【摘要】：股骨是支撐人體的重要組成部分,過大的荷載、意外的沖擊、疲勞等可能造成股骨的斷裂損傷,股骨頸開裂與折斷是一種典型、高發(fā)的損傷形式,此時需要用人工假體代替損壞的部分股骨。為使假體與股骨結(jié)合性能接近于原股骨,必需研究掌握股骨的應(yīng)力分布特征。而假體的無菌性松動是一個最為突出的問題,接觸應(yīng)力過大、骨溶解等是導(dǎo)致假體松動的一方面重要原因。假體植入后股骨應(yīng)力水平的較大降低又將產(chǎn)生所謂應(yīng)力遮擋,影響骨組織生長,導(dǎo)致局部骨量丟失、骨質(zhì)疏松等。因此,人工假體與股骨的理想結(jié)合至關(guān)重要,但假體與股骨結(jié)合體的生物力學(xué)實驗受結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與技術(shù)因素等限制,大多數(shù)研究都基于有限元數(shù)值模擬結(jié)果。本文基于有關(guān)項目的完整股骨及植入金屬假體股骨分別在縱向壓力、橫向彎折力、扭轉(zhuǎn)力偶作用下的多點應(yīng)力測量結(jié)果,進行有限元數(shù)值分析。采用基于股骨的CT掃描數(shù)據(jù),利用MIMICS軟件重建股骨的三維幾何精確模型,再轉(zhuǎn)入ANSYS軟件劃分單元后進行有限元數(shù)值分析,得到完整股骨及植入金屬假體股骨的應(yīng)力分布結(jié)果。有限元數(shù)值方法的應(yīng)用使股骨的生物力學(xué)計算模型從二維發(fā)展到三維,特別是CT數(shù)據(jù)采集與重構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用,使股骨實體模型與計算結(jié)果精度大大提高。基于測試結(jié)果的數(shù)值分析更具有可靠性。主要研究內(nèi)容包含如下三部分:(1)股骨縱向受壓時的應(yīng)力分布特征分析。縱向受壓是股骨遭受外作用的主要形式。分別對于完整股骨及植入金屬假體股骨,基于縱向受壓時多關(guān)鍵點(包括股骨頸)的測試應(yīng)力結(jié)果,進行有限元數(shù)值分析,計算得到應(yīng)力分布和關(guān)鍵點的應(yīng)力值,比較計算與測試主要結(jié)果的一致性,然后研究應(yīng)力分布及其隨外力的變化規(guī)律,得到完整股骨內(nèi)側(cè)股骨干上部有一個大應(yīng)力區(qū),股骨內(nèi)外側(cè)股骨頸處應(yīng)力較大,外側(cè)股骨頸的拉應(yīng)力將容易導(dǎo)致股骨的斷裂損傷;植入金屬假體后股骨的應(yīng)力分布發(fā)生較大改變,股骨頸與股骨干交界處接觸應(yīng)力一定增大,容易導(dǎo)致假體松動,股骨干中部假體前端處的應(yīng)力有一定減小,應(yīng)力水平的下降即所謂應(yīng)力遮擋,將引發(fā)骨量丟失。因此,合適的人工假體、優(yōu)化的結(jié)合方式對于股骨的康復(fù)與健康極為重要。(2)股骨及其結(jié)合體端部受橫向力時的應(yīng)力分布特征。端部橫向彎折力是股骨遭受外作用(如沖擊等)的另一重要形式。類似上述情況,分別對于完整股骨及植入金屬假體股骨,基于受橫向力時多關(guān)鍵點的測試應(yīng)力結(jié)果,進行有限元數(shù)值分析,計算得到應(yīng)力分布和關(guān)鍵點的應(yīng)力值,比較計算與測試主要結(jié)果的一致性,然后研究應(yīng)力分布及其隨外力的變化規(guī)律,得到完整股骨內(nèi)側(cè)股骨干上部有一個大應(yīng)力區(qū),股骨內(nèi)外側(cè)股骨頸處應(yīng)力較大,容易導(dǎo)致股骨的斷裂損傷;植入金屬假體后股骨的應(yīng)力分布也發(fā)生較大改變,假體后端與股骨接觸部位應(yīng)力增大,股骨干中部假體前端處應(yīng)力減小。(3)股骨及其結(jié)合體端部受扭轉(zhuǎn)力偶時的應(yīng)力分布特征。端部扭轉(zhuǎn)力偶是股骨遭受外作用的另一形式。類似地,分別對于完整股骨及植入金屬假體股骨,基于受扭轉(zhuǎn)力偶時多關(guān)鍵點的測試應(yīng)力結(jié)果,進行有限元數(shù)值分析,計算得到應(yīng)力分布和關(guān)鍵點的應(yīng)力值,比較計算與測試主要結(jié)果的一致性,然后研究應(yīng)力分布及其隨外力的變化規(guī)律,得到類似結(jié)果,完整股骨內(nèi)側(cè)股骨干上部應(yīng)力較大,植入金屬假體后股骨的應(yīng)力分布也發(fā)生較大改變,但應(yīng)力方向發(fā)生改變�？傊�,對完整股骨及植入假體股骨在幾種典型受力情況下的有限元數(shù)值分析應(yīng)力分布結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比,符合性良好,說明有限元分析結(jié)果的可靠性;得到股骨易受損范圍及骨折危險區(qū)域為股骨頸,與實際情況較為一致;假體后端與股骨接觸部位應(yīng)力較大且集中,容易導(dǎo)致假體松動,而股骨干中部假體前端處應(yīng)力減小,說明假體與股骨結(jié)合體存在應(yīng)力遮擋與骨量丟失問題。
【圖文】：

逡逑隨著科技的發(fā)展和ＭＩＭＩＣＳ的推廣普及，其被用在越來越多的領(lǐng)域。如①快逡逑型制造，該領(lǐng)域正是軟件開發(fā)的目的；②ＣＡＤ：借助二維斷層掃描圖像進行逡逑、處理、軟件自帶多yL組建可供三維重建，簡單快捷、靈活高效，且支持多逡逑ＡＤ接口可供和其他軟件進行交互操作；③有限元特性分析模塊，軟件能夠?qū)﹀义夏Ｐ瓦M行高效的網(wǎng)格優(yōu)化劃分，且支持材料賦值功能，能夠依據(jù)模型的具體逡逑針對性的進行材料賦值，使結(jié)果更加接近實際；④手術(shù)模擬與仿真。軟件能逡逑持多種模式的假體模擬與仿真，可供研究人員或醫(yī)療人員進行模擬仿真，并逡逑對假體的位置及尺寸等參數(shù)進行實時調(diào)整；⑤其他領(lǐng)域。該軟件除了科研和逡逑領(lǐng)域外，還被拓展應(yīng)用到逆向工程、無損探傷、考古、生物等多個領(lǐng)域的研逡逑實踐。逡逑邋１股骨以及假體模型獲取逡逑先對完整股骨以及假體進行ＣＴ掃描，完整股骨以及假體如圖２．邋２、圖２．邋３逡逑。邋邐逡逑

逡逑隨著科技的發(fā)展和ＭＩＭＩＣＳ的推廣普及，其被用在越來越多的領(lǐng)域。如①快逡逑型制造，該領(lǐng)域正是軟件開發(fā)的目的；②ＣＡＤ：借助二維斷層掃描圖像進行逡逑、處理、軟件自帶多yL組建可供三維重建，簡單快捷、靈活高效，且支持多逡逑ＡＤ接口可供和其他軟件進行交互操作；③有限元特性分析模塊，，軟件能夠?qū)﹀义夏Ｐ瓦M行高效的網(wǎng)格優(yōu)化劃分，且支持材料賦值功能，能夠依據(jù)模型的具體逡逑針對性的進行材料賦值，使結(jié)果更加接近實際；④手術(shù)模擬與仿真。軟件能逡逑持多種模式的假體模擬與仿真，可供研究人員或醫(yī)療人員進行模擬仿真，并逡逑對假體的位置及尺寸等參數(shù)進行實時調(diào)整；⑤其他領(lǐng)域。該軟件除了科研和逡逑領(lǐng)域外，還被拓展應(yīng)用到逆向工程、無損探傷、考古、生物等多個領(lǐng)域的研逡逑實踐。逡逑邋１股骨以及假體模型獲取逡逑先對完整股骨以及假體進行ＣＴ掃描，完整股骨以及假體如圖２．邋２、圖２．邋３逡逑。邋邐逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：R318

【參考文獻】

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3 雷旦;應(yīng)用于汽車碰撞安全研究的人體胸部有限元模型的建立與仿真驗證[D];華南理工大學(xué);2011年

4 趙磊;有限元及可靠性在車身結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[D];東北大學(xué);2008年

5 羅承剛;股骨三維重建與生物力學(xué)特性分析及實驗研究[D];重慶大學(xué);2004年

本文編號：2658181