股骨—假體系統(tǒng)中假體設(shè)計與優(yōu)化分析研究.pdf

1、生物醫(yī)學工程的迅速發(fā)展，帶來了人類醫(yī)療技術(shù)的革命。而病變、事故等原因?qū)е麦y關(guān)節(jié)功能喪失，還是給患者帶來了很大的不便。而人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后的中遠期效果還不能令人滿意，仍然有無菌性松動等并發(fā)癥。因此工學和醫(yī)學界都十分重視人工股骨(特別是髖關(guān)節(jié))的研究，此項技術(shù)對生物醫(yī)學工程具有重要意義。在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，定制型人工股骨假體由于實現(xiàn)了與股骨髓腔的最佳匹配，因而能更好地適應(yīng)人體內(nèi)部的生物力學環(huán)境，減小應(yīng)力遮擋，從而延長了假體的使用壽命。但由于

2、股骨幾何形態(tài)及股骨材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在實際置換應(yīng)用中，設(shè)計一個什么樣的假體結(jié)構(gòu)來有效地進行髖關(guān)節(jié)固定，至今仍缺乏有效依據(jù)。
　　 本課題來源于高等學校博士學科點專項科研基金項目(20060611014)。研究的目的是通過建立數(shù)字化股骨—假體系統(tǒng)模型，結(jié)合骨材料賦值程序與ABAQUS軟件及優(yōu)化設(shè)計軟件OptiStruct為平臺，模擬髖假體固定的生物力學靜、動態(tài)仿真，以及在仿真基礎(chǔ)之上的假體拓撲優(yōu)化分析，本文的研究主要包括以下幾個方

3、面：
　　 ①將患者股骨CT圖像數(shù)據(jù)直接導入最新醫(yī)學工程圖像處理軟件Simpleware，得到由CT圖像組成的股骨的三維空間顯示。利用空間采樣，剪切，通體，圖像分割，濾噪，光順等操作，導出具有高精度股骨表面圖像stl格式文件。
　　 ②根據(jù)股骨三維反求原理，采用線—面—體的方法，將st1文件導入Imageware中，以1mm的間距對股骨作平行截面，提取輪廓線并進行整體光順，重新參數(shù)化處理，將得到股骨及髓腔輪廓線導入PRO

4、/E中，建立帶髓腔的股骨三維實體模型。
　　 ③基于接觸理論與骨材料賦值研究成果，將前期師兄研制的材料賦值軟件與ABAQUS軟件建立轉(zhuǎn)化接口，以功能強大的非線性分析軟件ABAQUS為平臺，針對設(shè)計并改進設(shè)計的解剖型假體，在靜態(tài)與步態(tài)周期時變載荷作用下，分別探討了骨水泥與生物學固定髖關(guān)節(jié)假體的生物力學特性。
　　 ④在股骨—假體系統(tǒng)接觸有限元計算分析基礎(chǔ)上，首次以O(shè)ptiStruct軟件平臺，根據(jù)載荷的最優(yōu)傳遞路線原理，探