基于有限元方法的人工脊椎假体建模及优化的研究与实现

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近年来,脊椎疾病呈现出高发性和低龄化的趋势。随着腰椎损伤发病率的增加,以及腰椎畸形、大面积骨折、肿瘤等严重疾患的增多,假体置换术已经成为这类疾病终末治疗的有效手段。虽然术后能够缓解患者症状,保留机体的生理运动,但在长期疗程中关于沉降、移位、松动等术后并发症仍有较高的发病率。因此,研究假体置换术后腰椎存在的力学问题,发现脊椎假体结构缺陷并进行优化具有重要的现实意义。鉴于此,本文建立置换术后腰椎力学模型,利用有限元方法模拟人体生理活动下腰椎受力形态,并根据实验结果提出脊椎假体仿生优化设计方案。主要研究工作如下:1.利用现有计算机可视化和三维重建技术,根据CT和MRI数据,并结合Mimics及Simpleware图像处理软件建立正常人体腰椎L3-L4节段实体模型,包括上下椎体、椎间盘和部分连接韧带。通过对传统脊椎假体的研究,结合脊椎假体设计理论建立假体模型,并在正常模型的基础上模拟切除患骨,将脊椎假体植入模型缺损处,建立置换术后腰椎模型。2.在构建模型的基础上进行材料属性设置、网格划分、表面连接关系定义等操作,并在有限元分析软件ANSYS中完成载荷和边界条件的加载,模拟两种模型在真实人体中不同生理活动下的受力情况,获得相应的应力应变云图。通过对比两种模型在相同外力下的应力应变分布,进一步分析导致置换术后期出现并发症的机械因素,为假体优化提供一定的参考依据。3.针对假体结构缺陷,并参照正常人体松质骨结构,提出假体仿生微孔结构优化方案。接着采用有限元方法检验微孔钛合金材料的力学性能,并在理论上模拟优化假体置换术后腰椎受力情况。结果显示,本文设计的微孔钛合金材料可满足自然骨组织的力学强度,对比分析可知优化后假体应力减小且分布更加均匀,增加了系统稳定性,这为指导脊椎假体的进一步改进提供了理论依据。
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