膝关节生物力学模型的开发及其有限元分析

摘要

膝关节是人体最大最复杂也是最易损伤的关节之一。它由股骨远端，胫骨近端和髌骨组成，包括股胫关节和髌骨关节，同时附着在它们上的韧带，关节囊和半月板组成了关节的稳定结构。在日常生活中，膝关节是最易受累的关节，不仅要支撑着人体的重量，而且要做屈、伸、内收和外展及少许旋转等复杂的三维运动。作为人体最重要的关节之一，膝关节各部位接触情况的研究对于帮助人们了解关节的真实运动，分析各种动作中关节受力，发现关节损伤及关节退行性改变的机制，正确地指导膝关节各类伤病的康复，指导膝关节假体置换定位等都具有重要意义。
　　 在三维建模方面，本论文着重构建了基于医学图像进行组织器官的三维几何建模的整套流程，建立了包括股骨、胫骨、髌骨、半月板及关节软骨的三维几何模型。它们的外形特征与实际在体情况相符合，很好的表达了这些部位的解剖结构特点。
　　 在有限元分析方面，本论文使用ANSYS软件，对膝关节模型开展了一系列分析研究。归纳了膝关节应力、应变等参数的分布规律，并与骨科的临床知识相吻合，其中注意了把图像CT值转换为模型对应位置的材料特性值的方法，使得计算模型更接近真实情况。论文还模拟了人工置换膝关节平台假体后，半月板的受力情况，并与正常人体膝关节半月板受力进行比较，分析结果能对优化平台假体的设计及提高假体的使用寿命起到指导作用。

目录

文摘

英文文摘

学位论文的主要创新点

第一章 绪论

1.1 膝关节生物力学研究的意义

1.2 膝关节生物力学研究进展

1.2.1 研究背景

1.2.2 理论生物力学模型

1.2.3 实验测量

1.2.4 有限元生物力学模型

1.3 有限元法在膝关节生物力学中的应用

1.3.1 膝关节仿生关节囊研究

1.3.2 膝关节韧带生物力学分析

1.3.3 膝关节软骨生物力学分析

第二章 膝关节有限元分析基本原理及ANSYS简介

2.1 弹性力学基础理论

2.1.1 位移函数

2.1.2 应变矩阵和应力矩阵

2.2 有限无法中物体构形和运动的描述

2.3 有限元非线性分析之接触分析

2.3.1 有限元非线性分析的分类

2.3.2 接触分析

2.4 ANSYS软件简介

第三章 膝关节三维几何模型的建立

3.1 膝关节解剖结构

3.1.1 股骨远端的结构

3.1.2 胫骨平台的结构

3.1.3 关节囊和韧带的结构

3.1.4 半月板的结构

3.2 膝关节各组成部分生理功能

3.2.1 股骨和胫骨的生理功能

3.2.2 关节囊和韧带的生理功能

3.2.3 半月板的生理功能

3.3 基于CT图像三维几何重建优势

3.3.1 医学影像技术发展简介

3.3.2 基于CT图像建模的优点

3.4 膝关节三维几何模型的重建

3.4.1 软件介绍及研究环境

3.4.2 CT图像的导入及组织提取

3.4.3 膝关节三维几何模型重建及优化

3.4.4 膝关节完整三维几何模型及其简化

第四章 膝关节有限元模型的建立及分析

4.1 有限元分析方法流程

4.1.1 流程图

4.1.2 模型创建与读入

4.1.3 单元类型与材料属性的定义

4.1.4 网格划分

4.1.5 约束条件与载荷情况的定义

4.1.6 有限元分析计算过程

4.1.7 有限元分析的结果后处理

4.2 膝关节有限元模型的建立

4.2.1 有限元分析中的基本假设

4.2.2 膝关节三维几何模型的导入

4.2.3 膝关节单元类型与材料属性的定义

4.2.4 膝关节三维模型的网格划分

4.2.5 膝关节三维模型边界条件与载荷的设置

4.3 有限元计算结果及分析

4.3.1 正常人体膝关节模型计算结果及分析

4.3.2 人工膝关节平台假体模拟计算结果及分析

4.3.3 膝关节接触分析结果及讨论

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

在校期间论文发表情况

致谢