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基于RE/RP技术的标准膝关节假体的研究与开发

作　者: 王蕊
导　师: 董黎敏
学　校: 天津理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 人工膝关节假体 RE/RP 有限元分析标准
分类号: R318.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 34次
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内容摘要

随着现代社会生活方式和生活质量的不断改变,由于交通事故、运动竞技等造成的膝关节病变越来越多。此外,我国城镇居民类风湿性关节炎和骨性关节炎的发病率很高,而且有很多病患的膝关节严重畸形。最有效的方法就是进行膝关节置换术的治疗。但是,目前国内用于膝关节置换术的人工假体以进口产品为主,而这些进口产品都是参照欧美人士设计,所以并不适合国人膝关节。此外,这些进口产品价格十分昂贵,普通家庭负担不起,这可能会使得病情越发严重甚至是瘫痪。所以根据国人膝关节特点研制出国人自己的人工膝关节假体是亟不可待的。人工膝关节假体的设计与制造涉及多个技术领域,例如关节外科学、生物力学、图像处理学、材料学及机械工程等。而本文主要是利用逆向工程技术和快速成型技术,提出了一种设计人工膝关节假体的新思想。主要研究内容如下:1.简要的介绍了人工膝关节研究的现状及存在的问题,阐述了RE/RP技术的基本概念及其在生物力学中的应用。2.根据正常人体的螺旋CT扫描图片和实验室现有的人工膝关节假体原型,利用逆向工程技术分别建立相应的三维模型。3.基于人体膝关节三维模型的基础,测量膝关节各部分参数,并对所测得的参数进行统计与分析,最终建立标准人体膝关节模型数据库。4.根据国人膝关节几何形态的特点,对人工膝关节假体进行再设计,并建立符合国人标准的人工膝关节假体模型数据库。选择几何尺寸较小的人体膝关节模型和4号标准人工膝关节假体模型,然后对其进行装配,建立标准膝关节装配模型。5.阐述了有限元分析软件ANSYS在生物力学领域的应用,并从0°,10°,20°三个角度对上述膝关节装配模型进行非线性接触分析,查看人工假体的Mises应力及其装配模型接触面的接触应力。6.简述了快速成型的基本工艺和成型过程,并结合人工半月板模型的特点,选用合适的成型工艺对其进行快速成型处理。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-17
  1.1 引言  10-11
  1.2 人工膝关节的国内外研究现状  11-12
    1.2.1 国外研究现状  11
    1.2.2 国内研究现状  11-12
    1.2.3 存在的问题  12
  1.3 RE/RP 系统的概况  12-14
    1.3.1 逆向工程技术概述  12-13
    1.3.2 快速成型技术概述  13-14
    1.3.3 RE/RP 系统的应用  14
  1.4 论文的研究意义与章节安排  14-17
    1.4.1 本论文的研究目的及意义  14
    1.4.2 本论文的主要研究内容及各章节安排  14-17
第二章膝关节及人工膝关节假体概述  17-24
  2.1 膝关节的生理解剖结构及生物力学特点  17-19
    2.1.1 膝关节的生理解剖结构  17-18
    2.1.2 人体膝关节的生物力学特征  18-19
  2.2 人工膝关节假体的设计理念和设计方法  19-21
    2.2.1 人工膝关节假体的设计理念  19-20
    2.2.2 人工膝关节材料的选择  20
    2.2.3 保留韧带的意义  20-21
  2.3 人工膝关节模型设计流程  21
  2.4 相关软件介绍  21-23
    2.4.1 逆向工程软件  21-22
    2.4.2 统计分析软件  22-23
    2.4.3 有限元分析软件  23
  2.5 本章小结  23-24
第三章基于RE 技术构建膝关节三维模型  24-32
  3.1 正常人体膝关节三维模型的建立  24-29
    3.1.1 数据的采集  24
    3.1.2 膝关节三维模型的建立  24-26
    3.1.3 模型成体  26-29
  3.2 人工膝关节假体三维模型的建立  29-31
    3.2.1 DIGIMETRIC 三维摄影测量系统  29-30
    3.2.2 JPX 型全膝关节假体的反求设计  30-31
  3.3 本章小结  31-32
第四章膝关节几何尺寸及人工膝关节假体的数据库建立  32-39
  4.1 三维膝关节模型参数测量的意义  32
  4.2 膝关节模型的几何形态测量及其数据库的建立  32-36
    4.2.1 测量方法  32-33
    4.2.2 测量参数  33-34
    4.2.3 测量结果的统计与分析  34-36
  4.3 标准人工膝关节假体数据库的建立  36-37
  4.4 模型装配  37-38
  4.5 本章小结  38-39
第五章标准人工膝关节的有限元分析  39-50
  5.1 有限元单元法的基本原理  39
  5.2 有限单元法的特点  39-40
  5.3 有限元分析的基本步骤  40-41
    5.3.1 建立有限元模型  40-41
    5.3.2 施加载荷并求解  41
    5.3.3 结果分析  41
  5.4 标准人工膝关节的有限元分析  41-49
    5.4.1 基本假设  41
    5.4.2 标准人工膝关节的有限元分析  41-49
  5.5 本章小结  49-50
第六章人工膝关节假体的快速成型  50-53
  6.1 快速成型的制造工艺  50
  6.2 实验室资源  50-51
    6.2.1 前处理软件  50-51
    6.2.2 控制软件 CARK  51
  6.3 快速成型的基本流程  51
  6.4 人工半月板的快速成型  51-52
  6.5 本章小结  52-53
第七章结论与展望  53-55
  7.1 总结  53
  7.2 展望  53-55
参考文献  55-58
发表论文和科研情况说明  58-59
致谢  59-60

基于RE/RP技术的标准膝关节假体的研究与开发

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