人工關(guān)節(jié)假體生物力學(xué)建模分析.pdf

1、人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(Total Hip Arthroplasty，THA)是恢復(fù)患者勞動機(jī)能的重要外科手術(shù)。成功的置換手術(shù)能使患者得以新生，恢復(fù)患者的行走功能。衡量人工關(guān)節(jié)置換是否成功的標(biāo)志是假體的存活時間，一般情況下，成功的人工關(guān)節(jié)置換術(shù)可以使假體存活10-20年，而影響假體存活、衡量假體是否存活的重要依據(jù)就是看人工關(guān)節(jié)是否能夠正常受力，整個關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化能否保持在一個合理的正常范圍之內(nèi)。本課題以股骨頭置換假體(髖關(guān)節(jié)置換)為研究對象

2、，對全髖關(guān)節(jié)置換系統(tǒng)進(jìn)行生物力學(xué)分析，研究的成果將有利于了解人工關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)的力學(xué)特性，并對整個課題下一步的存活周期研究提供理論依據(jù)。本文的主要工作是對股骨進(jìn)行高精度的三維重建，然后建立股骨的有限元模型，對其進(jìn)行受力分析。其中在三維重建之前，本文使用改進(jìn)的層間插值算法對圖片進(jìn)行插值，提高了三維重建的準(zhǔn)確性，使得圖像的質(zhì)量以及視覺效果均有較大改進(jìn)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴鑒于斷層圖像層間插值是醫(yī)學(xué)圖像三維重建的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直

3、接影響人體組織器官三維重建結(jié)果的準(zhǔn)確性，為克服傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)圖像層間插值方法邊界模糊和效率低下等缺陷，提出了一種基于相關(guān)性的醫(yī)學(xué)圖像層間插值方法。該方法充分利用人體斷層掃描數(shù)據(jù)中體素的相關(guān)性和組織相關(guān)性，采用不同的方式對不同類別的點進(jìn)行插值，并對其進(jìn)行錯誤校驗。實驗結(jié)果表明，該算法在插值圖像精度以及計算時間上比現(xiàn)有的同類插值算法有了很大的改善，能有效地應(yīng)用于三維重建。⑵為研究全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體松動的問題，通過DICOM格式的股骨醫(yī)學(xué)圖片建立

4、三維模型，并且通過對模型的面網(wǎng)格劃分、體網(wǎng)格劃分以及材料屬性的添加，建立了人體股骨的三維有限元仿真模型。此模型可以幫助醫(yī)生在手術(shù)后對關(guān)節(jié)組織進(jìn)行多角度的分析與研究，為下一步對模型進(jìn)行受力分析，以及判斷假體的使用壽命都提供的很大的便捷。⑶為研究全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體的使用壽命，對建立好的有限元模型進(jìn)行力學(xué)分析。模擬人體緩慢行走這一步態(tài)，分別在三個方向上對股骨頭以及假體施加應(yīng)力，獲取各模型的應(yīng)力分布云圖。比較人工關(guān)節(jié)置換前后股骨的應(yīng)力的變化，