人工髋关节UHMWPE磨粒形态研究

摘要

人工髋关节配副在长期的使用过程中，由于关节配副相互摩擦不断产生的各种磨屑，特别是UHMWPE磨屑而引发的无菌松动是导致关节置换失效的主要原因。并且有研究显示磨粒的成分、数量、形状、尺寸以及理化性质对细胞的吞噬作用有很大影响。因此对假体配副磨损机理、磨粒特性等方面的研究已成为了当今生物摩擦学研究的重要方向之一。 磨损颗粒是关节偶副微观磨损状况的重要信息载体，反映和代表了置换关节不同的磨损形式和机理。然而，关于人工关节在磨损过程中产生的典型磨粒，这些典型磨粒的形态特性与磨损状态、磨损机理之间的相互联系并没有形成一个成熟的体系。因此，本文从研究UHMWPE磨粒入手，探求磨粒分类方法、获取特定磨损状态下典型磨粒以及其形态特征。 对人工髋关节UHMWPE磨粒谱片进行了分析，提取了面积、长度、宽度、周长、磨粒长轴长度、短轴长度、平均直径、最大直径、最小直径、等效面积圆直径等19个二维形态参数，对磨粒形态特征进行了描述。运用主成分分析方法、模糊C均值聚类方法以及Xie—Beni聚类有效性评价指标对人工髋关节UHMWPE磨粒进行了分类方法的研究。 以人工髋关节模拟试验获取的关节正常磨损阶段的磨粒图片为研究对象，对四个滑液样本中的UHMWPE磨粒分别进行了形态特征及分类研究，归纳并总结出在正常磨损阶段主要有片状磨粒、针状磨粒、纤维磨粒、粒状磨粒以及杆状磨粒这五种典型磨粒。并且根据各典型磨粒的形貌特征及尺寸范围初步分析了各类磨粒的生成机理。同时，还分析了来自于四个进行过临床翻修手术的病人组织样本中的磨粒图片，对UHMWPE磨粒进行了形态特征及分类研究，归纳并总结出在过度磨损阶段主要有片状磨粒、纤维磨粒以及粒状磨粒这三种典型磨粒。还根据各典型磨粒的形貌特征及尺寸范围，初步分析了各类磨粒的生成机理。 对模拟试验机产生的磨粒和临床病人组织中的磨粒尺寸分布进行对比分析。结果显示，在滑液样本中磨粒长度小于0.1μm的磨粒聚集频率最高，而在组织样本中的情况则不然。分析认为，髋关节在人体内长期的使用过程中，由于细胞吞噬作用而把磨损产生的大量纳米级的小磨粒吞噬了，因此在临床组织中存在的小磨粒明显比模拟实验机产生的小磨粒少很多。但是在组织样本中磨粒面积大于1.0μ㎡的磨粒聚集频率却比滑液样本中高很多。说明在人工髋关节的磨损过程中过度磨损阶段产生的磨粒其尺寸普遍比正常磨损阶段的磨粒大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪 论

1.1课题研究的目的和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1磨损研究方法

1.2.2人工髋关节UHMWPE磨粒特性研究

1.2.3髋关节磨损特性

1.3课题来源

1.4研究的主要内容

第2章 人工髋关节磨粒分析试验方法

2.1引言

2.2标准磨损试验机试验

2.3髋关节模拟试验机试验

2.4人工关节磨粒分析方法

2.4.1UHMWPE磨粒的收集与分离技术

2.4.2红外线光谱分析法

2.4.3扫描电镜分析法

2.4.4X射线能谱分析法

2.4.5激光共焦扫描显微镜分析法

2.5本章小结

第3章 UHMWPE磨粒分类的模糊c均值聚类分析法

3.1主成分分析法概述

3.1.1主成分分析的概念

3.1.2主成分分析的基本思想

3.1.3主成分分析的数学模型

3.2模糊c均值聚类分析法(FCM)概述

3.2.1模糊c均值聚类算法的基本思想

3.2.2模糊c均值聚类算法过程

3.3 Xie-Beni聚类有效性评价指标基本概念

3.4人工髋关节UHMWPE磨粒分类的实现

3.4.1 UHMWPE磨粒形态特征参数的提取

3.4.2 UHMWPE磨粒参数的约减

3.4.3 UHMWPE磨粒的分类

3.4.4UHMWPE磨粒分类有效性评价

3.4.5人工髋关节UHMWPE磨粒形态特征

3.5本章小结

第4章 人工髋关节UHMWPE磨粒形态特征及分类

4.1模拟试验机产生的人工髋关节磨粒形态特征及分类

4.1.1试验材料、条件及方法

4.1.2模拟试验机各滑液样本中的磨粒形态特征及分类

4.1.3模拟试验机产生的人工髋关节磨粒尺寸分布及形态特征

4.2临床上各组织样本中的磨粒形态特征及分类

4.2.1髋关节配副材料及病人相关资料

4.2.2临床中的人工髋关节磨粒形态特征及分类

4.2.3临床中的人工髋关节磨粒形态特征、尺寸分布

4.3模拟试验与临床中产生的磨粒尺寸分布对比分析

4.4本章小结

第5章 结论与展望

5.1主要结论

5.2展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间发表的主要论文及参加的科研项目