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目前已成為治療晚期膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)疾病的有效治療方法。但是，每年因各種原因需要接受膝關(guān)節(jié)假體修復(fù)手術(shù)的患者仍有很多。除了感染原因外，最多見的修復(fù)原因是聚乙烯襯墊磨損導(dǎo)致的假體松動(dòng)。根據(jù)磨損理論，聚乙烯襯墊的磨損速率與其表面的載荷大小成正比，而假體表面壓應(yīng)力的異常增高主要是由于假體間的對(duì)位不良。研究表明，TKA對(duì)假體對(duì)位的精度要求非常高，偏差就可能使手術(shù)效果相去甚遠(yuǎn)。本研究通過對(duì)TKA 術(shù)后膝關(guān)節(jié)進(jìn)行有限元分析，然后結(jié)合正交試驗(yàn)方法，優(yōu)化股骨假體植入的定位參數(shù)，使得聚乙烯襯墊表面壓應(yīng)力峰值最小化，目的是指導(dǎo)術(shù)中植入定位，以降低假體的磨損速度，延長假體的使用壽命。
由高速三維激光掃描機(jī)對(duì)人工膝關(guān)節(jié)假體各個(gè)組件( 美國精技公司后交叉韌帶替代型假體) 分別進(jìn)行掃描，得到各自三維輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過曲面反求重構(gòu)，獲取假體各組件的三維工程化模型。
將脛骨腓骨遠(yuǎn)端固定，約束股骨的屈伸運(yùn)動(dòng)，股骨其它方向的運(yùn)動(dòng)不受限制。皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨假體與截骨面之間使用捆綁約束，股骨假體聚乙烯襯墊和脛骨假體之間定義接觸(股骨假體聚乙烯襯墊，聚乙烯襯墊脛骨假體)，摩擦系數(shù)設(shè)為股骨上端給予施加軸向向下的載荷，模擬站立位膝關(guān)節(jié)的受力情況。
根據(jù)正交試驗(yàn)方法，安排9組試驗(yàn)水平組合，建立9個(gè)不同的9膝關(guān)節(jié)有限元模型，分別對(duì)每個(gè)模型設(shè)置相同的材料屬性及邊界條件，進(jìn)行有限元分析，經(jīng)過正交優(yōu)化試驗(yàn)處理并進(jìn)行極差和方差分析，確定不同股骨假體植入定位參數(shù)對(duì)聚乙烯襯墊上表面壓應(yīng)力峰值的影響，并獲取一組使得壓應(yīng)力峰值最小的最優(yōu)參數(shù)組合。
在本研究中，如果對(duì)股骨假體的3個(gè)定位因素在3個(gè)不同水平下進(jìn)行全面的分析計(jì)算，共需要?jiǎng)?chuàng)建27個(gè)膝關(guān)節(jié)有限元模型，而利用正交試驗(yàn)法可以明顯減少計(jì)算工作量，只用9個(gè)模型的分析結(jié)果就能夠幫助預(yù)測(cè)全部模型的結(jié)果分布特征和趨勢(shì)。在這過程中，我們還進(jìn)一步對(duì)結(jié)果進(jìn)行方差分析，由方差分析可知，內(nèi)外平移量對(duì)聚乙烯襯墊上表面壓應(yīng)力峰值的影響最顯著，其次是外旋角度，而外翻角度影響最小。
通過有限元仿真技術(shù)并結(jié)合正交試驗(yàn)方法，可以對(duì)TKA股骨假體的植入定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定不同定位參數(shù)對(duì)TKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)表面壓應(yīng)力的影響，指導(dǎo)TKA術(shù)中假體的植入，有助于降低關(guān)節(jié)所受應(yīng)力，同時(shí)，本研究結(jié)果對(duì)新型TKA假體的設(shè)計(jì)也有一定幫助。但是TKA術(shù)后膝關(guān)節(jié)有限元模型中各部件材料屬性的確定，邊界條件的建立，載荷的正確加載以及動(dòng)態(tài)分析等問題還需進(jìn)一步研究。
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