MATLAB环境下股骨生物力学建模及有限元仿真的实现

摘要

髋关节置换术是一种常见的治疗严重髋部病变的骨科手术。目前，随着髋关节疾病的增加，全世界每年都有超过50万例的髋关节置换手术，而且患病人数还在不断增加。长期的临床试验表明，髋关节置换手术与股骨应力分布的改变密切相关。因此，准确获知股骨生物力学特性有助于临床上更好的治疗骨科疾病。
　　本文利用CT图像，基于有限元法和弹塑性理论建立能够体现股骨非均匀分布、各向异性的股骨生物力学胞元理论模型和股骨生物力学力学实验模型，并在MATLAB软件中实现对模型的有限元分析。通过对两种模型有限元分析结果的比较，探讨股骨生物力学胞元理论模型代替股骨生物力学力学实验模型的可行性，并同时将模型的有限元分析结果与实验数据作对比，验证模型的有效性。
　　有限元法和CT图像在股骨生物力学建模中的应用实现了股骨力学模型个体化、精确化的建立。同时，在MATLAB软件下研发有限元分析程序也是前所未有的，这对股骨生物力学建模的研究提出了一条新思路和新方法。
　　本文的研究，使医生可以更加具体的了解患者的股骨应力应变分布情况，有针对性的对患者进行术前手术方案制定和术后康复训练等。同时，在MATLAB上实现对股骨生物力学模型的有限元分析，摆脱了以往必须通过力学实验获取骨骼力学参数的束缚。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究目的和意义

1．3 股骨有限元法生物力学研究现状

1．4 课题来源与研究内容

第2章 股骨生物力学建模

2．1 股骨生物力学建模方案

2．2 股骨表观密度非均匀分布模型

2．2．1 表观密度计算模型

2．2．2 表观密度的非均匀分布

2．3 股骨各向异性力学模型

2．3．1 股骨有限元网格单元各向异性力学模型

2．3．2 股骨有限元网格单元各向异性力学模型力学参数

2．3．3 股骨弹性模量与表观密度关系的胞元理论模型

2．3．4 股骨弹性模量与表观密度关系的力学实验模型

2．4 本章小结

第3章 股骨有限元分析模型的建立

3．1 股骨几何模型

3．1．1 股骨图像分割

3．1．2 股骨三维重建

3．2 股骨网格划分

3．3 股骨弹性模量赋值

3．3．1 股骨生物力学胞元理论模型

3．3．2 股骨生物力学力学实验模型

3．4 本章小结

第4章 MATLAB环境下股骨有限元分析

4．1 MATLAB仿真环境

4．1．1 接口及参数设置

4．1．2 MATLAB仿真步骤

4．2 MATLAB环境下股骨有限元仿真

4．2．1 股骨有限元分析模型导入

4．2．2 外载荷和约束的设定

4．2．3 有限元分析结果

4．2．4 股骨有限元分析结果与实验结果对比

4．2．5 结果分析

4．3 股骨生物力学模型实验验证方案简介

4．3．1 实验材料及设备

4．3．2 实验方法

4．4 生物力学模型实验验证方案的改进

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢