【摘要】：目前,隨著科技的提高,髖關(guān)節(jié)置換技術(shù)的逐步成熟,越來越多的人接受人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的治療方式。人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)是對髖關(guān)節(jié)基本功能丟失,且藥物醫(yī)治無效的病人最有效的治療方法。但是人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)是用人工髖關(guān)節(jié)假體代替受損的髖關(guān)節(jié),自然會改變股骨的力學(xué)分布狀態(tài),同時采用骨水泥固定骨柄和臼杯會因為骨水泥凝固過程中的高溫影響骨細(xì)胞的生長,進(jìn)而出現(xiàn)骨吸收、骨萎縮等后續(xù)負(fù)面效果,以及因為假體的原因發(fā)生的并發(fā)癥。因此,為了處理這些負(fù)面問題,在生物力學(xué)研究領(lǐng)域,研究帶有骨小梁結(jié)構(gòu)的生物型髖關(guān)節(jié)假體的性能,對于提高手術(shù)質(zhì)量和減少患者痛苦具有深遠(yuǎn)的意義。人工假體的選擇會對髖關(guān)節(jié)置換術(shù)產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。近年,在人工髖關(guān)節(jié)假體研究中新出現(xiàn)的帶骨小梁結(jié)構(gòu)的假體,該假體與其他類型的假體最大的不同點在于采用金屬3D打印技術(shù)在臼杯和假體柄打印出一層鈦合金骨小梁結(jié)構(gòu),骨小梁是與松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)相近的一種多孔支架結(jié)構(gòu)。臨床治療效果顯示,采用鈦合金骨小梁結(jié)構(gòu)置換的髖關(guān)節(jié)假體具有骨生長速度快和治療效果好的優(yōu)點,優(yōu)于其他非骨水泥固定的髖關(guān)節(jié)假體。但是對于采用骨小梁結(jié)構(gòu)髖關(guān)節(jié)假體進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換的生物力學(xué)研究相對較少。本文建立了帶有骨小梁結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)置換假體的三維實體模型,依據(jù)計算結(jié)果設(shè)計制造了帶有骨小梁結(jié)構(gòu)的骨柄與臼杯。研究了骨小梁對髖關(guān)節(jié)置換應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生的影響,為該種新型假體的設(shè)計和臨床使用提供參考。論文研究內(nèi)容如下:(1)綜述了髖關(guān)節(jié)的相關(guān)概念和髖關(guān)節(jié)置換的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,提出了論文研究的目的以及意義。(2)建立有無骨小梁結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)三維模型,采用數(shù)值模擬的方法,基于Ansys Workbench進(jìn)行了數(shù)值計算。(3)對需要進(jìn)行電測實驗的無骨小梁結(jié)構(gòu)髖關(guān)節(jié)假體進(jìn)行數(shù)值模擬,確定電測實驗的測點位置,制備人工股骨和骨盆,分別制作有無骨小梁結(jié)構(gòu)的假體柄實驗?zāi)Ｐ?粘貼應(yīng)變片,在萬能拉壓力試驗機(jī)上施加生理載荷進(jìn)行壓力實驗,得到測點的應(yīng)變結(jié)果,將數(shù)值模擬和電測實驗的結(jié)果相對照,驗證所建三維模型的準(zhǔn)確性并得到有無骨小梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布差別的結(jié)果。(4)對帶骨小梁結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)假體數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了分析,得出有臼杯及袖套骨小梁結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)模型各部分應(yīng)力分布結(jié)果,并與置換前髖關(guān)節(jié)假體的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析,說明了置換后各個零件的應(yīng)力變化;通過三組不同的有骨小梁結(jié)構(gòu)的對比,初步判斷了袖套骨小梁結(jié)構(gòu)以及臼杯骨小梁結(jié)構(gòu)的作用。(5)分別對有無臼杯骨小梁結(jié)構(gòu)和袖套骨小梁結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬,初步研究臼杯和袖套骨小梁結(jié)構(gòu)對髖關(guān)節(jié)置換后的主要零件應(yīng)力應(yīng)變的影響。
【圖文】：

第一章 緒論假體。骨小梁結(jié)構(gòu)是一種微細(xì)、孔小、無明顯規(guī)則的多孔支架，是通過仿生人梁制作出來的，在人體內(nèi)的松質(zhì)骨就是由大批的骨小梁彼此交錯形成的，在人到支持、減輕重量、緩沖、應(yīng)對形變及適應(yīng)形變等功能。而股骨頭與股骨頸表量六角形結(jié)構(gòu)的骨小梁組成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的骨小梁相互交叉的蜂窩織狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)縱向載荷傳導(dǎo)到骨小梁時，這種復(fù)雜的蜂窩織狀結(jié)構(gòu)會把轉(zhuǎn)化為水平推力，使得股骨主要承受軸向的壓應(yīng)力，極大的改善了股骨的應(yīng)力對比其他不帶骨小梁的非骨水泥固定型假體來說，其他非骨水泥固定型假體的一，孔隙率不足，只滿足少部分松質(zhì)骨的生物力學(xué)特性和生理微環(huán)境特征等缺帶骨小梁的假體的骨小梁表層具備優(yōu)越的生物學(xué)特性，骨小梁結(jié)構(gòu)的多孔表層細(xì)胞的貼附成長，提高干細(xì)胞的成骨分化，，提升金屬生物材料與細(xì)胞的結(jié)合能顯著增加金屬假體的骨結(jié)合能力，取得更好的機(jī)械學(xué)功能[50]。圖 1-1 為帶骨小髖關(guān)節(jié)置換假體。

隨著人民生活水平的提高，傳統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)方式已經(jīng)不能滿足人民日益高漲的設(shè)計需要了，這毫無疑問限制了制造業(yè)的發(fā)展，基于此，相關(guān)的專家們結(jié)合先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)以及自動化技術(shù)提出了反求工程。逆向工程（Reverse Engineering，RE）[44]又稱反求工程，是有別于傳統(tǒng)設(shè)計研發(fā)的新型研發(fā)思路，如圖 2-1 所示。它是先有產(chǎn)品，然后通過軟件一步步還原出產(chǎn)品的三維模型的一種設(shè)計方法。逆向工程被廣泛應(yīng)用于不能直接建立三維模型的外形復(fù)雜的產(chǎn)品或者該產(chǎn)品沒有特定的造型準(zhǔn)則及設(shè)計公式等。因為在產(chǎn)品的研發(fā)過程中是一定要建立準(zhǔn)確的三維模型，以便隨時進(jìn)行更改、優(yōu)化處理，所以，逆向工程完美的彌補(bǔ)了三維建模模型的不足，使得那些復(fù)雜的產(chǎn)品得以高效的研發(fā)下去。逆向工程不僅是用于普通產(chǎn)品的開發(fā)，現(xiàn)在它在醫(yī)學(xué)工程、航天航空、汽車等領(lǐng)域也得到了充分的使用，隨著科技的提高，軟件的不停換代，反求工程也在隨之發(fā)展，它的工作步驟一般是先使用激光的掃描儀對要反求的實物進(jìn)行掃描，把所成的像導(dǎo)入到反求工程的軟件里進(jìn)行實體化，再把已經(jīng)實體化的目標(biāo)導(dǎo)入三維軟件里進(jìn)行優(yōu)化處理，最后成為更好的實物。反求工程在人體骨骼建模方面有著非常高的應(yīng)用價值，運用反求工程可以為醫(yī)學(xué)研究提供精確的模型，所以本文將采用反求工程法建立股骨以及骨盆的實體模型[34]。
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R318.17

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本文編號：2611057