基于有限元仿真分析的膝关节假体手术定位研究

摘要

随着社会的发展以及生活水平的提高，人们对于自身的健康问题越来越重视。膝关节作为人体最重要、最复杂的关节之一，在日常生活中非常容易受到损伤。全膝关节置换术（Total knee arthroplasty, TKA）是治疗膝骨性关节炎的有效手段，已经得到了广泛地应用和发展。手术的治疗效果主要受到假体对位的影响，假体对位不良会导致聚乙烯衬垫过度磨损，从而引起假体的松动。因此，对人体膝关节生物力学性能以及TKA假体对位问题进行研究是很有必要的。
　　本研究从精确建模的角度出发，以人体膝关节为研究对象，采用多种影像采集技术与软件相结合的手段，建立了较为完整的人体膝关节和假体数值模型。同时，参考全膝置换手术过程，对膝关节数值模型进行虚拟截骨，建立TKA膝关节的数值模型。在参考国外有关文献与膝关节解剖学的基础上，确定正常人体膝关节和TKA膝关节的材料属性与边界条件，应用有限元数值仿真技术，进行受力分析，通过正交试验方法，优化假体的定位参数。分析结果表明，对于正常膝关节模型，模拟仿真结果与文献报道的实际结果非常接近，说明采用数值模拟方法可以应用于TKA膝关节模型；对于假体定位的研究，经过正交试验，得到股骨假体和胫骨假体的最佳定位，假体的表面应力显著降低。
　　本研究在建模过程中，将CT、MRI、反向工程技术采集的影像数据导入CAD软件进行处理，所建立的模型在解剖结构上更加贴近于实际情况，为有限元模拟的准确性提供了保障。
　　本研究在优化假体定位的过程中，分别优化了股骨与胫骨假体的定位。除了得到假体最优的定位参数之外，还比较了不同定位因素变化对结果影响的大小。对于股骨假体，内外平移量对结果的影响最大，其次是外旋角度，最后是外翻角度；对于胫骨假体，内外平移量对结果的影响最大，其次是外旋角度，再次是后倾角度，前后平移量的影响最小。这些研究结果对人体生物力学的研究以及TKA手术提供了参考价值及科学指导。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 人体膝关节介绍

1.2 骨性关节炎介绍

1.3 膝关节置换术概述

1.3 国内外研究现状

1.4 本研究目的、意义及内容

第二章 本研究基于的理论及工具

2.1 有限元法介绍

2.2 弹性力学的基本方程

2.3 正交试验的原理

2.3 使用软件的介绍

2.4 小结

第三章 人体膝关节几何建模

3.1 引言

3.2 膝关节几何建模

3.3 创建有限元模型

3.4 小结

第四章 正常人体膝关节的受力分析

4.1 引言

4.2 膝关节受力仿真分析

4.3 分析结果的讨论

4.4 小结

第五章 膝关节假体的定位优化

5.1 引言

5.2 TKA膝关节有限元模型的构建

5.3 边界条件的定义

5.4 正交试验安排

5.5 仿真结果及优化

5.6 小结

第6章 全文总结与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文