释压稳定接受腔与残肢耦合界面非线性分析

发布时间：2020-09-15 13:06

　　 假肢是残肢患者用来代替肢体形态和实现肢体功能的重要工具,而接受腔作为残肢与假肢之间传递力的唯一桥梁,其结构设计的好坏直接影响着假肢功能的发挥。因此开展残肢与假肢接受腔界面应力的研究,了解其生机界面应力分布情况对优化小腿接受腔结构和提高假肢佩戴舒适性具有重要的理论和现实意义。本文以小腿残肢与接受腔耦合界面为研究对象,通过逆向工程和有限元方法建立残肢与接受腔耦合界面有限元模型,采用超弹性本构模型定义软组织生物力学性质,比较不同超弹性本构参数及泊松比对残肢表面应力的影响;引入开放式释压稳定接受腔,通过界面应力比较不同修行量对界面应力分布的影响,并与传统髌韧带承重接受腔进行比较;通过步态周期中5个典型时相计算行走过程中残肢与两种接受腔表面应力变化规律。论文主要内容如下:1.结合人体软组织不可压缩、非均质和各向异性等生物力学特性分析残肢与接受腔耦合界面模型非线性的来源。并基于软组织近似不可压缩的力学特性,介绍了几种有限元软件常用的超弹性材料本构方程,为指导后续有限元分析提供理论基础。2.通过逆向工程和有限元软件建立残肢与髌韧带承重接受腔耦合系统的有限元模型,分别采用Neo-Hookean模型、Mooney-Rivlin模型和三阶多项式模型定义软组织材料,比较线弹性与超弹性材料的计算结果区别,并研究泊松比对残肢表面应力的影响。随着泊松比的增大,残肢表面最大接触正应力和剪切应力均逐渐增大。Neo-Hookean本构模型在泊松比为0.495时的计算结果与参考文献计算结果较相近,同时验证了耦合界面有限元建模的合理性。3.采用开放式释压稳定接受腔作为研究对象,根据其设计原理探讨不同的压缩量对残肢表面载荷分布的影响,并与髌韧带接受腔比较发现,髌韧带承重接受腔接触正应力平均值最大,但残肢末端接触正应力最小。当释压稳定接受腔取R07模型修型量时,接受腔的功能传递性和安全舒适性得到较好的实现。4.通过施加足跟触地期、全足着地期、支撑相中期、足跟离地期、足趾离地期步态周期内5个典型相时的载荷和力矩,计算患者在行走过程中残肢与接受腔接触界面应力分布规律及变化情况。释压稳定接受腔和髌韧带承重接受腔表面应力均呈双峰形,且于全足着地期和足跟离地时达到局部峰值。并将受力最不利的全足着地时相各承重区应力平均值与单腿站立时进行比较。本文通过研究残肢与接受腔耦合界面的应力状况,为设计和优化小腿接受腔结构、建立接受腔快速成型专家系统提供理论依据和参考价值。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH789
【部分图文】：

小腿假肢分类及制作 小腿假肢分类据残肢的不同情况需要适配不同的假肢生机界面，目前下肢的生机界面式骨整合和接受腔两种方式。0 世纪中期，植入式骨整合生机界面首次由 Branemark 教授提出，并于 19告临床试验成果，报告中提到有一位使用植入式骨整合假肢的患者称其受到地面路况[4]。植入式骨整合生机界面的方式具体为将植入物一端植入腔，另一端伸出体外与适配的假肢连接，图 1-1、图 1-2 为其示意图及实物可以看出，这种生机界面与骨骼直接连接，增加界面刚性从而减少了残的柔性功能传递。同时解决了接受腔对残肢的挤压与摩擦造成的皮肤磨界面透气问题。但是植入式骨整合生机界面也存在着缺陷，因其要直接菌感染和机械破坏是导致其失效的主要原因，因此要求植入体材料与皮物相容性和抗冲击能力。同时植入式手术周期长，植入体需分两段进行植期为 6 个月，从手术完成到正常使用平均需要一年半的时间，因此以上手术费用都阻碍了该生机界面的临床应用[5]。

这种生机界面与骨骼直接连接，增加界面刚性从而减功能传递。同时解决了接受腔对残肢的挤压与摩擦造成的气问题。但是植入式骨整合生机界面也存在着缺陷，因其和机械破坏是导致其失效的主要原因，因此要求植入体材性和抗冲击能力。同时植入式手术周期长，植入体需分两段6 个月，从手术完成到正常使用平均需要一年半的时间，因用都阻碍了该生机界面的临床应用[5]。图 1-1 植入式骨整合生机界面示意图

腔不同进行分类主要有以下 4 种常见类型[8, 9]，如图 1-3 所示：1.传统型小腿假肢主要采用皮革、铝或者木材等柔软材料制成接受腔，金属膝铰链和皮梆起固定和悬吊作用。其适用范围宽，生产成本低，但承重能力差，残肢末端悬空，残肢血液循环差引起肌肉萎缩，且残肢在接受腔中易串动，产生摩擦。2.PTB（Patellar Tendon Bearing）髌韧带承重小腿假肢接受腔为封闭型，膝上装有环带起悬吊作用，相比传统接受腔更利于血液循环，结构根据软组织宜承重和敏感区设计，适用于小腿中部截肢患者。3.TSB（Total Surface Bearing）全接触式小腿假肢在残肢承重情况下取模，利用硅胶、凝胶内衬套实现悬吊，与残肢实现全面接触、全面承重，承载力强，与 PTB 接受腔一样为封闭型接受腔，且只适用于小腿中部截肢患者。4.PTK（Prosthese Tibial Kegel）小腿假肢与髌韧带接受腔承重部位相似，但结合了 PTB 接受腔和 TSB 接受腔的特点，采用具有弹性股骨内外踝包容悬吊，此接受腔的使用不受残肢长短的限制。

【参考文献】

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本文编号：2818999