基于接触力学的膝关节假体几何参数研究

宋春燕，刘 峰，李宏伟

(中北大学机械工程学院，山西 太原 030051)

作者简介：宋春燕（1994—）,女，硕士研究生，主要研究方向为机械工程，ddliliscy@foxmail.com.

通讯作者：刘峰，男，教授，fengliu@nuc.edu.cn.

摘要：为了确定全膝关节置换假体几何参数对关节假体接触面积和接触应力的贡献度，设计了符合实际使用要求的膝关节假体，建立了基于Isight平台的膝关节假体参数化有限元模型。使用最优超立方拉丁采样方法对膝关节假体的几何参数进行采样并在SolidWorks中进行参数化建模，利用ABAQUS软件进行有限元分析得到其性能指标，根据二次回归模型得到几何参数对性能指标的贡献占比，确定了FFR、IFR是影响接触面积与接触应力的主要因子。基于400个样本点模型得到了相比于初始模型更优的模型，其关节假体接触面积与初始模型相比降低了32.33%，胫骨衬垫也获得了更大的内旋角度（8.4°），进一步提高了假体的运动性能。

关键词：膝关节置换假体；Isight平台；参数化建模；有限元分析；接触力学

中图分类号：Q66   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)04-0008-05

超高分子量聚乙烯膝关节假体胫骨关节面的磨损被认为是影响膝关节假体远期使用寿命的根本因素。Abdelgaied等^［1］通过仿真建模与模拟机实验，所得结果均表明膝关节假体的几何参数对假体磨损产生显著影响；王猛等^［2］认为假体冠状面上的形合度是影响膝关节接触应力的关键参数，但未能定量地给出设计结果；Mazzucco等^［3］指出，聚乙烯体积的磨损会随接触面积增大而增大，胫骨关节面的磨损应依据基于接触面积的磨损模型来进行评估。根据磨损与接触力学的关系^［4］，当接触应力小于疲劳应力^［2］时，具有较小接触面积的膝关节假体能够很大程度上减小磨损进而延长假体使用寿命。由于膝关节假体的几何参数对接触面积和接触应力的影响并不明确，因此通过改变假体几何参数来降低接触面积从而减小磨损的目的未能实现。

本文提出了基于Isight平台的膝关节假体几何参数实验设计方法，通过改变假体相关几何参数生成新的膝关节假体模型，对其进行有限元仿真，明确各几何参数对关节假体接触面积和接触应力的贡献度，得到了具有较小接触面积的优化膝关节假体模型，与初始模型进行对比，验证了实验设计方法的可靠性，为假体设计和临床选型提供了理论依据。

1 膝关节假体几何参数的选定

基于后交叉韧带保留型膝关节假体（DePuy PFC CR）^［5］的几何形状，如图1所示，本文选定如下7个几何参数用于膝关节假体的参数化建模：股骨组件矢状面前端曲率半径RDF、后端曲率半径RPF、冠状面曲率半径FFR、最低点到冠状面中线的距离W、胫骨假体矢状面前端曲率半径ISD、后端曲率半径ISP、冠状面曲率半径IFR，