デュアルの3Dモデルにおける接触圧力の解析

Scientific Reports volume 13、記事番号: 3564 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

人工股関節は、人体の股関節機能を代替するために使用されます。 最新の二重可動性人工股関節には、ライナーコンポーネントのカバーとして機能するアウターライナーの追加コンポーネントがあります。 歩行サイクル下で最新モデルの二重可動性人工股関節に発生する接触圧力に関する研究はこれまでに行われたことがありません。 このモデルは、インナーライナーが超高分子量ポリエチレン (UHMWPE)、アウターライナーと寛骨臼カップが 316L ステンレス鋼 (SS 316L) で作られています。 有限要素法を使用したシミュレーション モデリングは、二重可動性人工股関節の幾何学的パラメータ設計を研究するための陰的ソルバーによる静的荷重と見なされます。 本研究では寛骨臼カップ構成要素に30°、40°、45°、50°、60°、70°の様々な傾斜角度を適用してシミュレーションモデリングを実行しました。 22 mm、28 mm、および 32 mm で使用される大腿骨頭直径を変化させて、大腿骨頭基準点に 3 次元荷重を加えました。 インナーライナーの内面、アウターライナーの外面、寛骨臼カップの内面の結果は、傾斜角の変化がライナーコンポーネントの最大接触圧力値に大きな影響を及ぼさないことを示しました。ここで、傾斜角 45° の寛骨臼カップは、調査された他の傾斜角バリエーションよりも接触圧力を低減できます。 さらに、大腿骨頭の直径が 22 mm であるため、接触圧力が増加することがわかりました。 45 度の傾斜で寛骨臼カップ構成を備えた大径の大腿骨頭を使用すると、摩耗によるインプラントの破損のリスクを最小限に抑えることができます。

二重可動性股関節プロテーゼは、10 年間の使用で脱臼のリスクを脱臼率 0.9% まで低減し 1、全体的な安定性と可動域を増加させるために導入されました 2,3。 日常使用時の可動範囲を広げるために作られています4。 可動範囲が広がることで、人工股関節の衝突を回避できます。 従来の二重可動性人工股関節モデルで発生する 2 つの一般的な相互作用は、寛骨臼カップとライナー、およびライナーと大腿骨頭であり、2 つの異なる位置で摩耗を引き起こします5、6。

超高分子量ポリエチレン (UHMWPE) は、特に股関節置換術の支持材料として広く使用されている材料です 7,8。 医療分野で使用される UHMWPE の種類は、分子量が 350 ～ 600 万 g/mol、結晶化度が 50 ～ 55% の範囲にあります。 さらに、金属は整形外科分野でも一時的および恒久的な装置の両方で広く使用されています。 永久的な整形外科用器具 (プロテーゼ) での金属の使用は、金属の破片が体組織、特に骨と相互作用するときに発生する可能性のある化学反応の考慮から切り離すことはできません 10、11、12。

Adam et al.13 は、摩耗には 2 種類あることを発見しました。 凸面の相互作用の結果として生じる摩耗は、凹面で発生する摩耗よりも大きな値を持ちます。 骨溶解と金属変性は、二重可動性股関節プロテーゼコンポーネントで発生する摩耗によって生じる破片によって引き起こされます14、15。 ポリエチレンの摩耗粉の量を減らすために、ライナーに金属製のカバー部品を追加し、ポリエチレンの凸面に大きな摩耗が発生しないようにしました。 さらに、Saputra et al.16 による二重可動性人工股関節モデルには、ポリエチレン ライナー全体を覆う追加の外側ライナー コンポーネントがあります。

二重可動性人工股関節の摩耗を評価するための実験および臨床試験には、より高いコスト、高度な機器、およびより長い期間が必要です17、18、19。 実験研究や臨床研究が直面する障害を回避するには、有限要素法に基づく計算シミュレーションが戦略的な選択肢となり得ます 20,21。 このアプローチは、さまざまなパラメーターを備えた二重可動性股関節プロテーゼの開発に関する初期研究の基礎にもなり、さらなる実験および臨床試験を続ける前に、試行錯誤の取り組みで浪費されるコストとエネルギーを評価できます。研究。 コンピュータシミュレーションは、二重可動性人工股関節で研究されたさまざまなパラメータを使用して接触圧力を予測し、それを軽減する取り組みにおいて重要な役割を果たします。 接触圧力は、インプラント破損の原因の 1 つである摩耗と直線的な関係があるため、重要な側面です 22,23。