喉环状软骨的生物力学数值模拟与实验研究

摘要

人的呼吸和发音离不开喉组织内部的环状软骨、甲状软骨及关节。每年喉癌、喉挫伤的患者大约有136000例,但是医疗设备及条件的局限性,对于患者往往实施喉头切除术,再植入人工喉假肢。在喉头切除术中,喉组织内部的一些正常软骨组织也会被切除,这种大面积切除往往会造成患者的二次创伤,人体也对喉假肢产生免疫排斥。然而组织工程的出现,增材制造的研究逐渐深入,在生物医学工程领域探索出一个新的组织器官移植修复方法,即利用增材制造制备支架代替缺损组织。
　　本文首先利用三维重建软件MIMICS将CT扫描正常人的颈部图像数据进行预处理,反求出完整相连的环状软骨、甲状软骨以及关节的组织模型。然后对这个组织模型分离和光滑处理,获取高精度的环状软骨和甲状软骨三维模型,并设计重建环甲关节组织模型,由整体到局部完成两个软骨和关节的建模,提高建模效率和精度。
　　对于环状软骨模型力学研究,模拟环状软骨在临床手术中的受力情况。固定环状软骨弓下端,沿环状软骨板方向对环状软骨施加垂直向下的载荷,最终得出环状软骨风险骨折范围和非均质制造数据。对于甲状软骨力学研究,分别模拟其在外界撞击事故和声带张力调节下的受力情况,得出甲状软骨容易骨折部位,验证了聚氨酯材料的力学特性是可以满足软骨支架的要求。
　　针对支架制备中出现的一些问题,本文还对MEM-300-II型高温沉积制造设备进行性能的调试优化。对于制备出松散的失败支架问题,通过分层控制处理方法来解决。对推杆送料机构进行了调试,并改进调试中发现的问题,从而稳定精确的实现送料均匀。然后对于喷头温度波动造成的喷嘴堵塞和聚氨酯浆料烧焦问题,进行分析和解决。针对喷头扫描的线宽太细甚至拉断等问题,通过反复试验,得出送料速度和喷头扫描速度的对应关系,保证扫描的线宽均匀。在支架制备过程中,稳定的送料和出丝是支架制备的重要基础,层层堆积中材料粘连性是支架制备的关键因素。
　　最后本文利用快速成型工艺,将重建出来的环状软骨模型导入MEM-300-II型设备制备环状软骨支架,并研究分析了支架和设备的不足和需要更加完善的地方,便于后续相关研究。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 组织工程简介

1.3 RP技术

1.4国内外现状

1.5 本文的主要研究内容及意义

第2章 环状软骨和甲状软骨的建模研究

2.1 环状软骨和环甲软骨的结构

2.2 CT成像原理

2.3软骨的三维重建

2.4 本章小结

第3章 环状软骨模型有限元分析

3.1 有限元分析流程

3.2 ANSYS软件力学研究原理

3.3 环状软骨有限元模型的建立

3.4 材料和载荷设定

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

第4章 甲状软骨的力学研究

4.1 引言

4.2 甲状软骨有限元模型的建立

4.3甲状软骨板的力学分析

4.4环甲关节面的受力分析

4.5 本章小结

第5章 MEM原理和设备调试

5.1 引言

5.2 MEM工艺原理

5.3 模型分层处理

5.4 MEM设备的调试

5.5 本章小结

第6章 支架制备及优化设想

6.1 引言

6.2 环状软骨支架制备

6.3支架和设备的优化设想

6.4 结果及讨论

第7章 总结与展望

致谢

参考文献

附录