【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(huì)改變股骨的力學(xué)分布狀態(tài),同時(shí)采用骨水泥固定骨柄和臼杯會(huì)因?yàn)楣撬嗄踢^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?yàn)榧袤w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(huì)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(diǎn)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(diǎn),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(shí)體模型,依據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算。(3)對需要進(jìn)行電測實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的測點(diǎn)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?粘貼應(yīng)變片,在萬能拉壓力試驗(yàn)機(jī)上施加生理載荷進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn),得到測點(diǎn)的應(yīng)變結(jié)果,將數(shù)值模擬和電測實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相對照,驗(yàn)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(gè)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(cuò)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(shí)，這種復(fù)雜的蜂窩織狀結(jié)構(gòu)會(huì)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(jì)研發(fā)方式已經(jīng)不能滿足人民日益高漲的設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)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(jì)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(jì)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(jì)公式等。因?yàn)樵诋a(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(shí)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(shí)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(shí)體化，再把已經(jīng)實(shí)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(shí)物。反求工程在人體骨骼建模方面有著非常高的應(yīng)用價(jià)值，運(yùn)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(shí)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(hào)】：R318.17

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本文編號(hào)：2611057