肿瘤膝关节置换后人体下肢生物力学响应分析

发布时间：2017-09-21 00:36

  本文关键词：肿瘤膝关节置换后人体下肢生物力学响应分析

  更多相关文章： 肿瘤型膝关节置换 生物力学响应 骨水泥 步态分析 应力分布 有限元分析

【摘要】：骨肉瘤是起源于成骨组织的恶性肿瘤,好发于具有重要生物力学功能且最复杂的膝关节周围,尤其是股骨远端最常见。人工假体置换在对肢体恶性骨肿瘤治疗的保肢重建中受到国内外医学专家的认可。但人工假体置换后股骨前侧骨皮质穿破损伤对膝关节功能影响很大却鲜有此问题的研究分析。因此,对肿瘤膝关节置换后股骨-假体-胫骨复合体生物力学响应进行研究分析具有重要的意义。本文基于股骨远端骨肉瘤行瘤段切除肿瘤膝关节置换后的双下肢CT扫描数据及相应的肿瘤型膝关节假体建立其患者的股骨-假体-胫骨有限元模型。并且采用逆向工程软件进一步进行松弛和平滑处理,使其更接近实际状态,并进行相关有效性验证。其次,本文模型中股骨与假体髓针之间填充了具有自凝特性的生物材料医用骨水泥,本文选用医院常用的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥进行压缩试验,通过实验得到骨水泥相应的材料参数,应用于进一步的研究分析。最后,研究肿瘤型铰链式膝关节置换术后股骨-假体-胫骨复合体在人体站立状态下以及步态加载中膝关节屈曲状态下的生物力学响应,进一步分析其股骨-假体-胫骨复合体的应力分布及应力遮挡现象,探讨病人术后发生股骨穿孔的原因,为肿瘤型铰链式人工膝关节假体的优化设计与制造提供理论基础。在站立加载状态下,相对胫骨,股骨的应力明显更大且集中分布趋势显著,股骨干前1/3区域应力较大,呈现应力遮挡效应,同时比较了有无骨水泥填充的情况,分析股骨应力集中现象在无骨水泥填充情况下更加明显。在步态过程中,考虑肌肉力的影响,反求人体步态加载条件,在膝关节屈曲状态下,分析了三种不同屈曲角度下股骨的应力分布情况。由于模型基于临床病人几何及骨质特征建立,其应力分布图显示股骨应力集中位置与临床中病人股骨穿孔位置接近,表明可能发生与病人病症一致的股骨损伤行为。本文的研究内容对于避免病人术后骨损伤现象的发生具有实际意义,并且同时对肿瘤型膝关节假体的结构设计有一定的参考借鉴作用,具有较大的工程意义。
【关键词】：肿瘤型膝关节置换 生物力学响应 骨水泥 步态分析 应力分布 有限元分析
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R738;R318.01
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.1.1 研究背景11
• 1.1.2 研究方法及意义11-12
• 1.2 膝关节功能解剖学12-13
• 1.3 国内外医用生物力学相关研究现状13-16
• 1.3.1 国内研究现状14
• 1.3.2 国外研究现状14-15
• 1.3.3 有限元法在生物力学中的应用15-16
• 1.4 国内外膝关节置换生物力学研究现状16-18
• 1.4.1 国内外膝关节骨肿瘤置换术现状16
• 1.4.2 国内外膝关节模型发展概况16-17
• 1.4.3 肿瘤型膝关节假体结构研究现状17-18
• 1.5 本文主要研究内容18-20
• 第2章 特定人体股骨-胫骨有限元模型建立及验证20-31
• 2.1 医学建模原理以及逆向工程建模原理20-22
• 2.1.1 医学建模原理20-21
• 2.1.2 逆向工程建模原理21-22
• 2.2 股骨-胫骨几何模型的建立22-26
• 2.2.1 CT扫描数据的获取22-23
• 2.2.2 股骨-胫骨几何数据建模23-25
• 2.2.3 股骨-胫骨几何模型后处理25-26
• 2.3 股骨-胫骨有限元模型建立26-29
• 2.3.1 股骨-胫骨有限元网格划分26-27
• 2.3.2 股骨-胫骨有限元模型建立27-29
• 2.4 股骨-胫骨有限元模型有效性验证29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 肿瘤膝关节假体建模及评估31-42
• 3.1 膝关节假体三维扫描实验31-36
• 3.1.1 三维扫描技术原理31-32
• 3.1.2 肿瘤型膝关节假体结构简介32-33
• 3.1.3 膝关节假体几何数据获取33-35
• 3.1.4 膝关节假体几何数据处理35-36
• 3.2 膝关节假体有限元模型的建立36-38
• 3.2.1 膝关节假体有限元模型的网格划分37-38
• 3.2.2 膝关节假体有限元材料模型建立38
• 3.3 膝关节假体模型有效评估38-41
• 3.3.1 优化算法原理39
• 3.3.2 结构参数的选取39
• 3.3.3 全因子试验39-40
• 3.3.4 结构优化过程及评估分析40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 活性骨水泥力学性能试验与分析42-48
• 4.1 骨水泥压缩试样的制备42-43
• 4.2 骨水泥压缩试验43-45
• 4.2.1 试验准备43-44
• 4.2.2 骨水泥压缩试验44-45
• 4.3 骨水泥压缩试验仿真验证45-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第5章 站立状态下复合体模型生物力学响应分析48-55
• 5.1 股骨-假体-胫骨复合体模型建立48-49
• 5.2 人体站姿下模型静力学响应分析49-52
• 5.2.1 股骨-胫骨模型应力分析49-50
• 5.2.2 肿瘤膝关节假体柄应力分析50-51
• 5.2.3 改变假体柄长度及曲率分析股骨应力分布51-52
• 5.3 膝关节弯曲 30°状态下模型力学响应分析52-54
• 5.3.1 有骨水泥填充时股骨应力分析53
• 5.3.2 无骨水泥填充的股骨应力分析53-54
• 5.4 本章小结54-55
• 第6章 人体步态下复合体模型生物力学响应分析55-63
• 6.1 膝关节假体植入骨肌模型55-56
• 6.2 加载条件获取56-60
• 6.3 膝关节不同运动角度下模型应力分析60-62
• 6.4 本章小结62-63
• 总结和展望63-66
• 参考文献66-70
• 致谢70-71
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录71-72
• 附录B 攻读学位期间申请的专利72

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本文编号：891349