全髋关节置换中股骨和假体的三维重建及有限元分析

论文摘要

由于事故和病变引起的髋关节疾病严重影响患者的日常生活，人工髋关节置换术的出现有效解决了髋关节疾病引起的关节功能丧失。在人工髋关节置换中，人工髋关节的稳定性和使用寿命是决定髋关节置换成败的关键，这不仅取决于医生的手术技术，也与人工髋关节的固定方式有着紧密的关系。人工髋关节发展到今天，出现了多个种类。其中，根据固定方式的不同人工股骨柄可分为生物型股骨柄和骨水泥型股骨柄。人工髋关节置换手术中，这两种类型的股骨柄都被广泛的使用，但是哪种类型的股骨柄有更好的稳定性和更长的使用寿命仍旧没有定论。本文利用有限元法对以上两种植入股骨的股骨柄的稳定性和使用寿命这两方面问题进行讨论。使用Mimics、Abaqus和Catia等软件进行股骨模型的三维重建和假体三维模型的建立。利用Mimics基于股骨CT图像的灰度值对股骨赋予材料属性，建立了有较高精度的股骨有限元模型。假体模型根据其具体尺寸利用Catia建立。利用Abaqus分别对完整股骨模型、股骨上端模型、植入生物型股骨柄的股骨模型和植入骨水泥型股骨柄的股骨模型进行有限元分析。经过分析得出股骨上端应力集中位置在股骨颈下端，股骨干上的应力集中位置出现在股骨干下段1/3处；对于完整股骨模型，臀中肌和臀小肌肌肉力对其有限元分析结果有影响，其它肌肉力无显著影响；对于股骨上端模型，大小及作用位置相同作用面积不同的髋臼力对模型上施加载荷处的应力分布有影响，对其它位置的应力分布无显著影响；对于植入两种不同股骨柄的股骨模型，生物型股骨柄能有效地将应力传递给股骨，提高了股骨柄抵抗疲劳破坏的能力，也可更好地促进骨生长，但是骨水泥型股骨柄更具稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 人体髋关节及股骨的生理解剖结构
• 1.3 人工髋关节置换
• 1.3.1 人工髋关节
• 1.3.2 人工髋关节置换
• 1.4 有限元法介绍
• 1.5 论文研究的目的和意义
• 1.6 论文的研究内容
• 第2章 股骨及股骨柄的三维模型的建立
• 2.1 研究环境与软件介绍（MIMICS/ABAQUS/CATIA）
• 2.1.1 人体骨骼建模方法的研究现状
• 2.1.2 医学成像技术介绍
• 2.1.3 软件介绍
• 2.2 人体股骨三维重建
• 2.3 假体三维模型的建立
• 2.4 股骨柄模型植入股骨模型的实现过程
• 2.5 模型材料属性的赋予
• 2.5.1 股骨模型的材料属性赋予
• 2.5.2 两种股骨模型的双线性材料属性赋予
• 2.5.3 假体模型的材料属性赋予
• 第3章 正常股骨的有限元分析
• 3.1 肌肉力对股骨有限元分析结果的影响
• 3.1.1 确定载荷位置及数值
• 3.1.2 对股骨模型Ⅰ进行有限元分析
• 3.1.3 对股骨模型Ⅴ进行有限元分析
• 3.2 不同作用面积的髋臼关节力对股骨有限元分析结果的影响
• 3.2.1 对股骨模型Ⅱ进行有限元分析
• 3.2.2 对股骨模型Ⅵ进行有限元分析
• 3.3 结论
• 第4章 植入股骨柄的股骨的有限元分析
• 4.1 对植入生物型股骨柄的股骨模型Ⅲ进行有限元分析
• 4.2 对植入骨水泥型股骨柄的股骨模型Ⅳ进行有限元分析
• 4.3 股骨柄有限元分析结果讨论
• 4.3.1 股骨柄的应力分布
• 4.3.2 股骨柄的位移分布
• 4.4 股骨有限元分析结果讨论
• 4.4.1 股骨的应力分布
• 4.4.2 股骨的应变能密度分布
• 4.4.3 股骨与股骨柄的接触面失效的判定
• 4.5 结论
• 第5章 总结和展望
• 5.1 全文工作总结
• 5.2 工作成果
• 5.3 今后研究工作的展望
• 参考文献
• 攻读学位期间获得的科研成果
• 致谢