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髋关节置换术中的髋臼锉优化设计

髋关节置换术中的髋臼锉优化设计

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作者：江文涛广东工业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：髋关节人工髋关节置换髋臼软骨软骨下骨髋臼锉切削齿切削仿真

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