目的:本研究建立正常膝關(guān)節(jié)三維有限元模型,并通過驗(yàn)證和證實(shí)其準(zhǔn)確性,作為之后膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究的模型。再建立不同后傾角度的UKA模型,研究脛骨后傾角度對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的的影響,以尋求合理的后傾角度。方法:獲得1名左側(cè)膝關(guān)節(jié)無疾病史的志愿者的CT及MRI檢測(cè)數(shù)據(jù),利用Mimics19.0軟件、Asan有限元前處理軟件、Abaqus 2016版軟件建立正常和不同后傾角度的UKA三維有限元模型,再行有限元分析。結(jié)果:建立的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型,主要結(jié)構(gòu)包含骨、軟骨、半月板和韌韌,計(jì)算載荷分布和主要應(yīng)力,與文獻(xiàn)研究結(jié)果相近,模型通過驗(yàn)證。對(duì)0°、3°、5°、7°、9°、11°后傾的UKA模型計(jì)算其脛骨皮質(zhì)骨應(yīng)力、外側(cè)軟骨應(yīng)力、外側(cè)半月板應(yīng)力、前后交叉韌帶應(yīng)力、內(nèi)外側(cè)間室占比的研究,發(fā)現(xiàn)所有0°-7°后傾時(shí)脛骨后內(nèi)側(cè)皮質(zhì)的應(yīng)力無顯著差異((P0.05),而9°和11°后傾可致脛骨后內(nèi)側(cè)皮質(zhì)應(yīng)力明顯增高(P0.05),雙側(cè)的載荷占比、外側(cè)間室軟骨應(yīng)力、外側(cè)半月板應(yīng)力、襯墊應(yīng)力無顯著差異(P0.05)。結(jié)論:通過驗(yàn)證的正常膝關(guān)節(jié)模型較為完整,可以用于對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的影響研究。后傾角度對(duì)固定平臺(tái)UKA膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)有很大的影響,合理的后傾角度為0°-7°,在此范圍可以降低術(shù)后并發(fā)癥及提高假體的生存率。
【學(xué)位單位】：南華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：R687.4
【部分圖文】：

骨結(jié)構(gòu)提取

南華大學(xué)學(xué)位論文6將以上獲取的股骨、脛骨、半月板、前交叉韌帶、后交叉韌帶、內(nèi)外側(cè)副韌帶等結(jié)構(gòu)的STL格式重新導(dǎo)入Mimics19.0軟件成功組件出完整的膝關(guān)節(jié)三維模型（如圖1.2所示）。圖1.2正常膝關(guān)節(jié)三維模型1.3.2網(wǎng)格劃分和賦值網(wǎng)格劃分：將Mimics軟件導(dǎo)出的STL格式的文件導(dǎo)入到Ansa有限元前處理軟件中，選擇殼單元模塊中的表面化處理（Tosurface）功能，生成幾何模型，因?yàn)閙imics導(dǎo)出的STL殼網(wǎng)格單元質(zhì)量較差，需要重新在Ansa軟件中劃分高質(zhì)量網(wǎng)格，對(duì)膝關(guān)節(jié)各部件逐一劃分生成殼網(wǎng)格，網(wǎng)格單元為混合單元（多數(shù)四邊形及少數(shù)三角形）。賦值：定義殼模型為實(shí)體模型，選擇裂變功能，將模型劃分成高質(zhì)量的四面體網(wǎng)格模型。脛骨、股骨、半月板及韌帶均認(rèn)為是同性線彈性材料，同時(shí)對(duì)每種部件賦予對(duì)應(yīng)材料參數(shù)（彈性模量及泊松比）表（1.1）。表1.12結(jié)構(gòu)材料參數(shù)結(jié)構(gòu)彈性模量（MPa）泊松比脛骨4184.60.3股骨3884.30.3腓骨4164.60.3韌帶480.3交叉韌帶900.3半月板590.3軟骨50.3

材料與方法71.4正常膝關(guān)節(jié)有限元模型的驗(yàn)證1.4.1接觸對(duì)設(shè)置選擇實(shí)體表面，根據(jù)實(shí)際情況將緊密連接的接觸面設(shè)定為綁定(tie)關(guān)系，也就是沒有辦法相對(duì)移動(dòng)。同時(shí)考慮到關(guān)節(jié)腔內(nèi)有關(guān)節(jié)液，摩擦力非常小，將各接觸對(duì)都設(shè)置為無摩擦接觸。1.4.2邊界及其載荷邊界條件：將股骨上表面耦合成一點(diǎn)，并將該點(diǎn)創(chuàng)建集合（set），將脛骨下表面完全固定，脛骨下表面僅約束豎直方向自由度。軟骨及骨、各條韌帶及骨、半月板及骨都認(rèn)可為綁定關(guān)系。將此模型導(dǎo)出IPN格式，導(dǎo)入至Abqus2016中進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格模型如圖所（圖1.3）。圖1.3正常膝關(guān)節(jié)網(wǎng)格模型設(shè)置的單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)：本模型中單元共計(jì)301498個(gè)，各具體單元數(shù)及節(jié)點(diǎn)數(shù)如下表（標(biāo)1.2）。表1.2各結(jié)構(gòu)單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)結(jié)構(gòu)單元數(shù)目節(jié)點(diǎn)數(shù)目脛骨7266615817股骨8751818965交叉韌帶6367515797半月板163504381軟骨424925232內(nèi)側(cè)韌帶54605232外側(cè)韌帶66422285腓骨69952218
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本文編號(hào)：2887044