人工股骨支架的计算机辅助仿生设计与优化

发布时间：2017-05-20 09:12

  本文关键词：人工股骨支架的计算机辅助仿生设计与优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：人工骨仿生支架是用于修复人体骨骼缺损后的功能和形态的替代物，根据结构仿生学的要求，骨仿生支架应具有与缺损骨高度一致的外部形态，利于与其它部位更好的配合，同时支架内部应具有与自然骨相似的非均匀分布的梯度三维联通孔隙结构，以满足机械性能和生物活性的需求。 本文以成人股骨为研究对象，首先，基于CT扫描断层图像的信息，利用医学图像处理软件和逆向工程软件完成了成人股骨仿生外形的个体化设计，误差在-0.01651-0.01792mm，满足了仿生的要求。 其次,通过对成人股骨外部形态以及生物功能的研究，在前期优化的人工骨单晶胞模型的基础上（中心开球孔，四周为圆柱孔的正六面体结构），通过对单晶胞模型的参数控制，设计了14个具有梯度孔隙率的人工股骨梯度微结构模型。通过有限元软件ANSYS Workbench对其进行力学分析，研究了模型的结构参数对弹性模量及孔隙率的影响规律，研究结果表明：当固定模型联通孔径，随着中心球半径增大，孔隙率随之增加；当中心球半径固定时，随着联通孔径的增大，孔隙率也呈现递增趋势。14个模型的弹性模量范围为10.107-20.610GPa，孔隙率的范围为21.8%-41.2%，最后以人体自然股骨的弹性模量范围及保证良好连通性的孔隙率要求为指标，选定了适用于人体股骨替代物的三个模型。 第三，应用Fluent对人工股骨梯度微结构模型进行两相流的组织液渗透及细胞的生长分析，结果表明：组织液能够很好的渗透到人工股骨支架的各个部位，细胞在支架内部均匀附着、生长。中心球半径对系统压力影响很小，较大的连通孔径比较适合细胞的增殖与粘附，因此在人工股骨支架的设计中，应尽量选择连通孔径大的微结构模型，通过调节中心球半径来满足所要求的支架孔隙率和力学性能。结合力学性能和流体性能分析研究，优化出既满足生物力学的要求，又能保证良好的连通性并且利于成骨进行的支架模型，具体参数为：中心球半径恒定为0.37，由内到外三层晶胞的连通孔径为0.50,0.45,0.42。 第四，基于有限元形函数映射理论与布尔运算方法，结合GRIP语言提出了一种仿形精度较高，通用性较强的支架建模方法。首先，基于映射法对已建立的股骨实体模型进行三维六面体网格剖分，得到一系列不规则六面体单元。其次，基于各个不规则六面体单元的八节点控制，利用有限元中的等参单元和形函数映射原理，生成一系列不规则的孔隙单元，并将其进行布尔和运算，得到支架的孔隙模型。最后，将股骨实体模型与孔隙模型进行布尔差运算，得到具有光滑轮廓以及近似于自然孔隙的人工股骨支架模型。 最后，针对支架内部非均匀分布的孔隙大小，，本文提出了两种方法实现孔隙大小控制：第一，采用改变六面体的剖分参数（初始网格密度）及改变孔隙单元参数实现支架内的整体孔隙平均大小的控制。第二，采用网格加密技术进行局部区域的网格加密，实现了支架内局部区域孔隙大小的控制，以此获得与自然股骨高度相近的梯度孔隙分布。
【关键词】：股骨支架 计算机辅助 建模 有限元优化 六面体网格
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R319
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-17
• 1.1 课题研究的背景及意义11-12
• 1.2 人工骨仿生支架概述12-13
• 1.3 国内外研究现状13-16
• 1.3.1 人工骨支架仿生外形的研究13
• 1.3.2 人工骨支架内部微结构的研究13-16
• 1.4 研究内容及技术难点16
• 1.4.1 研究内容16
• 1.4.2 主要技术难点及创新点16
• 1.5 小结16-17
• 2 基于逆向工程的人工股骨仿生外形建模技术研究17-25
• 2.1 逆向工程技术概述17-18
• 2.2 逆向工程软件的选用18-19
• 2.2.1 医学图像软件18
• 2.2.2 Geomagic Studio18
• 2.2.3 UG NX6.018-19
• 2.3 人工股骨仿生外形建模技术概述19-20
• 2.3.1 CT 数据采集19
• 2.3.2 三维重建19-20
• 2.4 人工股骨支架仿生外形建模技术应用20-23
• 2.4.1 CT 图像数据采集20-22
• 2.4.2 曲面处理及生成22
• 2.4.3 生成实体22-23
• 2.4.4 结论23
• 2.5 结论23-25
• 3 人工股骨支架的内部梯度微结构设计与有限元优化分析25-45
• 3.1 股骨组织的微观结构及性能25-28
• 3.1.1 股骨组织的微观结构25-26
• 3.1.2 股骨组织的生物力学性能26-27
• 3.1.3 股骨组织的流体力学性能27-28
• 3.2 人工股骨有限元优化分析28-29
• 3.2.1 有限元研究概况28-29
• 3.2.2 有限元分析软件的选用29
• 3.3 人工股骨内部梯度微结构设计29-32
• 3.3.1 单晶胞模型的设计29-30
• 3.3.2 梯度微结构模型的设计30-31
• 3.3.3 梯度微结构模型的选取31-32
• 3.4 力学性能的分析与可控性的研究32-36
• 3.4.1 梯度微结构模型的弹性模量32-34
• 3.4.2 梯度微结构模型的最大等效应力及最大等效应变分布34-36
• 3.4.3 梯度微结构模型的孔隙率变化36
• 3.5 两相流数值研究及优化分析36-43
• 3.5.1 网格计算及边界条件的设定37
• 3.5.2 计算结果分析37-43
• 3.6 结论43
• 3.7 本章小结43-45
• 4 基于形函数的人工股骨支架仿生建模技术研究45-63
• 4.1 形函数映射理论与六面体网格划分理论概述45-48
• 4.1.1 等参单元法45-47
• 4.1.2 基于映射法的六面体网格划分理论47-48
• 4.2 UG/Open GRIP 简介48
• 4.3 人工股骨支架的仿生建模方法48-49
• 4.4 定义单元孔隙模型49-51
• 4.4.1 参数域单元孔隙模型49
• 4.4.2 空间域子单元负型的构形方法49-50
• 4.4.3 算法实现50-51
• 4.5 基于映射法的实体六面体网格划分51-55
• 4.5.1 曲面二维网格的剖分51-53
• 4.5.2 三维六面体网格的划分53-54
• 4.5.3 算法及实例54-55
• 4.6 人工股骨支架建模实例55-56
• 4.7 孔隙大小的控制56-59
• 4.7.1 人工股骨支架内整体平均孔隙大小的控制57-59
• 4.7.2 局部区域中孔隙大小的控制59
• 4.8 人工股骨支架连通性的分析59-61
• 4.9 小结61-63
• 5 结论与展望63-65
• 5.1 主要研究结论63-64
• 5.2 展望64-65
• 致谢65-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间发表的论文71-72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 庞鹏沙;陈柳珠;李卫;;医用钛基生物活性材料研究[J];材料导报;2006年03期

2 安梅岩;马爱军;;利用内部骨重建理论和有限元法计算骨密度的变化[J];生物医学工程学杂志;2006年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 费王华;基于新鲜骨骼CT图像的有限元分析及实验验证[D];南京理工大学;2008年

2 张江伟;计算机辅助仿生骨组织支架建模方法研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

3 蔡升勇;基于形函数控制的组织工程骨架孔隙分布结构实体建模技术研究[D];上海交通大学;2010年

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本文编号：381189