(shí)亦建立與之對(duì)應(yīng)的負(fù)載壓板模型。髖臼杯規(guī)格為38#至72#，髖臼杯外徑每隔2 mm 一跳。圖1為其中一個(gè)規(guī)格髖臼杯及負(fù)載壓板模型。

圖1 髖臼杯及負(fù)載壓板模型

表1 髖臼杯材料屬性

1.3 邊界條件及模型加載

將上述各個(gè)規(guī)格的實(shí)體模型導(dǎo)入ABAQUS6.13進(jìn)行數(shù)值模擬。將負(fù)載壓板與髖臼杯杯口接觸面做綁定處理，并將負(fù)載壓板設(shè)置為剛體，如圖2A所示；加載力為2000N，方向垂直于左側(cè)負(fù)載壓板平面（平行于X軸），右側(cè)負(fù)載壓板平面設(shè)置為固定約束，如圖2B所示[6]。

圖2 邊界條件：A.接觸面綁定及負(fù)載壓板剛體處理；B.加載力及固定約束

1.4 網(wǎng)格收斂性分析

對(duì)各個(gè)規(guī)格的計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為C3D10。并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行收斂性分析，兩者分析結(jié)果的差異≤5%，則計(jì)算結(jié)果收斂[5]。圖3為其中一個(gè)規(guī)格髖臼杯的網(wǎng)格收斂性分析，收斂前的網(wǎng)格如圖3A所示；收斂后的網(wǎng)格如圖3B所示。

圖3 網(wǎng)格收斂性分析：A.收斂前網(wǎng)格；B.收斂后網(wǎng)格

1.5 力學(xué)試驗(yàn)

針對(duì)數(shù)值模擬分析篩選出的杯口變形量最大的髖臼杯進(jìn)行實(shí)際力學(xué)測(cè)試。將負(fù)載壓板如圖4A固定在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，并在豎直方向上提供2000N的載荷直接作用在髖臼杯杯口如圖4B所示，用以測(cè)試髖臼杯杯口實(shí)際變形量。

圖4 實(shí)際力學(xué)試驗(yàn)：A.負(fù)載壓板裝夾；B.載荷作用

髖臼杯杯口變形量為變形前的杯口直徑減去變形后的杯口直徑。杯口剛度定義為每單位變形量所對(duì)應(yīng)的加載力。

2 結(jié)果

2.1 數(shù)值模擬下的髖臼杯變形量

通過(guò)數(shù)值模擬分析，得出在負(fù)載壓板作用下的各個(gè)規(guī)格髖臼杯杯口均發(fā)生一定程度的形變，表2為網(wǎng)格收斂后的變形量。

表2 髖臼杯杯口最大變形量

上接表2

其中形變量最大的髖臼杯規(guī)格為54#，其應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示，其杯口最大變形量為0.6931 mm。

圖5 規(guī)格54#髖臼杯的應(yīng)變?cè)茍D

2.2 力學(xué)試驗(yàn)下的髖臼杯實(shí)際變形量

通過(guò)6次實(shí)際力學(xué)測(cè)試（每次測(cè)試將髖臼杯旋轉(zhuǎn)60°），并用千分尺測(cè)量變形前后的髖臼杯杯口直徑，得出規(guī)格54#的髖臼杯杯口最大形變量平均值為0.661 mm，所對(duì)應(yīng)的杯口剛度為3 025.7 N/mm。

2.3 對(duì)比

通過(guò)翻閱文獻(xiàn)[6]，得知DEPUY上市產(chǎn)品Pinnacle的現(xiàn)有規(guī)格（與本文中的薄壁燒結(jié)髖臼杯相同的杯口直徑）髖臼杯杯口的剛度，如圖6所示；其中規(guī)格54#的杯口剛度最小，為2 333N/mm。

圖6 DEPUY Pinnacle髖臼杯杯口剛度

3 討論

髖臼杯的變形必定會(huì)導(dǎo)致髖臼杯內(nèi)腔幾何尺寸的變化，這可能對(duì)流體膜潤(rùn)滑和磨損產(chǎn)生不利影響，并且在極端情況下，會(huì)消除髖臼內(nèi)襯與股骨球頭之間的間隙并導(dǎo)致股骨球頭被卡住[7]。

通過(guò)有限元數(shù)值模擬，分析了本文中的各個(gè)規(guī)格的燒結(jié)薄壁髖臼杯，得出其變形量最大的髖臼杯規(guī)格為54#（髖臼杯外徑為54 mm），并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)際的力學(xué)試驗(yàn)，計(jì)算得出了其杯口剛度。DEPUY Pinnacle髖臼杯是上市已久的成熟髖臼杯，其各個(gè)規(guī)格的髖臼杯的杯口剛度可通過(guò)文獻(xiàn)查得，其變形量最大的髖臼杯規(guī)格為54#（髖臼杯外徑為54 mm），其杯口剛度為2 333N/mm。Pinnacle髖臼杯并沒有因?yàn)槠浔谧冃瘟慷黾雨P(guān)節(jié)面的磨損和或內(nèi)襯鎖定機(jī)構(gòu)的損壞，在于其同等外杯直徑的髖臼杯杯口剛度對(duì)比中，本文中的燒結(jié)薄壁髖臼杯的杯口剛度優(yōu)于Pinnacle杯口剛度。本文中的薄壁燒結(jié)髖臼杯擁有足夠的剛度，其變形量不會(huì)影響髖臼內(nèi)襯、股骨球頭的正確定位和鎖定，不會(huì)影響關(guān)節(jié)面的潤(rùn)滑和摩擦特性。

本文的不足之處主要體現(xiàn)在，只對(duì)一個(gè)髖臼杯進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)，樣本量不足，在接下去的研究中，會(huì)增大試驗(yàn)髖臼杯的樣本量，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確。