3D打印膝关节假体多孔结构对骨组织应力遮挡影响的数值仿真研究
发布时间：2022-01-15 21:13
膝骨性关节炎是常见的老年病之一,其发病率随着社会人口老龄化程度的加深而急剧上升,全膝关节置换术（Total Knee Arthoplasty TKA,）作为解决膝关节疾病的重要医疗手段,在医学研究领域中受到高度重视。然而,假体植入后容易产生应力遮挡（Stress Shielding）问题,引起假体松动的风险增高。随着计算机辅助技术的发展,3D打印钛合金孔隙支架作为一种新型结构已被应用于骨科植入物。3D打印技术具有可控且精确的制造工艺,可以为患者提供个体化的植入物。钛合金多孔植入物可通过调整孔隙率与人体骨骼的结构相匹配,从而减小植入物的应力遮挡效应;与此同时,植入物表面有足够的空间促进骨组织生长,增强骨-假体界面的稳定性。目前已有学者对颌骨、髋关节等部位引入3D打印钛合金假体进行设计并制造,但借助有限元方法对膝关节假体进行设计和分析的研究相对较少。本文的主要内容:基于MRI（Magnetic Resonance Imaging,MRI）影像建立了正常人体膝关节有限元模型,在人体运动学参考点施加1150N轴向压缩载荷,并验证该模型的有效性;选用立方型、截面立方型、八面体柱型三种单元体分别建...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
膝关节解剖结构
图 2.1 将.dicom 格式医学影像数据导入 Mimics 软件1.1 骨性结构的几何模型骨组织区域在医学扫描影像中非常清晰，易于建模；由于股骨远端、胫骨近端模方法相同，这里仅对膝关节模型中股骨远端的建模方法进行叙述。第一步，在 Mimics 软件中建立股骨远端几何模型，步骤如下：1) 从膝关节 MRI 影像中识别股骨区域。利用 Mimics 软件的 Thresolding 阈值功能，调整股骨的灰度值范围，直至像素点较多的呈现在股骨区域。2) 填充股骨蒙罩。通过 Edit masks > Draw 功能选用 5mm 的圆形光标填充股骨中的空缺部分。3) 修剪股骨蒙罩。通过 Edit masks > Erase 功能选用 5mm 的圆形光标尺寸擦除边界，删除不需要的部分。4) 精细修饰股骨蒙罩。通过 Edit masks > Draw 和 Erase 功能，选用 1mm 的圆
图 2.2 Mimics 软件建立股骨远端蒙罩及股骨远端几何模型鉴于手动分割股骨远端几何模型精度较低，重新建立的股骨远端模型表面不光边缘不整齐、存在曲面缺失或孔洞等问题，可能导致接下来的有限元数值计算而需要在Mimics软件Remesh 9.9 界面和 Geomagic studio 软件中对模型进行还原远端股骨的真实几何形态。第二步，将已建立的股骨远端模型进行修复、光滑，相关步骤如下：1) 股骨远端几何模型简化。将三维重建后的几何模型导入 Mimics > Remesh块，Tools > Triangle Reduction > Normal 功能对三角形数目进行简化，不影面细节。2) 重新划分面网格。在 Mimics > Remesh 9.9 模块，Tools > Auto RemSplit-based Method 功能对模型进行重新划分网格，质量较差的网格显示为利用 Delete Marked Triangles 操作将红色网格删除，再进行局部重新划分；
【参考文献】：
期刊论文
[1]3D技术在陶瓷设计中的应用[J]. 程久发. 中国陶瓷工业. 2017(06)
[2]膝骨关节炎国内外流行病学研究现状及进展[J]. 陆艳红,石晓兵. 中国中医骨伤科杂志. 2012(06)
[3]人工关节的新进展[J]. 吕厚山. 中华骨科杂志. 2000(04)
硕士论文
[1]胫骨假体的构型与材料对胫骨骨重建行为影响的数值仿真研究[D]. 贾政斌.吉林大学 2017
[2]复合结构多孔钛合金支架设计及制作技术研究[D]. 王春晓.上海交通大学 2015
本文编号：3591332
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
膝关节解剖结构
图 2.1 将.dicom 格式医学影像数据导入 Mimics 软件1.1 骨性结构的几何模型骨组织区域在医学扫描影像中非常清晰，易于建模；由于股骨远端、胫骨近端模方法相同，这里仅对膝关节模型中股骨远端的建模方法进行叙述。第一步，在 Mimics 软件中建立股骨远端几何模型，步骤如下：1) 从膝关节 MRI 影像中识别股骨区域。利用 Mimics 软件的 Thresolding 阈值功能，调整股骨的灰度值范围，直至像素点较多的呈现在股骨区域。2) 填充股骨蒙罩。通过 Edit masks > Draw 功能选用 5mm 的圆形光标填充股骨中的空缺部分。3) 修剪股骨蒙罩。通过 Edit masks > Erase 功能选用 5mm 的圆形光标尺寸擦除边界，删除不需要的部分。4) 精细修饰股骨蒙罩。通过 Edit masks > Draw 和 Erase 功能，选用 1mm 的圆
图 2.2 Mimics 软件建立股骨远端蒙罩及股骨远端几何模型鉴于手动分割股骨远端几何模型精度较低，重新建立的股骨远端模型表面不光边缘不整齐、存在曲面缺失或孔洞等问题，可能导致接下来的有限元数值计算而需要在Mimics软件Remesh 9.9 界面和 Geomagic studio 软件中对模型进行还原远端股骨的真实几何形态。第二步，将已建立的股骨远端模型进行修复、光滑，相关步骤如下：1) 股骨远端几何模型简化。将三维重建后的几何模型导入 Mimics > Remesh块，Tools > Triangle Reduction > Normal 功能对三角形数目进行简化，不影面细节。2) 重新划分面网格。在 Mimics > Remesh 9.9 模块，Tools > Auto RemSplit-based Method 功能对模型进行重新划分网格，质量较差的网格显示为利用 Delete Marked Triangles 操作将红色网格删除，再进行局部重新划分；
【参考文献】：
期刊论文
[1]3D技术在陶瓷设计中的应用[J]. 程久发. 中国陶瓷工业. 2017(06)
[2]膝骨关节炎国内外流行病学研究现状及进展[J]. 陆艳红,石晓兵. 中国中医骨伤科杂志. 2012(06)
[3]人工关节的新进展[J]. 吕厚山. 中华骨科杂志. 2000(04)
硕士论文
[1]胫骨假体的构型与材料对胫骨骨重建行为影响的数值仿真研究[D]. 贾政斌.吉林大学 2017
[2]复合结构多孔钛合金支架设计及制作技术研究[D]. 王春晓.上海交通大学 2015
本文编号：3591332
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