基于術后骨重建過程仿真與遠期骨態(tài)預測的骨關節(jié)假體設計原理與方法研究.pdf

1、骨骼的解剖結構與其所處的力學環(huán)境息息相關,“應力對骨的改變、生長和吸收起著調節(jié)作用,骨的生長、發(fā)育、萎縮,與應力的大小/方向直接有關。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環(huán)境發(fā)生變化,長期的骨骼應力環(huán)境的改變又會導致骨組織形態(tài)的發(fā)生變化。針對骨關節(jié)病患者,由于假體的植入改變了人體骨骼的天然結構及其

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

3、出仿真,并對置換后宿主骨的應力分布和主應力線分布進行對比分析,提出基于術后骨生長過程仿真與遠期骨態(tài)預測的骨關節(jié)假體設計原理與方法。本文主要研究內容包括:
　　 1)人體運動學分析對平地行走、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分析,了解日常典型運動的運動學信息和抓舉運動的運動學信息,了解骨生長過程所處的力學環(huán)境。
　　 2)人體骨骼解

4、剖形態(tài)的生物力學特征分析以肱骨、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骨骼的主應力線分布狀態(tài),將其與骨磨片(去皮質骨)中顯示的松質骨骨小梁的走向進行對比,在整體骨宏觀分析的基礎上,從生物力學的角度驗證了骨的功能適應性原則,對骨的生長過程作出生物力學解釋。
　　 3)人體骨骼生長過程骨重建仿真采用壓應力細胞生物反應器和張應力細胞生物反應器,測定骨

5、細胞在壓應力和張應力狀態(tài)下的生長關系?；赟tanford骨重建理論,并選用Ansys作為骨應力重建的分析軟件,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、人工髖關節(jié)置換前后的股骨進行了骨重建仿真,并對骨的應力分布和主應力線分布進行分析,從細胞應力—生長以及骨骼微觀結構上,對骨骼生長過程作出生物力學解釋。
　　 4)基于術后骨生長過程仿真與遠期骨態(tài)預測的骨關

6、節(jié)假體設計原理與方法提出一個新型的人工髖關節(jié)設計準則:優(yōu)良的設計應該是假體置換后,宿主骨的應力以及應力線改變應盡可能的減少,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”的假體設計方案。利用有限元方法對自然股骨和3種不同設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”假體設計方案優(yōu)于其它設計方案。
　　 本文基于骨骼生長過程的力學環(huán)境、整體骨的解剖形態(tài)宏觀分析、