股骨三維非均質(zhì)建模及生物力學(xué)有限元分析研究.pdf

1、股骨是人體的重要支撐結(jié)構(gòu)，股骨受損和壞死是重大高發(fā)疾病，因此股骨的力學(xué)分析及修復(fù)技術(shù)是骨缺損研究中的熱點問題。傳統(tǒng)假體置換技術(shù)雖可替代人體股骨，但其在臨床應(yīng)用中存在諸如免疫排斥反應(yīng)，假體脫落和個體化差異等系列問題。而隨著組織工程技術(shù)和生物制造技術(shù)的發(fā)展，運用相關(guān)技術(shù)制備支架來修復(fù)各類骨缺損正成為一種新的修復(fù)方法。本課題基于組織工程中的新理論和技術(shù)，研究用計算機(jī)三維建模與有限元分析的方法重建和設(shè)計股骨模型，并用低溫沉積制造技術(shù)構(gòu)建股骨支架

2、，建立能面向個體化股骨替換，克服傳統(tǒng)股骨修復(fù)技術(shù)缺陷的新技術(shù)。
　　 研究首先分析比較了直接建模法、坐標(biāo)點建模法、組織切片建模法、基于醫(yī)學(xué)圖像建模三種建模方法的優(yōu)缺點，選擇了基于醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)法進(jìn)行三維股骨建模。通過CT掃描獲取正常人體股骨DICOM圖像，運用Mimics三維重建軟件經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理，分離髖骨，髕骨與股骨，提取股骨信息，獲得人體股骨CAD模型，并對模型面網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化劃分，重建一個可供有限元分析的宏觀結(jié)構(gòu)與內(nèi)部構(gòu)造與真

3、實股骨相近的股骨模型。
　　 基于有限元分析技術(shù)，對重建模型進(jìn)行生物力學(xué)仿真分析，選擇solid10node92單元進(jìn)行體網(wǎng)格劃分?；诠晒遣馁|(zhì)分布的非均一性以及非線性特點，研究在材料賦值時的非均一劃分，運用Mimics10.0中的FEA模塊附材質(zhì)功能，采用灰度值等間劃分法對股骨進(jìn)行材料賦值。模擬正常人體站立情況下不同載荷的受力結(jié)果，固定股骨下端，沿股骨頭方向?qū)晒鞘┘哟怪毕蛳碌妮d荷，最終得出股骨風(fēng)險骨折范圍和非均質(zhì)制造數(shù)據(jù)。<

4、br>　　 最后本研究結(jié)合低溫沉積制造工藝，利用三維重建后的人體股骨CAD模型制造人體股骨支架，并在股骨支架的制造過程中，通過對掃描密度和掃描方向的調(diào)控，制備了不同參數(shù)的股骨支架，對股骨支架的孔隙率進(jìn)行了表征，實驗結(jié)果符合骨組織工程對孔隙率的要求。然后對股骨支架進(jìn)行力學(xué)特性表征，得出支架易損部位與生物力學(xué)有限元分析結(jié)果相符，結(jié)合有限元分析結(jié)果，進(jìn)行了三維非均質(zhì)股骨建模，對易損部位采取加強(qiáng)編織密度編織，最終獲得非均質(zhì)股骨支架模型。