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《广西科技大学》 2014年
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基于生物与结构学科的人工关节个性化设计与优化

赵舒婷  
【摘要】:人工髋关节置换已经成为治疗髋关节疾病的重要手段。而我国使用的髋关节假体多为进口假体,其尺寸与国人髋关节不完全匹配,容易造成术后效果差、假体使用寿命短。同时,不同患者的身体机能与运动情况存在一定程度的个体差异性,按标准化设计的关节假体,有时无法满足患者的需求。因此,人工髋关节个性化设计技术的开展有重要的实用价值。 鉴于此,本文考虑髋关节假体使用寿命与患者自身身体机能的关系,建立人工髋关节微动位移数学模型并对其进行敏感性分析,以确定人体自身因素对人工髋关稳定性的影响程度。同时,建立人工髋关节离散变量优化数学模型,以获得最优的人体行走参数与髋关节假体设计参数。 首先,以人工髋关节稳定性为控制目标,考虑人体骨头密度、人体质量、行走跨距、身高与抬脚高等5个因素,建立人工髋关节微动位移数学模型;基于敏度分析原理,在MATLAB中绘制控制目标对各影响因素的敏感度曲线图,并对结果数据拟合得到各影响因素的敏感度函数表达式,在5个因素均取人体基准值情况下,通过函数表达式可分别求出控制目标对各因素的敏感度值以及各影响因素的影响百分比。结果显示,人体骨头密度对人工髋关节稳定性的影响程度最大,其后影响程度依次为行走跨距、人体质量、抬脚高度与身高。其次,分析人体行走情况与人工髋关节活性涂层对人工髋关节使用寿命的影响。选取行走跨距、抬脚高度、人工髋关节涂层厚度与涂层中羟基磷石灰(HA)的组分比为设计变量;人工髋关节承受力与体重的比值、一个步态中髋关节移动的距离、假体应力遮挡率、髋关节假体涂层的生物活性与人体行走稳定性以及假体涂层与金属基体的结合强度为约束条件;以降低人工髋关节活性涂层的年磨损量为目标建立优化数学模型;运用MATLAB优化工具箱进行迭代求解,获得最佳设计参数为:行走跨距为610mm;抬脚高度为13.1mm;髋关节假体涂层中HA组分比为77%;假体涂层厚度为0.098mm;求得假体涂层年磨损量为7.37mm3/year,相对优化前的目标值降低约41.9% 本文的研究为临床安装人工髋关节假体与实现人工髋关节假体的个性化定制提供一定理论依据与良好借鉴作用。
【学位授予单位】:广西科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:R318.17

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