無柄髖假體的設(shè)計(jì)方法研究及有限元分析.pdf

1、目前，由于病變、事故等原因?qū)е麦y關(guān)節(jié)功能喪失，在藥物無助的情況下，用人工假體替代天然關(guān)節(jié)的人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)是恢復(fù)髖關(guān)節(jié)功能的有效治療方法。但是置換術(shù)后的中遠(yuǎn)期效果不能令人滿意，植入假體出現(xiàn)無菌松動(dòng)等并發(fā)癥, 導(dǎo)致手術(shù)失敗引起翻修。國內(nèi)外研究認(rèn)為, 無菌松動(dòng)的原因分兩大類,力學(xué)因素和生物因素,例如應(yīng)力遮擋和磨損微粒碎屑等。解決假體松動(dòng)，提高其穩(wěn)定性、延長有效使用期已經(jīng)成為該領(lǐng)域醫(yī)學(xué)和工學(xué)界共同關(guān)注的重點(diǎn)前沿研究課題[1-22]。

2、 本課題來源于國家留學(xué)回國人員科研基金資助項(xiàng)目(2001345)。在設(shè)計(jì)定制無柄髖關(guān)節(jié)假體、虛擬置換股骨頭、用有限元軟件來分析股骨－假體之間的接觸并定量的測(cè)定股骨在進(jìn)行假體置換前后應(yīng)力遮擋的程度，以及利用ANSYS功能強(qiáng)大的疲勞分析模塊(fatigue)來分析無柄假體的疲勞壽命方面，筆者做了一些工作，獲得了大量的數(shù)據(jù)，為定制型無柄假體的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供思路和參數(shù)依據(jù)。 本文的主要研究工作包括以下幾個(gè)方面： ① 依據(jù)股骨的CT

3、圖片數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)符合個(gè)體的定制型無柄髖關(guān)節(jié)假體。對(duì)定制型無柄髖假體提出兩套設(shè)計(jì)方案：非解剖型無柄假體、解剖型無柄假體，并在假體設(shè)計(jì)好之后進(jìn)行虛擬置換。 ② 利用有限元軟件ANSYS的參數(shù)化語言(APDL)進(jìn)行二次開發(fā)，改造股骨材料賦值程序，在實(shí)現(xiàn)股骨有限元模型材料非均勻及正交各向異性的同時(shí)，保證其實(shí)體模型與有限元模型的統(tǒng)一。 ③ 在分析股骨－假體接觸模型前，對(duì)接觸問題的相關(guān)理論進(jìn)行總結(jié)，并利用耦合節(jié)點(diǎn)自由度和建立節(jié)點(diǎn)自由度

4、約束方程的方法對(duì)復(fù)雜的接觸問題分析進(jìn)行簡化，著重說明了節(jié)點(diǎn)自由度耦合及約束方程的設(shè)置理論和方法。 ④ 從假體對(duì)股骨的應(yīng)力遮擋效應(yīng)入手，對(duì)比分析了一種步態(tài)下的共27組模型，其中包括1組股骨在未植入假體時(shí)的受力模型以及26組假體在不同設(shè)計(jì)狀態(tài)(假體形狀、材料屬性、設(shè)計(jì)方法)時(shí)的模型。通過比較每組模型的股骨相同位置的內(nèi)、外側(cè)各5個(gè)應(yīng)力、應(yīng)變比較點(diǎn)的平均Von Mises應(yīng)力、Von Mises應(yīng)變值，就可以確定不同因素對(duì)應(yīng)力遮擋的程度