仿生微孔髋关节假体结构建模技术研究

论文摘要

髋关节是人体最重要的关节之一,有着高度的灵活性,承载着人体大部分的体重。关节骨骼内部还存在着大量的精密微观孔隙结构,其合适的孔隙率、附着面积、连通性等特性为骨骼载荷的应力传递、细胞和组织的生长、营养和代谢的传输提供了优越的环境。髋关节的这种整体优异结构和局部微观特征一直以来都是人工髋关节仿生设计的热点,具有重要的研究和工程应用价值。因此,论文将对人工髋关节的仿生设计展开深入的研究。主要研究工作如下:（1）针对于自然骨骼内部结构复杂,存在大量孔隙的特征,本文提出了一种基于Voronoi图算法的微孔结构仿生设计方法。该方法首先研究了构造Voronoi图的种子点的生成算法;其次,研究了微孔结构的生成,利用拓扑拼接的方法构造微孔结构的表面网格;然后,通过曲面细分算法优化结构网格质量,边缘界面适形改观结构轮廓形状;最后扩展探讨了孔梁厚度在空间中的梯度分布实现方法以及微孔单元生成方法。该方法简化了微孔结构的设计流程,提升了结构设计的自由度。（2）针对Voronoi算法构建的微孔结构,以种子点数目、梯度系数以及孔梁厚度作为输入参数,研究了规则与非规则微孔结构的几何参数可控性和相关性能。研究结果表明,孔梁厚度对微孔结构的孔隙率影响最大,两者呈负相关;孔径的大小受种子点数影响最大,点数越多,孔径越小;连通性和多样性上非规则微孔结构明显要高于规则微孔结构;均匀性则是直接相关与孔隙的梯度系数;比表面积受影响于孔梁厚度,与种子点数目相关性不强。在性能上,规则微孔结构中,C1/2EC单元性能表现最佳;非规则微孔结构中,种子点数目、梯度系数和孔梁厚度对结构的渗透性以及模量分数都影响较大。（3）针对髋关节假体的建模设计及应用,提出了一种基于拓扑优化的微孔填充设计方案。微孔结构在设计上参考了病患的CT图片个性化特征,在孔隙分布和形态上一定程度上还原了原有的松质骨结构,具有较高的仿生性。用有限元分析的方法模拟假体植入人体后的应力遮挡效应,结果显示,优化填充设计的假体性能最佳。（4）基于VS2013开发平台,研发了一套参数化微孔建模的软件模块。缩减了微孔建模的设计流程,扩展了微孔建模的自由度。利用该软件模块设计出的微孔结构在仿生设计上达到预期要求,可以设计出类骨小梁的结构。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 引言

1.2 髋关节的生物解剖结构

1.3 人工髋关节的发展历程

1.4 仿生设计与人工髋关节

1.5 人工髋关节的整体形状仿生设计

1.5.1 基于诊断图像逆向设计

1.5.2 基于重建样本优化设计

1.6 人工髋关节的局部微结构仿生设计

1.6.1 规则微孔结构的设计

1.6.2 非规则微孔结构的设计

1.7 本文的研究背景和研究内容

1.7.1 研究背景

1.7.2 研究内容

第二章基于Voronoi图算法的微孔结构设计方法

2.1 引言

2.2 Voronoi图算法

2.3 可控的空间点阵生成方法

2.3.1 规则空间点阵

2.3.2 非规则空间点阵

2.4 微孔结构构建

2.4.1 微孔结构的拓扑拼接

2.4.2 微孔结构的网格优化

2.5 微孔结构的边缘界面的适形优化设计

2.6 孔梁厚度的可控设计

2.7 基于规则空间点阵的微孔单元设计

2.7.1 基于体心立方设计微孔单元

2.7.2 基于多面体胞元设计微孔单元

2.8 本章小结

第三章微孔结构的几何参数可控性分析及性能评价

3.1 引言

3.2 微孔结构的几何参数表征

3.2.1 孔隙率的表征

3.2.2 孔径的表征

3.2.3 孔隙连通性的表征

3.2.4 孔隙分布均匀性的表征

3.2.5 孔隙多样性的表征

3.2.6 孔隙比表面积的表征

3.3 种子点数目对微孔结构几何参数的影响

3.4 孔梁厚度对微孔结构几何参数的影响

3.5 梯度系数对微孔结构几何参数的影响

3.6 微孔结构的生物力学性能评估

3.6.1 规则微孔结构生物力学有限元分析

3.6.2 非规则微孔结构生物力学有限元分析

3.6.3 梯度微孔结构生物力学有限元分析

3.7 本章小结

第四章基于微孔填充的定制型假体设计与评估

4.1 引言

4.2 假体微孔结构设计

4.2.1 松质骨CT图片数据采集

4.2.2 松质骨CT图片的分析处理

4.2.3 松质骨孔隙特征参数统计分析

4.2.4 微孔结构逆向设计

4.3 定制型假体的逆向设计

4.3.1 样本股骨CT图片的获取

4.3.2 股骨柄假体几何结构的确定

4.3.3 股骨髓腔截面轮廓曲线生成

4.3.4 髋关节假体三维设计

4.4 股骨柄假体优化设计

4.5 微孔结构填充设计

4.6 假体的生物力学性能评估

4.6.1 应力遮挡效应

4.6.2 有限元分析实验评估

4.7 本章小结

第五章微孔建模软件开发及实现

5.1 概述

5.1.1 系统介绍

5.1.2 系统要求

5.2 软件基本框架

5.2.1 软件启动

5.2.2 模型栏管理

5.2.3 视图窗口管理

5.3 微孔结构的生成操作步骤

5.3.1 几何体/骨架线设计模式

5.3.2 导入点设计模式

5.3.3 网格细分优化

5.4 本章小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录1:4.2.4 节提及的数据

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈为

导师: 刘浩,张佳华

关键词: 仿生设计,人工髋关节,拓扑优化,应力遮挡

来源: 南京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 生物学,外科学,生物医学工程

单位: 南京航空航天大学

基金: 江苏省重点科技项目“多孔结构人工髋关节的精准图像处理和个性化设计技术研究”(SBE2016001255),江苏省自然科学基金(BK20161487)

分类号: Q811;R318.17

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.000724

总页数: 106

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