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人工全髋关节置换三维有限元建模及其在体生物力学研究

作　者: 赵明光
导　师: 胡志刚
学　校: 河南科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 有限元分析 生物力学 髋关节 动力学仿真
分类号: R687.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


髋关节是人体最重要的关节之一。研究髋关节的生物力学问题，分析各组成部分的应力载荷，建立符合人体结构的生物力学模型，得到符合真实结构的力学以及动力学参数，是生物力学研究的重点。自从有限元分析技术在计算生物力学领域得到广泛应用以来，已经渗透到生物力学的各个领域，建立符合人体解剖结构的髋关节生物力学有限元模型，并对其进行有效的力学分析，得到准确可靠的数据，应用于临床治疗、医学研究、生物机械设计的应用、假体设计、矫正手术以及医学快速成型等领域，仍是迫切需要解决的问题。本文针对建立步态周期内髋关节的生物力学模型以及有限元模型的方法和分析结果，总结如下：1利用人体建模仿真系统软件AnyBody建立包括骨骼肌肉的人体髋关节生物力学模型，模型更符合真实的髋关节解剖结构。通过对髋关节进行完整周期的步态仿真，得到髋关节的受力、角度随时间的变化情况以及主要肌群的受力情况，为有限元建模仿真提供合理的参数。2利用髋关节的医学影像数据，通过医学三维重建，建立髋关节、假体、以及股骨-假体的三维模型，通过有限元软件进行面网格划分和体网格转化，建立有限元模型，并利用医学建模软件，对有限元模型进行材料的赋值。3利用建立好的有限元模型以及髋关节受力、角度变化参数，对正常股骨、股骨-假体的装配体模型以及不同材料假体下的装配体进行有限元分析，为进一步研究髋关节的生物力学特性提供参考。

全文目录


摘要  2-3
ABSTRACT  3-7
第1章 绪论  7-17
  1.1 课题研究背景及意义  7
  1.2 人体髋关节生物力学特点  7-9
  1.3 人工髋关节及研究现状  9-13
    1.3.1 人工髋关节材料  10-11
    1.3.2 人工髋关节的固定方式  11-12
    1.3.3 个性化人工髋关节  12-13
  1.4 医学图像三维重建技术  13-16
    1.4.1 人工关节置换生物力学研究及现状  14-15
    1.4.2 有限元法在髋关节置换中的应用  15-16
  1.5 本文主要研究内容  16-17
第2章 人体髋关节建模与动力学仿真  17-29
  2.1 引言  17
  2.2 Anybody 软件简介以及模型建立的理论  17-19
    2.2.1 动力学方程的建立  18
    2.2.2 运动学分析  18-19
  2.3 模型建立  19-23
    2.3.1 人体主要几何参数  19-20
    2.3.2 建立人体下肢骨骼及主要肌肉群的模型  20
    2.3.3 模型的建立  20-23
  2.4 模型仿真运算  23-24
    2.4.1 模型的运动驱动  23
    2.4.2 模型仿真运算  23-24
  2.5 计算结果  24-28
    2.5.1 髋关节反作用力  24-25
    2.5.2 髋关节角度—时间参数  25-27
    2.5.3 参与运动的主要肌肉及受力  27-28
  2.6 本章小结  28-29
第3章 基于医学数据的髋关节三维建模  29-39
  3.1 基于医学影像数据(CT/MRI)的三维重建  29-33
    3.1.1 医学影像数据 CT、MRIDE 数据的获取  29
    3.1.2 数据的存储与传输  29-30
    3.1.3 窗宽、窗位的调整  30-32
    3.1.4 图像分割  32-33
  3.2 髋关节几何模型  33-36
    3.2.1 髋关节几何模型的建立  33-34
    3.2.2 髋关节的面、体处理  34-36
  3.3 假体及装配模型的建立  36-38
    3.3.1 STL 文件导入  36-37
    3.3.2 虚拟手术模拟  37-38
  3.4 本章小结  38-39
第4章 人体髋关节的三维有限元模型建立及分析  39-53
  4.1 引言  39
  4.2 有限元软件简介  39
  4.3 有限元模型的建模步骤  39-40
  4.4 人体髋关节的有限元模型  40-44
    4.4.1 髋关节有限元模型的建立  40-41
    4.4.2 髋关节材料赋值  41-44
  4.5 髋关节有限元分析  44-46
  4.6 假体—股骨装配体有限元模型建立及分析  46-51
    4.6.1 模型建立  46
    4.6.2 接触分析求解  46-47
    4.6.3 装配体有限元分析  47-48
    4.6.4 不同材料假体下的装配体有限元分析  48-51
  4.7 本章小结  51-53
第5章 结论  53-55
  5.1 主要结论  53-54
  5.2 研究展望  54-55
参考文献  55-59
附录 A 附录 Anybody 建模主程序  59-63
致谢  63-64
攻读硕士学位期间的研究成果  64

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中图分类: > 医药、卫生 > 外科学 > 骨科学（运动系疾病、矫形外科学） > 矫形外科手术学 > 关节手术
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