股骨自適應(yīng)再造仿真研究.pdf

1、在藥物治療由于病變、事故等原因?qū)е麦y關(guān)節(jié)功能喪失的疾病不起作用的情況下，用人工假體替代天然關(guān)節(jié)，即進(jìn)行人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)，這種方法是恢復(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，置入假體出現(xiàn)假體松動(dòng)等并發(fā)癥, 導(dǎo)致手術(shù)失敗引起翻修。解決假體松動(dòng)，提高其穩(wěn)定性、延長(zhǎng)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)前沿科研課題。中外學(xué)者為了提高假體置入后的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，研制出了多材料、多種形狀、多種假體表面處理技術(shù)的假

2、體，手術(shù)中采取了多種固定方法，盡管有的假體設(shè)計(jì)制作技術(shù)的改進(jìn)對(duì)假體的置入穩(wěn)定性有所提高，但都沒(méi)有實(shí)質(zhì)的改變和進(jìn)步，仍然發(fā)現(xiàn)假體移位變形，股骨的結(jié)構(gòu)和其骨量的分布發(fā)生了變化。究其原因在于沒(méi)有搞清楚假體的材料屬性、假體的形狀與股骨的自適應(yīng)再造的內(nèi)在聯(lián)系。所以本文主要對(duì)股骨的自適應(yīng)再造行為和特性進(jìn)行研究，在研究股骨的自適應(yīng)再造的過(guò)程中主要進(jìn)行和完成了以下工作。 為了研究股骨的自適應(yīng)再造，首先結(jié)合課題組前期工作者采集的CT圖像數(shù)據(jù)，從C

3、T圖片數(shù)據(jù)提取構(gòu)造股骨三維實(shí)體的輪廓數(shù)據(jù)，應(yīng)用提取的數(shù)據(jù)重構(gòu)了股骨三維實(shí)體。利用CT數(shù)據(jù)中的灰度信息與股骨骨質(zhì)密度之間的關(guān)系，構(gòu)建了股骨材料屬性，并將屬性轉(zhuǎn)化為有限元仿真的材料屬性數(shù)據(jù)。 通過(guò)對(duì)股骨的骨質(zhì)力學(xué)特性的研究，建立了以應(yīng)變能密度為主參變量的股骨的自適應(yīng)再造數(shù)學(xué)模型，借助于有限元分析軟件ANSYS的APDL的編程功能進(jìn)行二次開發(fā)，編寫了股骨的自適應(yīng)再造仿真程序，通過(guò)仿真程序的運(yùn)行計(jì)算，探討了兩種不同形狀的假體，在不同載荷

4、靈敏度閾值下的股骨自適應(yīng)再造狀況，通過(guò)比較分析計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，得出了植入假體后的股骨，內(nèi)腔的骨質(zhì)變?nèi)?，?nèi)腔變大，股骨骨干的部分區(qū)域骨量增加，但植入假體后的股骨隨著時(shí)間的延續(xù)，其整體強(qiáng)度在減弱、骨量在減少，但不同形狀的假體對(duì)其影響程度不一樣。通過(guò)自適應(yīng)再造仿真可以觀測(cè)到假體植入后的股骨生長(zhǎng)狀況和趨勢(shì)，通過(guò)該方法可以研究用不同材料制造、具有不同形狀和不同結(jié)構(gòu)的假體植入后股骨的自適應(yīng)再造狀況，通過(guò)比較研究，可以優(yōu)化選擇設(shè)計(jì)制造假體的材料，尋求假

5、體的合理形狀和構(gòu)造特性。 為進(jìn)一步設(shè)計(jì)合理的假體，以及探求評(píng)價(jià)假體設(shè)計(jì)優(yōu)良程度的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，研究股骨自適應(yīng)再造后股骨的質(zhì)量、剛度變化的關(guān)系。將振動(dòng)的理論引入股骨的假體設(shè)計(jì)中，對(duì)各種載荷靈敏度閾值‘s’情況下的股骨的各階段自適應(yīng)再造結(jié)果模型進(jìn)行了模態(tài)分析，通過(guò)分析結(jié)果數(shù)據(jù)得出第三階頻率是反映股骨內(nèi)壁區(qū)域密度、強(qiáng)度和外壁抗剪能力的特征頻率的結(jié)論，得出該結(jié)論的數(shù)據(jù)確切充分，在假體設(shè)計(jì)中，仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)中各階段的各階頻率變化程度，可以用來(lái)