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基于有限元仿真分析的膝关节假体手术定位研究

作　者: 胡杨
导　师: 胡广洪
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料工程
关键词: 膝关节假体定位有限元仿真
分类号: R687.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着社会的发展以及生活水平的提高,人们对于自身的健康问题越来越重视。膝关节作为人体最重要、最复杂的关节之一,在日常生活中非常容易受到损伤。全膝关节置换术(Total knee arthroplasty, TKA)是治疗膝骨性关节炎的有效手段,已经得到了广泛地应用和发展。手术的治疗效果主要受到假体对位的影响,假体对位不良会导致聚乙烯衬垫过度磨损,从而引起假体的松动。因此,对人体膝关节生物力学性能以及TKA假体对位问题进行研究是很有必要的。本研究从精确建模的角度出发,以人体膝关节为研究对象,采用多种影像采集技术与软件相结合的手段,建立了较为完整的人体膝关节和假体数值模型。同时,参考全膝置换手术过程,对膝关节数值模型进行虚拟截骨,建立TKA膝关节的数值模型。在参考国外有关文献与膝关节解剖学的基础上,确定正常人体膝关节和TKA膝关节的材料属性与边界条件,应用有限元数值仿真技术,进行受力分析,通过正交试验方法,优化假体的定位参数。分析结果表明,对于正常膝关节模型,模拟仿真结果与文献报道的实际结果非常接近,说明采用数值模拟方法可以应用于TKA膝关节模型;对于假体定位的研究,经过正交试验,得到股骨假体和胫骨假体的最佳定位,假体的表面应力显著降低。本研究在建模过程中,将CT、MRI、反向工程技术采集的影像数据导入CAD软件进行处理,所建立的模型在解剖结构上更加贴近于实际情况,为有限元模拟的准确性提供了保障。本研究在优化假体定位的过程中,分别优化了股骨与胫骨假体的定位。除了得到假体最优的定位参数之外,还比较了不同定位因素变化对结果影响的大小。对于股骨假体,内外平移量对结果的影响最大,其次是外旋角度,最后是外翻角度;对于胫骨假体,内外平移量对结果的影响最大,其次是外旋角度,再次是后倾角度,前后平移量的影响最小。这些研究结果对人体生物力学的研究以及TKA手术提供了参考价值及科学指导。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-18
  1.1 人体膝关节介绍  8-9
  1.2 骨性关节炎介绍  9
  1.3 膝关节置换术概述  9-11
    1.3.1 人工膝关节成形术的起源  10
    1.3.2 人工膝关节成形术的发展  10-11
    1.3.3 人工膝关节的发展现状  11
  1.4 国内外研究现状  11-16
    1.4.1 有限元仿真在生物力学研究中的应用  11-12
    1.4.2 人体膝关节的仿真研究现状  12-14
    1.4.3 人工膝关节力学模型研究现状  14-15
    1.4.4 膝关节假体设计的发展方向  15-16
  1.5 本研究目的、意义及内容  16-18
    1.5.1 本研究目的  16
    1.5.2 本研究的意义  16
    1.5.3 课题的研究内容  16-18
第二章本研究基于的理论及工具  18-28
  2.1 有限元法介绍  18-20
    2.1.1 有限元法基本概念  18
    2.1.2 有限元法的发展  18-20
  2.2 弹性力学的基本方程  20-22
  2.3 正交试验的原理  22-25
    2.3.1 正交试验优缺点  22-23
    2.3.2 正交试验设计的基本原理  23-25
  2.4 使用软件的介绍  25-27
    2.4.1 ABAQUS 介绍  25-26
    2.4.2 HYPERWOKS 软件介绍  26-27
    2.4.3 MIMICS 软件介绍  27
  2.5 小结  27-28
第三章人体膝关节几何建模  28-36
  3.1 引言  28-29
  3.2 膝关节几何建模  29-33
    3.2.1 材料及设备  29
    3.2.2 采集数据  29-30
    3.2.3 组织几何模型的创建  30-32
    3.2.4 骨性和非骨性结构的配准  32-33
  3.3 创建有限元模型  33-35
  3.4 小结  35-36
第四章正常人体膝关节的受力分析  36-43
  4.1 引言  36
  4.2 膝关节受力仿真分析  36-39
    4.2.1 膝关节有限元模型  36-37
    4.2.2 边界条件的确定  37-39
  4.3 分析结果的讨论  39-41
  4.4 小结  41-43
第五章膝关节假体的定位优化  43-62
  5.1 引言  43
  5.2 TKA 膝关节有限元模型的构建  43-47
    5.2.1 材料及工具  43-44
    5.2.2 虚拟截骨  44-46
    5.2.3 TKA 膝关节有限元模型的创建  46-47
  5.3 边界条件的定义  47-48
    5.3.1 材料属性的定义  47
    5.3.2 边界条件定义及加载  47-48
  5.4 正交试验安排  48-53
    5.4.1 股骨假体正交试验安排  48-51
    5.4.2 胫骨假体正交试验安排  51-53
  5.5 仿真结果及优化  53-60
    5.5.1 股骨假体优化  53-57
    5.5.2 胫骨假体优化  57-60
  5.6 小结  60-62
第六章全文总结与展望  62-65
  6.1 工作总结  62-63
  6.2 研究展望  63-65
参考文献  65-69
致谢  69-70
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  70-73
附件  73

基于有限元仿真分析的膝关节假体手术定位研究

内容摘要

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