前倾角改变对股骨头应力分布影响的三维有限元分析

摘要

目的：针对股骨颈骨折患者手术后股骨颈前倾角改变导致股骨头坏死，本论文研究股骨颈骨折术后由于前倾角的改变对股骨头应力分布产生的影响，特别是研究造成股骨头坏死的应力升高，为预防骨坏死提供应力分析的支持。 方法：（1）用16排CT对受试者全股骨进行扫描获取符合Dicom标准的断层图像二维数据，然后利用逆向工程方法并结合有限元分析软件ANSYS构建股骨三维有限元模型，并对模型进行力学性能的验证。（2）编写程序将HIP98应力数据库中的应力由德国Free University所设定的实验坐标系转换到本论文的股骨坐标系。（3）计算股骨头与髋臼的接触区域的形状及面积。（4）测量受试者股骨颈前倾角，并以测得的角度为依据建立5组模型，前倾角分别为-10°、0°、10°、20°、30°。（5）在以上5种前倾角状态下，将从HIP98应力数据库提取并进行坐标转换的股骨受力加到股骨头与髋臼接触区域的所有节点上，然后计算股骨头的应力分布。（6）沿股骨头冠状位剖面定义三条路径，以股骨头表面中心为起始点，分别延伸至股骨颈内侧、股骨颈外侧及股骨颈中心区域，然后比较同一路径下不同前倾角模型对应节点应力的大小，来分析前倾角改变对股骨头应力的影响。 结果：（1）基于全股骨CT断层二维图像重建的三维表面模型，其几何外观与真实骨结构相符合。（2）将HIP98应力数据库中测得的股骨受力数据转换到本论文应用的股骨坐标系，作为有限元分析的外部载荷更符合股骨真实的受力环境。（3）测量受试者股骨颈前倾角正常状态为10°。（4）在受试者单足站立位状态，5组模型（前倾角分别为-10°、0°、10°、20°、30°）股骨头内部应力分布趋势基本一致，对应5组模型的股骨头深层区域最大应力分别为2．4901 Mpa，2．3483Mpa，2．1951Mpa，2．3484Mpa，2．4769Mpa，大于相应的浅表层的对应应力：1．6763Mpa，1．5761Mpa，1．5075Mpa，1．5739Mpa，1．6756Mpa。（5）在股骨头靠近股骨颈内侧及股骨颈外侧的部分存在两个较高应力区域；当前倾角从10°增加到30°以及从10°减小为-10°时，沿路径相同节点的应力是逐渐增大的，且当前倾角为-10°及30°时，最大应力值最高，分别达到3．8907Mpa和3．8991Mpa。 结论：应用股骨CT二维图像可有效重建股骨有限元模型；成功将应力数据库HIP98中的股骨受力数据坐标转换到本论文研究设定的股骨坐标系，并计算股骨头的应力分布：在5组前倾角-10°、0v、10°、20°、30°下，当前倾角保持正常态角度10°时股骨头应力最小，前倾角的值越偏离这一角度，股骨头应力升高越明显。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前 言

1.1前倾角的定义及其临床意义

1.2股骨头解剖结构及力学特性

1.3股骨颈骨折术后的股骨头坏死

1.4有限元方法

1.5论文研究的主要内容及意义

第二章实验数据与研究方法

2.1数据采集

2.2本论文研究涉及的软件

2.2.1医学影像控制系统：Mimics

2.2.2用于有限元分析的ANSYS软件

2.2.3 HIP98应力数据库

2.3股骨结构的三维有限元模型重建

2.3.1股骨三维表面模型重建

2.3.2股骨三维表面模型优化

2.3.3股骨三维体网格模型的构建

2.3.4股骨三维体网格模型的材质划分

2.3.5股骨有限元模型力学性能的验证

2.4 HIP98应力数据库中股骨受力的坐标转换

2.5股骨头与髋臼接触区域的计算

2.6股骨颈前倾角的测量

2.7不同前倾角股骨有限元模型的建立

2.8不同前倾角度的股骨头应力分析

第三章研究结果

3.1股骨有限元体模型

3.2HIP98应力数据库中股骨受力数据经坐标转换后的值

3.3股骨头与髋臼接触区域的形状及面积

3.4受试者股骨颈前倾角

3.5五种前倾角下股骨有限元体模型的应力分析

3.5.1五组股骨有限元体模型

3.5.2五组模型的股骨头应力

第四章结论与讨论

4.1结论

4.2讨论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

综述 股骨头生物力学、解剖结构与坏死机制

致谢