常见步态下人体股骨力学特性的数值模拟及其分布规律研究

摘要

进入21世纪以来，随着社会健康保障的进步、人民生活质量的提高和人类寿命的延长，老龄人口的骨质疏松、骨折等疾病越来越受到关注，其中，骨折的预防和加快骨折后的愈合是目前的棘手问题。骨骼作为一种有生命的材料，它的内部结构和外部形态除了受遗传和激素的影响外，还受作用于骨骼上的载荷的控制，合理的应力刺激有助于骨折愈合。为了有效认识股骨骨折和骨折愈合的机理，本文研究人体股骨的数值模拟方法，计算和分析在五种常见步态下股骨的力学特性及应力分布规律；探讨哪些动作步态能适当刺激骨组织生长，这样可以经常锻炼这些动作，提高骨组织强度。本文完成的研究工作与主要成果包括：
　　 1.建立了人体股骨的精确三维有限元模型。人体股骨这类复杂生物体，外形复杂、弯曲多变，难以用常规的方法建立有限元模型；骨组织具有非均匀的材料特性，且不同特性材料之间的分界面难以确定，以往采用近似的单一材料特性，或者简单分为松质骨和皮质骨，与实际情况相差太大，这些问题一直以来都是阻碍生物力学发展的因素之一。本文选取志愿者活体股骨进行CT断层数据扫描，利用逆向工程方法，建立了股骨实体的三维几何模型，进而导入有限元软件建立股骨的三维有限元模型；采用基于CT断层扫描数据图像的灰度值分布进行非均匀材料特性的离散赋值，模拟了骨组织真实的非均匀材料分布情况。因此，本文建立的股骨三维有限元模型能够准确模拟股骨生物体的真实形态和物态，做到了几何外形相似、单元划分合理、材料属性准确。
　　 2.模拟了五种常见步态下人体股骨的载荷工况。以日常生活中五种常见步态（步行、下蹲、单腿站立、前后弓步、左右弓步）为研究对象，模拟人体股骨所受到的关节力和肌肉力，得出股骨在这五种常见步态下的精确的载荷状态。以往的研究大都忽略肌肉力，只考虑关节力，或者施加假定的荷载，使得计算中施加的载荷不能反映股骨真实的受力状态。本文的方法是，通过三维动作捕捉系统，建立五种步态的动力学模型，使用LIFEMOD软件模拟计算股骨受到的关节力和肌肉力。这样得到的是综合关节、肌肉对骨骼作用的力学系统，模拟了真实的载荷环境。
　　 3.分析了16种工况下股骨的力学特性分布规律。以日常生活中五种步态为研究对象，选取五种步态的动作过程中的16个典型时刻，分别计算分析了这16种工况下股骨的力学特性和应力分布规律。分析结果表明：对于人体股骨来说，股骨颈处的压力骨小梁、张力骨小梁和股骨干内侧、外侧中下段是主要的承重结构，也是应力集中处，并且也是最容易发生破坏、断裂的部位。
　　 4.基于数值模拟结果提出了合理的健康锻炼步态。基于本文有限元数值模拟结果，提出合理有效的健康锻炼步态以有利于预防股骨骨质疏松和骨折。建议经常锻炼前后弓步和左右弓步步态，能有效刺激股骨的生长。这些研究为老年人锻炼身体提供了一定的理论基础，为防止骨质疏松、破坏、断裂提供了合理的科学依据。