本文選題：生物力學　切入點：組配式假體　出處：《天津理工大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：肱骨為原發(fā)惡性骨腫瘤及轉(zhuǎn)移性骨腫瘤的好發(fā)部位之一,常以瘤段切除作為治療方法。對于瘤段切除后的保肢重建目前有同種異體骨移植、自體瘤段骨滅活回植、人工假體重建等方法。隨著影像學技術(shù)、假體制造技術(shù)以及外科手術(shù)技術(shù)的提高,人工假體重建術(shù)已廣泛用于骨干腫瘤廣泛切除后的保肢重建。骨干組配式假體作為近幾年新興人工假體因其有著手術(shù)操作相對簡單、患者住院時間較短、可即刻負重、并發(fā)癥低、生物力學性能好等諸多優(yōu)勢而備受關(guān)注。目前,骨干組配式假體應用于肱骨骨干的臨床報道較少,對于假體置換后肱骨以及假體的生物力學性能尚不清楚,制約了其臨床應用和進一步的優(yōu)化設(shè)計。針對肱骨骨干髓腔直徑較小,瘤段切除后殘余骨干較短以及上肢生物力學環(huán)境復雜等特點,提出了肱骨骨干組配式假體外加輔助鈦板固定聯(lián)合重建肱骨干節(jié)段性缺損的思路,并通過體外尸體骨電測法實驗和三維有限元分析的方法對該假體重建肱骨骨干的生物力學特性進行了研究。以期為假體的臨床使用和優(yōu)化設(shè)計提供科學的理論依據(jù)。本課題首先采用尸體骨電測實驗進行研究,實驗進行前使用3-D打印模型骨進行初步的預實驗以熟悉實驗操作流程和總結(jié)實驗所遇問題及提出解決方案,然后取成人右側(cè)新鮮尸體肱骨進行包埋、貼片和加載測試。為模擬肱骨在體力學環(huán)境,此次實驗分別進行肱骨機械軸向的拉伸加載和繞軸的扭轉(zhuǎn)加載,并得出位移及應變數(shù)據(jù)。實驗分為三個步驟逐一進行:首先,對完整肱骨進行加載;其次,人為建立肱骨骨干中段5cm長度缺損并以無鈦板輔助固定假體重建骨缺損后再次行相同方式加載;最后,外加輔助鋼板后再次進行加載。每組實驗分別進行五次拉伸和扭轉(zhuǎn)力的循環(huán)加載后求拉伸位移、扭轉(zhuǎn)角度以及貼片處應變平均值。尸體骨電測法實驗雖能切實的反應所測位置的應變變化情況,但由于實驗環(huán)境及一些不可預知因素會對實驗結(jié)果造成一定的影響,并且該方法只能得到貼片位置的應變變化而不能得到整體的應力分布以及諸如假體置入后假體柄表面、緊固螺釘?shù)汝P(guān)鍵部件的數(shù)據(jù)。因此,我們在尸體骨電測法實驗的基礎(chǔ)上進一步進行了三維有限元分析,建立了基于CT掃描的肱骨有限元模型和基于三維軟件的假體模型,按照尸體骨電測法實驗進行組裝和加載,設(shè)置了與尸體骨實驗相同的邊界條件。實驗結(jié)果表明,肱骨骨干組配式假體聯(lián)合鈦板輔助固定重建瘤段缺損可作為有效的保肢治療方法。該固定方式使得假體有著更好的初始穩(wěn)定性,可應對上肢復雜生物力學環(huán)境,外加輔助鈦板的設(shè)計降低了假體松動和脫位的風險。同時,此次研究驗證了所建肱骨三維有限元模型的有效性和準確性,得到了肱骨以及假體在拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷下的應力分布,為該假體的臨床使用和進一步的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。
[Abstract]:Humerus is one of the most common sites of primary malignant bone tumor and metastatic bone tumor. Methods such as artificial prosthesis reconstruction. With the improvement of imaging technology, prosthesis manufacturing technology and surgical technique, Artificial prosthesis reconstruction has been widely used in limb salvage reconstruction after extensive resection of bone tumors. As a new artificial prosthesis in recent years, because of its relatively simple operation and short hospital stay, the patient can bear weight immediately. Low complications, good biomechanical properties and many other advantages have attracted much attention. At present, there are few clinical reports on the application of diaphyseal prosthesis in the humeral shaft, but the biomechanical properties of the humerus and prosthesis after prosthesis replacement are not clear. It restricts its clinical application and further optimization design. It aims at the smaller diameter of the medullary cavity of the humeral shaft, the shorter residual shaft after resection of the tumor, and the complex biomechanical environment of the upper limb. The idea of reconstruction of segmental defect of humerus shaft with combined prosthesis and titanium plate fixation was put forward. The biomechanical properties of the prosthesis for humeral shaft reconstruction were studied by means of in vitro cadaveric bone electrical test and three-dimensional finite element analysis, in order to provide a scientific theoretical basis for the clinical use and optimal design of the prosthesis. First of all, the experiment of cadaveric bone test was carried out. Before the experiment, 3-D printed model bone was used for preliminary pre-experiment to familiarize the experimental procedure, summarize the problems encountered in the experiment and propose solutions. Then, the humerus of the right side of the adult body was taken for embedding, and the humerus of the right side of the adult was taken for embedding. In order to simulate the humerus in the mechanical environment, the experiment was carried out by axial tensile loading and torsional loading of the humeral shaft respectively, and the displacement and strain data were obtained. The experiment was divided into three steps: first, The complete humerus was loaded. Secondly, the humeral bone defect was reconstructed by artificial 5cm length defect in the middle of the humeral shaft and then was reloaded in the same way after the reconstruction of the bone defect with the prosthesis without titanium plate. After adding the auxiliary steel plate, the tensile displacement was calculated after the cyclic loading of five tensile and torsional forces in each group of experiments. Although the electric measurement of cadaveric bone can effectively respond to the strain change of the measured position, the experimental environment and some unpredictable factors will have a certain effect on the experimental results. Moreover, the method can only obtain the strain change of the patch position, but not the overall stress distribution and the data of the key components such as the surface of the prosthesis handle and the fastening screw after the prosthesis is placed. On the basis of the experiment of cadaveric bone electrical measurement, we further carried out three-dimensional finite element analysis, established the finite element model of humerus based on CT scan and the model of prosthesis based on three-dimensional software, and assembled and loaded the model according to the experiment of cadaveric bone electrometric method. The same boundary conditions as the cadaveric bone experiment are set. The experimental results show that, The prosthesis of humeral diaphysis combined with titanium plate can be used as an effective method for limb salvage, which can provide better initial stability and can deal with the complex biomechanical environment of upper limb. The design of additional titanium plate reduces the risk of prosthesis loosening and dislocation. At the same time, the validity and accuracy of the 3D finite element model of humerus are verified, and the stress distribution of humerus and prosthesis under tensile and torsional loads is obtained. It provides a theoretical basis for clinical use and further optimization design of the prosthesis.
【學位授予單位】：天津理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R687;R318.01

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