定制股骨假体的机器人铣削系统集成设计与有限元分析：解决假体稳定性难题的创新之路

为解决非骨水泥型股骨假体的稳定性问题，研究人员开展定制假体设计制造研究，结果有效控制力传递，铣削误差小于 1mm。

　　在骨科领域，髋关节置换术（Total Hip Arthroplasty，THA）是治疗各种髋关节疾病的常用手术方式 。然而，术后却面临着诸多挑战。其中，非骨水泥型股骨假体的长期稳定性问题尤为突出，像无菌性松动、微动（micromotion）和应力遮挡（stress shielding）等，这些问题都与假体的力传递密切相关。而且，由于人体股骨存在个体差异，假体在设计阶段与股骨腔的适配情况，往往和手术时的实际情况不一致。这就导致术后假体的力传递情况，和设计阶段有限元分析（Finite Element Method，FEM）的结果不相符，使得控制假体的微动和应力遮挡变得困难重重，严重影响了假体近端的骨整合（osseointegration），进而导致假体在股骨腔内出现无菌性松动。

为了攻克这些难题，解放军第 82 医院的研究人员开展了一项关于定制股骨假体的研究。该研究成果发表在《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》上。研究旨在设计一种基于患者股骨 CT 重建的定制股骨假体，使假体在设计阶段与股骨腔的适配和手术时一致，从而利用设计阶段的有限元分析结果来控制术后假体的力传递，预防假体近端不适当的微动和应力遮挡，促进假体近端的骨整合，提高假体在股骨腔内的初始稳定性。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，基于患者股骨的 CT 图像重建股骨 3D 模型，通过布尔运算得到股骨腔 3D 模型，以此为指导设计定制假体的套筒和柄。然后，将定制假体与股骨 3D 模型组合构建有限元分析模型，利用有限元软件分析假体的力传递特性，优化假体几何参数。在制造环节，运用 CAD/CAM/ 机器人集成技术，将 CAD 模型导入 CAM 软件生成切割路径，经处理后得到机器人铣削路径，并对机器人铣削系统进行校准，确保加工精度。

在研究结果方面：

• 假体设计：成功构建了股骨腔和假体柄的 3D 模型。定制假体采用直柄设计，股骨颈与股骨腔轴线有 8mm 的夹角，使假体尖端能保持在股骨头中心，套筒基于股骨近端解剖形状设计，类似 S-ROM 假体。
• 有限元分析：对不同拟合长度的假体进行有限元分析，发现随着假体远端柄拟合长度的减小，施加在假体上的力更容易传递到股骨近端。通过调整远端柄拟合长度、修改柄和套筒的形状，可以有效控制假体的力传递。当施加在假体上的力不超过一定数值（如拟合长度为 50mm 时，力不超过 480N；拟合长度为 25mm 时，力不超过 350N ），可保证假体的初始稳定性，避免近端股骨出现显著微动，有利于骨整合。
• 机器人铣削制造：利用机器人皮带铣削技术制造定制假体，对铣削后的假体柄进行测量。选取两个截面，每个截面测量 72 个点，结果显示平均误差在 0.25 - 0.29mm 之间，最大误差小于 0.63mm，最小误差在 -0.04mm 左右，方差较小。同时发现，相邻铣削路径间距和最后一层的切削深度会影响铣削精度，较小的间距和较浅的切削深度能提高精度，且铣削后可使用细磨粒皮带进一步细化表面。

研究结论表明，定制假体的有限元分析能有效管理力传递，确保假体的初始稳定性，促进骨整合，提高假体长期稳定性。机器人铣削制造的定制假体铣削误差小于 1mm，且相比传统的 CNC 加工，机器人铣削成本更低、加工周期更短。该研究提出的定制假体集成设计与制造方法，将设计、有限元分析和制造过程相结合，缩短了设计和生产时间，为定制股骨假体的临床应用提供了更可靠的技术支持，对改善髋关节置换术的治疗效果具有重要意义，有望为更多髋关节疾病患者带来更好的治疗体验和预后。