股骨三維重建與人工髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究.pdf

1、個性化人工髖關(guān)節(jié)可以提高假體與骨之間的匹配程度,延長假體壽命,而且可滿足特殊病例需要.精確獲得股骨的幾何參數(shù),通過生物力學(xué)分析優(yōu)化假體設(shè)計,一直是該領(lǐng)域的前沿課題.鑒于此,本文利用圖像處理和計算機輔助設(shè)計技術(shù),將股骨的螺旋CT二維圖像進行三維重建研究.并采用非線性有限元方法,進行人工髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)分析.感染是關(guān)節(jié)置換術(shù)后一個災(zāi)難性的并發(fā)癥.因此,本文還采用離子注入方法對假體材料表面改性,系統(tǒng)研究抗菌性、耐磨性等性能.以期為個性化人工髖

2、關(guān)節(jié)的設(shè)計和制造提供模型基礎(chǔ)及幾何設(shè)計和材料設(shè)計的依據(jù). 利用Mimics、Imageware和Unigraphics軟件,實現(xiàn)了CT數(shù)據(jù)的精確傳輸和股骨三維重建,成功區(qū)分了皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨.重建模型具有較高的精度,曲面平均誤差低于0.5mm.采用三維CT法測量了股骨前傾角.而且,實現(xiàn)了畸形股骨的三維重建,并利用快速原型方法制作了實體模型. 采用非線性有限元方法,建立了髖臼一假體頭有限元模型,進行超高分子量聚乙烯(UHMW

3、PE)內(nèi)襯的應(yīng)力分析.研究結(jié)果顯示,步行過程中,內(nèi)襯應(yīng)力遠(yuǎn)低于UHMWPE屈服強度.支撐相內(nèi)襯應(yīng)力較高,主要分布在后外側(cè)四分之一象限,擺動相應(yīng)力水平較低.假體頭直徑增大,內(nèi)襯應(yīng)力降低；而內(nèi)襯厚度和頭材料對內(nèi)襯應(yīng)力均無顯著影響. 同時,采用非線性有限元方法,建立了假體頭～頸有限元模型,進行頭、頸接合面的相對位移和接觸應(yīng)力分析.經(jīng)研究分析表明,增大假體頭直徑可減小相對位移及接觸應(yīng)力；隨接合面錐度的增大,相對位移下降,而接觸應(yīng)力先降低

4、后升高；假體頭剛度和表面摩擦系數(shù)增加,相對位移和接觸應(yīng)力下降；假體頸剛度增加,相對位移降低,接觸應(yīng)力卻增大. 采用三維有限元分析方法,進行置換前后股骨及假體應(yīng)力分析.結(jié)果表明,完整股骨中上部內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力,外側(cè)受張應(yīng)力,而中下部,外側(cè)受壓應(yīng)力,內(nèi)側(cè)受張應(yīng)力,股骨應(yīng)力峰值位于中下部；置換后股骨受力模式基本不變,近端應(yīng)力遮擋顯著,中下部應(yīng)力遮擋較輕,股骨遠(yuǎn)端應(yīng)力水平略有增加.隨假體頸干角增加,假體及股骨應(yīng)力水平降低； 柄長對假體應(yīng)力水

5、平影響不大,股骨上的應(yīng)力隨柄長增大略有增加；降低假體材料剛度,假體應(yīng)力降低,股骨近端應(yīng)力升高. 采用MEVVA源強離子束注入Ag離子,對假體材料317L不銹鋼、純鈦TA2和鈦合金Ti6A17Nb進行表面改性.并采用瓊脂平板法測定對金黃色葡萄球菌的抗菌性,同時測量耐蝕性、表面硬度和耐磨損性能.結(jié)果表明,原始試樣無抗菌性,隨著Ag離子注入劑量的提高,三種材料抗菌性能顯著提高,當(dāng)Ag離子注入劑量達到1.5x10<'17>ions/cm