人工桡骨头假体置换后肱桡关节接触轨迹及力学特性变化的有限元分析

发布时间：2017-05-02 11:01

  本文关键词：人工桡骨头假体置换后肱桡关节接触轨迹及力学特性变化的有限元分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目的:应用有限元方法对人工桡骨头假体置换前后肱桡关节间接触轨迹变化、应力变化及接触面积变化方面进行对比分析。对人工桡骨头假体设计的优化设计提供参考。背景:肘关节损伤导致桡骨头骨折的发生机制较为复杂,对于复杂的MasonⅡ、Ⅲ型桡骨头骨折,行桡骨头假体置换术后,肱骨外侧髁与假体的接触是否良好、是否有应力集中、置换前后的接触轨迹是否一致、置换后肘关节疼痛是否与应力集中有关。同时肱桡关节在肘关节运动过程中接触轨迹、应力及接触面积变化的测定不仅有助于了解桡骨头骨折发生的机制,而且也为人工桡骨头假体的设计提供有价值的参考。方法:选取健康、青年男性自愿者右肘关节为实验对象,首先通过临床及X线检查排除关节病变及畸形。利用高分辨率64排双源螺旋CT对其右肘关节进行扫描,以DICOM格式保存。以右肘关节CT扫描图像为基础,应用MIMICS软件对肘关节进行除噪,阈值分析等处理二次三维重建肘关节,最终将所得数据导入Hyper Mesh软件中。应用Hyper Mesh软件对三维模型进行网格划分、赋材料属性、建立接触对等处理,建立肱桡关节在0°、45°、90°、120°屈曲角度下的有限元接触模型,并对模型进行边界限制及50N的生理载荷。以同样的建模方法建立桡骨头假体的有限元模型,同时模拟置换。通过Ansys有限元软件计算桡骨头假体置换前后,肱桡关节间在肘关节不同屈曲角度下的应力,根据肱桡关节接触面上的应力分布推导出肱桡关节间接触轨迹。结果:应用有限元建模方法并根据接触理论可建立肱桡关节接触的有限元模型,其模型真实、有效。通过模拟肘关节屈伸状态下力学分析,求解出肱桡关节间的应力及应力分布,根据应力分布可知关节间的接触轨迹和接触面积变化。在肘关节屈曲过程中,桡骨头关节面与肱骨外侧髁关节面的接触区域在0°时应力分布于桡骨头关节面的后外侧,分布于肱骨外侧髁关节面的最前侧;在45°时应力分布于桡骨头关节面的前内侧,其接触面积最小,应力最大,为11579.60KPa,分布于肱骨外侧髁关节面的中间位置;在90°及120°时应力分布于桡骨头关节面的中心位置,分布于肱骨外侧髁关节面的后侧;即在肘关节由0°到120°的屈曲过程中,桡骨头关节面呈现由外后向前内再向中心的变化趋势。而肱骨外侧髁关节面与桡骨头关节面接触区域呈现由前向后的变化趋势。根据应力-接触的理论关系,在应力分布图上,黄色至红色渐变区域为接触区域。肱桡关节间接触面积在肘关节屈曲的过程中呈现由大变小再变大的趋势。肱桡关节间应力值呈现由小变大再变小的趋势。肘关节屈曲45°时,接触面积最小,应力最大,为11579.60KPa。解剖型桡骨头假体置换前后在肘关节屈曲90°范围内肱桡关节间接触变化及力学特性一致。在90°~120°出现接触轨迹变化及应力集中,考虑肱骨外上髁与解剖型假体周围凹陷接触造成,可能是肘关节置换后肘关节疼痛的原因之一。结论:肱桡关节有限元接触模型可以较好的分析和计算关节间接触区域变化及应力的变化。对肱桡关节进行力学分析可知桡骨头在肘关节的应力传导及稳定性方面起到重要作用,当桡骨头骨折时应尽量重建桡骨头,避免桡骨头切除后的并发症。通过对本模型的计算,分析结果提示,应避免在肘关节屈曲45°时受到较大暴力,启示运动时应加以保护,以免造成关节损伤或者骨折的发生。桡骨头假体置换符合肘关节的生物力学性能,对肘关节稳定性及功能起重要作用。但是在肘关节屈曲90°~120°时出现肱桡关节接触轨迹发生变化并且出现应力集中,可对假体的优化设计提供参考。
【关键词】：桡骨头 假体置换 有限元分析 运动轨迹
【学位授予单位】：大连医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R687.4
【目录】：

• 中文摘要8-9
• 英文摘要9-12
• 前言12-13
• 对象与方法13-19
• 1 研究对象13-14
• 2 实验设备14
• 3. 方法14-19
• 3.1.数据的获得14-15
• 3.2.建立肱桡关节模型15
• 3.3.对有限元模型赋材料属性15-16
• 3.4.模拟桡骨头假体置换16-17
• 3.5.关节接触问题17-18
• 3.6.边界和载荷条件18-19
• 结果19-21
• 讨论21-22
• 结论22-23
• 参考文献23-28
• 综述28-38
• 参考文献33-38
• 攻读学位期间发表文章情况38-39
• 致谢39-40

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本文编号：340796