股骨三维重建与髋关节置换的有限元分析

有限元法在生物医学工程领域的应用,带来了人类医疗技术的革命。而由于病变、事故导致髋关节功能丧失,给患者带来了很大的不便。在人工髋关节置换中,置换重建的成功不仅取决于外科手术,更主要受到假体设计的影响,合理的假体设计是远期关节置换成功的重要因素。假体的几何形状和材料性质决定着假体和股骨的应力状况。定制型人工股骨假体可以提高与骨髓腔的匹配程度,因此能更好的适应人体内部的生物力学环境,消除对正常股骨不合理应力的破坏,减少应力遮挡,从而延长了股骨假体的使用寿命,减少远期假体松动几率。本课题针对股骨结构的多样性及其复杂性,提出股骨三维重建的研究方法,在股骨三维重建的基础上对股骨进行静态分析,模态分析,步态分析和假体部分参数的髋关节置换,希望能够为人工髋关节的个性化设计和制造,提供模型基础和几何设计和材料设计的理论依据。 利用Mimics、Geomagic和SolidWorks软件实现股骨CT数据的准确传输和三维重建,重建模型具有较高的精度,可以利用快速原型方法制作股骨的实体模型。 利用Mimics基于骨骼的灰度值对股骨赋材质,实现股骨有限元模型材料正确的非均匀及各向异性描述。建立Mimics与Ansys之间的数据传输接口,对完整股骨进行有限元的静态分析、模态分析和动态分析。经分析主要得出股骨的力学特性是线性的;得出固有频率前7阶的各个频率振型,为假体和股骨的固有频率之间的匹配性提供参考依据;股骨干上的应力分布范围始终都主要集中在中下1/3处。 结合股骨脊髓腔解剖结构特点利用CAD软件SolidWorks,建立一种能够极大匹配髓腔的个体化假体的生成方法。在Mimics和Ansys中,实现股骨-假体之间的装配,利用耦合接触分析,分别模拟三种不同材料的假体和三个不同柄长的假体,对髋关节置换后对股骨和假体应力分布进行分析。结果表明,置换后股骨受力基本情况不变,近端应力遮挡显著,中下部应力遮挡相对较轻;降低假体材料弹性模量,可以提高股骨近端应力,减少应力遮挡;股骨上的应力随着假体柄长的增加略有增加,但是柄长对假体应力水平影响不大。 通过研究,不但为新型人工关节的设计研制和人工关节的临床应用提供了准确的生物力学参数,而且为改进人工髋关节的设计、置换和提高人工髋关节寿命提供了一些有益的依据。