摘要：背景:膝关节假体几何参数对置换膝关节运动性能和接触力学有十分重要的影响,也决定了膝关节假体的使用寿命。目的:分析膝关节假体胫骨衬垫矢状面前端半径、矢状面后端半径、冠状面曲率半径对膝关节接触力学和运动学的影响。方法:以美国强生骨科公司全膝关节置换产品DePuy PFC CR后交叉韧带保留型假体为标准模型,通过改变该膝关节假体胫骨衬垫的矢状面前端半径、矢状面后端半径及冠状面曲率半径分别建立胫骨冠状面半径增大假体三维实体模型、胫骨矢状面半径增大假体三维实体模型与胫骨冠状面后端半径增大假体三维实体模型,并建立力控制显示动态步态周期有限元模型,模拟膝关节置换后的步态周期运动,得出胫骨衬垫在一个步态周期中的最大接触压力、接触面积、胫骨前后位移和内外转角。结果与结论:①与标准模型相比,减小冠状面形合度,胫骨衬垫的接触压力显著增大、接触面积显著减小,但减小矢状面形合度,最大接触压力和接触面积增加并不明显;②与标准模型相比,当胫骨衬垫前端曲率半径增大,胫骨的向后移动显著增加;当胫骨衬垫矢状面后端曲率半径增大时,胫骨的后移增加不明显;当胫骨衬垫前、后端曲率半径增大时,内转增大较明显,特别是在站立相阶段,最大转角从8°增至10°。胫骨衬垫冠状面曲率半径的增大对假体的运动性能影响并不明显;③结果表明,膝关节假体股骨髁与胫骨衬垫在冠状面内的形合度是影响胫骨衬垫接触面积、接触压力大小的主要几何参数,适当减小冠状面形合度不会对膝关节运动稳定性产生显著影响;假体矢状面曲率半径的一致性是影响膝关节运动的主要几何参数。

摘要：目的研究人工膝关节磨损过程的接触应力变化,针对膝关节假体因磨损而引发的振动设计信号采集系统,为人工膝关节磨损状态在线监测提供新的技术手段。方法为有效采集振动信号,通过分析膝关节假体在运动过程中的动力学模型,得到胫骨衬垫接触应力主要分布区域,确定振动传感器的最佳安装位置。通过拉格朗日方程求解膝关节股骨假体的动力学模型,获取股骨假体的力矩变化曲线验证有限元分析的有效性。通过摩擦磨损试验中不同安装位置振动传感器采集的信号和不同区域表面形貌进行对比,验证采集系统设计和有限元分析结果的有效性。结果基于动力学仿真分别得到屈曲、内外旋、前后位移和上下位移4个自由度下胫骨衬垫的接触应力集中区域。胫骨衬垫的中部和后部接触应力集中明显,振动传感器安装在胫骨衬垫后端,采集到的信号具有更大幅值,有利于膝关节假体振动信号的特征提取。结论基于动力学仿真分析设计的振动信号采集系统能够有效采集人工膝关节在磨损过程中产生的振动信号。研究结果为后续探究人工膝关节的磨损机制、实现其全寿命健康状态监测提供重要手段。