基于術(shù)后骨重建過程仿真與遠(yuǎn)期骨態(tài)預(yù)測的骨關(guān)節(jié)假體設(shè)計原理與方法研究.pdf

1、骨骼的解剖結(jié)構(gòu)與其所處的力學(xué)環(huán)境息息相關(guān),“應(yīng)力對骨的改變、生長和吸收起著調(diào)節(jié)作用,骨的生長、發(fā)育、萎縮,與應(yīng)力的大小/方向直接有關(guān)。人體運動信息是人體骨肌運動系統(tǒng)和神經(jīng)控制系統(tǒng)等多方面綜合運動功能的宏觀反映,人體不同的運動功能障礙/疾病和康復(fù)水平在運動信息中都有所反映;同樣,人體的運動會使得人體骨骼所處的力學(xué)環(huán)境發(fā)生變化,長期的骨骼應(yīng)力環(huán)境的改變又會導(dǎo)致骨組織形態(tài)的發(fā)生變化。針對骨關(guān)節(jié)病患者,由于假體的植入改變了人體骨骼的天然結(jié)構(gòu)及其

2、力學(xué)傳遞方式,從而使得骨骼的應(yīng)力分布也發(fā)生改變,術(shù)后經(jīng)長時間骨骼生長,骨的形態(tài)都將發(fā)生變化,誘發(fā)骨質(zhì)增生、溶解、遠(yuǎn)期畸變等現(xiàn)象,導(dǎo)致假體松動或破壞。
　　 本文基于人體運動學(xué)、骨骼解剖形態(tài)的生物力學(xué)特征以及骨生長過程的骨重建仿真三方面出發(fā),從骨骼的力學(xué)環(huán)境、整體骨的解剖形態(tài)宏觀分析、以及細(xì)胞應(yīng)力-塵長關(guān)系和骨骼的微觀解剖結(jié)構(gòu)上分別對人體骨骼解剖形態(tài)進行生物力學(xué)分析,對假體置換術(shù)后的“骨—假體”力學(xué)環(huán)境,特別是骨組織所處應(yīng)力環(huán)境作

3、出仿真,并對置換后宿主骨的應(yīng)力分布和主應(yīng)力線分布進行對比分析,提出基于術(shù)后骨生長過程仿真與遠(yuǎn)期骨態(tài)預(yù)測的骨關(guān)節(jié)假體設(shè)計原理與方法。本文主要研究內(nèi)容包括:
　　 1)人體運動學(xué)分析對平地行走、上下樓梯、彎腰搬物、騎自行車、下蹲、上肢屈曲、咀嚼運動等人們生長過程中最常用、最基本的日常運動,和抓舉力量鍛煉運動進行運動學(xué)分析,了解日常典型運動的運動學(xué)信息和抓舉運動的運動學(xué)信息,了解骨生長過程所處的力學(xué)環(huán)境。
　　 2)人體骨骼解

4、剖形態(tài)的生物力學(xué)特征分析以肱骨、骨盆、股骨、脛骨及下頜骨等典型骨骼為研究對象,基于“中國力學(xué)虛擬人”建立的人體骨骼有限元模型,獲取1)中日常典型運動下的相應(yīng)骨骼的主應(yīng)力線分布狀態(tài),將其與骨磨片(去皮質(zhì)骨)中顯示的松質(zhì)骨骨小梁的走向進行對比,在整體骨宏觀分析的基礎(chǔ)上,從生物力學(xué)的角度驗證了骨的功能適應(yīng)性原則,對骨的生長過程作出生物力學(xué)解釋。
　　 3)人體骨骼生長過程骨重建仿真采用壓應(yīng)力細(xì)胞生物反應(yīng)器和張應(yīng)力細(xì)胞生物反應(yīng)器,測定骨

5、細(xì)胞在壓應(yīng)力和張應(yīng)力狀態(tài)下的生長關(guān)系?；赟tanford骨重建理論,并選用Ansys作為骨應(yīng)力重建的分析軟件,采用APDL編寫骨重建仿真的迭代程序,以1)中日常典型運動狀態(tài)為力學(xué)環(huán)境,對第三椎骨的截面輪廓、股骨近端骨密度分布、人工髖關(guān)節(jié)置換前后的股骨進行了骨重建仿真,并對骨的應(yīng)力分布和主應(yīng)力線分布進行分析,從細(xì)胞應(yīng)力—生長以及骨骼微觀結(jié)構(gòu)上,對骨骼生長過程作出生物力學(xué)解釋。
　　 4)基于術(shù)后骨生長過程仿真與遠(yuǎn)期骨態(tài)預(yù)測的骨關(guān)

6、節(jié)假體設(shè)計原理與方法提出一個新型的人工髖關(guān)節(jié)設(shè)計準(zhǔn)則:優(yōu)良的設(shè)計應(yīng)該是假體置換后,宿主骨的應(yīng)力以及應(yīng)力線改變應(yīng)盡可能的減少,若保持不變則為最佳。并給出了“多孔鈦合金整體+鈷鉻鉬合金球面薄殼+組織工程骨”的假體設(shè)計方案。利用有限元方法對自然股骨和3種不同設(shè)計類型的假體進行有限元分析,證明“多孔鈦合金整體+鈷鉻鉬合金球面薄殼+組織工程骨”假體設(shè)計方案優(yōu)于其它設(shè)計方案。
　　 本文基于骨骼生長過程的力學(xué)環(huán)境、整體骨的解剖形態(tài)宏觀分析、