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基于有限元接触分析的髋骨臼移动术生物力学仿真研究

作 者: 蒋飞
导 师: 陈荷娟
学 校: 南京理工大学
专 业: 机械电子工程
关键词: 生物力学 有限元 接触分析 髋关节症 髋骨臼移动手术
分类号: R318.01
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
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内容摘要


髋关节在人体肌肉骨骼系统中发挥着重要的作用。但是在世界上许多人的髋关节遭受着学名为变形性髋关节症的一种疾病的折磨。通常髋关节症患者的髋骨臼覆盖面积比正常人要小,所以这种异常的髋骨臼往往需要通过一种髋骨臼移动手术的方法来进行治疗。无论是为了搞清髋关节症患者的发病机理还是为了提供髋骨臼移动手术的理论依据,都需要研究髋关节在正常步行过程中的应力分布。本论文,为了分析变形性髋关节症的力学行为,采用了非线性有限元接触计算方法来进行研究。我们首先利用计算机图像技术对一例患者的髋关节进行了三维建模。在建模的过程中我们利用X射线断层扫描技术取得的患者骨骼图像作为原始几何尺寸数据,并利用球面来近似关节面的软骨层表面。然后用四面体单元对几何模型进行了有限元单元分割,并根据调查研究的软骨层生理状态和骨骼的受力状态,对计算模型添加必要的边界条件,并用Marc软件进行求解计算。在计算过程中对于非线性有限元接触计算的一些必要控制参数做了试算和调整,最终得出手术前后髋关节软骨层的应力分布,在此基础上分析了日常生活中具体步行过程的应力集中的部位。通过对手术前后应力分布的对比,对髋骨臼移动术的临床效果做出了力学上的评价。根据髋关节应力分布和生理特性分析提出了骨空洞产生的主要原因,并且发现了在正常步行过程中病变软骨层应力始终集中在髋骨臼的前外侧,从而搞清了髋关节症患者的发病机理和恶化过程。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-18
  1.1 论文选题的背景和意义  7-12
    1.1.1 变形性髋关节症  7-8
    1.1.2 变形性髋关节症的治疗手段  8-9
    1.1.3 诊断方法与判断标准  9-12
    1.1.4 软骨层的结构组成  12
  1.2 国内外研究状况  12-15
    1.2.1 髋关节力学的研究状况  12-13
    1.2.2 髋关节应力分布的研究状况  13-15
    1.2.3 变形性髋关节症的研究状况  15
  1.3 有限元接触解析方法及其研究现状  15-17
  1.4 本论文的主要研究内容与目的  17-18
2 非线性有限元接触解析原理  18-31
  2.1 引言  18
  2.2 静态接触问题的基本方程  18-21
    2.2.1 接触问题定义  18-20
    2.2.2 变分方程与虚功原理  20-21
  2.3 有限元离散化  21-23
  2.4 拉格朗日乘数法  23-25
  2.5 切线刚度计算  25-30
  2.6 总结  30-31
3 Marc软件求解接触问题  31-42
  3.1 引言  31
  3.2 Marc接触计算的具体流程  31-32
  3.3 计算过程中关键的判断内容  32-40
  3.4 Marc对接触面的描述  40-41
  3.5 Marc的计算结果输出  41-42
4 髋关节有限元建模方法  42-53
  4.1 引言  42
  4.2 髋关节几何模型的建立  42-45
  4.3 有限元计算建模  45-53
5 接触解析结果及分析  53-83
  5.1 正常步行的动作解析  53-55
  5.2 球近似模型手术前各个状态应力结果和分析  55-61
  5.3 手术前结果综合分析结论  61-64
    5.3.1 骨盘的应力结果分析  61-62
    5.3.2 软骨层的应力结果分析  62
    5.3.3 解析结果与实际症状的关联  62-64
  5.4 手术后各个状态的应力结果和分析  64-71
  5.5 手术后结果综合分析结论  71
    5.5.1 手术后大腿骨头各个状态的对比分析  71
    5.5.2 手术后髋骨臼软骨层各个状态的应力分析  71
  5.6 关节软骨层力学机理  71-74
  5.7 手术前后分析比较和对手术效果的评价  74-75
  5.8 有限元接触解析仿真结果和实验的对比分析  75-78
  5.9 均一软骨层模型的结果分析和存在的不足  78-80
    5.9.1 计算前预备处理  78-79
    5.9.2 均一厚度软骨层模型计算结果分析  79-80
  5.10 接触解析中集中应力的原因分析和解决方案  80-81
    5.10.1 集中应力的原因分析  80-81
    5.10.2 应力集中对应的解决方案  81
  5.11 总结  81-83
6 结论和展望  83-85
  6.1 结论  83
  6.2 课题存在的问题和展望  83-85
    6.2.1 课题存在的问题和不足  83-84
    6.2.2 课题展望  84-85
致谢  85-86
参考文献  86-88

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中图分类: > 医药、卫生 > 基础医学 > 医用一般科学 > 生物医学工程 > 一般性问题 > 生物力学
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