人工髋关节置换术

人工髋关节置换术 摘要 论文摘要 人体髋关节的优化设计与结构力学研究在关节的疾病治疗、人工关节置换、人工假体的计 算机辅助与制造等方面具有重要的科学意义和临床应用价值。 本研究利用高精度医学仪器通过对人体髋关节的断层扫描获得医学图像数据;通过逆向工 程技术重构了髋关节的三维模型;自行设计了人工髋关节的柄部和股骨头部，创新性地在股 骨头部设计了多种形式微观形态;建立了髋关节置换后的三维模型;利用有限元软件模 拟了临床手术后髋关节股骨头及股骨的结构力学特性。 关键词:人工髋关节 股骨头 结构力学 有限元 三维重建 I 吉林大学学士学位毕业论文 ABSTRACT The structure optimization of the human hip joint design has important scientific significance and clinical value in treatment of diseases of the joints, artificial joint replacement and computer-aided manufacturing of the prosthesis. Basing on medical images of the human hip, reverse engineering, computer-aided design, and finite element methods were adopted to study the femur and femoral head design of custom artificial hip joint, Theoretical analysis was also conducted as well. In the end, through analysis and comparison, a good structure of the artificial hip was obtained. In this study, high-precision medical instruments were used to get the human hip medical image data (including CT and MRI). Reverse engineering techniques was employed to reconstruct three-dimensional model of the hip, design artificial hip stems and the femoral head. Innovative design of various forms of microscopic morphology of the femoral head. After the building of three-dimensional model of hip replacement, finite element software was used to analyze the mechanical properties of simulated clinical surgery. The results of the study have great significance in the design and clinical applications of artificial hip prosthesis. Keywords :Artificial hip joint, Femoral head Structural Mechanics Finite Element Analysis Three-dimensional reconstruction II 目录 目录 第一章 绪论 ............................................ 1 1.1选题背景及研究意义 ............................... 1 1.1.1课题背景 ....................................... 1 1.1.2课题的提出和意义 ............................... 2 1.2人工髋关节的研究进展 ............................. 2 1.2.1人工髋关节材料 ................................. 3 1.2.2 人工髋关节的结构力学研究 ...................... 4 1.3 本课题的主要研究本章小结 ....................................... 7 第二章 人体髋关节医学图像数据采集与处理 ................ 8 2.1 概述 ............................................ 8 2.2 髋关节医学图像数据采集 .......................... 8 2.2.1采集设备与受试对象 ............................. 8 2.3 图像成像原理介绍 ................................ 9 2.3.1 CT图像成像原理及扫描方法 ...................... 9 2.3.2 磁共振图像成像(MRI)原理及扫描 方法 ............ 10 2.4 图像处理 ....................................... 10 2.4.1图像处理软件介绍 .............................. 10 2.4.2图像分割 ...................................... 11 2.4.3 精炼分割与渲染模型 ........................... 12 2.4.4 股骨模型三维实体重建 ......................... 12 2.4.5股骨参数测量 .................................. 13 2.5本章小结 ........................................ 14 第三章 人工髋关节的设计 .............................. 15 3.1 概述 ........................................... 15 3.2 绘图软件介绍 ................................... 15 3.3 人工髋关节的柄部设计 ........................... 15 3.4 人工髋关节股骨头的设计 ......................... 17 3.4.1 思想来源介绍 ................................. 18 III 吉林大学学士学位毕业论文 3.4.2 专利介绍 ..................................... 19 3.4.3 具体设计步骤 ................................. 19 3.5 本章小结 ....................................... 21 第四章 人工髋关节的结构力学分析 ....................... 23 4.1 概述 ........................................... 23 4.2 人工髋关节材料的参数设定 ....................... 23 4.3 人工髋关节各部的离散化处理 ..................... 22 4.4 载荷施加、边界约束与接触设定 ................... 24 4.5 数值仿真结果 .................................. 27 4.6 机理分析 ...................................... 35 第五章 结论与展望 ..................................... 36 5.1 5.2 研究展望 ....................................... 36 致 谢 ................................................. 37 参考文献 .............................................. 38 IV 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1选题背景及研究意义 1.1.1课题背景 人工关节已经成为替换人体器官的重要组成部分，在病变骨骼切除手术、外伤致残和关节炎晚期治疗中已得到广泛的应用，并已成为一种常规的外科手术。人工关节主要包括人工髋关节、人工膝关节、人工肘关节、人工腕关节、人工踝关节等。其中，以人工髋关节最为常见，应用最多。这是由于髋关节要实现的运动，如内旋、内收、外旋、外展等较为复杂，因此，在人体的诸多关节中，髋关节是最容易产生病变和损伤的关节。而作为髋关节的替代品，人工髋关节理所当然最容易走进人类的视线。20世纪以来，人工髋关节的研究进展一直是国内外研究者广泛关注的热点。作为治疗髋关节疾病的主要方法，人工髋关节置换术被公认为是20世纪最成功和最具影响力的骨科外科手术之一(如图1.1)。它的出现，为治疗许多髋关节疾病，如骨关节炎、骨类风湿性关节炎、骨无菌性坏死、骨肿瘤等提供了一种重要的方法。 【1】 图1.1 髋关节置换术示意图 然而，置换手术的效果极大地受限于假体关节的使用寿命。研究表明，人 1 吉林大学学士学位毕业论文 工假体和髋臼形态的匹配状况、假体结构形态、安装方式方法及假体材料是影 【3】响假体使用寿命的重要因素。其中，关节匹配不合理和假体结构设计不当所 造成的置换关节假体松动，下沉等术后症状尤为突出和严重。一旦出现这些不良后果，就要进行人工髋关节假体翻修手术治疗。但翻修手术又相当困难，且远期疗效又不如初次全髋关节置换术的疗效好。因此，如何有效提高髋关节假体服役寿命便成为相关研究的重点。 1.1.2课题的提出和意义 在人类站立、跳跃、跑步以及整个步态周期的过程中，髋关节是人体最重要的承重和减震结构。充分的了解关节处的结构和应力应变分布，对于髋关节置换手术前的规划和手术后的康复是非常有用的。短期和长期的髋关节置换效果主要取决于人工关节骨 为了使假体与假体植入床的骨皮质部分贴合的紧密，提高关节的稳定性，就要对股骨头假体的材料、结构、安装方式等进行优化设计和分析对比，从中找出最接近自然人类的设计，这具有重要的现实意义、科学意义和临床应用价值。 1.2人工髋关节的研究进展 2 第一章 绪论 人工髋关节用于临床已有百年历史，在科研工作者们的不断努力下，人工髋关节从材料的选择到结构的设计再到研究方法，都取得了很大的进步。 1.2.1人工髋关节材料 1.2.1.1金属材料 19世纪50年代以前，人工关节的材料采用的是白金和银等贵金属，因其价格昂贵后来采用高速钢、含铬钢等金属，但是最终都因为受到体液的腐蚀严重而宣告失败。到了20世纪20年代，不锈钢广泛作为人体的植入材料。经过多年的临床验证:316L不锈钢生物相容性尚可，其具有优良的加工性能及适当的抗压强度，其表面形成的钝态氧化铬氧化膜，降低了均匀腐蚀的速度，但是处理不良的316L不锈钢植入物，无法避免局部腐蚀、孔蚀、间隙腐蚀等腐蚀现象，关节头亦可能因为摩擦腐蚀而造成假体松动和下沉。钴铬合金的生物相容性，抗蚀能力，耐磨性能等都较好，但其不适合机械加工。钛的生物相容性更好，它最显著的优点是耐蚀性好，比重轻，但是纯金属钛的强度低，耐磨性差，不适合用作摩擦频率大的髋臼杯材料。 1.2.1.2陶瓷材料 陶瓷的人工髋关节是指整体或重要部分使用了生物陶瓷材料的人工髋关节。高纯度的氧化铝主要用于关节头和关节臼，它的化学性能稳定，生物相容性好;硬度高，耐磨性能好。但是其抗折强度和抗冲击韧性较低，属脆性材料;弹性模量远高于人体骨，与人体骨匹配性差;在使用过程中，常出现脆性破坏和骨损伤。 1.2.1.3高分子材料 高分子材料中的硅橡胶虽然早已用于临床，但是疗效并不理想。其原因主要是它的工艺流程与纯度没有得到严格的控制，它做成的植入体的表面光洁度和硬度等指标也达不到医用要求。聚乙烯是最早被用于人工髋关节的高分子材料，后来又采用了性能更好的超高分子聚乙烯。它已经成功用于临床，主要用于关节凹等摩擦面(如人工髋臼等)，并较好的解决了人工关节的摩擦磨损问题。但是在晚期磨损严重，产生磨损碎屑迁移，由于反应引起骨吸收，从而导致支撑关节的固定消失，无菌松动产生并最终导致置换失败。其中，人工髋关节的主要材料参数见表1-1。 3 吉林大学学士学位毕业论文 表1-1 主要材料参数 材料 UHMWPE 316L不锈钢 钴铬钼合金 Ti6A14V合金 弹性模量(GPa) 1.4 196 230 110 泊松比 0.3 0.3 0.3 0.3 综合比较，本研究直接选用Ti6A14V合金材料作为假体的材料进行优化分析。 1.2.2 人工髋关节的结构力学研究 1.2.2.1 人工髋关节的柄部研究进展 目前人工髋关节主要采用直柄和弯柄两大类，弯柄因解剖吻合性好而广泛使用，直柄则较多的用于股骨解剖机构有变异的患者。人工髋关节按其固定方法，其柄部设计有相应的几种形式: (1)压贴法:形状设计为与植入处有解剖类似性，从而使植入后的人工关节与骨紧贴固定，并使负重后力的传递类似人体正常的关系。 (2)骨水泥固定法:在柄与骨的间隙填充骨水泥，使人工关节与骨紧密结合。骨水泥的化学名称为聚乙烯吡咯烷酮，是性能优异、用途广泛的水溶性高分子化合物，属高科技含量、高附加值精细化工产品，是国际倡导的重要化工中间体和医药中间体。在人工关节柄与骨之 间填充骨水泥后，因其具有粘滞性，所以有很优良吸收震波的作用。 (3)骨组织长入的机械式固定法:柄部设计成珊瑚面或者珍珠面，植入人体后骨组织沿多孔表面长入，从而达到机械咬合。 (4)生物锁定固定法:柄部涂上具有生物活性的材料，引导骨组织长入表面微孔中，从而形成牢固的化学键结合，这就是生物自锁固定。 1.2.2.2 人工髋关节股骨头研究进展 髋关节是典型的球窝结构关节，球形曾经被认为是股骨头的形状，并且，在人工髋关节置换术中，人工髋关节股骨头假体也都被设计成为球状结构。但 【9】是，Menschik曾经指出，人类的天然股骨头的形状并不是标准的球体结构， 【10】Afoke等研究者，通过实验仿真研究也得出了人类天然股骨头与标准球体 【38】是有偏差的结论，这就对原有的人工髋关节股骨头的形状提出了质疑。丁秀 4 第一章 绪论 敏对不同形状的人工髋关节进行了力学行为研究，她选择了半球和椭球两种形状的髋臼假体，通过仿真分析比较，得出了在椭球形的髋臼杯的状态下，髋臼 【17】的应力分布更接近于自然人类的髋臼。韩树洋和葛世荣通过建立人工髋关节 三维有限元模型，针对不同形状的股骨头，如球形和椭球形进行了人体步态模拟，分析计算了髋臼以及股骨头的变形和应力分布情况。最终通过分析比较发现，椭球形的股骨头与球形的股骨头相比，前者对聚乙烯髋臼产生的变形影响更小，其表面应力更低。因此，在静力学分析方面，椭球股骨头比球形股骨头有着更明显的优势。 【2】针对于人工股骨头结构的设计，王野平和沈继飞提出了一种带滚动体的 新型人工髋关节结构，它的结构特点是在人工股骨头上有两条封闭的滚道，滚道内置有微小的滚动体。这种设计的好处是，使髋关节由原来的全滑动摩擦运动变为滚动摩擦与滑动摩擦相结合的运动，即当髋关节作伸展、屈曲等运动时，滚动体能相对于人工髋臼和人工股骨头作滚动摩擦运动，从而大大减少关节表面间的摩擦、磨损，提高了人工髋关节的使用寿命【23】。 1.2.2.3 人工髋关节的研究方法 根据每位患者的骨骼解剖特点，为患者量身定制，单独设计人工关节，是最为理想的治疗，其效果最佳。根据这一设想，就形成了计算机辅助人工关节置换术的新方法。其中，计算机技术包括:计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)和计算机辅助加工(CAM)。有了计算机技术的辅助后，可以利用激光扫描的方法对自然人类的关节进行测量，得到关节表面完整的点云数据，然后采用反求工程的技术和方法，对点云数据进行分析，利用计算机技术完成 【11】人工关节的三维重建。Roberston 是第一位应用CT技术后经过计算机辅助 设计、加工，从而使生产出的人工髋关节假体不仅达到了手术植入的要求而且使假体和骨的接触面积最大化。此后，基于计算机辅助设计和计算接辅助加工技术，开始有研究者研制适用于畸形和肿瘤病人的假体。计算机技术的成熟应用，大大降低了人工关节置换术中人为因素的影响，提高了设计过程的准确性。 目前，针对人工关节力学分布的研究，最为有效的方法之一就是有限元的方法。它是一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续体力学问题的数值方法，此方法在国内外医学工程领域已得到广泛应用。例 【12】如，郭欣利用有限元的方法研究了腕部载荷的传递情况及关节接触应力的分 【26】布情况;姜海波通过有限元方法对人工髋关节的应变特性和应力特性进行了 分析研究。 5 吉林大学学士学位毕业论文 综上所述，针对人工关节材料的研究已经相对成熟，人工髋关节的材料都具有如下优点，1)化学性能稳定，生物相容性好，与人体骨骼能够较好的匹配;2)硬度高，耐磨性能好，能够使用足够长的时间而不会失效;3)具有较高的抗折强度和抗冲击强度，能够抵抗髋关节所承受的较大较复杂的载荷冲击。 【13-16】 针对于人工髋关节的结构力学的研究，大部分研究者都会模仿天然的 髋关节的宏观大结构，所涉及的方法及技术主要有有限元法、医学图像处理技术、逆向工程技术和计算机辅助技术等。虽然研究者们为人工髋关节特别是股骨头设计了各种各样的结构，但是因为髋关节要实现的运动极为复杂，所要承受的载荷较大。所以，人们所设计的人工髋关节股骨头仅仅考虑宏观大结构，而对表面形态未有太多考虑，这在一定程度上会影响到人工股骨头的作用效果。基于此， 1.3 本课题的主要研究内容 以上主要论述了人工髋关节的研究现状，针对目前的人工髋关节股骨头结构设计方面的不足之处，主要指几乎所有的结构都是模仿天然股骨头的外形(如图1.2)，而对形态未有较多考虑， 图1.2常见的人工髋关节示意图 6 第一章 绪论 具体工作如下， (1)调研人体髋关节常见临床症状，了解人体髋关节的医学图像，初步了解数据采集的设备与方法，掌握骨骼成像的基本原理。查阅相关资料，了解国本章小结 (1)髋关节是人体的重要关节，它的好坏直接影响到生命质量的高低。在人们对生活质量要求越来越高的背景下，进一步增进对人体髋关节的研究以及加强对其替代品人工髋关节的优化设计具有重要的现实意义和临床应用价值。 (2)对人工髋关节的研究，主要集中在材料的选择和结构的设计上。人工髋关节的材料经历了从金属、陶瓷最终到高分子材料的过程。对于人工髋关节的结构，主要是运用逆向思维以及有限元法，利用逆向工程软件和优化分析软件完成对其结构的设计与优化分析。 (3)简要介绍了主要的研究内容，提出了基于医学图像处理技术、逆向工程技术、计算机辅助技术和有限元分析方法的分析、设计与优化思路。 7 吉林大学学士学位毕业论文 第二章 人体髋关节医学图像数据采集与处理 2.1 概述 精准的人体髋关节的几何物理模型是获取高质量有限元分析结果的重要保证。目前，较常见的方法是借助现代医学图像处理技术获取人体髋关节的医学图像数据，结合图像处理结果构建髋关节的几何物理模型。这种方法建立的模型与真实的人体髋关节在形态上具有极高的相似性。现代医学成像方法较多，本次研究主要选用了CT、MRI(磁共振成像)两种影像技术进行人体髋关节医学图像数据的采集，以辅助人工髋关节模型的构建。 2.2 髋关节医学图像数据采集 2.2.1采集设备与受试对象 2.2.1.1图像采集设备 图像采集设备分别采用飞利浦16排大孔径螺旋CT机( PHILIPS Brilliance TM Big Bore CT )和德国西门子1.5T核磁共振机(如图2.1)。16排大孔径螺旋 CT模拟机具有最新的四维动态采集技术与门控放疗技术，能够限定照射范围，使扫描更精确。扫描速度较快，图象品质高、图象重建快速，并且可以从不同的角度对图像进行观察。西门子1.5T核磁共振机具有性能优越、磁场均匀、可薄层扫描、图像清晰、逼真以及噪声小等优点【16-18】。 图2.1飞利浦16排大孔径螺旋CT机(左)和德国西门子1.5T核磁共振机(右) 8 第二章 人体髋关节医学图像数据采集与处理 2.2.1.2 受试对象 2012年3月~4月，受试对象，男性，年龄25岁，身高176厘米，体重75kg，髋关节处无任何外伤、疾病和手术史。 2.3 图像成像原理介绍 2.3.1 CT图像成像原理及扫描方法 通过单一轴面的射线穿透被测物体，根据被测物体各部分对射线的吸收与透过率不同，由计算机采集透过射线然后通过三维重构成像。CT的工作程序是这样的:它根据人体不同组 织或同一组织的不同区域对X线的吸收与透过率的不同，应用灵敏度极高的仪器对人体进行测量，然后将测量所获取的数据输入电子计算机，电子计算机对数据进行处理后，就可摄下人体被检查部位的断面的图像，从而发现体内任何部位的细小病变【19】。 基本原理:CT与常规X线摄影一样，它的成像也是利用了X线的原理。在CT成像中，物体对X线的吸收起主要作用，在一均匀物体中，X线的衰减服从指数规律。X线在穿过人体各组织后会发生衰减，主要是因为能量被吸收，与此同时也也会存在X线的散射。不同的组织会有不同衰减系数，也就是说不同的组织会有不同的X线衰减程度，而所有的应用X线的成像技术和模式都是以此为基础的。 目前所应用的投影方式中，X线成像技术可分为两类，模拟成像和数字成像，其中CT应用了数字成像的方式。CT是用X线束对人体被检查部位一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换器转变为电信号，再经数字转换器转为数字信号，输入计算机处理后，即可以得到CT图像【20-22】。 本次CT的扫描方法采用了断层扫描，断层扫描CT的X线球管发出的X射线与常规X线摄影的不同，在准直器的作用下，X射线呈有一定厚度的笔形或扇形束穿过相同厚度的人体断层，到达对面替代常规X线摄影中的检测器，检测器的作用是将穿过人体不同组织后衰减的X线的强度转换成不同电流强度的电信号通过输送电缆送人计算机。这个X线束以脉冲形式依次从不同投射角度穿过人体的同一解剖断层，检测器将所得数据依次送人计算机，由计算机计算出这一断层中每一个像素的CT值，再以灰阶形式显示在显示器上。一个断层扫描完毕，产生一个断层切片，多次重复，获得一系列无重叠的二维图像。扫描参数:电压220千伏、电流220兆安、厚度1.25毫米、像素512 X 512。 9 吉林大学学士学位毕业论文 2.3.2 磁共振图像成像(MRI)原理及扫描方法 核磁共振成像原理:原子核带有正电，许多元素的原子核，都会进行自旋运动。通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规律的，但将其置于外加磁场中时，核自旋空间取向从无序向有序过渡。自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长，当系统达到平衡时，磁化强度达到稳定值。如果此时核自旋系统受到外界作用，即可引起共振效应。当原子核恢复原状时，便会将多余的能量以电磁波的形式释放出来，成为射电信号，把这许多信号检出，并使之能进行空间分辨，就得到运动中原子核分布图像。由于不同的组织会产生不同的电磁波信号，因此根据对其释放的电磁波进行处理，就可以获得该组织原子核位置与种类，进而获得受试者 它是模块化结构的软件，拥有一套高度整合而且易用的三维图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的图像数据，如CT图像、MRI图像，然后输出通用的CAD(计算机辅助设计)、FEA(有限元分析)等格式，并且可以进行大规模数据的转换和处理。用户可以用扫描的图像数据，主要指点云数据来建立三维模型，然后对表面进行网格划分以应用在FEA分析中。Mimics软件的中比较常用的基础模块主要包括:图像导入、图像分割、图像配准、图像测量 10 第二章 人体髋关节医学图像数据采集与处理 等。 Mimics软件具有网格重划的功能，在自动重划功能里能够实现半自动或手动网格划分，能方便地将不规则三角片形状转化成趋近于等边的三角片形状，有效的提高了三角片的质量，因此能更好地实现有限元分析。 Mimics软件中的可选模块主要包括:MEDCAD模块， 它建立了是医学图像数据与CAD之间的联系，实现了医学图像的扫描数据与CAD数据之间的相互转换。RP-SLICE模块，用RP-SLICE技术可以进行大文件的处理，并维持很高的解析度。在建立切片文件的时候，可在很短时间内进行最佳、最精确的数据转换;用三次插值算法、高阶的插值算法能使得扫描数据变成具有完美表面的三维实体模型。 (2)Geomagic Studio软件【27】 它是一款逆向软件，通过扫描实物的点云自动生成准确的数字模型。它的主要功能包括:自动将点云数据转换为多边形;快速减少多边形数目;把多边形转换为曲面;对曲面进行公差分析;输出与CAD/CAM/CAE匹配的格式。 2.4.2图像分割 利用分割工具将人工髋关节的CT图像分成不同灰度特性的材料区域，并从中抽取我们需要的目标区域的边界。在CT 图像中，灰度级的明暗代表了材料的致密程度，较明亮的区域代表材料很致密。相反的，较黑暗的区域代表的则是软组织。这样，通过设定恰当的灰度边界值，可以为CT 图像中的每一个像素分配特定标志，它代表的是髋关节的某一特定区域或者是某种特定材料。而针对于具有相似灰度的区域，要找到灰度变化率最大的地方，把灰度不连续的点作为边缘，从而进一步细化各个区域【28】(如图2.2所示)。 图2.2 CT图像的分割结果示意图 11 吉林大学学士学位毕业论文 2.4.3 精炼分割与渲染模型 CT图像在分割之后，能够检测出的边缘点非常多，并且股骨的轮廓线很不光滑，因此必须对轮廓线上的点进行精炼，利用图像平滑技术将锯齿状的轮廓过滤掉。另外，对于结构形状复杂的区域，可以先进行图形插值，然后提取轮廓，这样就会得到更接近真实形态的股骨轮廓曲线，之后进行计算得到股骨和髂骨的三维渲染模型【29-30】(如图2.3)。 (1) (2) (3) (4) 图2.3精炼分割与渲染结果示意图 2.4.4 股骨模型三维实体重建 本次采用边界表示法来完成股骨的三维模型重建，边界表示法简称B-Rep法。它的基本思想是一个实体可以通过它的面的集合来表示，而每一个面又可以用边来描述，边通过点，点通过三个坐标值来定义。边界表示法强调实体外表的细节，详细记录了构成物体的所有几何信息，将面、边、顶点的信息分层 12 第二章 人体髋关节医学图像数据采集与处理 记录，建立层与层之间的联系。重建模型的具体步骤如下: (1)对股骨轮廓线进行样条化及封闭处理，将不光顺的多边形轮廓拟合成为闭合光顺的样条曲线。经过此项处理，空间内所有有离散的点都变为闭合光顺的样条曲线，当股骨轮廓完成样条化和封闭处理后便生成了初步的股骨轮廓线。 (2)构造股骨表面，生成光顺的曲面。 (3)补加顶面，缝合所有曲面，形成完全封闭的曲面体，最终生成实体，完成三维实体模型的重建(如图2.4)。 图2.4 三维模型重建结果示意图 2.4.5股骨参数测量 对上述的三维实体模型进行必要的参数测量，其目的是为特定对象的假 体设计提供数据参考。为了达到预期的目的，对股骨的图像要分别进行正位 【32-35】测量和侧位测量，其主要的测量参数包括股骨头半径、股骨头头顶至小粗 隆上下缘的距离、小粗隆上下缘平面髓腔的内外径、小粗隆上下缘平面髓腔的前后径和球 心偏距(股骨头中心点至股骨纵轴线的距离)等(如图2.5)。测量过程中，会出现测量误差，但经过人为的调整，误差均在可接受范围内(0.1-0.5mm)，故可以忽略不计。 13 吉林大学学士学位毕业论文 图2.5股骨参数测量结果示意图 2.5本章小结 (1)借助现代的医学图像处理技术，进行了人体髋关节医学图像数据的采集， 主要包括股骨CT图像和股骨MRI图像。 (2)简要介绍了CT成像和MRI成像原理以及各自的扫描方法，提出了必要的 采集设备和受试对象的信息。 14 第二章 人体髋关节医学图像数据采集与处理 (3)利用图像分析处理技术与计算机辅助建模技术，对人体髋关节的生物形 态进行三维重构。主要包括对髋关节图像进行分割，采用边界表示法完成股骨的三维模型重建。 (4)完成对三维实体模型必要的参数测量，从而为假体的设计提供数据参考。 15 吉林大学学士学位毕业论文 第三章 人工髋关节的设计 3.1 概述 根据第二章得到的测量结果，运用计算机绘图软件，进行人工髋关节的三维设计。本次设计主要包括两部分:人工髋关节的柄部设计和人工髋关节的股骨头设计，其中设计重点主要是股骨头的表面形态设计。 3.2 绘图软件介绍 本设计主要应用CATIA V5R17软件为平台，来进行相应的人工髋关节的设计。CATIA是由法国达索系统公司开发的高端三维设计软件，具有众多的功能强大的模块，能够进行草图设计、零件设计、曲面设计，并能够由实体模型转化为与之相关的二维工程图。目前，CATIA已经成为CAD/CAM领域最优秀的系统软件，其强大的设计功能和丰富的加工功能为波音、空中客车等大客户的新产品开发提供了强有力的保证。广泛的应用于航天航空、汽车制造、机械制造、造船、电子电器以及消费品行业，包括大型的波音747飞机、火箭发动机、小型的化妆品包装盒等等，它的集成解决方案几乎覆盖所有的产品设计和制造领域。 3.3 人工髋关节的柄部设计 人工髋关节柄部的设计主要考虑的是应力集中问题，为了较好的解决这一问题，应该尽量满足假体柄的中心线与股骨的中心线重合，即假体柄与股骨是同心圆柱体。另外，要避免存在较尖锐的区域，柄部与股骨头的连接部分要平滑过渡，柄的四周要圆滑(如图3.1)。 图3.1 人工髋关节柄部设计示意图 16 第三章 人工髋关节的设计 3.4 人工髋关节股骨头的设计 人工髋关节股骨头是本次的重点设计研究对象，针对现有研究的不足之处，本次研究主要 是补充人工髋关节股骨头表面的形态设计。主要指，在人工股骨头上加工不同大小和排布方式的微孔。 3.4.1 思想来源介绍 马是比较善于奔跑且耐力很强的动物，它在奔跑过程中，前腿要承受很大 【36】力的冲击，但其依然能轻快如飞并且很少受伤。经过不断的研究，最终拉普 夫发现马腿骨头的构造有一特别之处，即马腿第三掌骨上有一个毫不起眼的天然小孔，也是它令马腿能在奔驰中单腿承受身体重量和空气阻力带来的强大压力(如图3.2)。 图3.2 马腿第三掌骨示意图 研究人员利用精密的仪器和技术，分析研究了马腿第三掌骨的小孔及其周围的细微结构，然后运用电脑模拟软件模拟了马腿骨在承受不同压力时的表现。结果他们发现，这个小孔不仅能使血管穿入骨组织为其供血，而且在马腿掌骨承受较大压力时，掌骨会自动把小孔所承受的巨大压力分散到周围的坚固部位。也就是说，小孔的存在不仅没有加重应力集中现象，反而有效的改善了应力集中。 类似的思想，在人工关节股骨头上加工一些微观形态，例如微孔。如果其分布合理，不仅能够有效的降低应力集中， 而且因为微孔存储了更多的润滑体 17 吉林大学学士学位毕业论文 液，能够减少髋关节的干摩擦现象，大大降低股骨头和髋臼的摩擦磨损，从而有效延长其使用寿命。 3.4.2 专利介绍 美国汉斯提出了一种带有凹槽的球帽结构，这种结构不仅有效降低了材料成本，最关键的是实现了关节头与球窝之间摩擦的最小化，有效降低了人工髋关节股骨头的摩擦磨损，实现了延长人工髋关节置换术后关节使用寿命的目的。另外，在关节植入后，关节头与球窝之间的真空部分充满了滑膜液，滑膜液的存在意义重大，不仅具有润滑的作用。当髋关节部分受力时，它起到了缓冲的作用;当关节头和球窝之间存在磨损颗粒时，它起到清洗的作用;并且，它能够有效的抑制关节的脱臼。 结构提出:关节头的表面可以分为三个区域，关节头的P部分光滑，无任何表面形态的加工;关节头的Z部分，加工均匀分布的凹孔，孔的宽度从1mm到3mm之间;关节头的E部分，加工均匀分布的凹孔，孔的宽度从0.5mm到1mm之间，另外在E部分还分布着从50微米到250微米的微孔(如图3.3)。 【36】 图3.3 美国专利示意图 18 第三章 人工髋关节的设计 功能介绍:P区域是承载区，起到承担负重的作用;中间的Z区域储有大量的滑膜液，此区域主要起到润滑缓冲的作用;E区域可起到润滑的作用。 3.4.3 具体设计步骤 (1)根据所测量的人体髋关节股骨头图像的参数，确定人工股骨头的最小半径R=22.5mm ，运用绘图软件设计出人工股骨头的基本形状。 (2)基于步骤一设计的人工股骨头，在其上设计微观形态(微孔)。微孔均匀分布在距球心4mm、8mm、12mm的平面与球体表面相交的部分并且上下微孔对齐，微孔半径R=1mm ，个数N=20 。 (3)所设计微孔均匀分布在距球心4mm、8mm、12mm的平面与球体表面相交的部分并且上下微孔错开，微孔半径R=1mm ，个数N=20。 (4)所设计微孔均匀分布在距球心4mm、8mm、12mm的平面与球体表面相交的部分并且上下微孔对齐，微孔半径R=0.5mm ，个数N=20 。 (5)所设计的第一排微孔均匀分布在距球心4mm的平面与球体表面相交的部分，微孔半径R=1mm ，个数N=20，第二、三排微孔均匀分布在距球心8mm、12mm的平面与球体表面相交的部分，微孔半径R=0.5mm ，个数N=20，并且上下微孔对齐。 (6)所设计的第一排微孔均匀分布在距球心4mm的平面与球体表面相交的部分微孔半径R=1mm ，个数N=20;第二排微孔均匀分布在距球心8mm的平面与球体表面相交的部分微孔半径R=0.5mm ，个数N=20;第三排微孔均匀分布在距球心12mm的平面与球体表面相交的部分微孔半径R=1mm ，个数N=20;依次类推，并且各排微孔对齐。 (7)所设计微孔均匀分布在距球心4mm、8mm的平面与球体表面相交的部分并且上下微孔错开，微孔半径R=1mm ，个数N=20(各个结构如图3.4所示)。 另外，柄部与股骨头的连接采用M8的螺纹连接，在人工股骨头上钻直径为8mm ，深度为15mm的螺纹孔，在柄部加工与之相配合的螺栓。装配后的结构(如图3.5所示)。 19 吉林大学学士学位毕业论文 (1) (3) (5) (2) (4) (6) 20 第三章 人工髋关节的设计 (7) 图3.4 股骨头各结构示意图 图3.5 装配示意图 3.5 本章小结 (1)简单介绍了三维绘图软件CATIA及美国汉斯发明的关于人工股骨头的专利 ，提出了人工髋关节股骨头设计的思想来源，即拉普夫所发现的马腿第三掌骨的小孔及其周围的细微结构，能都有效减少应力集中，从而帮助马腿在奔跑过程中单腿承受身体重量和空气阻力带来的强大压力。 21 吉林大学学士学位毕业论文 (2)人工髋关节柄部设计过程中，要尽量保证柄部各部分平滑过渡，以减少应力集中。人工髋关节股骨头的设计，提出了多种表面形态结构。并且，柄部和股骨头均给出了相应的图示。 22 第四章 人工髋关节的结构力学分析 第四章 人工髋关节的结构力学分析 4.1 概述 本设计主要运用有限元法来进行人工髋关节的结构力学仿真分析，其主要的仿真步骤包括:各部件的载入、各部件材料属性的设定、有限元网格划分(离散化)、部件装配、设定约束、边界条件及接触面、施加载荷等。现将方案定义如下: a 股骨头无任何加工。 b 股骨头加工三排直径为2mm的对齐微孔。 c 股骨头加工三排直径为1mm的对齐微孔。 d 股骨头上加工三排对齐微孔，一、三排微孔直径为2mm ，二排微孔直径为 1mm。 e 股骨头上加工三排对齐微孔，一排微孔直径为2mm ，二、三排微孔直径为1mm。 f 股骨头上加工两排上下交错微孔，直径为2mm。 g股骨头上加工三排上下交错微孔，直径为2mm。 4.2 人工髋关节材料的参数设定【37】 (1)经查询资料，得到人体股骨的材料属性为: 弹性模量E=1.62 x 104 M Pa 、泊松比 μ=0.36 (2)人工髋关节股骨头的材料钛合金，经查，其材料属性为: 弹性模量E=1.1 x 105 M Pa 、泊松比 μ=0.3 (3)人工髋关节柄部的材料为钛合金材料，经查，其材料属性为: 弹性模量E=1.1 x 105 M Pa 、泊松比 μ=0.3 4.3 人工髋关节各部件的离散化处理【30】 将建立的人体髋关节的模型保存为专用文件后导入进有限元软件，由于人体髋关节是不规则图形，为了更好的适应模型的不规则性且便于后续分析研究，要对人工髋关节的模型进行离散化处理。此处，运用结构化网格划分技术，对人工髋关节的股骨头部、柄部以及其它与之相配合的部分进行网格划分，经评估，各部件网格均满足分析要求。(划分结果如图4.1中(1)(2)(3)和表4-1所示)。 23 吉林大学学士学位毕业论文 (1)股骨网格划分结果示意图 (2)柄部网格划分结果示意图 24 第四章 人工髋关节的结构力学分析 (3)股骨头网格划分结果示意图 图4.1网格划分结果示意图 部件 股骨头 c d e f g 方案 a b 单元类型 四面体 288919 140954 210133 130062 163991 单元数量 11476 144522 25 吉林大学学士学位毕业论文 4.4 载荷施加、边界约束与接触设定 (1)载荷设定 人体髋关节处的运动极其复杂，本次主要考虑人在静止状态下时关节处的受力情况。受力模型简化为人体静态站立单侧负重，在股骨头的上端一节点处施加垂直向下的集中载荷375N和垂直向左的集中载荷216N，来模拟关节处的受力，其它受力忽略不计(如图4.2所示)。 图4.2 载荷施加示意图 (2)边界约束条件与接触设定 仿真分析时，股骨下端施加固定约束。即在有限元分析软件中，股骨下端所施加约束的节点的自由度都为零(包括三个位移方向的自由度和三个旋转方向的自由度如图4.3所示)，模拟静立时膝关节的边界状态。另外，仿真分析主要涉及到人工股骨头与柄、柄与股骨两处的接触约束。其中，柄与股骨之间定义为埋入式(embedded)接触约束，人工股骨头与柄是螺栓连接以进行力的传递(如图4.4所示)。 26 第四章 人工髋关节的结构力学分析 图4.3 边界约束示意图 图4.4 接触约束示意图 27 吉林大学学士学位毕业论文 4.5 数值仿真结果 (1)股骨应力分布分析(如图4.5) a b c d e f g 图4.5股骨应力分布示意图 28 第四章 人工髋关节的结构力学分析 如上图所示，股骨上被圈出的区域是应力值最大的区域，图4.5a-f分别为七种方案中股骨上出现最大应力值的区域示意图。针对各个方案中股骨 b c d e 29 吉林大学学士学位毕业论文 f g 图4.6金属柄1的应力分布示意图 金属柄上多处应力需要考虑，其中螺栓的下部(设为柄部1)出现了较大的应力，各方案应力最大值出现的区域如上图a至g所示，根据应力最大值，得到相应柱状图。根据柱状图可知:与a相比，其余六种方案应力的最大值均有所减小，但是b、c、g的效果接近并且效果较好，c的最好，而其余三种则效果相对不明显。 30 第四章 人工髋关节的结构力学分析 c f a d g 31 b e 吉林大学学士学位毕业论文 图4.7 金属柄2的应力分布示意图 如上图柄部被圈出部分设为柄部2，此处是埋入股骨的部分，根据其中方案中此区域的应力最大值，得到柱状图。根据柱状图可知:与a方案相比较，其余六种方案应力最值均有所减小，其中c的效果最好，其次是e和g，而d的效果最差。 a b 32 第四章 人工髋关节的结构力学分析 c d e f g 图4.8 金属柄3的应力分布示意图 33 吉林大学学士学位毕业论文 上图中，金属柄被圈出的部分设为柄部3，此区域是与股骨有接触的部分。根据各个方案中此区域的应力最大值，绘出柱状图如上。根据柱状图可知:与a方案相比，其余六种方案在此处的应力最大值均有所减小。其中，c方案减少的值最大，d方案减小的值最少，其余几个方案效果近似。 (2)股骨头的应力分布分析 对股骨头进行应力测量(以b方案为例如图4.9所示，其余见4.10)，测量部位分别是股骨头的中心线处、左侧第一排微孔处、第一、二排微孔中间处、第二排微孔处、第二、三排微孔中间处、第三排微孔处，其测量值见表4-2所示。 表4-2 股骨头的应力测量值 方案 a b c d e f g 左微孔3应力值/M Pa 0.54 0.55 0.62 0.63 0.75 0.56 0.55 左3应力值/M Pa 0.50 0.40 0.37 0.36 0.38 0.51 0.41 左2应力值/M Pa 0.43 0.38 0.42 0.38 0.42 0.42 0.45 左微孔2应力值/M Pa 0.41 0.47 0.52 0.50 0.62 0.48 0.478 左1应力值/M Pa 0.41 0.38 0.38 0.38 0.45 0.40 0.40 左微孔1应力值/M Pa 0.40 0.44 0.53 0.45 0.52 0.46 0.45 图4.9 股骨头应力分布示意图 中心线 应力值/M Pa 0.399 0.388 0.40 0.39 0.42 0.39 0.39 34 第四章 人工髋关节的结构力学分析 通过表4-1可知:c、d、e三种方案中微孔处的应力值较大。相反的，c、d、e三种方案各 排微孔中间部分的应力值与a方案相比则稍有减小。 结论:七种方案中，在股骨处、金属柄1处、金属柄2处、金属柄3处和 股骨头处产生 的效果情况从最好依次排列如下。 (1)股骨 外侧:c > e > g> b > f > d > a (2)金属柄1处:c?b?g > f > e > d >a 金属柄2处:c > e > g> b > f > d > a 金属柄3处:c > g?b?e?f?d > a (3)股 骨 头处:e > c?d > g?b?f > a a c d e f g 图4.10 各结构股骨头应力分布示意图 4.6 机理分析 基于仿真结果， 在同等载荷条件作用下，股骨头下端局部产生较大形变，吸收外界载荷做功，由此在一 35 吉林大学学士学位毕业论文 定程度上良性调控了远端埋入人体股骨的柄部的应力分布状态，从而改善了应力遮挡，减小了植入部分变形松动的可能性，从而有利于人工植入体使用寿命的延长。 36 第五章 结论与展望 第五章 结论与展望 5.1 (1)与股骨头上无任何加工的方案相比，在股骨头上加工微孔结构的六个方 案都起到了好的效果，只是程度不同，本研究中c方案为最优方案。 (2)基于本研究，微孔尺寸和微孔的排布方式对股骨处、金属柄处、股骨头处的应力分布都会产生影响，而微孔尺寸的影响程度要稍大于排布方式。 (3)在股骨头上加工相同排布方式的微孔，微孔的尺寸不应过大，在本研究范围内，尺寸相对较小者效果明显。 (4)同一股骨头上加工不同尺寸的微孔时，小尺寸的微孔在股骨头底端比夹在大尺寸微孔中间效果更好。 (5)所加工的微孔具有相同尺寸，但是交错排布的比对齐排布的效果明显;当具有相同尺寸并且全为交错排布时，三排比两排的影响更大。 5.2 研究展望 人体髋关节的力学结构的研究，涉及到医学成像、三维重建、有限元分析等多方面的知识，综合性较强。 分析得出了部分结论。但是，还有以下几方面需要进一步的改进和研究分析。 (1) (2)本研究所选择方案较少。因此，进一步的研究拟选择试验优化的方法来进行较多因素和水平的分析探讨，如，股骨头上微孔的个数、位置、深入股骨头的深度等因素，优选最佳方案，使研究结论更具参考意义。 37 吉林大学学士学位毕业论文 致 谢 在毕业设计即将完成之际，我的心中满是澎湃不安，因为我真切的体会到，将要结束的不仅仅是毕业设计，而是我四年美好的大学时光。回想着四年来的点点滴滴，我要说，是吉林大学改变了我，是农机改变了我。经过四年的课程学习，经过老师耐心细致的帮助与指导，我已从最初踏入校门的稚嫩渐渐变的成熟自立，也对这里的一切产生了真真切切的感情。在此，我要真心的感谢于建群老师、孙裕晶老师、李建桥老师、丛茜老师等老师在专业课上给予我的帮助和指导，也真心感谢在大学传授给我知识的所有老师。 这次的毕业设计是在尊敬的钱志辉老师的指导下完成的，在此，首先向敬爱的钱老师表示深深的谢意。在做毕业设计期间，从课题的选择、研究方向的确定，到研究的方式方法、修改，到最后的定稿，钱老师都在百忙之中给予悉心指导。尤其是在设计和仿真分析阶段，钱老师始终认真负责的给予我深刻的指导并且亲自演示，让我获得了许多宝贵的意见。在这个过程中，我能够深深体会到老师的细致、负责，对待问题的严谨，每一个批注都都非常仔细，哪怕是一个句式错误，钱老师都会指导的清清楚楚。正是由于钱老师的帮助，使得我在毕业设计期间收获巨大，也使我改变了对待事情的态度，让我受益终身。 通过这次长达数月的毕业设计，不仅仅使我所学知识得到了全面的应用，也让我在发现自身不足的同时对设计和仿真分析等相关方面产生了浓厚的兴趣。我希望在今后的工作学习中，我能够始终坚持这份热忱，对我的每一个设计认真负责。 最后，我想再一次感谢我的指导老师，钱志辉老师。他教会了我很多，严谨认真的工作态度、积极解决问题的工作作风、废寝忘食的工作热情，这些都是我需要学习的可贵品质。另外，我要感谢所有在毕业设计期间帮助和陪伴过我的同学，真心的谢谢你们。 38 吉林大学学士学位毕业论文 参考文献 [1]倪小兵, 人工款关机设计现状与展望[J], 生物骨科材料与临床研究, 2004,1 (2),55 [2]王野平, 沈继飞. 带滚动体的新型人工髋关节的设计[J], 中国医疗器械, 1994,18(2),68-71 [3]闫玉华, 人工关节的研究现状和发展趋势[J],生物骨科材料与临床研 究,2004,6(4),39—43 [4]Semlitsch M,et al.Arch Orthop Traums,Surg[J],1995,114(6),61—67 [5]Anthony PP et al,J Bone Joint Surg[J],1990,72(6),971—979 [6]Mulrog WF et al.J Bone Joint Surg[J],1995,77(12),1845—1852 [7]Oishi Cs et al.J Bone Joint Srug[J],1994,76(8),1130—1136 [8]Hammond BT,Charnley J.The sphericity of the femoral head [J]. 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