压缩载荷下全膝关节软骨缺损和修复力学行为的实验研究及仿真分析

发布时间：2022-02-24 10:44

　　膝关节是人体主要的运动枢纽和承重组织,具有活动量大,载荷复杂和应力高等特点,使膝关节软骨损伤成为常见的临床疾病。而多项研究发现,不论是关节软骨的损伤退化还是修复,力学因素都发挥着重要的作用。本文从实验研究和仿真分析两个方面探究在压缩载荷下不同状态的膝关节软骨的力学特性。首先,利用数字图像相关技术对全层缺损和半层缺损修复样本在不同的压缩量下,探究天然软骨,人工软骨及其交界处在浅表层,中层和深层不同层区应变变化的规律,结果发现修复区的轴向应变（Ex）,横向应变（Ey）和剪切应变（Exy）都呈现出明显的异质性。两种不同的缺损修复模型,轴向应变的变化规律不同。侧向应变和剪切应变都与宿主侧软骨有明显差别,并且由于人工软骨的植入,宿主区,修复区及交界区的浅表层,中层和深层软骨的侧向应变和剪切应变都呈现出区域特性的变化。其次,在全膝关节样本上制作股骨软骨完整和缺损实验模型,模拟膝关节直立状态,分别沿股骨力线方向对其以不同的加载速率加载到不同的载荷,将接触式压力感测片I-SCAN插入到关节腔股骨软骨和半月板之间,测量在加载过程中接触区域内压力的分布,峰值接触压力,平均接触压力和接触面积的变化。结果发现... 

【文章来源】：天津理工大学天津市

【文章页数】：101 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 探索膝关节软骨生物力学特性的意义
    1.2 膝关节软骨的研究现状
    1.3 膝关节软骨的实验研究
        1.3.1 整体力学性能的研究
        1.3.2 不同速率和载荷下力学性能的研究
        1.3.3 膝关节软骨损伤的研究
    1.4 膝关节软骨的仿真研究
    1.5 本文研究内容和主要特点
        1.5.1 研究内容
        1.5.2 主要特点
第二章 利用数字图像相关技术测量修复软骨的力学行为
    2.1 研究意义
    2.2 材料和方法
        2.2.1 样本的准备
        2.2.2 压缩实验
        2.2.3 修复区域特征部位的应变测试位置确定
    2.3 结果
    2.4 讨论分析
    2.5 本章小结
第三章 全膝关节实验前期研究基础
    3.1 研究意义
    3.2 单股骨样本研究实验
        3.2.1 样本准备和处理
        3.2.2 实验加载
        3.2.3 实验结果
        3.2.4 初步结论
    3.3 全膝关节样本的处理
        3.3.1 样本的准备和处理
        3.3.2 样本的固定方法
        3.3.3 感测片的放置方法
    3.4 I-SCAN简介
        3.4.1 设备连接
        3.4.2 基础设置
        3.4.3 感测片的平衡和校准
        3.4.4 数据的获取和处理
    3.5 本章小结
第四章 多速率,多载荷的加载实验
    4.1 研究意义
    4.2 材料和方法
        4.2.1 样本准备和处理
        4.2.2 完整样本的加载
        4.2.3 缺损样本的加载
        4.2.4 感测片的放置
    4.3 结果
        4.3.1 完整样本的数据分析
        4.3.2 快速率,大载荷加载的数据分析
        4.3.3 缺损样本的数据分析
        4.3.4 压力承担位置的变化
    4.4 讨论分析
    4.5 本章小结
第五章 不同形状缺损及修复的加载实验
    5.1 研究意义
    5.2 材料和方法
        5.2.1 样本准备和处理
        5.2.2 压缩实验
        5.2.3 接触压力的测量
        5.2.4 样本核磁图像的检测
    5.3 结果
        5.3.1 不同形状和不同路径的接触应力
        5.3.2 局部和整体的接触应力
        5.3.3 核磁扫描数据
    5.4 讨论分析
    5.5 本章小结
第六章 全膝关节有限元仿真分析
    6.1 研究背景
    6.2 全膝关节模型的建立
        6.2.1 三维模型的建立
        6.2.2 有限元模型的建立
    6.3 全膝关节生理载荷的加载
    6.4 膝关节缺损仿真分析
    6.5 本章小结
第七章 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
参考文献
发表论文和科研情况说明
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]骑行时不同屈曲角度膝关节软骨受力分析[J]. 马雪梅,张春秋,高丽兰,叶金铎,张西正.  中国生物医学工程学报. 2016(01)
[2]软骨组织无约束压缩的有限元分析[J]. 翟文杰,翟中勇.  医用生物力学. 2012(06)
[3]牛膝关节软骨的力学承载特性及其有限元仿真分析[J]. 陈凯,张德坤,戴祖明,王崧全.  医用生物力学. 2012(06)
[4]Accurate 3D Reconstruction of Subject-Specific Knee Finite Element Model to Simulate the Articular Cartilage Defects[J]. 董跃福,胡广洪,张罗莲,胡杨,董英海,徐卿荣.  Journal of Shanghai Jiaotong University（Science）. 2011(05)
[5]组织工程修复关节软骨缺损的力学状态研究[J]. 张述卿,张春秋,高丽兰,孙明林,李江,刘海英.  中国组织工程研究与临床康复. 2011(20)
[6]骨与膝关节生物力学行为研究[J]. 郝智秀,冷慧杰,曲传咏,万超.  固体力学学报. 2010(06)
[7]力学刺激对关节软骨基质代谢的影响[J]. 董江峰,于杰,陈维毅.  国际骨科学杂志. 2006(06)
[8]髌骨软骨拉伸应力松弛蠕变实验研究[J]. 孟广伟,程杰平,马洪顺.  医用生物力学. 2003(04)
[9]髌骨软骨粘弹特性的实验研究[J]. 翁习生,仉建国,张嘉,邱贵兴,马洪顺,朱庆三.  中国医学科学院学报. 1999(01)
[10]关节软骨力学性能实验研究[J]. 李振宇,马洪顺,姜鸿志.  试验技术与试验机. 1989(02)

硕士论文
[1]步态下膝关节力学性能的数值分析及关节软骨的传质实验研究[D]. 邱璐璐.天津理工大学 2018



本文编号：3642561