假肢是殘肢患者用來代替肢體形態(tài)和實現(xiàn)肢體功能的重要工具,而接受腔作為殘肢與假肢之間傳遞力的唯一橋梁,其結構設計的好壞直接影響著假肢功能的發(fā)揮。因此開展殘肢與假肢接受腔界面應力的研究,了解其生機界面應力分布情況對優(yōu)化小腿接受腔結構和提高假肢佩戴舒適性具有重要的理論和現(xiàn)實意義。本文以小腿殘肢與接受腔耦合界面為研究對象,通過逆向工程和有限元方法建立殘肢與接受腔耦合界面有限元模型,采用超彈性本構模型定義軟組織生物力學性質,比較不同超彈性本構參數(shù)及泊松比對殘肢表面應力的影響;引入開放式釋壓穩(wěn)定接受腔,通過界面應力比較不同修行量對界面應力分布的影響,并與傳統(tǒng)髕韌帶承重接受腔進行比較;通過步態(tài)周期中5個典型時相計算行走過程中殘肢與兩種接受腔表面應力變化規(guī)律。論文主要內容如下:1.結合人體軟組織不可壓縮、非均質和各向異性等生物力學特性分析殘肢與接受腔耦合界面模型非線性的來源。并基于軟組織近似不可壓縮的力學特性,介紹了幾種有限元軟件常用的超彈性材料本構方程,為指導后續(xù)有限元分析提供理論基礎。2.通過逆向工程和有限元軟件建立殘肢與髕韌帶承重接受腔耦合系統(tǒng)的有限元模型,分別采用Neo-Hookean模型、Mooney-Rivlin模型和三階多項式模型定義軟組織材料,比較線彈性與超彈性材料的計算結果區(qū)別,并研究泊松比對殘肢表面應力的影響。隨著泊松比的增大,殘肢表面最大接觸正應力和剪切應力均逐漸增大。Neo-Hookean本構模型在泊松比為0.495時的計算結果與參考文獻計算結果較相近,同時驗證了耦合界面有限元建模的合理性。3.采用開放式釋壓穩(wěn)定接受腔作為研究對象,根據(jù)其設計原理探討不同的壓縮量對殘肢表面載荷分布的影響,并與髕韌帶接受腔比較發(fā)現(xiàn),髕韌帶承重接受腔接觸正應力平均值最大,但殘肢末端接觸正應力最小。當釋壓穩(wěn)定接受腔取R07模型修型量時,接受腔的功能傳遞性和安全舒適性得到較好的實現(xiàn)。4.通過施加足跟觸地期、全足著地期、支撐相中期、足跟離地期、足趾離地期步態(tài)周期內5個典型相時的載荷和力矩,計算患者在行走過程中殘肢與接受腔接觸界面應力分布規(guī)律及變化情況。釋壓穩(wěn)定接受腔和髕韌帶承重接受腔表面應力均呈雙峰形,且于全足著地期和足跟離地時達到局部峰值。并將受力最不利的全足著地時相各承重區(qū)應力平均值與單腿站立時進行比較。本文通過研究殘肢與接受腔耦合界面的應力狀況,為設計和優(yōu)化小腿接受腔結構、建立接受腔快速成型專家系統(tǒng)提供理論依據(jù)和參考價值。
【學位單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TH789
【部分圖文】：

小腿假肢分類及制作 小腿假肢分類據(jù)殘肢的不同情況需要適配不同的假肢生機界面，目前下肢的生機界面式骨整合和接受腔兩種方式。0 世紀中期，植入式骨整合生機界面首次由 Branemark 教授提出，并于 19告臨床試驗成果，報告中提到有一位使用植入式骨整合假肢的患者稱其受到地面路況[4]。植入式骨整合生機界面的方式具體為將植入物一端植入腔，另一端伸出體外與適配的假肢連接，圖 1-1、圖 1-2 為其示意圖及實物可以看出，這種生機界面與骨骼直接連接，增加界面剛性從而減少了殘的柔性功能傳遞。同時解決了接受腔對殘肢的擠壓與摩擦造成的皮膚磨界面透氣問題。但是植入式骨整合生機界面也存在著缺陷，因其要直接菌感染和機械破壞是導致其失效的主要原因，因此要求植入體材料與皮物相容性和抗沖擊能力。同時植入式手術周期長，植入體需分兩段進行植期為 6 個月，從手術完成到正常使用平均需要一年半的時間，因此以上手術費用都阻礙了該生機界面的臨床應用[5]。

這種生機界面與骨骼直接連接，增加界面剛性從而減功能傳遞。同時解決了接受腔對殘肢的擠壓與摩擦造成的氣問題。但是植入式骨整合生機界面也存在著缺陷，因其和機械破壞是導致其失效的主要原因，因此要求植入體材性和抗沖擊能力。同時植入式手術周期長，植入體需分兩段6 個月，從手術完成到正常使用平均需要一年半的時間，因用都阻礙了該生機界面的臨床應用[5]。圖 1-1 植入式骨整合生機界面示意圖

腔不同進行分類主要有以下 4 種常見類型[8, 9]，如圖 1-3 所示：1.傳統(tǒng)型小腿假肢主要采用皮革、鋁或者木材等柔軟材料制成接受腔，金屬膝鉸鏈和皮梆起固定和懸吊作用。其適用范圍寬，生產成本低，但承重能力差，殘肢末端懸空，殘肢血液循環(huán)差引起肌肉萎縮，且殘肢在接受腔中易串動，產生摩擦。2.PTB（Patellar Tendon Bearing）髕韌帶承重小腿假肢接受腔為封閉型，膝上裝有環(huán)帶起懸吊作用，相比傳統(tǒng)接受腔更利于血液循環(huán)，結構根據(jù)軟組織宜承重和敏感區(qū)設計，適用于小腿中部截肢患者。3.TSB（Total Surface Bearing）全接觸式小腿假肢在殘肢承重情況下取模，利用硅膠、凝膠內襯套實現(xiàn)懸吊，與殘肢實現(xiàn)全面接觸、全面承重，承載力強，與 PTB 接受腔一樣為封閉型接受腔，且只適用于小腿中部截肢患者。4.PTK（Prosthese Tibial Kegel）小腿假肢與髕韌帶接受腔承重部位相似，但結合了 PTB 接受腔和 TSB 接受腔的特點，采用具有彈性股骨內外踝包容懸吊，此接受腔的使用不受殘肢長短的限制。

【參考文獻】

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本文編號：2818999