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股骨自适应再造仿真研究

陈希瑞  
【摘要】: 在药物治疗由于病变、事故等原因导致髋关节功能丧失的疾病不起作用的情况下,用人工假体替代天然关节,即进行人工髋关节置换手术,这种方法是恢复髋关节功能的有效治疗方法。但是置换术后的中远期效果不能令人满意,置入假体出现假体松动等并发症,导致手术失败引起翻修。解决假体松动,提高其稳定性、延长有效使用期已经成为该领域医学和工学界共同关注的重点前沿科研课题。中外学者为了提高假体置入后的长期稳定性,研制出了多材料、多种形状、多种假体表面处理技术的假体,手术中采取了多种固定方法,尽管有的假体设计制作技术的改进对假体的置入稳定性有所提高,但都没有实质的改变和进步,仍然发现假体移位变形,股骨的结构和其骨量的分布发生了变化。究其原因在于没有搞清楚假体的材料属性、假体的形状与股骨的自适应再造的内在联系。所以本文主要对股骨的自适应再造行为和特性进行研究,在研究股骨的自适应再造的过程中主要进行和完成了以下工作。 为了研究股骨的自适应再造,首先结合课题组前期工作者采集的CT图像数据,从CT图片数据提取构造股骨三维实体的轮廓数据,应用提取的数据重构了股骨三维实体。利用CT数据中的灰度信息与股骨骨质密度之间的关系,构建了股骨材料属性,并将属性转化为有限元仿真的材料属性数据。 通过对股骨的骨质力学特性的研究,建立了以应变能密度为主参变量的股骨的自适应再造数学模型,借助于有限元分析软件ANSYS的APDL的编程功能进行二次开发,编写了股骨的自适应再造仿真程序,通过仿真程序的运行计算,探讨了两种不同形状的假体,在不同载荷灵敏度阈值下的股骨自适应再造状况,通过比较分析计算结果数据,得出了植入假体后的股骨,内腔的骨质变弱,内腔变大,股骨骨干的部分区域骨量增加,但植入假体后的股骨随着时间的延续,其整体强度在减弱、骨量在减少,但不同形状的假体对其影响程度不一样。通过自适应再造仿真可以观测到假体植入后的股骨生长状况和趋势,通过该方法可以研究用不同材料制造、具有不同形状和不同结构的假体植入后股骨的自适应再造状况,通过比较研究,可以优化选择设计制造假体的材料,寻求假体的合理形状和构造特性。 为进一步设计合理的假体,以及探求评价假体设计优良程度的指标和标准,研究股骨自适应再造后股骨的质量、刚度变化的关系。将振动的理论引入股骨的假体设计中,对各种载荷灵敏度阈值‘s’情况下的股骨的各阶段自适应再造结果模型进行了模态分析,通过分析结果数据得出第三阶频率是反映股骨内壁区域密度、


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