前倾角改变对股骨头应力分布影响的三维有限元分析

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1、天津医科大学硕士学位论文前倾角改变对股骨头应力分布影响的三维有限元分析姓名：张清功申请学位级别：硕士专业：生物医学工程指导教师：田心20090501天津医科大学硕士学位论文中文摘要目的：针对股骨颈骨折患者手术后股骨颈前倾角改变导致股骨头坏死，本论文研究股骨颈骨折术后由于前倾角的改变对股骨头应力分布产生的影响，特别是研究造成股骨头坏死的应力升高，为预防骨坏死提供应力分析的支持。方法：(1)用16排CT对受试者全股骨进行扫描获取符合Dicom标准的断层图像二维数据，然后利用逆向工程方法并结合有限元分析软件ANSYS构建股骨三维有限元模型，并对模型进行力学性能的验证。(2)编写程序将

2、HIP98应力数据库中的应力由德国FreeUniversity所设定的实验坐标系转换到本论文的股骨坐标系。(3)计算股骨头与髋臼的接触区域的形状及面积。(4)测量受试者股骨颈前倾角，并以测得的角度为依据建立5组模型，前倾角分别为．10。、0。、10。、20。、30。。(5)在以上5种前倾角状态下，将从HIP98应力数据库提取并进行坐标转换的股骨受力加到股骨头与髋臼接触区域的所有节点上，然后计算股骨头的应力分布。(6)沿股骨头冠状位剖面定义三条路径，以股骨头表面中心为起始点，分别延伸至股骨颈内侧、股骨颈外侧及股骨颈中心区域，然后比较同一路径下不同前倾角模型对应节点应力的大小，来分

3、析前倾角改变对股骨头应力的影响。结果：(1)基于全股骨CT断层二维图像重建的三维表面模型，其几何外观与真实骨结构相符合。(2)将HIP98应力数据库中测得的股骨受力数据转换到本论文应用的股骨坐标系，作为有限元分析的外部载荷更符合股骨真实的受力环境。(3)测量受试者股骨颈前倾角正常状态为lO。。(4)在受试者单足站立位状态，5组模型(前倾角分别为．10。、0。、10。、20。、30。)股骨头内部应力分布趋势基本一致，对应5组模型的股骨头深层区域最大应力分别为2．4901Mpa，2．3483Mpa，2．1951Mpa，2．3484Mpa，2．4769Mpa，大于相应的浅表层的对应应

4、力：1．6763Mpa，1．5761Mpa，1．5075Mpa，1．5739Mpa，1．6756Mpa。(5)在股骨头靠近股骨颈内侧及股骨颈外侧的部分存在两个较高应力区域；当前倾角从10。增加到30。以及从10。减小为．10。时，沿路径相同节点的应力是逐渐增大的，且当前倾角为。10。及30。时，最大应力值最高，分别达到3．8907Mpa和3．8991Mpa。结论：应用股骨CT二维图像可有效重建股骨有限元模型；成功将应力数据库HIP98中的股骨受力数据坐标转换到本论文研究设定的股骨坐标系，并计算股骨头的应力分布：在5组前倾角．10。、O。、lO。、20。、30。下，当前倾角保持正

5、常态角度lO。时股骨头应力最小，前倾角的值越偏离这一角度，股骨头应力升高越明显。关键词：股骨颈骨折术后前倾角改变三维有限元分析股骨应力分布应力升高骨坏死天津医科大学硕+学位论文AbstractPurpose：Asforthenecrosiscausedbychangedfemoralneckanteversionafterneckfractureoperation，thispaperaimstostudyontheroleofthischangedanteversioninchangingthefemoralhead’Sstressdistribution，especially

6、theroleincausingincreasedstresslevel，to胛ovidesupportfortheheadnecrosis．Methods：(1)Usereverseengineeringmethods，combinedwiththeANSYSsoftwaretoreconstructthewholesetofthefemur’S2Dimagesscannedbythe16sliceCTtofemur3Dmodel．Thenverifyitsbiomechanicalcharacteristic．(2)Editprogramtotransformthedata

7、fromthelabcoordinatetothefemurcoordinate．(3)calculatethesizeofthebearingarea．(4)Measurethefemoralneckanteversion，thenreconstruct5modelswithdifferentanglesas-10，0，10，20，30degree．(5)Usetheforcegotfromhip98astheexternalloadtofinishtheFEanalysisofthese