股骨三维重建与生物力学特性分析及实验研究

发布时间：2020-07-02 14:17

【摘要】：在全髋关节置换术中,定制型人工股骨假体可以提高与骨髓腔的匹配度,因此能更好地适应人体内部的生物力学环境,消除对股骨正常应力的破坏,减少应力遮挡,提高股骨假体的使用寿命。但由于股骨结构的多样性以及复杂性,在实际的定制假体研究应用中,至今仍缺乏有效的手段来精确地获取每个患者股骨的几何参数及力学特性。本论文针对这个问题,提出了一套新的研究思路及方法:首先基于计算机辅助CAD、CAE以及数字图像处理技术,利用计算机断层成像CT数据中所包含的信息,实现股骨三维几何形态的重建及力学特性的仿真,然后在此基础上对股骨进行较为系统的试验研究。研究工作具体包含以下几个方面: (1)突破传统的由扫描仪扫描CT平片到PC机中实现CT图像数字化的方法,利用医学数字图像通讯标准DICOM3.0, 建立螺旋CT扫描机与PC机联网通讯,直接把股骨CT图像文件通过网络的方式完整地传输到PC机,实现数据的精确传输,并且在PC机上重现医学CT图像,为建立股骨高质量的计算机三维模型提供了完整的图像数据。而且这种实现DICOM通讯的设计思想和方式,也为最终实现远程定制型股骨假体设计应用提供了基础。 (2) 通过图像处理技术,在计算机上对CT数字图像进行轮廓识别和矢量化处理,准确地生成股骨特征结构轮廓。利用CAD建模软件Unigraphics根据B样条蒙皮法的思想 ,由断面轮廓线构造股骨表面B曲面,当股骨表面满足拓扑一致性即表面完全封闭时,完成股骨三维实体的真实重建,获得了股骨真实的三维几何参数。在重建过程中,本文很好地解决了轮廓线定位、样条化光顺、曲面分型等难题,保证了三维模型的精确度。 (3) 股骨是胶原纤维增强的复合材料,主要由皮质骨和松质骨构成并呈非均匀分布,而皮质骨和松质骨均属各向异性材料。由于股骨材料的这种复杂性,长期以来其通常被简化为均质且各向同性材料,这样就难以保证设计出来的假体适应人体内部的生物力学环境,从而减少应力遮挡。为了真实模拟股骨的这种非均匀性和各向异性,本文利用股骨CT扫描数据和表观密度以及各正交方向上弹性模量之间的关系,自主开发计算程序,建立了与股骨表观密度分布及载荷方向相关的力学模型。通过在I-DEAS中计算分析以及后面的实验研究,该方法模拟的生物力学性能与实验结果接近。 (4) 通过对股骨整骨的力学实验研究,不仅获得了股骨自然生理状态下的应变分布规律及各向异性的生物力学特性,而且也为前面的有限元仿真计算结果提供真实的实验数据对比,检验并改善前期的建模及有限元分析工作,同时也为新 WP=5 型人工关节的设计研制和人工关节的临床应用提供了准确的生物力学参数。 通过研究准确地获得了股骨三维几何参数及生物力学参数,从而为定制型股骨假体研究打下了基础,为更精确测定股骨在生理载荷下的应力应变与植入假体后的响应,实现人工股骨假体的优化设计创造了很好的条件。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：R318.01
【图文】：

髋关节Figure1.1Hip-Joint

2图 1.2 全髋关节置换术Figure1.2 Total Hip Replacement外应用研究现状年代，国外一些生产人工髋假体的公司，建成了柔性加工生产线，由定各部分（柄颈、球头、髋臼等）的尺寸，然后按要求加工假体，这

【引证文献】

相关期刊论文 前1条

1 袁梅娟;徐铭恩;胡金夫;杨敏;;基于股骨三维重建及计算机辅助低温沉积制造研究[J];生物医学工程学杂志;2012年03期

相关博士学位论文 前2条

1 刘文广;套接式翻修假体设计、初步应用及三维有限元优化[D];山东大学;2008年

2 姜海波;人体下肢关节系统的生物力学行为研究[D];中国矿业大学;2008年

相关硕士学位论文 前7条

1 王伟兵;股骨和应力调控型带锁髓内钉的有限元分析[D];郑州大学;2010年

2 陈希瑞;股骨自适应再造仿真研究[D];重庆大学;2006年

3 许金栋;股骨—假体系统中不同物理参数假体对骨重建的影响分析[D];重庆大学;2007年

4 周峰;个性化髋关节假体耦合系统优化新设计方法研究[D];重庆大学;2010年

5 袁梅娟;股骨三维非均质建模及生物力学有限元分析研究[D];杭州电子科技大学;2012年

6 任伟;基于人体腰椎有限元分析的乘坐舒适性研究[D];东北大学;2010年

7 刘艳;手枪弹对骨骼复合靶标侵彻作用的数值模拟及力学响应研究[D];南京理工大学;2013年

本文编号：2738297