模块化矫形器常用于置换关节中，它使外科医生能够直接根据患者的需要定制植入物的大小、材料和设计。这些植入物组件需要进行正确地装配，来达到灵活性和定制化的设计平衡。对于没有理想匹配的组件，它的不匹配表面上的微运动和应力会导致微动疲劳和腐蚀。为了量化和防止这种损伤，Continuum Blue 公司的研究人员对股骨植入物设计的变化进行了评估。
模拟步态周期中的荷载
走几步，看看你的臀部是如何转动的。你会发现你的体重在左右两侧不断转移，而你的腿每走一步都会弯曲、摆动，然后伸直。因此，一个好的模块化髋关节置换系统需要能够允许人体自由地进行自然运动，包括行走、跑步或上下楼梯。除此之外，它还必须足够耐用，能够承受在这些运动中不断变化的、有时甚至是过多的负荷，同时需要由能与身体很好地配合和互动的轻质材料组成。
模块化植入物通常包括股骨颈、股骨头、股骨体，或整个关节系统。从钢、钛合金到聚合物和陶瓷，有很多材料可供外科医生选择，具体取决于病人的需要。然而，材料和几何形状的选择会影响随着时间的推移而发生的磨损量，因此某些组件的组合比其他组件的组合更好。由于有这么多不同的因素影响，这些组件需要严格的容差和正确的材料组合，才能正常运作并持续使用，这一点也不足为奇。
股骨切除患者人工髋关节置换术的虚拟植入。
设计和决策过程中的一个关键部分是研究组件的模块化组合在动态负荷和压力下的表现。为了更好地了解可用的组合，并帮助医疗专业人员做出决策，Continuum Blue 的工程师对三种股骨颈和股骨头植入物组合进行了建模，来研究微动疲劳，就是一个表面在另一个表面上反复相对滑动造成的疲劳磨损。
股骨头包含一个用于插入股骨颈的倾斜通道，而股骨颈必须正确的逐渐变窄来适应这个通道。工程师们研究了三种不同的几何配置，使用不同的材料制作股骨头和股骨颈，以确定哪种配置最能减少微动疲劳。
三种不同的杆头配置：理想匹配、正错位和负错位。
Continuum Blue 利用 Bergmann 等人的运动学负荷数据，并基于四组患者的平均值，使用 COMSO L Multiphysics 进行模拟和分析股骨头的循环载荷。在知道载荷会在转动的不同位置发生变化的情况下，他们使用 COMSOL 模型来确定行走步态周期中不同点的载荷，并根据运动学数据验证了他们的结果。
仿真结果显示步态周期中的动态载荷和应力。
压力与健康：哪种选择持续时间最长？
材料疲劳可以通过研究接头循环加载时出现的平均应力和应力振幅来确定。就像前面显示的股骨头负荷一样，股骨颈的应力也会在一个步态周期中发生变化。随着腿部规律的运动，观察到的应力将会出现振荡，反映出人走路时的重复运动。
研究中使用的钛合金股骨颈和钴铬合金股骨头的 SN 曲线。
Continuum Blue 用两种不同的材料评估了这三种配置，一种是用于股骨头的钴铬合金，一种是用于模块化植入物股骨颈的钛合金。对于每种材料，他们分别计算了在一个步态周期内观察到的应力，并将这些应力与材料的 SN 曲线和接触面的微动相关联。这样他们就能够预测该装置在微动疲劳成为一个问题之前可以经历的步态周期数。
每种配置在步态周期中发生微动疲劳的区域。
他们的模拟结果显示了一个出人意外的事实：即股骨头通道与股骨颈两侧完全对齐的“理想的”匹配，并不是 最小化微动疲劳的最佳配置。相反，具有轻微正错位的配置被证明是一个更好的选择，表现出较低的应力和整体微动疲劳。
Continuum Blue 通过仿真能够预测步态周期内不同点上的应力、接触压力和最容易产生微动疲劳的区域。在未来的研究中，还有许多其他因素需要考虑，如植入物对不同程度的错位的敏感性；其他设计和几何结构的变化；不同的材料；以及可能影响结果的表面处理、涂层或粗糙度的影响。他们的仿真工作已经经过验证，可以预测三种配置的植入物将会发生的磨损，这为他们评估模块化植入装置的寿命提供了希望。所以，如果你需要分析置换关节，就知道该找谁了。
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- 2012 COMSOL 用户年会演讲：”全髋关节置换的模块化植入物的微动磨损和疲劳分析“
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