股骨三維重建與髖關(guān)節(jié)置換的有限元分析.pdf

1、有限元法在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，帶來了人類醫(yī)療技術(shù)的革命。而由于病變、事故導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)功能喪失，給患者帶來了很大的不便。在人工髖關(guān)節(jié)置換中，置換重建的成功不僅取決于外科手術(shù)，更主要受到假體設(shè)計的影響，合理的假體設(shè)計是遠期關(guān)節(jié)置換成功的重要因素。假體的幾何形狀和材料性質(zhì)決定著假體和股骨的應(yīng)力狀況。定制型人工股骨假體可以提高與骨髓腔的匹配程度，因此能更好的適應(yīng)人體內(nèi)部的生物力學(xué)環(huán)境，消除對正常股骨不合理應(yīng)力的破壞，減少應(yīng)力遮擋，從而延長了股

2、骨假體的使用壽命，減少遠期假體松動幾率。本課題針對股骨結(jié)構(gòu)的多樣性及其復(fù)雜性，提出股骨三維重建的研究方法，在股骨三維重建的基礎(chǔ)上對股骨進行靜態(tài)分析，模態(tài)分析，步態(tài)分析和假體部分參數(shù)的髖關(guān)節(jié)置換，希望能夠為人工髖關(guān)節(jié)的個性化設(shè)計和制造，提供模型基礎(chǔ)和幾何設(shè)計和材料設(shè)計的理論依據(jù)。 利用Mimics、Geomagic和SolidWorks軟件實現(xiàn)股骨CT數(shù)據(jù)的準確傳輸和三維重建，重建模型具有較高的精度，可以利用快速原型方法制作股骨的

3、實體模型。 利用Mimics基于骨骼的灰度值對股骨賦材質(zhì)，實現(xiàn)股骨有限元模型材料正確的非均勻及各向異性描述。建立Mimics與Ansys之間的數(shù)據(jù)傳輸接口，對完整股骨進行有限元的靜態(tài)分析、模態(tài)分析和動態(tài)分析。經(jīng)分析主要得出股骨的力學(xué)特性是線性的；得出固有頻率前7階的各個頻率振型，為假體和股骨的固有頻率之間的匹配性提供參考依據(jù)；股骨干上的應(yīng)力分布范圍始終都主要集中在中下1/3處。 結(jié)合股骨脊髓腔解剖結(jié)構(gòu)特點利用CAD軟件S

4、olidWorks，建立一種能夠極大匹配髓腔的個體化假體的生成方法。在Mimics和Ansys中，實現(xiàn)股骨.假體之間的裝配，利用耦合接觸分析，分別模擬三種不同材料的假體和三個不同柄長的假體，對髖關(guān)節(jié)置換后對股骨和假體應(yīng)力分布進行分析。結(jié)果表明，置換后股骨受力基本情況不變，近端應(yīng)力遮擋顯著，中下部應(yīng)力遮擋相對較輕；降低假體材料彈性模量，可以提高股骨近端應(yīng)力，減少應(yīng)力遮擋；股骨上的應(yīng)力隨著假體柄長的增加略有增加，但是柄長對假體應(yīng)力水平影響不