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股骨头保护体研制

作　者: 顾海栋
导　师: 张广玉
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子
关键词: 股骨头假体 Ti6A14V 应力遮蔽生物力学分析
分类号: R318.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 35次
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内容摘要

为解决在治疗股骨头缺血性坏死时,被置换在人体内的股骨头假体的松动、下沉等医学难题,本文在分析股骨头骨骼生长特点、生物力学特点以及股骨头坏死病因和治疗要求的基础上,依据坏死区和活骨强度分布特点,骨代谢规律,设计了一种旨在通过受力转移同时减少股骨头内部应力遮蔽等方法,达到既能持重又能减轻骨溶解,促进骨质生长的新型股骨头保护假体。通过分析比较各种人体植入材料的力学性能、加工性能、生物相容性和发展趋势等因素,确定采用Ti6Al4V作为承力支架,采用镍钛记忆合金作为辅助承力的支撑框材料。为提高加工质量和效率,本文还对所选材料Ti6Al4V及镍钛合金的重要加工参数和要点作了计算和说明。并实际试验加工了该股骨头保护体,印证了本文设计结构的可加工性,同时为后续生物力学模拟实验提供实验品。本文还进行了简化三维模型的有限元力学分析,通过比较正常股骨头和置换本保护体后,不同步态,股骨头位移、应力变化,证明该保护假体不仅具有足够的机械支撑强度,满足其基本功能;而且通过新材料、新结构的设计应用而减轻股骨头内部应力遮蔽现象,能实现即期和长期稳定。最后,模拟置换后初期、远期和正常股骨头三种状态在缓步时,股骨的薄弱环节——股骨颈的应变状况,证明:股骨头保护体的置换将不会使股骨颈超过其应变极限而致骨折,置换后远期更接近正常应变状态。本文基本完成了股骨头保护体的设计、制造和校核等工作。期间,综合了骨外科学、解剖学、生物力学、材料学及特种材料加工工艺,利用有限元分析和物理模拟实验进行生物力学的测试,并为股骨头置换假体设计提供全新的思路。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题背景和研究意义  10-11
  1.2 国内外研究现状及分析  11-15
    1.2.1 股骨头坏死治疗方法  11
    1.2.2 股骨头保护假体的研究现状  11-13
    1.2.3 骨组织替代与修复材料发展状况  13-15
  1.3 课题来源和主要研究内容  15-16
    1.3.1 课题来源  15
    1.3.2 主要研究内容  15-16
  1.4 本章小结  16-17
第2章股骨头保护体结构设计及选材和加工  17-36
  2.1 股骨头保护体需解决问题  17
  2.2 股骨头保护置换体失效主要原因分析  17-18
  2.3 股骨头保护体总体结构方案拟定  18
    2.3.1 设计目标  18
    2.3.2 总体方案  18
  2.4 股骨头保护体各结构部件设计  18-21
    2.4.1 支撑帽的设计  18-19
    2.4.2 支撑柄安放位置设计  19-20
    2.4.3 支撑盘的设计  20-21
    2.4.4 形状记忆合金框设计  21
  2.5 各零部件连接并与骨骼固定方式  21
  2.6 手术方式及注意事项  21-23
    2.6.1 手术适应症及禁忌症  21-22
    2.6.2 手术入路及安装  22-23
  2.7 股骨头保护体材料选用  23-26
    2.7.1 骨替代与修复用植入材料选用的基本要求  23
    2.7.2 常用骨替代与修复植入材料性能比较  23-25
    2.7.3 股骨头保护体材料的确定  25-26
  2.8 股骨头保护体实验样品加工  26-34
    2.8.1 股骨头保护体主要参数确定  26-28
    2.8.2 股骨头保护体加工参数拟定  28-30
    2.8.3 支撑帽、支撑柄、支撑盘加工提要  30-31
    2.8.4 Ni-Ti记忆合金支撑框加工提要  31
    2.8.5 试验加工  31-34
  2.9 股骨头保护体表面处理  34-35
    2.9.1 保护体表面处理的必要性  34
    2.9.2 表面处理的方法  34-35
  2.10 本章小结  35-36
第3章股骨头保护体置换后受力有限元分析  36-48
  3.1 有限元分析在骨科相关方面的应用  36-37
  3.2 股骨头保护体三维有限元分析  37-47
    3.2.1 保护体三维有限元分析方案确定  37
    3.2.2 股骨近端三维简化模型建立  37-39
    3.2.3 保护假体置换前后，股骨头受力有限元对照分析  39-45
    3.2.4 股骨头保护体承力时，各零部件强度校核  45-47
  3.3 本章小结  47-48
第4章股骨头保护体体外模拟生物力学测试  48-54
  4.1 生物力学实验必要性  48
  4.2 生物力学实验过程  48-50
    4.2.1 实验总体方案  48
    4.2.2 实验材料与方法  48-50
  4.3 测试数据统计与实验结果分析  50-52
    4.3.1 测试数据统计  50
    4.3.2 实验结果分析  50-52
  4.4 本章小结  52-54
结论  54-55
参考文献  55-60
致谢  60

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