無柄髖假體的設(shè)計方法研究及有限元分析.pdf

1、目前，由于病變、事故等原因?qū)е麦y關(guān)節(jié)功能喪失，在藥物無助的情況下，用人工假體替代天然關(guān)節(jié)的人工髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)是恢復(fù)髖關(guān)節(jié)功能的有效治療方法。但是置換術(shù)后的中遠(yuǎn)期效果不能令人滿意，植入假體出現(xiàn)無菌松動等并發(fā)癥, 導(dǎo)致手術(shù)失敗引起翻修。國內(nèi)外研究認(rèn)為, 無菌松動的原因分兩大類,力學(xué)因素和生物因素,例如應(yīng)力遮擋和磨損微粒碎屑等。解決假體松動，提高其穩(wěn)定性、延長有效使用期已經(jīng)成為該領(lǐng)域醫(yī)學(xué)和工學(xué)界共同關(guān)注的重點前沿研究課題[1-22]。

2、 本課題來源于國家留學(xué)回國人員科研基金資助項目(2001345)。在設(shè)計定制無柄髖關(guān)節(jié)假體、虛擬置換股骨頭、用有限元軟件來分析股骨－假體之間的接觸并定量的測定股骨在進行假體置換前后應(yīng)力遮擋的程度，以及利用ANSYS功能強大的疲勞分析模塊(fatigue)來分析無柄假體的疲勞壽命方面，筆者做了一些工作，獲得了大量的數(shù)據(jù)，為定制型無柄假體的優(yōu)化設(shè)計提供思路和參數(shù)依據(jù)。 本文的主要研究工作包括以下幾個方面： ① 依據(jù)股骨的CT

3、圖片數(shù)據(jù)，設(shè)計符合個體的定制型無柄髖關(guān)節(jié)假體。對定制型無柄髖假體提出兩套設(shè)計方案：非解剖型無柄假體、解剖型無柄假體，并在假體設(shè)計好之后進行虛擬置換。 ② 利用有限元軟件ANSYS的參數(shù)化語言(APDL)進行二次開發(fā)，改造股骨材料賦值程序，在實現(xiàn)股骨有限元模型材料非均勻及正交各向異性的同時，保證其實體模型與有限元模型的統(tǒng)一。 ③ 在分析股骨－假體接觸模型前，對接觸問題的相關(guān)理論進行總結(jié)，并利用耦合節(jié)點自由度和建立節(jié)點自由度

4、約束方程的方法對復(fù)雜的接觸問題分析進行簡化，著重說明了節(jié)點自由度耦合及約束方程的設(shè)置理論和方法。 ④ 從假體對股骨的應(yīng)力遮擋效應(yīng)入手，對比分析了一種步態(tài)下的共27組模型，其中包括1組股骨在未植入假體時的受力模型以及26組假體在不同設(shè)計狀態(tài)(假體形狀、材料屬性、設(shè)計方法)時的模型。通過比較每組模型的股骨相同位置的內(nèi)、外側(cè)各5個應(yīng)力、應(yīng)變比較點的平均Von Mises應(yīng)力、Von Mises應(yīng)變值，就可以確定不同因素對應(yīng)力遮擋的程度