股骨三维重建与人工髋关节生物力学研究

论文摘要

个性化人工髋关节可以提高假体与骨之间的匹配程度,延长假体寿命,而且可满足特殊病例需要。精确获得股骨的几何参数,通过生物力学分析优化假体设计,一直是该领域的前沿课题。鉴于此,本文利用图像处理和计算机辅助设计技术,将股骨的螺旋CT二维图像进行三维重建研究。并采用非线性有限元方法,进行人工髋关节的生物力学分析。感染是关节置换术后一个灾难性的并发症。因此,本文还采用离子注入方法对假体材料表面改性,系统研究抗菌性、耐磨性等性能。以期为个性化人工髋关节的设计和制造提供模型基础及几何设计和材料设计的依据。利用Mimics、Imageware和Unigraphics软件,实现了CT数据的精确传输和股骨三维重建,成功区分了皮质骨和松质骨。重建模型具有较高的精度,曲面平均误差低于0.5 mm。采用三维CT法测量了股骨前倾角。而且,实现了畸形股骨的三维重建,并利用快速原型方法制作了实体模型。采用非线性有限元方法,建立了髋臼—假体头有限元模型,进行超高分子量聚乙烯(UHMWPE)内衬的应力分析。研究结果显示,步行过程中,内衬应力远低于UHMWPE屈服强度。支撑相内衬应力较高,主要分布在后外侧四分之一象限,摆动相应力水平较低。假体头直径增大,内衬应力降低;而内衬厚度和头材料对内衬应力均无显著影响。同时,采用非线性有限元方法,建立了假体头—颈有限元模型,进行头、颈接合面的相对位移和接触应力分析。经研究分析表明,增大假体头直径可减小相对位移及接触应力;随接合面锥度的增大,相对位移下降,而接触应力先降低后升高;假体头刚度和表面摩擦系数增加,相对位移和接触应力下降;假体颈刚度增加,相对位移降低,接触应力却增大。采用三维有限元分析方法,进行置换前后股骨及假体应力分析。结果表明,完整股骨中上部内侧受压应力,外侧受张应力,而中下部,外侧受压应力,内侧受张应力,股骨应力峰值位于中下部;置换后股骨受力模式基本不变,近端应力遮挡显著,中下部应力遮挡较轻,股骨远端应力水平略有增加。随假体颈干角增加,假体及股骨应力水平降低;柄长对假体应力水平影响不大,股骨上的应力随柄长增大略有增加;降低假体材料刚度,假体应力降低,股骨近端应力升高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 人工髋关节的发展
• 1.2.1 人体髋关节的解剖结构与生物力学特点
• 1.2.2 人工髋关节及研究现状
• 1.2.3 个性化人工髋关节
• 1.3 医学图像的三维重建
• 1.3.1 医学数据体视化
• 1.3.2 三维医学图像（数字模型）的临床应用
• 1.3.3 医学图像三维重建技术
• 1.3.4 基于螺旋CT断层图像的计算机三维重建
• 1.4 人工髋关节置换生物力学研究及有限元方法的应用
• 1.4.1 应力与骨改建
• 1.4.2 人工髋关节置换生物力学研究现状
• 1.4.3 有限元分析方法及其在人工髋关节置换领域的应用
• 1.5 快速原型技术
• 1.5.1 快速原型技术概述
• 1.5.2 快速原型技术在医学领域的应用
• 1.6 离子注入及其在医用植入材料表面改性中的应用
• 1.6.1 离子注入技术概述
• 1.6.2 离子注入技术在植入材料表面改性中的应用
• 1.7 本课题的提出
• 第二章 股骨的三维重建
• 2.1 引言
• 2.2 股骨重建流程
• 2.3 医学图像的获取
• 2.3.1 标本准备
• 2.3.2 螺旋CT扫描
• 2.3.3 CT图像的获取
• 2.4 CT图像分割
• 2.5 股骨的三维重建
• 2.5.1 点云数据处理
• 2.5.2 曲面重建
• 2.5.3 生成三维实体
• 2.6 三维重建结果的评价
• 2.7 股骨三维重建的应用
• 2.7.1 三维重建法测量股骨前倾角
• 2.7.2 三维有限元模型的生成
• 2.7.3 畸形股骨的重建和RP制造
• 2.8 小结
• 第三章 UHMWPE内衬的接触非线性有限元应力分析
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 有限元模型的建立
• 3.2.2 材料性质
• 3.2.3 边界条件及载荷
• 3.2.4 有限元接触分析的基本原理
• 3.2.5 网格优化
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 步态下的内衬应力分析
• 3.3.2 假体头尺寸对内衬应力的影响
• 3.3.3 内衬假体厚度对内衬应力的影响
• 3.3.4 假体头材料对内衬应力的影响
• 3.4 小结
• 第四章 股骨假体头颈接合面的微动分析
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 几何模型的建立
• 4.2.2 材料性质
• 4.2.3 三维有限元模型
• 4.2.4 边界条件及载荷
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 微动损伤的理论
• 4.3.2 假体头颈系统相对位移及接触应力
• 4.3.3 假体头尺寸对接合面相对位移及接触应力的影响
• 4.3.4 接合面锥度对接合面相对位移及接触应力的影响
• 4.3.5 假体材料对接合面相对位移及接触应力的影响
• 4.4 小结
• 第五章 人工髋关节置换前后股骨及假体应力分析
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 完整股骨有限元模型的建立
• 5.2.2 置换股骨有限元模型的建立
• 5.2.3 材料性质
• 5.2.4 边界条件及载荷
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 完整股骨的应力分布
• 5.3.2 人工髋关节置换后股骨的应力分布
• 5.3.3 人工髋关节置换后假体的应力分布
• 5.3.4 假体颈干角对股骨及假体应力水平的影响
• 5.3.5 假体柄长对股骨及假体应力水平的影响
• 5.3.6 假体柄材料对股骨及假体应力水平的影响
• 5.4 小结
• 第六章 人工关节假体金属材料的表面改性研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验材料与方法
• 6.2.1 实验基材及试样制备
• 6.2.2 离子注入实验
• 6.2.3 抗菌性实验
• 6.2.4 耐蚀性能测试
• 6.2.5 显微硬度测试
• 6.2.6 磨损性能测试
• 6.2.7 注入离子溶出浓度测定
• 6.2.8 微观分析方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 银离子注入剂量对注入离子浓度的影响
• 6.3.2 银离子注入对抗菌性能的影响
• 6.3.3 银离子注入对表面耐蚀性能的影响
• 6.3.4 银离子注入对表面显微硬度的影响
• 6.3.5 银离子注入对磨损性能的影响
• 6.3.6 注入层的AES分析
• 6.3.7 银离子注入后的TEM分析
• 6.4 小结
• 第七章 全文结论
• 7.1 本文总结
• 7.2 本文创新点
• 参考文献
• 发表论文及参加科研情况说明
• 致谢