人工股骨假体多尺度建模及其生物力学研究

论文摘要

由疾病、创伤等原因导致的股骨缺损给患者的生活和工作带来了极大的不便。为了帮患者恢复肢体功能,医学人员先后提出了多种修复骨骼的方法,其中,人工假体修复技术,被认为是治疗各种骨缺损及关节疾病终末期病变最普遍、最有效的方法,但是随着临床研究的深入该方法也逐渐暴露出一些问题,如：软组织穿透、感染,假体折断和松动等。据统计,假体无菌性松动是人工假体修复手术中最常见的问题之一发生率约为7%-30%。针对假体无菌性松动这一问题,本文提出了基于CT图像对植入的人工假体进行多尺度建模方法,以提高假体与自体骨组织的匹配性能,减少假体植入对股骨内部应力分布的影响,防止骨骼自适应重建的发生,从根本上减小假体发生松动的可能性。本文的研究工作主要包括以下四个方面：（1）在查阅国内外相关文献的基础上,系统地阐述了人体骨骼的结构、力学特性及其重建理论的最新研究进展,并基于骨组织的自适应重塑理论对假体产生无菌性松动的机理进行了分析。（2）将逆向工程技术引入到人体骨骼的重建领域,基于医学CT图像建立了人体髋部的三维CAD模型,并利用Mimics软件对修复手术进行了模拟,获得了所需植入假体的宏观模型。（3）基于医学CT图像建立了面向快速原型制造的组织工程化的多尺度假体的CAD模型,以提高假体与自体骨组织的匹配性能。（4）利用ANSYS对由五种不同材料假体与股骨组成的装配体模型以及股骨在切除肿瘤之前和之后的模型进行了静力学分析,验证了本文所提出的假体多尺度建模方法在提高假体与骨组织生物力学匹配性方面的可行性,同时也为将来进一步优化人工假体模型提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 骨骼缺损修复技术概述
• 1.3 人工假体修复技术最新研究进展
• 1.3.1 假体材料
• 1.3.2 骨骼及假体建模技术
• 1.3.3 假体的制备
• 1.3.4 假体固定方法
• 1.4 课题的主要研究内容及框架结构
• 1.4.1 课题研究的主要内容
• 1.4.2 论文的框架结构
• 1.5 本章小结
• 第2章 人体骨骼的生物力学特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 人体骨骼的力学性能
• 2.2.1 骨材料力学特性的实验测定结果
• 2.2.2 基于CT图像对骨骼材料特性的研究
• 2.2.3 骨材料的应力与应变关系
• 2.3 骨骼内部细观结构研究
• 2.3.1 松质骨
• 2.3.2 密质骨
• 2.4 骨骼自适应性重建机理研究
• 2.4.1 骨骼自适应性重建理论的发展
• 2.4.2 骨骼进行自适应性重建的生物学基础
• 2.4.3 骨骼自适应性重建过程
• 2.5 基于自适应性重建理论的假体松动机理
• 2.6 小结
• 第3章 基于逆向工程和CT图像的骨骼模型重建研究
• 3.1 引言
• 3.2 建立骨骼实体模型
• 3.2.1 获取医学CT图像
• 3.2.2 医学CT图像处理
• 3.2.3 三维重建
• 3.2.4 重建模型误差评估
• 3.3 模型应用
• 3.3.1 辅助人工假体修复手术
• 3.3.2 三维有限元模型的生成
• 3.4 小结
• 第4章 基于组织工程建立假体多尺度模型
• 4.1 引言
• 4.2 建立假体的宏观模型
• 4.2.1 建立病理区的三维模型
• 4.2.2 建立假体模型
• 4.3 建立组织工程化假体的多尺度模型
• 4.3.1 股骨待修复部位力学特性分析
• 4.3.2 选定模型材料
• 4.3.3 确定模型细观结构
• 4.3.4 建立细观CAD模型
• 4.4 建立多尺度CAD模型
• 4.5 小结
• 第5章 股骨-假体生物力学仿真研究
• 5.1 引言
• 5.2 建立股骨-假体装配体的有限元模型
• 5.2.1 建立股骨的有限元模型
• 5.2.2 建立假体的有限元模型
• 5.2.3 耦合设置
• 5.3 股骨-假体有限元模型静力学分析
• 5.3.1 施加约束和载荷
• 5.3.2 结果与分析
• 5.4 小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢