植入假体后的股骨建模及有限元分析

目的:本研究建立股骨端髋关节置换有限元模型,并进行了静力学模拟计算,为寻求假体的个体化和假体加长、加粗等设计起到指导作用。方法:运用逆向工程与有限元的基本概念和理论,采用ANSYS V6.1对股骨进行静应力的计算。结果:通过完全适应髓腔假体和股骨的共同受力分析,发现股骨受力的主要部位在股骨距。结论:该模型符合国人的股骨上端生物力学特性,是一个较好的髋关节置换有限元模型,为进一步模拟翻修关节的临床实际奠定基础。     

股骨纵向受压时的应力分布特征分析

股骨是支撑人体的重要组成部分,其纵向受压是主要的外力作用形式.过大的荷载、意外的冲击、疲劳等可能造成股骨的断裂损伤,股骨颈开裂与折断是一种典型、高发的损伤形式,此时需要用人工假体代替损坏的部分股骨.为使假体与股骨结合性能接近于原股骨,必需研究掌握股骨的应力分布特征.股骨特别是两端因几何构造的复杂性,相应的应力情况也比较复杂.因受活体股骨及其实验技术的限制,有限元数值计算分析成为一种普遍采用的方法.但股骨上端部构造复杂、尺寸相对较小,往往缺乏可靠的计算结果,且股骨颈附近的有效测试数据相对较少.因此,需要进行全股骨纵向受压的应力分布特征特别是股骨颈附近应力特征的进一步研究.此外,假体植入后股骨的应力分布变化与假体的无菌性松动是一个切实的重要问题.论文基于股骨标本和假体植入鲜股骨纵向受压的多点应力测量结果,进行其有限元建模并计算分析.先基于股骨的CT扫描数据,利用MIMICS软件重建股骨的三维几何精确模型,再转入ANSYS软件划分单元,计算得到全股骨的应力分布结果,说明其分布特征及关键点的应力,并与实验结果比较说明结果的可靠性.然后,考虑股骨颈断裂损伤后的生物型金属假体植入情况,基于假体松动前的股骨实验结果,对于假体与股骨结合体计算分析其应力分布,说明假体植入对于股骨干应力分布的影响、及假体松动与应力遮挡现象.     

人工髋关节假体生物力学与生物摩擦学性能评价方法研究进展

人工髋关节假体性能评价关系到其在体内的服役情况，髋关节假体在体内承受的负荷、运动以及体液环境等非常复杂，在体外构建复杂环境用以研究在体内环境下关节假体的服役行为，有助于减少人工关节假体失效和提高患者满意度.本文中通过文献调研的方式，详细阐述了关于髋关节假体的相关评价标准和学者们的评价研究方法，指出了现有评价方法存在的局限性，并提出改善思路.对于关节假体所使用材料的评价，国内外相关机构制定了一系列标准程序，用以评估其力学和摩擦学特征，但对于多孔材料的性能评价仍需进一步研究.对于关节部件的性能评价已形成相关测试标准，但存在评价过于简化等问题，有部分评价方法还处于实验室研究阶段.对于关节假体生物力学性能和运动功能评价，均处于试验室研究阶段.其中，部分性能/功能评价研究较多，但研究中所采用的运动和加载条件与体内真实环境存在差异的问题仍需要进一步解决.建立系统性和层次性的髋关节假体评价体系，施加可近似等效在体服役的环境，平衡各影响因素之间的相互作用对骨科植入物的临床前评估发展具有重要的意义.     

摩擦热对髋关节假体服役寿命影响机制的研究进展

髋关节假体服役过程中会产生高于天然关节的摩擦热,引起假体与滑液温度上升进而改变髋关节假体的松动失效机制.研究摩擦热作用下假体摩擦特性、滑液润滑特性及相关细胞生物学特性,对提高假体体内使用寿命具有重要意义.本文中重点阐述摩擦热对髋关节假体服役寿命影响机制的研究进展,并对其发展趋势进行展望.     

陶瓷髋关节异响的研究进展和展望

分别从假体外科植入因素、假体设计因素和假体的摩擦振动因素3个方面,评述了近10年来国内外学者在陶瓷髋关节异响的产生机理及其影响因素等方面所做的研究工作和取得的进展。目前,在关节异响研究领域的主要进展是认识到髋关节植入假体的磨损和假体设计的缺陷会导致关节异响,但这些认识不能完全解释关节异响的物理现象。此外,一些学者已经注意到假体摩擦自激振动可能是关节异响的发生机理,但研究工作才刚起步。关节异响的发生机理尚不明确,许多问题还有待深入研究。为了更好地探究关节异响的发生机理,建议从摩擦自激振动与髋关节体内动力学交叉的角度来研究和分析关节异响。     

TKA术后一种假体周围骨折的力学原因分析

全膝关节置换(total knee arthroplasty, TKA)术后,股骨远端易发生由外侧下方至内侧上方的骨折。通过人体站立、屈膝、行走等工况的模拟,分析股骨远端塑性应变及应力的分布情况,揭示该种骨折发生的原因。股骨髁部位塑性应变在三种工况下均出现在髁间窝及假体边缘线附近。行走时,塑性应变主要出现在股骨髁外侧,向内侧上方扩展,与骨折线走向吻合,是引发股骨远端外侧下方至内侧上方骨折的重要原因。并且,股骨干外侧应力明显大于内侧,且大应力区集中的外侧靠近股骨髁部位,这是导致该种骨折发生的另一个重要原因。     

转向剂形成人工应力遮挡的实验研究及有限元分析

针对水力压裂过程中采用的人工应力遮挡控制缝高技术,通过室内物理模拟实验,在转向剂浓度一定的条件下考虑携带液与地层压差、渗流量、时间等因素,采用电测法对人工岩芯表面应变进行了测试;利用非线性有限元方法对裂缝尖端应力进行计算,研究了转向剂形成人工应力遮挡的作用效果。结果表明采用转向剂可以建立3~4MPa的人工应力遮档,对采用转向剂的压裂设计和施工参数提出了建议。     

维生素 E型人工膝关节在ISO标准步态与上楼梯运动下的磨损情况对比

为研究人工膝关节假体在ISO标准步态与上楼梯运动负载下的摩擦磨损情况,通过对日常活动频次及动力学和运动学的研究与分析,基于人工膝关节磨损试验机,以新型Vitamin E型人工膝关节为对象进行500万次标准步态磨损测试加200万次上楼梯运动磨损测试. 结果表明正常步态阶段的磨损率为4.34 mg/mc,上楼梯运动阶段的磨损率为5.95 mg/mc. 上楼梯运动相比标准步态对半月板衬垫的磨损量造成更大的影响,半月板衬垫表面形貌相较标准步态磨损后表面形貌也发生了显著变化,出现了条纹图案和局部凹陷,这种表面形貌结果更接近于临床半月板衬垫取出物的表面形貌,目前对于人工膝关节假体的标准磨损测试方式不够全面,需要进一步改进整个测试的方案才能更好地体现体外磨损测试的意义.      

国内全髋关节置换磨损测试及数值模拟研究进展

髋关节假体磨损及磨损颗粒所导致的无菌性松动是髋关节置换失败的重要原因. 本文作者对国内髋关节磨损研究时采用的运动学与力学曲线以及针对国人测绘的相应曲线进行了差异性分析,并对国内发表的全髋关节磨损体外模拟机测试试验及结果,数值模拟模型及结果进行了总结、对比和分析. 结果显示:1) 国人测绘的运动学与力学曲线不能直接用于全髋关节磨损评估的加载条件,国内关节力的测量方法仍有待进一步改进;2) 国内体外磨损测试的研究结论与国外发表的结论相似,但不同机构间的测试结果存在一定差异;3) 国内髋关节磨损仿真研究还处于起步阶段,仿真计算得到的磨损率普遍低于体外测试结果. 因此,建立基于国人行为力学的磨损评估标准、对磨损模型进行合理优化并采用有限元和骨肌多体动力学相耦合的分析方法对髋关节假体临床前磨损性能进行评估是未来的研究方向.      

PEEK颈椎融合器的拓扑优化设计

为了提高聚醚醚酮(polyether ether ketone, PEEK)材料颈椎椎间融合器的融合率,本研究利用有限元方法对其进行三维结构的拓扑优化设计。首先建立C3～C7节段的颈椎有限元模型并验证,然后创建C5～C6节段椎间融合器植入和前路钢板内固定的模型。将PEEK融合器设置为椭圆盘型和箱型两种初始设计域。先后进行单工况和多工况下融合器拓扑优化,并结合加权柔度优化。经过两次拓扑优化后,再对融合器的构型提取分析。研究结果表明：PEEK融合器的优化结构为环形,前方缺失,材料集中分布于后部及两侧;当体积分数分别为50%和30%时,融合器优化为多孔径和单一大孔径的形状,前者比后者增加了与终板的接触面积;优化后的融合器通过降低自身应力,增加了内部植骨块所受的应力。本研究通过加权柔度的方法构建的颈椎融合器优化模型,不受初始设计域变化的影响,且可以有效减少应力遮挡,增加植骨块的应力传导,将有助于促进融合。     

自适应步长约束的双脚MIMU行人导航系统误差修正方法

针对GPS信号遮挡严重的室内环境下基于微惯性测量单元(MIMU)的行人导航系统导航定位误差随时间不断累积的问题,研究利用行人运动学特性建立双脚间步长约束的导航误差修正算法。将两个MIMU分别固定在行人双脚上,通过步态特性分析和零速区间检测,构建了结合单脚零速修正与双脚间步长约束的误差修正模型;通过加速度计输出数据推算步长实现约束的自适应调节,提高行人步态发生变化时的误差修正效果。实际行走实验结果表明,步长变化情况下,利用所提出方法推算步长的误差率在5.8%以下,修正后双脚位置误差相比固定步长约束减小约46.43%,轨迹更加符合实际。     

小腿残肢与接受腔界面的摩擦行为分析及测试

利用断层扫描数据,图像处理和反求技术建立了骨骼、软组织以及假肢接受腔的三维有限元模型,分别施加Heel Strike、Foot Flat、Mid-Stance、Heel Off和Toe Off五个典型步态时相的载荷,计算残肢皮肤在一个步态周期内的应力、滑移量变化,确定最大临界参数;借助UMT-II多功能摩擦磨损试验机模拟残肢皮肤和接受腔摩擦界面,研究皮肤在步态周期临界参数下的摩擦行为变化.有限元结果表明:一个步态周期内五个典型时相,软组织表面最大正应力和剪切力均发生在髌韧带处,在Heel off步态时相,最大临界正应力为384.3 k Pa,剪应力为102.1 k Pa;随着正压力的减小,摩擦力减小,摩擦系数增大;当正应力下降到39.5 k Pa临界值时,接触面发生相对滑动,摩擦系数达到最大值.摩擦学试验结果表明:法向载荷分别为17 N和7 N时,残肢皮肤均处于黏着状态;皮肤弹性变形越大,黏着程度越大.     

具有中心孔的正交复合材料板在双轴载荷下的应力分析

本文研究了具有中心孔的正交复合材料板在双向载荷下的应力,建立了有限校核系数和双轴率以及之间板宽率的关系,并得到孔边的应力集中系数.这些结果对研究具有中心孔的正交复合材料板在双向载荷下的强度预测和应力分析具有重要的作用.     

Crowe IV型发育性髋关节发育不良在全髋关节置换术中横行截骨最佳位置的有限元分析

Crowe IV型髋关节发育不良（developmental dysplasia of the hip,DDH）的全髋关节置换术（total hip arthroplasty, THA）中,多数患者需要截骨保证复位,目前横行截骨是运用最广泛的术式,但截骨的最佳高度仍存在争议。本文通过建立Crowe IV型DDH患者的有限元模型,分析了在不同载荷下,不同截骨高度模型的应力分布与位移情况。结果表明：在多项指标下,小转子下0 cm的截骨高度均表现出了较优性能。在不影响假体安放和断端对合情况允许的情况下,推荐在手术中使用0 cm的截骨高度。     

考虑摆动腿动态的变长度柔性双足机器人步态切换控制研究

弹簧负载倒立摆模型是一种典型的双足行走模型,已经成为研究机器人类人行走的基础。本文在此模型的基础上进行了扩展,通过添加刚性躯干、脚质量及采用变长度伸缩腿,充分考虑了躯干及摆动腿动力学对机器人行走步态的影响。首先,利用欧拉–拉格朗日法推导了动力学方程。其次,设计了反馈线性化控制器来跟踪目标轨迹,以及调节摆动腿和躯干的姿态。第三,提出了步态切换策略,通过控制腿部长度和髋关节力矩来实现步态切换,从而改变平均行走速度。最后,通过计算机仿真验证了该方法的有效性。仿真结果表明：该控制策略能够有效地跟踪系统的期望轨迹及实现两种自然步态之间的切换,并形成稳定的极限环,实现机器人的稳定行走。     

四连杆膝关节假肢的动力学建模与分析

相比于单轴式膝关节,四连杆膝关节具有更好的仿生特性和运动安全性,因而在下肢假肢研究中得到广泛关注. 本研究以一款四连杆膝关节被动假肢为研究对象,主要关注足-地交互作用力以及膝关节单边接触力等强非线性因素对下肢假肢步态的影响. 为此,采用 Kelvin-Voigt 模型和库伦模型描述足-地接触力和摩擦力,并采用 Kelvin-Voigt 模型描述膝关节单边接触力,从而基于第一类拉格朗日方程建立假肢动力学模型. 本研究以步态实验测得的髋关节运动数据为模型的驱动信号,针对假肢的步态特征进行了数值分析. 计算结果显示,当膝关节液压阻尼器的刚度较小时,强非线性作用力会使假肢产生显著的亚谐波响应,进而导致步态周期失谐. 进一步研究发现,提胯行为能够避免步态周期失谐,这也为残疾人行走时的提胯等代偿行为提供了一种新的力学解释. 为了评价假肢步态与健康人实测步态的一致性,本研究进一步定义了步态相关系数并分析了膝关节液压阻尼器刚度、阻尼参数对相关系数的影响. 结果表明,通过合理的刚度、阻尼参数设计,两者步态的相关系数可达到 0.9 以上,这为四连杆膝关节被动假肢进一步优化提供了理论支撑.      

股骨形态及应力应变的三维有限元分析

建立了一个针对高危女性人群股骨结构的三维有限元模型,分析了运动荷载作用下此类股骨的应力和应变分布以及股骨破坏的可能部位.结果表明:运动荷载使股骨产生较大的横向位移和弯曲变形;股骨颈处的应力和应变最大,容易在股骨颈处以及大转子与股骨干的连接部位附近发生破坏.模拟结果为研制适用于此类人群的高性能人工股骨提供了参考.     

基于MEMS加速度传感器的步态识别

针对最小采集约束条件和经历长时间跨度下识别率低的问题,提出一种基于MEMS加速度传感器的步态识别算法。该算法以右髋部位置采集加速度信号构造多个高斯差分尺度空间,利用局部关键点生成稀疏表示的步态特征位置模板,并采用模板融合来有效转换稀疏性步态周期特征,最后利用最近邻算法和投票机制对步态特征进行识别。在公开的含175名测试者的步态加速度数据集上进行测试,实验结果显示识别率为98.67%和认证率为99.89%,并进一步研究了测试集和训练集样本数目对识别效果的影响,验证了特征提取的有效性和稳定性。     

DYNAMIC MODELING AND ANALYSIS OF THE LOWER LIMB PROSTHESIS WITH FOUR-BAR LINKAGE PROSTHETIC KNEE$^{\bf 1)}$

相比于单轴式膝关节,四连杆膝关节具有更好的仿生特性和运动安全性,因而在下肢假肢研究中得到广泛关注. 本研究以一款四连杆膝关节被动假肢为研究对象,主要关注足-地交互作用力以及膝关节单边接触力等强非线性因素对下肢假肢步态的影响. 为此,采用 Kelvin-Voigt 模型和库伦模型描述足-地接触力和摩擦力,并采用 Kelvin-Voigt 模型描述膝关节单边接触力,从而基于第一类拉格朗日方程建立假肢动力学模型. 本研究以步态实验测得的髋关节运动数据为模型的驱动信号,针对假肢的步态特征进行了数值分析. 计算结果显示,当膝关节液压阻尼器的刚度较小时,强非线性作用力会使假肢产生显著的亚谐波响应,进而导致步态周期失谐. 进一步研究发现,提胯行为能够避免步态周期失谐,这也为残疾人行走时的提胯等代偿行为提供了一种新的力学解释. 为了评价假肢步态与健康人实测步态的一致性,本研究进一步定义了步态相关系数并分析了膝关节液压阻尼器刚度、阻尼参数对相关系数的影响. 结果表明,通过合理的刚度、阻尼参数设计,两者步态的相关系数可达到 0.9 以上,这为四连杆膝关节被动假肢进一步优化提供了理论支撑.     

应变率及温度对FGH95粉末高温合金塑性变形性能影响的实验研究

在420℃～650℃的温度范围内,实验研究了FGH95粉末高温合金在应变率0．0001s^-1～0．01S^-1范围内的拉伸一断裂性能,分析了温度和应变率对该合金流动应力的影响,结果表明,应变率对杨氏模量、拉伸屈服强度和塑性模量的影响不是很大,随着应变速率的增大和温度的升高,合金的塑性流动应力有所提高,断裂强度和断裂韧性增强。并通过流动应力与应变、应变率和温度之间的函数关系,分别讨论了硬化指数咒、应变速率敏感系数m及应力相关系数K与温度ε和应变率;的函数关系。SEM断口分析表明FGH95合金是微缺陷敏感材料,在高温（420℃-650℃）应变率范围为10^-4s^-1～10^-1s^-1时的拉伸断裂都是韧性断裂。