個性化髖關節(jié)假體耦合系統(tǒng)優(yōu)化新設計方法研究.pdf

1、本文研究人造髖關節(jié)內(nèi)置假體耦合系統(tǒng)優(yōu)化新設計方法。假體置入人體后，其結構形態(tài)、幾何尺寸、材料屬性以及與股骨接觸界面形式等因素與股骨的自適應重建存在動態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系，假體和股骨等成為一個耦合動態(tài)系統(tǒng)。研究將把機械設計理論及方法、生物力學、機械動力學、骨生長重建理論、骨力學、材料學、最優(yōu)化理論和方法及技術與醫(yī)用CT技術、CAD和CAE技術和計算機可視化仿真理論及技術等結合起來，構建人造髖關節(jié)假體——股骨系統(tǒng)耦合動態(tài)數(shù)學和有限元仿真模型，在計算

2、機可視化仿真中研究和探討關節(jié)假體與股骨等耦合相互作用時，假體外部形狀、結構形態(tài)、材料屬性和幾何尺寸等不同機械設計參數(shù)以及假體與股骨髓腔等部位的接觸耦合形式對股骨生長重建的影響，在改變這些機械設計參數(shù)以及假體與股骨髓腔等部位接觸耦合形式過程中來設計關節(jié)假體，這樣設計的假體有利于股骨生長重建并形成穩(wěn)定結合，以此建立關節(jié)假體耦合系統(tǒng)自適應優(yōu)化新設計方法。
　　 本文的研究工作主要包括以下幾個方面：
　　 ① 通過專業(yè)醫(yī)學軟件M

3、imics和CAD軟件，運用以股骨CT圖像數(shù)據(jù)為基礎的圖像處理與輪廓線提取技術，反求股骨計算機三維實體模型。
　　 ② 根據(jù)股骨CT圖像數(shù)據(jù)，設計符合個體特征的個性化定制型髖關節(jié)假體。對定制型髖假體進行四套方案設計：四線法、中心線法、拉伸法和掃描法，并在髖假體設計好后進行虛擬置換，創(chuàng)建個性化髖關節(jié)假體耦合系統(tǒng)。
　　 ③ 依據(jù)和利用股骨CT掃描數(shù)據(jù)和其表觀密度以及彈性模量之間的關系，創(chuàng)建了接近股骨真實力學性能的有限元材料

4、模型。
　　 ④ 通過對有限元仿真計算和股骨加載實驗的數(shù)據(jù)進行對比，不僅獲得了自然生理狀態(tài)下的股骨應力應變分布規(guī)律，且檢驗和改善前期建模及有限元分析工作。
　　 ⑤ 對髖關節(jié)假體的靜態(tài)、動態(tài)及疲勞特性進行研究。用四種方法設計的髖關節(jié)假體，與Charnley型常用假體進行比較分析。
　　 ⑥ 采用非線性骨再造速率方程和有限元方法、Visual C++平臺結合，引入拓撲優(yōu)化思想，在個性化髖關節(jié)假體耦合系統(tǒng)中研究分析了