【摘要】：髖關(guān)節(jié)是連接下肢和軀干動(dòng)力鏈中重要的一環(huán),結(jié)構(gòu)必須完整,它承受的負(fù)荷不但包括靜止時(shí)的體重,還包括行走、爬山、跑步和跳躍等運(yùn)動(dòng)時(shí)的負(fù)荷,因此髖關(guān)節(jié)在人體日常生活的正�；顒�(dòng)中起著非常重要的作用。髖關(guān)節(jié)一旦發(fā)生病變就會(huì)使得髖關(guān)節(jié)軟骨及軟下骨的應(yīng)力分布發(fā)生變化,而引起髖關(guān)節(jié)疼痛,甚至出現(xiàn)功能受限、喪失。隨著我國人口老齡化趨勢(shì)的加速,髖關(guān)節(jié)疾病發(fā)病率也急速上升。人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)由于具有創(chuàng)傷小、出血少、術(shù)后疼痛輕、恢復(fù)快、減少老年人病人長(zhǎng)期臥床的并發(fā)癥等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)逐漸成為治療髖部疾病的標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)。人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)過程時(shí)間長(zhǎng)流程復(fù)雜,其中利用髖臼銼切削髖臼窩軟骨及軟骨下骨重建髖臼窩以達(dá)到和髖臼假體形狀及尺寸相匹配關(guān)系到手術(shù)成敗,然而這一關(guān)鍵手術(shù)步驟并未得到國內(nèi)研究人員太多的關(guān)注,現(xiàn)有髖臼銼設(shè)計(jì)原理與機(jī)構(gòu)缺乏文獻(xiàn)報(bào)道,因而有必要研究髖臼銼切除對(duì)象——髖臼軟骨及軟骨下骨的力學(xué)性能和切削特征,并對(duì)現(xiàn)有髖臼銼的切削過程和髖臼銼設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,為臨床的手術(shù)提供理論基礎(chǔ)和醫(yī)療器械選擇提供依據(jù),為醫(yī)療器械公司提供設(shè)計(jì)依據(jù)。(1)本文采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行了牛髖臼軟骨和軟骨下骨結(jié)構(gòu)觀察,發(fā)現(xiàn)髖臼軟骨表層纖維和中下層纖維的生長(zhǎng)方向不同,髖臼軟骨表層纖維(厚度約為0.2mm)是橫向生長(zhǎng)的,而髖臼軟骨中下層纖維(厚度約為1.4mm)則是豎向生長(zhǎng)的,發(fā)現(xiàn)髖臼軟骨和軟骨下骨之間的分界線并不平整,在分界區(qū)域(厚度約為0.2mm)軟骨和軟骨下骨相互交錯(cuò),并且觀察到了軟骨下骨骨單元清晰的組成結(jié)構(gòu)。髖臼軟骨的這些特征與膝關(guān)節(jié)軟骨類似。通過對(duì)牛髖臼軟骨和軟骨下骨進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn),得到牛髖臼軟骨在拉伸速率為2mm/min、5mm/min、10mm/min時(shí),其抗拉模量和極限應(yīng)力的平均值分別為5.22±0.96MPa和2.00±0.54Mpa、4.87MPa±0.19MPa和1.18±0.27MPa、2.67±0.21MPa和0.73±0.22MPa;牛髖臼軟骨下骨在拉伸速率為2mm/min、5mm/min、10mm/min時(shí),其抗拉模量和極限應(yīng)力分別為418.16MPa和31.01Mpa、467.65MPa和38.80MPa、583.89MPa和46.47MPa。還對(duì)牛髖臼窩不同區(qū)域的軟骨下骨進(jìn)行了硬度測(cè)試,發(fā)現(xiàn)牛髖臼窩軟骨下骨硬度最高區(qū)域的硬度平均值為72.0HV,硬度最低區(qū)域的硬度平均值為59.6HV。(2)通過對(duì)現(xiàn)在手術(shù)常用多孔髖臼銼的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,確認(rèn)多孔髖臼銼表面切削齒是沿球面螺旋線等螺旋線距離分布的,并給出了相應(yīng)的方程,利用三維建模軟件建立了直徑為50mm多孔髖臼銼的三維模型。通過高速攝影儀對(duì)多孔髖臼銼切削牛髖臼窩實(shí)驗(yàn)中多孔髖臼銼切削齒對(duì)髖臼軟骨的切削過程進(jìn)行分析,其切削過程可分成4個(gè)階段,分別為表面接觸、擠壓排出水分、切入軟骨膜、切割軟骨細(xì)胞間質(zhì),最后形成卷曲的條狀連續(xù)切屑,隨后根據(jù)切削方向與骨單元伸長(zhǎng)方向之間的關(guān)系,對(duì)交錯(cuò)方向、平行方向和垂直方向等三種切削方式進(jìn)行了介紹。然后,通過多孔髖臼銼切削木塊實(shí)驗(yàn),對(duì)不同直徑(42mm到60mm)髖臼銼在不同轉(zhuǎn)速(400r/min、600r/min、800r/min、1000r/min)、不同進(jìn)給速度(12mm/min、24mm/min、36mm/min)下的切削力和切削力矩進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速越高,切削力和切削力矩越小;進(jìn)給速度越高,切削力和切削力矩越大;髖臼銼直徑越大,切削力和切削力矩越大。為實(shí)際手術(shù)推薦合理轉(zhuǎn)速600r/min和進(jìn)給速度12mm/min,并建議在多孔髖臼銼切削完成后,利用相同直徑的斜刃髖臼銼進(jìn)行切削表面修整。(3)通過單切削齒正交切削實(shí)驗(yàn)建立了多孔髖臼銼切削力模型,還對(duì)現(xiàn)有多孔髖臼銼切削齒分布和齒形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并利用金屬3D打印技術(shù)打印優(yōu)化設(shè)計(jì)后的髖臼銼模型,利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的髖臼銼進(jìn)行了切削蠟?zāi)?shí)驗(yàn),結(jié)果表明切削齒分布優(yōu)化后的髖臼銼切削力矩平緩增加,切削齒形優(yōu)化后的髖臼銼切削表面平整光滑。(4)利用Abaqus仿真軟件對(duì)多孔髖臼銼切削齒切削軟骨下骨進(jìn)行仿真,建立了切削齒切削軟骨下骨仿真模型,通過改變切削齒圓弧形拱口傾角,建立不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的切削齒模型進(jìn)行切削仿真,探索了優(yōu)化的切削齒結(jié)構(gòu)參數(shù),仿真結(jié)果表明當(dāng)切削齒圓弧拱口傾角為30度時(shí),切削效果較好。
【學(xué)位授予單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH77
【圖文】：

第一章 緒論1.1 研究背景與研究意義1.1.1 髖關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)位于人體中部（如圖 1-1 所示），是人體最大的負(fù)重關(guān)節(jié)之一，也是全身最大且最穩(wěn)定的關(guān)節(jié)，它由股骨頭和髖臼窩成對(duì)構(gòu)成，是一個(gè)多軸性關(guān)節(jié)，可以做收展、伸屈、旋轉(zhuǎn)及環(huán)轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。由于髖關(guān)節(jié)中股骨頭有 2/3 包含在髖臼窩中，股骨頭面積和髖臼窩面積相差較小，髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)囊較厚，限制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度的韌帶堅(jiān)韌有力，因此髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍很小。髖關(guān)節(jié)的這種結(jié)構(gòu)特征是人類直立步行，重力通過髖關(guān)節(jié)傳遞等機(jī)能的反映。

第一章 緒論1.1 研究背景與研究意義1.1.1 髖關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)位于人體中部（如圖 1-1 所示），是人體最大的負(fù)重關(guān)節(jié)之一，也是全身最大且最穩(wěn)定的關(guān)節(jié)，它由股骨頭和髖臼窩成對(duì)構(gòu)成，是一個(gè)多軸性關(guān)節(jié)，可以做收展、伸屈、旋轉(zhuǎn)及環(huán)轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。由于髖關(guān)節(jié)中股骨頭有 2/3 包含在髖臼窩中，股骨頭面積和髖臼窩面積相差較小，髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)囊較厚，限制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度的韌帶堅(jiān)韌有力，因此髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍很小。髖關(guān)節(jié)的這種結(jié)構(gòu)特征是人類直立步行，重力通過髖關(guān)節(jié)傳遞等機(jī)能的反映。

圖 1-4 正常髖關(guān)節(jié)和病變髖關(guān)節(jié)[1]Fig.1-4 Normal hip joint and diseased hip joint[1]關(guān)節(jié)置換也被稱作人工髖關(guān)節(jié)置換，是將人造髖關(guān)節(jié)假體，包括股骨臼部分，采用骨水泥和螺絲釘固定在正常的骨質(zhì)上，來取代病變的髖建病人髖關(guān)節(jié)的正常功能，是一種較成熟、可靠的治療手段[5]。國外節(jié)置換手術(shù)開始于 40 年代，國內(nèi)人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)開始于 60 年代早期的人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)只置換髖關(guān)節(jié)中的股骨頭，被稱為半髖關(guān)后期發(fā)展為全髖關(guān)節(jié)置換。股骨頭壞死丶骨性關(guān)節(jié)炎丶股骨頸骨折丶節(jié)炎丶類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎丶良性和惡性骨腫瘤丶強(qiáng)直性脊柱炎等，只要壞的 X 線征象，并伴有中度至重度持續(xù)性的關(guān)節(jié)疼痛和功能障礙，其手術(shù)治療無法緩解等，都是需要進(jìn)行人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的指征[5]。工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)由于具有創(chuàng)傷小、出血少、術(shù)后疼痛輕、恢復(fù)快、減

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2773918