股骨肿瘤切除术中的定制型假体有限元分析

论文摘要

股骨是连接髋关节和膝关节的重要骨骼结构,也是原发性骨肿瘤的多发部位。在外科治疗股骨恶性骨肿瘤的过程中,常采用肿瘤段的整块切除即边缘切除或更广泛的外科边界切除方法,肿瘤切除后,造成大段骨缺损,股骨近段的定制型假体置换是对股骨近段大段骨缺损进行修复重建的最主要方法之一。假体置换保留了患者肢体功能,也容易因应力遮挡和时间的增加导致假体脱粘和松动。随着计算机技术、有限元方法及计算机图形学等学科的迅猛发展,基于数值模拟的计算机辅助工程技术在医学领域得到了广泛应用,由于有限元方法在分析不规则物体的力学特点方面具有优越性,在骨骼尤其是髋关节置换的生物力学研究中,以及新假体的设计优化中得到广泛应用。本文对股骨进行三维重建,建立三种截骨面长度的三维有限元模型,对应四种不同的髓内柄长度,分析股骨-骨水泥-假体的应力分布以及股骨近段假体髓内柄长度的变化对应力分布的影响,为医生对股骨肿瘤患者临床置换假体的选择提供参考。有限元分析结果表明假体髓内柄所受应力在外侧假体柄远端达到最大值,应力值均小于假体强度极限;股骨前后侧应力变化规律不明显,内外侧应力由股骨近端向远端逐渐增加,在假体柄末端处达到最大值,但均远小于股骨干强度极限。骨水泥层的内侧近端和外侧远端应力值较大,并且自近端向远端逐渐增大,至假体柄远端时达到最大值。模拟结果分析得出以下结论:1.假体的植入不能避免股骨近端应力遮挡现象的发生,假体柄长度的变化对股骨的应力遮挡范围的影响不大。2.股骨假体的髓内柄长度要大于截骨面的长度尺寸,过长易导致股骨皮质穿孔或迸裂,过短易发生骨水泥层碎裂或脱粘。3.长柄假体可以明显降低髓内柄远端对骨水泥层产生的应力,但近端骨水泥层的应力水平也相应提高,因此切除的肿瘤段应尽量短。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 引言
• 1.1 术后骨质缺损的处理
• 1.1.1 自体骨移植
• 1.1.2 异体骨移植
• 1.1.3 瘤骨骨壳灭活再植
• 1.1.4 关节融合术
• 1.1.5 人工假体置换术
• 1.2 人工置换假体治疗股骨肿瘤的现状
• 1.2.1 假体类型
• 1.2.2 假体材料
• 1.2.3 国内外研究现状
• 1.3 本课题研究意义
• 1.4 本课题主要内容
• 1.4.1 三维重建
• 1.4.2 建立有限元模型
• 1.4.3 分析结果
• 第2章 有限元法的基本理论
• 2.1 有限元法的概念
• 2.2 假体置换术中的有限元技术
• 2.3 有限元模拟系统分析
• 2.3.1 有限元模拟系统的组成
• 2.3.2 有限元模拟系统的发展过程
• 2.3.3 常用有限元软件介绍
• 2.4 本章小结
• 第3章 三维模型的建立
• 引言
• 3.1 医学图像处理
• 3.1.1 三维可视化中的基本概念
• 3.1.2 三维空间可视化技术
• 3.1.3 医学图像三维重建技术
• 3.2 VTK软件介绍
• 3.3 几何模型
• 3.3.1 股骨几何模型
• 3.3.2 假体几何模型
• 3.3.3 假体植入股骨模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 假体-骨水泥-股骨的有限元模型及分析
• 4.1 ABAQUS软件介绍
• 4.2 模拟分析中的关键问题
• 4.2.1 设置材料特性
• 4.2.2 选择网格单元
• 4.2.3 施加边界条件
• 4.2.4 建立加载方式
• 4.3 有限元模拟结果分析
• 4.3.1 方案A的模拟结果分析
• 4.3.2 方案B的模拟结果分析
• 4.3.3 方案C的模拟结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 假体模型与完整股骨模型的有限元结果对比
• 5.1 股骨模型 D的建立
• 5.1.1 重建三维实体
• 5.1.2 设置材料特性
• 5.2 整骨D的有限元结果分析
• 5.3 假体模型与整骨模型D有限元结果对比
• 5.3.1 方案A与整骨模型D的内外侧应力分布对比
• 5.3.2 方案B与整骨模型D的内外侧应力分布对比
• 5.3.3 方案C与整骨模型D的内外侧应力分布对比
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表