基于解剖学参数的踝关节假体的设计及力学仿真

发布时间：2020-10-31 02:52

　　 踝关节功能的正常与否大大影响了人体正常生命活动的质量。全踝关节置换术对于需要进行胫距关节融合术的病患来说是另一个较为可行的方案,它可以显著缓解关节损伤造成的疼痛,改善步态、恢复踝关节正常功能,并且有相当广阔的发展前景。然而经历了三代假体的研发与改进,其手术成功率和存活率虽有了显著的提高,相较成熟的全髋关节置换术,人工踝关节的存活率仍然处于一个较低的水平。其失效包括假体松动脱位、感染和疼痛等。其原因可由关节面重建后接触方式与限位发生改变及假体固定方式不当造成。因此研究新型人工踝关节的设计理论和方法是踝关节置换研究领域亟需开展的重要课题之一。本研究首先分析了踝关节数字测量的重要参数及基准,根据基准要求建立了测量坐标系,进而对活体足踝CT扫描姿态提出限定要求。为了满足限定足踝的扫描姿态,设计了一台足踝姿态控制和加载装置,实现了扫描足踝姿态的控制和足底加载控制,为足踝解剖参数的精确数字测量提供了保证。对18例足踝CT扫描数据进行三维几何建模和30个解剖参数的测量。测量结果表明对于参考平面差异较敏感的参数,其数据间离散程度较大,独立性较强的胫骨截面内切圆半径等的统计结果较为符合统计学规律,其测量数据为人工踝关节设计提供了有力的数据支撑。基于3D打印技术和踝关节解剖参数数字测量结果设计踝关节假体关节面部分、关节截骨量以及固定端尺寸与形状,实现踝关节假体置换的几何仿真。建立了胫骨-距骨-足的三维几何模型和三维有限元模型,通过对比分析验证了有限元模型的有效性,计算分析了所设计踝关节假体的生物力学行为特性,根据分析结果提出进一步优化设计的思路。研究结果为新一代人工踝关节设计提供了理论依据和方法。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：R318.17;TP391.73
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题背景与研究意义
    1.2 国内外发展与研究现状
        1.2.1 人体及踝关节的数字测量
        1.2.2 有限元分析法的运用
        1.2.3 人工踝关节假体的发展
        1.2.4 人工踝关节假体的研究现状
    1.3 本课题主要研究内容
    1.4 本章小结
第二章 人体足踝解剖学结构与数字测量
    2.1 概述
    2.2 足踝系统的功能解剖学
        2.2.1 骨骼
        2.2.2 关节
        2.2.3 韧带
        2.2.4 足底软组织
    2.3 足踝医学图像数据采集
        2.3.1 CT扫描方法与固定
        2.3.2 图像分割与足踝三维系统重建
        2.3.3 解剖学参数的测量方法
    2.4 统计参数的数据处理
    2.5 本章小结
第三章 人体足踝有限元静态模型的建立与验证
    3.1 概述
    3.2 足踝骨骼、韧带、足底软组织三维实体建模
        3.2.1 人体踝关节骨骼数字模型生成
        3.2.2 基于HYPERMESH的网格生成
    3.3 足踝有限元模型材料属性的选择
    3.4 载荷、边界条件与约束
    3.5 仿真结果的对比与论证
    3.6 本章小结
第四章 人工踝关节假体设计建模及仿真
    4.1 假体的设计准则与理论
    4.2 人工踝关节假体建模及参数确定
    4.3 人工踝关节系统的力学分析及仿真
    4.4 本章总结
第五章 全文总结与研究展望
    5.1 主要工作与结论
    5.2 创新点
    5.3 研究展望
参考文献
附录1
致谢
攻读硕士学位期间成果

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本文编号：2863351