个性化髋关节假体耦合系统优化新设计方法研究

论文摘要

本文研究人造髋关节内置假体耦合系统优化新设计方法。假体置入人体后,其结构形态、几何尺寸、材料属性以及与股骨接触界面形式等因素与股骨的自适应重建存在动态的内在联系,假体和股骨等成为一个耦合动态系统。研究将把机械设计理论及方法、生物力学、机械动力学、骨生长重建理论、骨力学、材料学、最优化理论和方法及技术与医用CT技术、CAD和CAE技术和计算机可视化仿真理论及技术等结合起来,构建人造髋关节假体——股骨系统耦合动态数学和有限元仿真模型,在计算机可视化仿真中研究和探讨关节假体与股骨等耦合相互作用时,假体外部形状、结构形态、材料属性和几何尺寸等不同机械设计参数以及假体与股骨髓腔等部位的接触耦合形式对股骨生长重建的影响,在改变这些机械设计参数以及假体与股骨髓腔等部位接触耦合形式过程中来设计关节假体,这样设计的假体有利于股骨生长重建并形成稳定结合,以此建立关节假体耦合系统自适应优化新设计方法。本文的研究工作主要包括以下几个方面:①通过专业医学软件Mimics和CAD软件,运用以股骨CT图像数据为基础的图像处理与轮廓线提取技术,反求股骨计算机三维实体模型。②根据股骨CT图像数据,设计符合个体特征的个性化定制型髋关节假体。对定制型髋假体进行四套方案设计:四线法、中心线法、拉伸法和扫描法,并在髋假体设计好后进行虚拟置换,创建个性化髋关节假体耦合系统。③依据和利用股骨CT扫描数据和其表观密度以及弹性模量之间的关系,创建了接近股骨真实力学性能的有限元材料模型。④通过对有限元仿真计算和股骨加载实验的数据进行对比,不仅获得了自然生理状态下的股骨应力应变分布规律,且检验和改善前期建模及有限元分析工作。⑤对髋关节假体的静态、动态及疲劳特性进行研究。用四种方法设计的髋关节假体,与Charnley型常用假体进行比较分析。⑥采用非线性骨再造速率方程和有限元方法、Visual C++平台结合,引入拓扑优化思想,在个性化髋关节假体耦合系统中研究分析了不同物理参数的内置假体植入股骨髓腔后,对股骨重建的影响。从股骨单元细胞数目变化和应力应变分布入手,分析对比不同假体的结构形态、材料属性、几何尺寸和接触形式等参数对骨重建的影响。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 国外研究现状及分析
• 1.2.2 国内研究现状及分析
• 1.3 存在的主要问题与我的研究思路
• 1.3.1 存在的主要问题
• 1.3.2 研究思路
• 1.4 课题研究目的及内容
• 1.5 本章小结
• 2 创建个性化髋关节假体耦合系统
• 2.1 引言
• 2.2 反求股骨三维实体模型
• 2.2.1 获取CT 图像数据
• 2.2.2 提取股骨内外轮廓线
• 2.2.3 光顺处理
• 2.2.4 反求股骨三维实体模型
• 2.3 假体设计
• 2.3.1 四线法（解剖型）
• 2.3.2 中心线法（解剖型）
• 2.3.3 拉伸法（非解剖型）
• 2.3.4 扫描法（非解剖型）
• 2.4 髋关节假体—股骨系统的虚拟装配
• 2.5 本章小结
• 3 创建股骨有限元材料模型
• 3.1 引言
• 3.2 股骨材料的本构关系
• 3.3 建立股骨有限元材料模型
• 3.4 模型验证
• 3.5 本章小结
• 4 假体静态、动态及疲劳特性分析研究
• 4.1 引言
• 4.2 CAD 模型
• 4.3 有限元材料模型
• 4.3.1 有限元模型
• 4.3.2 材料模型
• 4.4 加载
• 4.5 有限元分析和结果
• 4.6 疲劳特性研究
• 4.6.1 疲劳分析
• 4.6.2 分析结果
• 4.7 本章小结
• 5 物理参数对股骨重建的影响分析研究
• 5.1 引言
• 5.2 股骨再造适应性原理
• 5.3 仿真模拟
• 5.3.1 高阶非线性骨重建方程
• 5.3.2 假体参数的量化
• 5.3.3 加载状况
• 5.3.4 仿真说明
• 5.4 结果分析与讨论
• 5.4.1 处理方法
• 5.4.2 材料属性对股骨重建的影响
• 5.4.3 尺寸对股骨重建的影响
• 5.4.4 结构形态对股骨重建的影响
• 5.4.5 接触距离（即股骨与假体的相对位置）对股骨重建的影响
• 5.4.6 应力遮挡率
• 5.4.7 讨论
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 今后研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录