人工髖關節(jié)股骨柄有限元仿真計算

技術支持

孟德松劉乾

摘要：本文根據《ISO 7206-4/6 人工髖關節(jié)疲勞性能》要求，通過 Inspire 易用化有限元分析軟件對人工髖關節(jié)股骨柄進行有限元計算，在計算結果解析時，以位移及 VonMises 應力結果作為評判股骨柄剛度及強度性能的依據。本研究體現了 Inspire 軟件在該類仿真中設置便捷性、功能易用性、結果可靠性的特點。

0. 引言

人工髖關節(jié)股骨柄是髖關節(jié)置換術中核心組件，其性能直接影響假體在體內的功能及使用壽命。為了保證股骨柄在植入患者體內后的安全有效，需要對人工股骨柄柄身進行嚴格的耐久性試驗。為適應不同體型患者的需求，同一系列人工股骨柄通常具有多種不同型號，如若對所有產品進行逐一耐久性試驗，需要占用巨大的設備資源及資金投入。為了滿足人工股骨柄使用安全性驗證要求同時最大化節(jié)省試驗成本，將有限元方法最大風險規(guī)格的篩查和實際物理測試相結合是目前的最佳手段。

本研究按照《ISO 7206-4/6》人工髖關節(jié)植入體的耐久性和疲勞試驗方法，利用有限元分析軟件進行逐一評價，找出同一系列不同型號中力學性能最差產品（worse case），而后將 worse case 用于實際耐久性試驗。

由于人工髖關節(jié)股骨柄幾何特征復雜，如若使用傳統(tǒng)有限元軟件仿真，經常出現因網格質量問題導致計算失敗的問題，加之該類產品型號眾多求解設置復雜，從而提高了工作難度。因此使用一款自動化程度高、可靠性強的有限元軟件是極其重要的。

Inspire 是 Altair 開發(fā)的一款易用化有限元仿真工具[1]。其網格剖分內核由 SimLab 和 HyperMesh 組成，求解器內核由 OptiStruct 和 MotionSolve 組成，因此 Inspire 在劃分網格及求解可靠性方面成為人工髖關節(jié)股骨柄計算的最佳應用工具。

1. 股骨柄仿真建模及求解設置

人工髖關節(jié)股骨柄假體由柄身及球頭組成（圖 1 為簡化 CAD 模型）。根據《ISO 7206- 4/6》人工髖關節(jié)植入體的耐久性和疲勞試驗對該模型進行仿真，需要建立骨水泥及壓塊模型，同時將假體以規(guī)定傾角及深度插入骨水泥中。Inspire 的草繪功能及模型裝配功能能夠較為快捷的實現試驗標準中要求的上述內容。裝配好的模型如圖 2 所示。