本文關(guān)鍵詞：人工股骨支架的計(jì)算機(jī)輔助仿生設(shè)計(jì)與優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：人工骨仿生支架是用于修復(fù)人體骨骼缺損后的功能和形態(tài)的替代物，根據(jù)結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的要求，骨仿生支架應(yīng)具有與缺損骨高度一致的外部形態(tài)，利于與其它部位更好的配合，同時支架內(nèi)部應(yīng)具有與自然骨相似的非均勻分布的梯度三維聯(lián)通孔隙結(jié)構(gòu)，以滿足機(jī)械性能和生物活性的需求。 本文以成人股骨為研究對象，首先，基于CT掃描斷層圖像的信息，利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件和逆向工程軟件完成了成人股骨仿生外形的個體化設(shè)計(jì)，誤差在-0.01651-0.01792mm，滿足了仿生的要求。 其次,通過對成人股骨外部形態(tài)以及生物功能的研究，在前期優(yōu)化的人工骨單晶胞模型的基礎(chǔ)上（中心開球孔，四周為圓柱孔的正六面體結(jié)構(gòu)），通過對單晶胞模型的參數(shù)控制，設(shè)計(jì)了14個具有梯度孔隙率的人工股骨梯度微結(jié)構(gòu)模型。通過有限元軟件ANSYS Workbench對其進(jìn)行力學(xué)分析，研究了模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)對彈性模量及孔隙率的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：當(dāng)固定模型聯(lián)通孔徑，隨著中心球半徑增大，孔隙率隨之增加；當(dāng)中心球半徑固定時，隨著聯(lián)通孔徑的增大，孔隙率也呈現(xiàn)遞增趨勢。14個模型的彈性模量范圍為10.107-20.610GPa，孔隙率的范圍為21.8%-41.2%，最后以人體自然股骨的彈性模量范圍及保證良好連通性的孔隙率要求為指標(biāo)，選定了適用于人體股骨替代物的三個模型。 第三，應(yīng)用Fluent對人工股骨梯度微結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行兩相流的組織液滲透及細(xì)胞的生長分析，結(jié)果表明：組織液能夠很好的滲透到人工股骨支架的各個部位，細(xì)胞在支架內(nèi)部均勻附著、生長。中心球半徑對系統(tǒng)壓力影響很小，較大的連通孔徑比較適合細(xì)胞的增殖與粘附，因此在人工股骨支架的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量選擇連通孔徑大的微結(jié)構(gòu)模型，通過調(diào)節(jié)中心球半徑來滿足所要求的支架孔隙率和力學(xué)性能。結(jié)合力學(xué)性能和流體性能分析研究，優(yōu)化出既滿足生物力學(xué)的要求，又能保證良好的連通性并且利于成骨進(jìn)行的支架模型，具體參數(shù)為：中心球半徑恒定為0.37，由內(nèi)到外三層晶胞的連通孔徑為0.50,0.45,0.42。 第四，基于有限元形函數(shù)映射理論與布爾運(yùn)算方法，結(jié)合GRIP語言提出了一種仿形精度較高，通用性較強(qiáng)的支架建模方法。首先，基于映射法對已建立的股骨實(shí)體模型進(jìn)行三維六面體網(wǎng)格剖分，得到一系列不規(guī)則六面體單元。其次，基于各個不規(guī)則六面體單元的八節(jié)點(diǎn)控制，利用有限元中的等參單元和形函數(shù)映射原理，生成一系列不規(guī)則的孔隙單元，并將其進(jìn)行布爾和運(yùn)算，得到支架的孔隙模型。最后，將股骨實(shí)體模型與孔隙模型進(jìn)行布爾差運(yùn)算，得到具有光滑輪廓以及近似于自然孔隙的人工股骨支架模型。 最后，針對支架內(nèi)部非均勻分布的孔隙大小，，本文提出了兩種方法實(shí)現(xiàn)孔隙大小控制：第一，采用改變六面體的剖分參數(shù)（初始網(wǎng)格密度）及改變孔隙單元參數(shù)實(shí)現(xiàn)支架內(nèi)的整體孔隙平均大小的控制。第二，采用網(wǎng)格加密技術(shù)進(jìn)行局部區(qū)域的網(wǎng)格加密，實(shí)現(xiàn)了支架內(nèi)局部區(qū)域孔隙大小的控制，以此獲得與自然股骨高度相近的梯度孔隙分布。
【關(guān)鍵詞】：股骨支架 計(jì)算機(jī)輔助 建模 有限元優(yōu)化 六面體網(wǎng)格
【學(xué)位授予單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：R319
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 緒論11-17
• 1.1 課題研究的背景及意義11-12
• 1.2 人工骨仿生支架概述12-13
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.3.1 人工骨支架仿生外形的研究13
• 1.3.2 人工骨支架內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的研究13-16
• 1.4 研究內(nèi)容及技術(shù)難點(diǎn)16
• 1.4.1 研究內(nèi)容16
• 1.4.2 主要技術(shù)難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)16
• 1.5 小結(jié)16-17
• 2 基于逆向工程的人工股骨仿生外形建模技術(shù)研究17-25
• 2.1 逆向工程技術(shù)概述17-18
• 2.2 逆向工程軟件的選用18-19
• 2.2.1 醫(yī)學(xué)圖像軟件18
• 2.2.2 Geomagic Studio18
• 2.2.3 UG NX6.018-19
• 2.3 人工股骨仿生外形建模技術(shù)概述19-20
• 2.3.1 CT 數(shù)據(jù)采集19
• 2.3.2 三維重建19-20
• 2.4 人工股骨支架仿生外形建模技術(shù)應(yīng)用20-23
• 2.4.1 CT 圖像數(shù)據(jù)采集20-22
• 2.4.2 曲面處理及生成22
• 2.4.3 生成實(shí)體22-23
• 2.4.4 結(jié)論23
• 2.5 結(jié)論23-25
• 3 人工股骨支架的內(nèi)部梯度微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元優(yōu)化分析25-45
• 3.1 股骨組織的微觀結(jié)構(gòu)及性能25-28
• 3.1.1 股骨組織的微觀結(jié)構(gòu)25-26
• 3.1.2 股骨組織的生物力學(xué)性能26-27
• 3.1.3 股骨組織的流體力學(xué)性能27-28
• 3.2 人工股骨有限元優(yōu)化分析28-29
• 3.2.1 有限元研究概況28-29
• 3.2.2 有限元分析軟件的選用29
• 3.3 人工股骨內(nèi)部梯度微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)29-32
• 3.3.1 單晶胞模型的設(shè)計(jì)29-30
• 3.3.2 梯度微結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)30-31
• 3.3.3 梯度微結(jié)構(gòu)模型的選取31-32
• 3.4 力學(xué)性能的分析與可控性的研究32-36
• 3.4.1 梯度微結(jié)構(gòu)模型的彈性模量32-34
• 3.4.2 梯度微結(jié)構(gòu)模型的最大等效應(yīng)力及最大等效應(yīng)變分布34-36
• 3.4.3 梯度微結(jié)構(gòu)模型的孔隙率變化36
• 3.5 兩相流數(shù)值研究及優(yōu)化分析36-43
• 3.5.1 網(wǎng)格計(jì)算及邊界條件的設(shè)定37
• 3.5.2 計(jì)算結(jié)果分析37-43
• 3.6 結(jié)論43
• 3.7 本章小結(jié)43-45
• 4 基于形函數(shù)的人工股骨支架仿生建模技術(shù)研究45-63
• 4.1 形函數(shù)映射理論與六面體網(wǎng)格劃分理論概述45-48
• 4.1.1 等參單元法45-47
• 4.1.2 基于映射法的六面體網(wǎng)格劃分理論47-48
• 4.2 UG/Open GRIP 簡介48
• 4.3 人工股骨支架的仿生建模方法48-49
• 4.4 定義單元孔隙模型49-51
• 4.4.1 參數(shù)域單元孔隙模型49
• 4.4.2 空間域子單元負(fù)型的構(gòu)形方法49-50
• 4.4.3 算法實(shí)現(xiàn)50-51
• 4.5 基于映射法的實(shí)體六面體網(wǎng)格劃分51-55
• 4.5.1 曲面二維網(wǎng)格的剖分51-53
• 4.5.2 三維六面體網(wǎng)格的劃分53-54
• 4.5.3 算法及實(shí)例54-55
• 4.6 人工股骨支架建模實(shí)例55-56
• 4.7 孔隙大小的控制56-59
• 4.7.1 人工股骨支架內(nèi)整體平均孔隙大小的控制57-59
• 4.7.2 局部區(qū)域中孔隙大小的控制59
• 4.8 人工股骨支架連通性的分析59-61
• 4.9 小結(jié)61-63
• 5 結(jié)論與展望63-65
• 5.1 主要研究結(jié)論63-64
• 5.2 展望64-65
• 致謝65-67
• 參考文獻(xiàn)67-71
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文71-72

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 龐鵬沙;陳柳珠;李衛(wèi);;醫(yī)用鈦基生物活性材料研究[J];材料導(dǎo)報;2006年03期

2 安梅巖;馬愛軍;;利用內(nèi)部骨重建理論和有限元法計(jì)算骨密度的變化[J];生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志;2006年01期

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 費(fèi)王華;基于新鮮骨骼CT圖像的有限元分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[D];南京理工大學(xué);2008年

2 張江偉;計(jì)算機(jī)輔助仿生骨組織支架建模方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

3 蔡升勇;基于形函數(shù)控制的組織工程骨架孔隙分布結(jié)構(gòu)實(shí)體建模技術(shù)研究[D];上海交通大學(xué);2010年

  本文關(guān)鍵詞：人工股骨支架的計(jì)算機(jī)輔助仿生設(shè)計(jì)與優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：381189