有骨小梁结构的人工髋关节置换的数值模拟与实验研究

发布时间：2020-04-01 22:45

【摘要】：目前,随着科技的提高,髋关节置换技术的逐步成熟,越来越多的人接受人工髋关节置换术的治疗方式。人工髋关节置换手术是对髋关节基本功能丢失,且药物医治无效的病人最有效的治疗方法。但是人工髋关节置换手术是用人工髋关节假体代替受损的髋关节,自然会改变股骨的力学分布状态,同时采用骨水泥固定骨柄和臼杯会因为骨水泥凝固过程中的高温影响骨细胞的生长,进而出现骨吸收、骨萎缩等后续负面效果,以及因为假体的原因发生的并发症。因此,为了处理这些负面问题,在生物力学研究领域,研究带有骨小梁结构的生物型髋关节假体的性能,对于提高手术质量和减少患者痛苦具有深远的意义。人工假体的选择会对髋关节置换术产生至关重要的影响。近年,在人工髋关节假体研究中新出现的带骨小梁结构的假体,该假体与其他类型的假体最大的不同点在于采用金属3D打印技术在臼杯和假体柄打印出一层钛合金骨小梁结构,骨小梁是与松质骨结构相近的一种多孔支架结构。临床治疗效果显示,采用钛合金骨小梁结构置换的髋关节假体具有骨生长速度快和治疗效果好的优点,优于其他非骨水泥固定的髋关节假体。但是对于采用骨小梁结构髋关节假体进行髋关节置换的生物力学研究相对较少。本文建立了带有骨小梁结构的髋关节置换假体的三维实体模型,依据计算结果设计制造了带有骨小梁结构的骨柄与臼杯。研究了骨小梁对髋关节置换应力和应变产生的影响,为该种新型假体的设计和临床使用提供参考。论文研究内容如下:(1)综述了髋关节的相关概念和髋关节置换的国内外研究现状,提出了论文研究的目的以及意义。(2)建立有无骨小梁结构的髋关节三维模型,采用数值模拟的方法,基于Ansys Workbench进行了数值计算。(3)对需要进行电测实验的无骨小梁结构髋关节假体进行数值模拟,确定电测实验的测点位置,制备人工股骨和骨盆,分别制作有无骨小梁结构的假体柄实验模型,粘贴应变片,在万能拉压力试验机上施加生理载荷进行压力实验,得到测点的应变结果,将数值模拟和电测实验的结果相对照,验证所建三维模型的准确性并得到有无骨小梁结构的应力分布差别的结果。(4)对带骨小梁结构的髋关节假体数值模拟的结果进行了分析,得出有臼杯及袖套骨小梁结构的髋关节模型各部分应力分布结果,并与置换前髋关节假体的数值模拟结果进行了对比分析,说明了置换后各个零件的应力变化;通过三组不同的有骨小梁结构的对比,初步判断了袖套骨小梁结构以及臼杯骨小梁结构的作用。(5)分别对有无臼杯骨小梁结构和袖套骨小梁结构的髋关节三维模型进行数值模拟,初步研究臼杯和袖套骨小梁结构对髋关节置换后的主要零件应力应变的影响。
【图文】：

第一章 绪论假体。骨小梁结构是一种微细、孔小、无明显规则的多孔支架，是通过仿生人梁制作出来的，在人体内的松质骨就是由大批的骨小梁彼此交错形成的，在人到支持、减轻重量、缓冲、应对形变及适应形变等功能。而股骨头与股骨颈表量六角形结构的骨小梁组成的立体网状结构，这些网状结构的骨小梁相互交叉的蜂窝织状结构，当纵向载荷传导到骨小梁时，这种复杂的蜂窝织状结构会把转化为水平推力，使得股骨主要承受轴向的压应力，极大的改善了股骨的应力对比其他不带骨小梁的非骨水泥固定型假体来说，其他非骨水泥固定型假体的一，孔隙率不足，只满足少部分松质骨的生物力学特性和生理微环境特征等缺带骨小梁的假体的骨小梁表层具备优越的生物学特性，骨小梁结构的多孔表层细胞的贴附成长，提高干细胞的成骨分化，，提升金属生物材料与细胞的结合能显著增加金属假体的骨结合能力，取得更好的机械学功能[50]。图 1-1 为带骨小髋关节置换假体。

随着人民生活水平的提高，传统的设计研发方式已经不能满足人民日益高涨的设计需要了，这毫无疑问限制了制造业的发展，基于此，相关的专家们结合先进的计算机技术以及自动化技术提出了反求工程。逆向工程（Reverse Engineering，RE）[44]又称反求工程，是有别于传统设计研发的新型研发思路，如图 2-1 所示。它是先有产品，然后通过软件一步步还原出产品的三维模型的一种设计方法。逆向工程被广泛应用于不能直接建立三维模型的外形复杂的产品或者该产品没有特定的造型准则及设计公式等。因为在产品的研发过程中是一定要建立准确的三维模型，以便随时进行更改、优化处理，所以，逆向工程完美的弥补了三维建模模型的不足，使得那些复杂的产品得以高效的研发下去。逆向工程不仅是用于普通产品的开发，现在它在医学工程、航天航空、汽车等领域也得到了充分的使用，随着科技的提高，软件的不停换代，反求工程也在随之发展，它的工作步骤一般是先使用激光的扫描仪对要反求的实物进行扫描，把所成的像导入到反求工程的软件里进行实体化，再把已经实体化的目标导入三维软件里进行优化处理，最后成为更好的实物。反求工程在人体骨骼建模方面有着非常高的应用价值，运用反求工程可以为医学研究提供精确的模型，所以本文将采用反求工程法建立股骨以及骨盆的实体模型[34]。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.17

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本文编号：2611057