近年來,脊椎疾病呈現(xiàn)出高發(fā)性和低齡化的趨勢。隨著腰椎損傷發(fā)病率的增加,以及腰椎畸形、大面積骨折、腫瘤等嚴重疾患的增多,假體置換術(shù)已經(jīng)成為這類疾病終末治療的有效手段。雖然術(shù)后能夠緩解患者癥狀,保留機體的生理運動,但在長期療程中關(guān)于沉降、移位、松動等術(shù)后并發(fā)癥仍有較高的發(fā)病率。因此,研究假體置換術(shù)后腰椎存在的力學問題,發(fā)現(xiàn)脊椎假體結(jié)構(gòu)缺陷并進行優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實意義。鑒于此,本文建立置換術(shù)后腰椎力學模型,利用有限元方法模擬人體生理活動下腰椎受力形態(tài),并根據(jù)實驗結(jié)果提出脊椎假體仿生優(yōu)化設(shè)計方案。主要研究工作如下:1.利用現(xiàn)有計算機可視化和三維重建技術(shù),根據(jù)CT和MRI數(shù)據(jù),并結(jié)合Mimics及Simpleware圖像處理軟件建立正常人體腰椎L3-L4節(jié)段實體模型,包括上下椎體、椎間盤和部分連接韌帶。通過對傳統(tǒng)脊椎假體的研究,結(jié)合脊椎假體設(shè)計理論建立假體模型,并在正常模型的基礎(chǔ)上模擬切除患骨,將脊椎假體植入模型缺損處,建立置換術(shù)后腰椎模型。2.在構(gòu)建模型的基礎(chǔ)上進行材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、表面連接關(guān)系定義等操作,并在有限元分析軟件ANSYS中完成載荷和邊界條件的加載,模擬兩種模型在真實人體中不同生理活動下的受力情況,獲得相應的應力應變云圖。通過對比兩種模型在相同外力下的應力應變分布,進一步分析導致置換術(shù)后期出現(xiàn)并發(fā)癥的機械因素,為假體優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)。3.針對假體結(jié)構(gòu)缺陷,并參照正常人體松質(zhì)骨結(jié)構(gòu),提出假體仿生微孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。接著采用有限元方法檢驗微孔鈦合金材料的力學性能,并在理論上模擬優(yōu)化假體置換術(shù)后腰椎受力情況。結(jié)果顯示,本文設(shè)計的微孔鈦合金材料可滿足自然骨組織的力學強度,對比分析可知優(yōu)化后假體應力減小且分布更加均勻,增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性,這為指導脊椎假體的進一步改進提供了理論依據(jù)。
【學位單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TP391.7;O241.82
【部分圖文】：

對于一個將要分析的彈性體對象，通過給定物體材料的類型并指定其邊界條件，可采用三類力學變量、三類基礎(chǔ)方程和邊界條件來描述彈性體對象。其中彈性體基本變量、基本方程以及邊界關(guān)系如圖2.3所示。圖2.3 變形體變量、方程和邊界關(guān)系圖（1）力的平衡方程平面問題實際上可以作為空間問題的特殊情況，可認為物體在z方向上的值忽略不計。在彈性體的任意一點 a ( x,y)處取一個微元dxdy，其每個側(cè)面上的任意力都能夠分解成沿 x 方向和沿 y 方向的力，具體如圖2.4所示。dca(x,y) byx(,)xx xy(,)xy xy(,)yy xy(

體微元變形前為 APB，而產(chǎn)生變形后為 A P B ，其中u 表示P 點在 x 方向上的位移，v 表示在 y 方向上的位移。圖2.5 平面問題的變形表示定義 x 方向上形變后的相對伸長量為xx ，y 方向上形變后的相對伸長量為yy ，定義夾角的總變化xy 。具體方程表示如式（2-4）：

對平面問題進行分析之后，可以將問題的求解擴展到三維空間中。在彈性體的任意一點 a ( x,y)處取一個微元dxdydz，其中每個側(cè)面上的任意力都能夠分解成沿x、y、z三個方向上的力，具體如圖2.6所示。圖2.6 三維空間中各方向力分布圖其中三維空間的三類變量包括：（1）位移分量：u v w（2）應變分量：xx yy zz xy yz zx （3）應力分量：xx yy zz xy yz zx 其中 、 、 分別表示x、y、z方向的位移分量，參考平面問題中三大類基本方程和邊界條件的推導方式，將結(jié)果推廣到空間問題中�？臻g問題中基本方程和邊界條件的推導同平面問題處理一致，也是在微小體元dxdydz上建立的，因此同樣適用于處理任意復雜形狀的三維彈性體分析。三維空間中基本方程和邊界條件分別為：（1）平衡方程
【參考文獻】

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本文編號：2871535