螺旋CT及CAD技术在人工关节定制设计中的应用研究

随着生物医用材料研制和医学的迅速发展，以及生活水平、医疗保健、康复水平的提高，人们对自身组织、器官及骨骼缺损的修复和置换方面的要求日益提高，尤其对人造骨骼和人工关节的需求越来越广泛。由于计算机断层成像技术CT（computed tomography）已经成为显示和研究人体内部结构非常有用的手段，将计算机辅助设计技术CAD（Computer aided design）和计算机辅助工程CAE（Computer aided Engineering）等相关技术应用于人造骨骼和内置假体的设计，不仅可以提高产品的设计质量，同时，结合CT和计算机三维重建方法，     

一种股骨头假体个性化设计方法研究

为解决人工髋关节置换手术后假体无菌松动等并发症,适应假体个性化快速设计和制造的需求,对假体设计方法进行研究.采用医用CT技术、计算机辅助设计和有限元计算分析相结合的方法,依据患者股骨髓腔解剖形状和置换要求设计髋关节假体;用有限元软件ANSYS建立股骨的三维有限元模型,并自主开发计算机程序计算得到股骨的材料参数,在股骨有限元模型中实现股骨材料的非均匀及各向异性描述;用计算机仿真植入了定制髋假体的股骨--假体系统后的接触问题;分析对比股骨在术前术后的应力、应变大小及分布,检验假体设计的合理性;定量地确定股骨在手术后所产生的应力遮挡效应的程度,研究结果表明这种假体设计和分析方法更为合理、可靠,为优化设计假体和评估假体植入后的长期稳定性提供了基本方法.     

点接触锁定接骨板固定股骨干骨折的三维有限元分析

目的 探讨点接触锁定接骨板固定股骨干横行骨折的生物力学性能.方法 通过CT扫描和软件建立股骨三维模型,采用计算机辅助技术设计出点接触锁定接骨板的三维模型.模型装配后,采用ANSYS软件分析在四点前后弯曲、轴向压缩和扭转三种不同受力情况下,股骨和点接触锁定接骨板的应力分布情况.结果 (1)系统在四点前后弯曲条件下,股骨各个螺孔处无明显应力集中现象,接骨板应力集中于边缘.(2)系统在轴向压力作用下,股骨螺孔处的最大应力集中于最远端螺孔处,接骨板应力集中于中间两个螺孔处.(3)系统在扭转载荷下,股骨干两端螺孔处受力较大,接骨板应力集中于中部及中间两个螺孔处.结论 在四点前后弯曲、轴向压缩和扭转三种载荷下,接骨板上应力集中于板边缘或者中间,而股骨的应力都集中在骨折位点最近的两个螺孔或最远的两个螺孔处.     

新型无柄股骨假体应力分布的有限元分析

目的　通过对比传统有柄股骨假体的应力分布来研究新型无柄股骨假体的生物力学性能。方法　利用真实人体股骨上端的CT扫描图像，建立完整股骨、两个或三个固定螺钉的无柄假体、传统有柄假体的三维有限元模型。模拟人单腿直立的载荷情况，分析和比较每种模型的Von Mises应力分布。结果　(l)无柄假体股骨上的Von Mises应力比传统有柄假体和完整股骨上的都要高；(2)与传统有柄假体相比，防止了应力遮挡效应的产生。(3)两个或三个固定螺钉的无柄假体在股骨的Von Mises应力分布上没有明显差别。结论　新型无柄假体可以防止应力遮挡效应，和传统有柄假体相比能够使股骨上的应力分布更加符合实际的生理情况。     

基于ANSYS的股骨自适应再造仿真研究

阐述了股骨的自适应再造理论和自适应数值仿真方法。在对股骨的自适应仿真研究中，将股骨的材料看作是具有弹性的连续介质的正交各向异性特性，给出了股骨以应变能密度SED为反馈控制参数的带有死区的非线性的自适应再造数学模型。利用ANSYS平台提供的参数设计语言APDL编写程序实现了股骨再造自适应仿真，仿真结果与临床报道十分接近，说明了仿真数学模型的正确性。     

股骨在长期超载和失载情况下的自适应数值分析

研究了成熟股骨通过自适应再造自动更新，自动适应新的载荷的机理，建立了以应变为主参数的自适应再造的生物力学模型。对股骨在失载和超载情况下的骨量流失、骨再造进行了仿真。仿真表明，以均匀应变为目标的自适应，将使股骨外侧弹性模量变低、空隙率变大。同时表明以股骨实际的几何形状的仿真较简化的模型或取一个体单元的仿真更准确，由此表明建立完善的仿真模型对研究的结果的科学性具有重要影响。     

有限接触动力加压接骨板固定股骨干骨折的三维有限元分析

目的探讨有限接触动力加压接骨板固定股骨干横行骨折的生物力学性能,为将来的临床应用提供科学依据。方法通过CT扫描获取股骨的空间结构信息,利用软件建立其三维实体模型,采用三维反求技术获得有限接触动力加压接骨板的三维模型。模型装配后,采用ANSYS软件模拟在“四点”前后弯曲、轴向压缩和扭转3种不同受力情况下,股骨和有限接触动力加压接骨板的应力分布情况。结果（1）系统在“四点”前后弯曲条件下,股骨螺孔处的最大应力集中于最远端螺孔处;而接骨板应力集中于边缘。（2）系统受到15Nm的扭转载荷时,股骨干骨折线两端螺孔应力分布较均匀,无明显应力集中现象;而接骨板应力集中于靠近骨折线的中间两个螺孔处。结论在“四点”前后弯曲、轴向压缩和扭转3种载荷下,接骨板上应力集中的区域位于板边缘或者中间,而股骨的应力都集中在骨折位点中问的螺孔或最远的两个螺孔处。