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研究生： 康莊敬
Kang, Chuang-Ching
論文名稱： 定位及超高分子量聚乙烯層厚度對全人工膝關節置換術之生物力學探討
Biomechanical Evaluations of Alignment and UHMWPE Thickness on TKA
指導教授： 張志涵
Chang, Chih-Han
楊俊佑
Yang, Jun-You
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 醫學工程研究所
Institute of Biomedical Engineering
論文出版年： 2002
畢業學年度： 90
語文別： 中文
論文頁數： 74
中文關鍵詞： 有限元素法 、超高分子量聚乙烯層 、對位 、全人工膝關節置換術 、形合度
外文關鍵詞： finite element analysis (FEA), conformity, UHMWPE, alignment, total knee arthroplasty (TKA)
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    • 一般全人工膝關節置換後失敗之主因為磨耗，目前有關全人工膝關節的測試與評估，國內外相關文獻報告並不多，全人工膝關節(TKA)的探討大多偏向以簡化的幾何形狀模型模擬，或是偏著重於實驗及重於設計上的探討；對於組件間對位(alignment)對全人工膝關節之影響並未完整評估，例如相對位移量增加是否導致超高分子量聚乙烯層(UHMWPE)之磨耗(wear)增加，及造成全人工膝關節的鬆動，仍須加以評估考量；此外在設計型態上超高分子量聚乙烯層較佳厚度之選擇，進而提高全人工膝關節置換後之成功率，以及形合度(conformity)所造成之影響，也是目前膝關節生物力學研究努力的方向。
    本研究期望藉由電腦輔助工程技術，並整合CAD系統的方式，建立出精確並且完整的三維有限元素全人工關節模型，並評估不同邊界條件和負載情況下其應力應變分佈情況，探討膝關節不當的定位(malalignment position)，其界面應力對全人工膝關節置換時所產生之影響，並模擬設計參數之影響，分別給予超高分子量聚乙烯層不同之厚度，由分析結果可以使我們更加瞭解全人工膝關節生物力學行為，作為設計及手術之參考資料，並提供給予臨床醫師在治療上的參考。
    本研究初步結果顯示，不當定位對置換後關節面之界面應力產生相當大的影響，但應力改變量並不一定與定位差異量成等比例變化；另外，由設計上之形合度及接觸面積與定位差異之比較，可推論全人工膝關節設計中形合度之影響將會遠超過對位上之因素。因此本研究建議全人工膝關節置換成功之首要因素，將是提高組件間之形合度，此舉將有效分散應力，避免集中於部分區域而造成磨耗等相關問題，以提全人工膝關節之使用年限。

    The alignment of components is one factor that affects load transferring of total knee arthroplasty (TKA). For Malalignment during surgery, the excessive contact stress contributes to surface damages and high wear rate of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) component and further leads to the failure of TKA. The Conformity and thickness are design factors that also affect the stress associated with surface damage and subsequent generation of harmful polyethylene debris. The purpose of this study was to investigate the biomechanical effects of TKA for various UHMWPE thicknesses and alignments as well as conformity by three-dimensional finite element analysis (FEA).
    The results indicated that reduce the thicknesses of UHMWPE would increase the interface stress but the effect was not as serve as previous studies. The malalignment during TKA surgery would greatly affect the interface stress between femoral and tibial components. However, the stress variations did not show a consistent trend with the malalignment amounts. Inspect the deformation of various of malalignment condition, it was observanted that the real factor that affect the conformity was stress distribution of TKA. This outcome suggested that the conformity was the major factor in evaluating the load transfer between TKA components. Also from the evaluation of conformity, it was acknowledged that if conformity could not be maintain with suitable alignment, a plane UHMWPE design could offered less peak stress from current simulation.
    Key word： total knee arthroplasty (TKA), UHMWPE, conformity, alignment, finite element analysis (FEA)

    目錄 中文摘要………………………I 英文摘要………………………II 誌謝……………………………III 目錄……………………………IV 表目錄…………………………VI 圖目錄…………………………VI 第一章 前言……………………………………1 1.1 簡介…………………………………………1 1.2 膝關節及全人工膝關節之生物力學探討…………3 1.2.1 膝關節解剖構造簡介……………………………3 1.2.2 膝關節之生物力學………………………………5 1.2.3 全人工膝關節構造簡介…………………………8 1.2.4 全人工膝關節功能性解剖和生物力學原則……12 1.3 文獻回顧………………………14 1.4 研究動機與目的………………21 第二章 材料與方法………………22 2.1 研究流程概述……………………………22 2.2 三維有限元素模型建立程………………24 2.3 全人工膝關節不同對位位置與不同超高分子量聚乙烯層厚度之說明…………………………………29 2.4 模型之負荷與邊界條件…………………33 2.5 形合度(conformity)模擬之設定………36 第三章 結果…………………………………37 3.1 對位基準情況下之全人工膝關節分析模擬結果…37 3.2 形合度(conformity)之分析模擬結果……………40 3.3 不同對位位置情況下之全人工膝關節分析模擬結果41 3.3.1 前後方向(anterior-posterior translation)之不當對位........41 3.3.2 內外側方向(medial-lateral translation)之不當對位….....44 3.3.3 內旋外轉方向(internal-external translation)之不當對位…………………………………48 3.4 超高分子聚乙烯層不同厚度情況下之全人工膝關節分析模擬結果…………………………………52 第四章 討論與結論………………………55 4.1 Von Mises Stress發生之位置…………………55 4.2 形合度(conformity)之影響……………………56 4.3造成尖峰應力值之位置探討(Peak location)……57 4.4不同對位位置情況下之力學影響…………………59 4.4.1 前後側方向不當對位之探討…………………59 4.4.2 內外側方向不當對位之探討…………………59 4.4.3 內旋外轉方向不當對位之探討………………61 4.4.4 與最低點對位位置之比較……………………61 4.5 超高分子量聚乙烯層厚度與contact stress之關係……………63 4.6 有限元素模擬與相關條件設定………………64 4.7摩擦力之影響…………………………………65 4.8 結論與未來展望………………………………68 參考文獻……………………………………………69 表 目 錄 表一 模型所使用之材料參數………………………28 表二 形合度分析所獲得之數據……………………40 表三 在相對於對位基準之位置前後方向平移所獲得之數據………42 表四 在相對於對位基準之位置往內側平移所獲得之數據…………45 表五 在相對於對位基準之位置往外側平移所獲得之數據…………45 表六 在相對於對位基準之位置往內側旋轉所獲得之數據…………49 表七 在相對於對位基準之位置往外側旋轉所獲得之數據…………49 表八 於對位基準之位置變化厚度所獲得之數據……53 表九 不同厚度情況下，所產生之摩擦力……………66 圖 目 錄 圖一 全人工膝關節置換構造…………………………2 圖二 全人工膝關節UHMWPE磨耗………………………2 圖三 膝關節之解剖構造(正面)………………………4 圖四 膝關節之解剖構造(側面)………………………4 圖五 膝關節屈伸活動時，其橫軸在股骨髁上形成一個“J”型曲線.6 圖六 膝關節之半月軟骨解剖構造……………………6 圖七 全人工膝關節組成構造…………………………9 圖八 Insall-Burstein型全人工膝關節……………10 圖九 TCP II型全人工膝關節制動原理……………10 圖十 後方穩定型假體，防止過度伸張……………11 圖十一 適當的對位位置………………………………14 圖十二 理想以及3度varus之力量分佈………………15 圖十三 對位基準(a ,c)及不當對位(b ,d)………16 圖十四 有限元素模型………………………………17 圖十五 Max Contact Stress and Von Mises Stress........17 圖十六 厚度&接觸應力圖表………………………18 圖十七 簡化之有限元素模型………………………19 圖十八 本研究之流程圖……………………………23 圖十九 全人工膝關節三維模型建立流程…………25 圖二十 三維有限元素全人工膝關節模型…………27 圖二十一 全人工膝關節對位基準 (a)矢狀面(sagittal view)…………………………29 (b)冠狀面(coronal section)………………………29 圖二十二 往內外兩側(medial-lateral side)分別做0、0.25、0.5、1.0、1.5、2.0 mm的側………………31 圖二十三 往前後兩側(anterior-posterior side)分別做0、2.0、4.0 mm的位移量...................31 圖二十四 分別做內轉(internal rotation)及外轉(external rotation)動作，其轉角為0、1、3、5、7度………………………32 圖二十五 超高分子量聚乙烯層(UHMWPE)不同厚度之模擬，分別為2.5、3、4、5、6、7、8、9 mm………………………32 圖二十六 邊界條件設…………………………34 圖二十七 負荷條件設定………………………34 圖二十八 Contact Condition設定…………35 圖二十九 變更脛骨組件之全人工膝關節……36 圖三十 脛骨組件變更為平面而無曲度....36 圖三十一 Max Von Mises Stress...............................38 圖三十二 Max Von Mises Stress 冠狀切面…38 圖三十三 對位基準狀況下Contact Pressure之分佈…39 圖三十四 Max Von Mises Stress (A-P)……………42 圖三十五 Contact Pressure (peak)(A-P)…………43 圖三十六 Average Contact Pressure(A-P)…………43 圖三十七 Max Von Mises Stress (M-L)………………46 圖三十八 Contact Pressure (peak)(M-L)……………46 圖三十九 Average Contact Pressure (M-L)…………47 圖四十 Max Von Mises Stress (I-E)…………50 圖四十一 Contact Pressure (peak) (I-E)…………50 圖四十二 Average Contact Pressure (I-E)…………51 圖四十三 Max Von Mises Stress (Thickness)………53 圖四十四 Contact Pressure (peak)(Thickness)……54 圖四十五 Average Contact Pressure (Thickness)…54 圖四十六 不同形合度之Contact Area (A)形合度較大之脛骨組件接觸面積分布………………56 (B)形合度較小之脛骨組件接觸面積分布………………56 圖四十七 對位基準狀況下組件之間距及幾何外型之矢狀切面 (A)脛骨組件外側之切面…………………………………58 (B)脛骨組件內側之切面…………………………………58 圖四十八 股骨組件往外側移動3mm，產生3000N反力時，脛股骨組件間之初始間距，虛線表示位移前之位置 (A)脛骨組件外側剖面…………………………………60 (B)脛骨組件內側剖面…………………………………60 圖四十九 股骨組件內轉3度產生3000N反力時，脛骨組件內為兩側之位移量，虛線表示位移前之位置 (A)脛骨組件外側剖面……………………………………62 (B)脛骨組件內側剖面……………………………………62 圖五十 Bartel等學者所研究出UHMWPE厚度與Contact Stress之關係……………63 圖五十一 不同材料性質狀況下，所產生之摩擦係數…66

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    下載圖示 校內：立即公開
    校外：2002-08-09公開
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