基于有限元接触分析的髋骨臼移动术生物力学仿真研究

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髋关节在人体肌肉骨骼系统中发挥着重要的作用。但是在世界上许多人的髋关节遭受着学名为变形性髋关节症的一种疾病的折磨。通常髋关节症患者的髋骨臼覆盖面积比正常人要小,所以这种异常的髋骨臼往往需要通过一种髋骨臼移动手术的方法来进行治疗。无论是为了搞清髋关节症患者的发病机理还是为了提供髋骨臼移动手术的理论依据,都需要研究髋关节在正常步行过程中的应力分布。本论文,为了分析变形性髋关节症的力学行为,采用了非线性有限元接触计算方法来进行研究。我们首先利用计算机图像技术对一例患者的髋关节进行了三维建模。在建模的过程中我们利用X射线断层扫描技术取得的患者骨骼图像作为原始几何尺寸数据,并利用球面来近似关节面的软骨层表面。然后用四面体单元对几何模型进行了有限元单元分割,并根据调查研究的软骨层生理状态和骨骼的受力状态,对计算模型添加必要的边界条件,并用Marc软件进行求解计算。在计算过程中对于非线性有限元接触计算的一些必要控制参数做了试算和调整,最终得出手术前后髋关节软骨层的应力分布,在此基础上分析了日常生活中具体步行过程的应力集中的部位。通过对手术前后应力分布的对比,对髋骨臼移动术的临床效果做出了力学上的评价。根据髋关节应力分布和生理特性分析提出了骨空洞产生的主要原因,并且发现了在正常步行过程中病变软骨层应力始终集中在髋骨臼的前外侧,从而搞清了髋关节症患者的发病机理和恶化过程。
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