人工髋关节置换术 - 图文

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。本文基于人体髋关节的医学图像、逆向工程技术、计算机辅助设计技术、有限元方法等，对定制型人工髋关节股骨及股骨头进行了三维的建模研究与理论分析。最终，通过分析比较，得到一种比较优良的人工髋关节的结构。

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；利用有限元软件分析模拟了临床手术后髋关节股骨头及股骨的结构力学特性。本文的研究结论在人工髋关节假体的设计和临床应用方面具有重要的现实意义和潜在应用价值。

关键词：人工髋关节 股骨头 结构力学 有限元 三维重建

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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

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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 本课题的主要研究内容 ........................... 6 1.4 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

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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 本文得出的结论 ................................. 36 5.2 研究展望 ....................................... 36 致 谢 ................................................. 37 参考文献 .............................................. 38

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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。

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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

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