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个性化人工膝关节设计及其生物力学特性研究

作　者: 马妮
导　师: 肖丽英
学　校: 清华大学
专　业: 机械工程
关键词: 个性化人工膝关节 图像分割 有限元分析 运动/动力学分析
分类号: R318.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 21次
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内容摘要


我国人工膝关节置换术临床应用的假体多为进口假体,国人人工膝关节假体尺寸研究表明,进口假体和国人膝关节不尽匹配,导致手术优良率低,缩短了假体的使用寿命。同时,膝关节解剖学存在较大的个体差异,对于膝关节严重畸形的患者,按照统计数据进行系列化、标准化设计的假体,往往难以满足他们的特殊需求。开展个性化人工膝关节技术的研究具有重要的现实意义。目前,我国个性化人工膝关节的设计还处于不成熟阶段,设计出的假体注重膝关节的解剖复制而缺乏必要的设计研究,在设计验证环节,研究者往往仅就假体在某些体位下的受力情况进行有限元分析,罕见假体植入人体后的运动/动力学性能分析,给患者带来巨大风险。鉴于此,本文开展了个性化人工膝关节设计工作的研究,主要内容如下:1.利用现代计算机技术,应用图像分割算法对人体膝关节医学图像进行处理,建立膝关节三维实体模型。针对膝关节结构和功能已经发生严重破坏的患者研究假体的定制策略,考虑下肢力线的纠正和解剖结构缺损的弥补问题,在此基础上结合外科手术标准及人工膝关节设计理论完成个性化膝关节假体的初期设计。对膝关节假体的各个运动自由度进行分析,判断各运动范围是否满足日常生活的功能需求。2.考虑导致人工膝关节置换术后晚期出现的多种并发症的机械因素,利用有限元分析软件研究假体各设计参数对假体性能的影响,并通过优化分析实现一定设计目标下最优参数的寻找,优化假体的设计。3.建立健康人体与人工膝关节置换术后的步行及下蹲动作的下肢运动/动力学模型,输出关节接触力以及膝关节相关的主要韧带和肌肉的载荷曲线,在动态状况下对人工膝关节植入人体后的生物力学响应进行探讨,通过对比分析评价膝关节假体的运动/动力学性能。

全文目录


摘要  3-4Abstract  4-8第1章 绪论  8-27  1.1 研究背景  8-10  1.2 人工膝关节发展简史  10-19    1.2.1 假体的演变及设计  10-17    1.2.2 人工膝关节置换术现状  17-19  1.3 个性化人工膝关节技术的研究现状  19-23    1.3.1 国外研究现状  19-21    1.3.2 国内研究现状  21-23  1.4 国人人工膝关节假体尺寸研究  23-25  1.5 本论文研究内容  25-27第2章 个性化人工膝关节的初设计  27-42  2.1 人工膝关节设计基本理论  27-32    2.1.1 人体膝关节的解剖结构  27    2.1.2 人体膝关节的运动学特征  27-28    2.1.3 人体膝关节的生物力学特征  28-30    2.1.4 人工膝关节的结构特点  30    2.1.5 人工膝关节的设计目标和基本设计准则  30-32  2.2 基于MRI 人体膝关节三维实体模型的建立  32-35    2.2.1 膝关节医学图像的获取  32-33    2.2.2 膝关节MRI 图像的处理及三维实体模型的建立  33-35  2.3 个性化人工膝关节的初设计  35-40  2.4 人工膝关节的材料  40  2.5 本章小结  40-42第3章 个性化人工膝关节的优化设计  42-67  3.1 有限元分析的基本理论概述  42-43  3.2 个性化人工膝关节有限元模型的建立  43  3.3 个性化人工膝关节的优化设计  43-65    3.3.1 股骨髁假体的优化设计  45-50    3.3.2 胫骨基座的优化设计  50-61    3.3.3 人工半月板的优化设计  61-65  3.4 本章小结  65-67第4章 个性化人工膝关节设计的运动/动力学分析  67-90  4.1 机构运动/动力学分析建模概述  67  4.2 健康人体及膝关节置换术后的运动/动力学建模  67-77    4.2.1 健康人体步态动力学模型建立及仿真  68-75    4.2.2 人工膝关节置换术后步态动力学模型建立及仿真  75    4.2.3 健康人体下蹲动力学模型建立及仿真  75-76    4.2.4 人工膝关节置换术后下蹲动力学模型建立及仿真  76-77  4.3 个性化人工膝关节设计的运动/动力学评价  77-88    4.3.1 人工膝关节设计的运动性能评价  77-81    4.3.2 步态动力学模型仿真数据结果及分析  81-84    4.3.3 下蹲动力学模型仿真数据结果及分析  84-88  4.4 模型有效性验证  88-89  4.5 本章小结  89-90第5章 结论与展望  90-93  5.1 主要内容  90  5.2 创新点  90-91  5.3 展望  91-93参考文献  93-97致谢  97-98附录A 人工膝关节尺寸图  98-100个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  100

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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 > 人工脏器与器官
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