髋关节置换术中的髋臼锉优化设计

摘要

髋关节是连接下肢和躯干动力链中重要的一环，结构必须完整，它承受的负荷不但包括静止时的体重，还包括行走、爬山、跑步和跳跃等运动时的负荷，因此髋关节在人体日常生活的正常活动中起着非常重要的作用。髋关节一旦发生病变就会使得髋关节软骨及软下骨的应力分布发生变化，而引起髋关节疼痛，甚至出现功能受限、丧失。随着我国人口老龄化趋势的加速，髋关节疾病发病率也急速上升。人工髋关节置换术由于具有创伤小、出血少、术后疼痛轻、恢复快、减少老年人病人长期卧床的并发症等优点，已经逐渐成为治疗髋部疾病的标准手术。人工髋关节置换手术过程时间长流程复杂，其中利用髋臼锉切削髋臼窝软骨及软骨下骨重建髋臼窝以达到和髋臼假体形状及尺寸相匹配关系到手术成败，然而这一关键手术步骤并未得到国内研究人员太多的关注，现有髋臼锉设计原理与机构缺乏文献报道，因而有必要研究髋臼锉切除对象——髋臼软骨及软骨下骨的力学性能和切削特征，并对现有髋臼锉的切削过程和髋臼锉设计进行研究，提出优化设计方案，为临床的手术提供理论基础和医疗器械选择提供依据，为医疗器械公司提供设计依据。　　（1）本文采用扫描电子显微镜进行了牛髋臼软骨和软骨下骨结构观察，发现髋臼软骨表层纤维和中下层纤维的生长方向不同，髋臼软骨表层纤维（厚度约为 0.2mm）是横向生长的，而髋臼软骨中下层纤维（厚度约为 1.4mm）则是竖向生长的，发现髋臼软骨和软骨下骨之间的分界线并不平整，在分界区域（厚度约为 0.2mm）软骨和软骨下骨相互交错，并且观察到了软骨下骨骨单元清晰的组成结构。髋臼软骨的这些特征与膝关节软骨类似。通过对牛髋臼软骨和软骨下骨进行力学性能实验，得到牛髋臼软骨在拉伸速率为 2mm/min、5mm/min、10mm/min 时，其抗拉模量和极限应力的平均值分别为 5.22±0.96MPa和 2.00 ± 0.54Mpa、4.87MPa ± 0.19MPa 和 1.18 ± 0.27MPa、2.67 ± 0.21MPa 和 0.73 ± 0.22MPa；牛髋臼软骨下骨在拉伸速率为 2mm/min、5mm/min、10mm/min时，其抗拉模量和极限应力分别为 418.16MPa 和 31.01Mpa、467.65MPa 和38.80MPa、583.89MPa和 46.47MPa。还对牛髋臼窝不同区域的软骨下骨进行了硬度测试，发现牛髋臼窝软骨下骨硬度最高区域的硬度平均值为 72.0HV，硬度最低区域的硬度平均值为 59.6HV。　　（2）通过对现在手术常用多孔髋臼锉的设计进行分析，确认多孔髋臼锉表面切削齿是沿球面螺旋线等螺旋线距离分布的，并给出了相应的方程，利用三维建模软件建立了直径为 50mm多孔髋臼锉的三维模型。通过高速摄影仪对多孔髋臼锉切削牛髋臼窝实验中多孔髋臼锉切削齿对髋臼软骨的切削过程进行分析，其切削过程可分成 4个阶段，分别为表面接触、挤压排出水分、切入软骨膜、切割软骨细胞间质，最后形成卷曲的条状连续切屑，随后根据切削方向与骨单元伸长方向之间的关系，对交错方向、平行方向和垂直方向等三种切削方式进行了介绍。然后，通过多孔髋臼锉切削木块实验，对不同直径（ 42mm到60mm）髋臼锉在不同转速（400r/min、600r/min、800r/min、1000r/min）、不同进给速度（12mm/min、24mm/min、36mm/min）下的切削力和切削力矩进行了分析，发现转速越高，切削力和切削力矩越小；进给速度越高，切削力和切削力矩越大；髋臼锉直径越大，切削力和切削力矩越大。为实际手术推荐合理转速 600r/min和进给速度 12mm/min，并建议在多孔髋臼锉切削完成后，利用相同直径的斜刃髋臼锉进行切削表面修整。　　（3）通过单切削齿正交切削实验建立了多孔髋臼锉切削力模型，还对现有多孔髋臼锉切削齿分布和齿形进行了优化设计，并利用金属 3D打印技术打印优化设计后的髋臼锉模型，利用优化设计的髋臼锉进行了切削蜡模实验，结果表明切削齿分布优化后的髋臼锉切削力矩平缓增加，切削齿形优化后的髋臼锉切削表面平整光滑。　　（4）利用Abaqus仿真软件对多孔髋臼锉切削齿切削软骨下骨进行仿真，建立了切削齿切削软骨下骨仿真模型，通过改变切削齿圆弧形拱口倾角，建立不同结构参数的切削齿模型进行切削仿真，探索了优化的切削齿结构参数，仿真结果表明当切削齿圆弧拱口倾角为 30度时，切削效果较好。

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摘 要

ABSTRACT

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CONTENTS

第一章 绪论

1.1研究背景与研究意义

1.1.1髋关节

1.1.2 髋关节置换及其手术器械

1.1.3科学问题与研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1髋臼窝软骨研究现状

1.2.2髋臼窝软骨下骨研究现状

1.2.3骨切削仿真和髋臼锉研究现状

1.3课题来源及主要研究内容

1.3.1课题来源

1.3.2研究内容

第二章 实验设备及测试方法

2.1 实验材料及刀具

2.1.1实验材料

2.1.2实验刀具

2.2 实验设备

1) 微机控制电子万能试验机

2.3测试方法

2.3.1 髋臼软骨及软骨下骨拉伸实验

2.3.2髋臼软骨压缩实验

2.3.3髋臼软骨下骨硬度测试实验

2.3.4髋臼锉切削髋臼软骨分析及髋臼锉切削力测试

2.4本章小结

第三章髋关节软骨及软骨下骨结构观察和力学性能测试

3.1髋关节软骨及软骨下骨的结构观察与分析

3.1.1切片样品制作

3.1.2 髋臼软骨及软骨下骨显微结构观察

3.2髋臼软骨力学性能实验

3.2.1单轴拉伸实验

3.2.2单轴压缩实验

3.3髋臼窝软骨下骨力学性能实验

3.3.1 单轴拉伸实验

3.3.2髋臼窝软骨下骨硬度测试实验

3.4 本章小结

第四章髋臼锉研究及其优化设计

4.1髋臼锉设计原理分析

4.1.1多孔髋臼锉切削齿几何参数分析

4.1.2多孔髋臼锉切削齿分布规律分析

4.2多孔髋臼锉切削实验

4.2.1 多孔髋臼锉切削牛髋臼软骨过程观察

4.2.2多孔髋臼锉切削力、力矩与切削温度

4.2.3多孔髋臼锉切削表面特征

4.2.4多孔髋臼锉切削力模型建立

4.3多孔髋臼锉优化设计

4.3.1多孔髋臼锉切削齿分布优化

4.3.2多孔髋臼锉切削齿齿形优化

4.4本章小结

第五章基于Abaqus软件的髋臼锉切削齿切削软骨下骨仿真

5.1 有限元方法及Abaqus软件介绍

5.1.1有限元方法

5.1.2 Abaqus软件介绍

5.2皮质骨特性

5.3皮质骨失效模式分析和本构方程

5.3.1皮质骨切削过程分析

5.3.2皮质骨的失效模式分析

5.3.3皮质骨本构方程

5.4皮质骨切削仿真

5.4.1 皮质骨模型和髋臼锉单切削齿模型的建立

5.4.2皮质骨和切削齿材料属性设置

5.4.3定义分析步和相互作用

5.4.4定义载荷和模型网格划分

5.4.5仿真结果分析

5.5本章小结

结论与展望

一、结论

二、展望

参考文献

攻读学位期间发表论专利及论文

学位论文独创性声明

学位论文版权使用授权声明

致 谢