股骨—假體系統(tǒng)中假體設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析研究.pdf

1、生物醫(yī)學(xué)工程的迅速發(fā)展，帶來(lái)了人類醫(yī)療技術(shù)的革命。而病變、事故等原因?qū)е麦y關(guān)節(jié)功能喪失，還是給患者帶來(lái)了很大的不便。而人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后的中遠(yuǎn)期效果還不能令人滿意，仍然有無(wú)菌性松動(dòng)等并發(fā)癥。因此工學(xué)和醫(yī)學(xué)界都十分重視人工股骨(特別是髖關(guān)節(jié))的研究，此項(xiàng)技術(shù)對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程具有重要意義。在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，定制型人工股骨假體由于實(shí)現(xiàn)了與股骨髓腔的最佳匹配，因而能更好地適應(yīng)人體內(nèi)部的生物力學(xué)環(huán)境，減小應(yīng)力遮擋，從而延長(zhǎng)了假體的使用壽命。但由于

2、股骨幾何形態(tài)及股骨材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在實(shí)際置換應(yīng)用中，設(shè)計(jì)一個(gè)什么樣的假體結(jié)構(gòu)來(lái)有效地進(jìn)行髖關(guān)節(jié)固定，至今仍缺乏有效依據(jù)。
　　 本課題來(lái)源于高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20060611014)。研究的目的是通過(guò)建立數(shù)字化股骨—假體系統(tǒng)模型，結(jié)合骨材料賦值程序與ABAQUS軟件及優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件OptiStruct為平臺(tái)，模擬髖假體固定的生物力學(xué)靜、動(dòng)態(tài)仿真，以及在仿真基礎(chǔ)之上的假體拓?fù)鋬?yōu)化分析，本文的研究主要包括以下幾個(gè)方

3、面：
　　 ①將患者股骨CT圖像數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入最新醫(yī)學(xué)工程圖像處理軟件Simpleware，得到由CT圖像組成的股骨的三維空間顯示。利用空間采樣，剪切，通體，圖像分割，濾噪，光順等操作，導(dǎo)出具有高精度股骨表面圖像stl格式文件。
　　 ②根據(jù)股骨三維反求原理，采用線—面—體的方法，將st1文件導(dǎo)入Imageware中，以1mm的間距對(duì)股骨作平行截面，提取輪廓線并進(jìn)行整體光順，重新參數(shù)化處理，將得到股骨及髓腔輪廓線導(dǎo)入PRO

4、/E中，建立帶髓腔的股骨三維實(shí)體模型。
　　 ③基于接觸理論與骨材料賦值研究成果，將前期師兄研制的材料賦值軟件與ABAQUS軟件建立轉(zhuǎn)化接口，以功能強(qiáng)大的非線性分析軟件ABAQUS為平臺(tái)，針對(duì)設(shè)計(jì)并改進(jìn)設(shè)計(jì)的解剖型假體，在靜態(tài)與步態(tài)周期時(shí)變載荷作用下，分別探討了骨水泥與生物學(xué)固定髖關(guān)節(jié)假體的生物力學(xué)特性。
　　 ④在股骨—假體系統(tǒng)接觸有限元計(jì)算分析基礎(chǔ)上，首次以O(shè)ptiStruct軟件平臺(tái)，根據(jù)載荷的最優(yōu)傳遞路線原理，探