基于流固耦合的受载骨内溶质输运的有限元研究

摘要

骨骼是人体的重要器官，具有重要的生理功能。与其他组织相同，骨组织处在一个动态三维环境，其内部的流体及溶质运输对维持组织功能及本体活性具有不可替代的作用。目前光脱色荧光恢复技术（FRAP）是研究骨内流体及溶质运输的主要手段，但由于光学成像技术的局限性，只能针对骨膜以下50μm区域进行观察分析。本文从流固耦合理论和有限元法出发，对成年鼠胫骨进行有限元仿真研究，并结合FRAP实验验证有限元法应用于骨内流体及溶质运输研究的可行性。本文研究的主要内容及结论包括：
　　(1)利用二维CT断层图像及Mimics软件平台，实现成年鼠胫骨的三维重建。在Hypermesh下对胫骨三维模型进行网格划分，三维重建后的网格模型与胫骨实物具有很高的相似度。
　　(2)建立成年鼠胫骨的两相-溶质模型，获得包括弹性模量、孔隙度、渗透率在内的成年鼠胫骨模型相关参数。利用FEBio生物有限元仿真软件，获得了不同溶质扩散率以及载荷刺激下的骨陷窝-骨小管系统(LCS)内溶质输运特性。论述了输运增强度的概念，讨论了扩散率以及载荷对于输运增强度的影响。
　　(3)结合成年鼠胫骨骨膜50μm以下区域的有限元分析及光脱色荧光恢复实验（FRAP）数据，讨论实验条件下载荷大小对于LCS系统内溶质输运现象的影响。比对同样载荷条件下两种方法得到的骨陷窝-骨小管系统内溶质输运增强度，验证生物有限元法在骨内流体以及溶质输运研究的可行性。
　　(4)利用有限元法，进一步研究骨内深层区域流场分布信息，得到了不同载荷强度下胫骨表面以及横断面的流体压力、流体流量、溶质流量分布;并进一步探讨，孔隙度增大对于骨内LCS系统流动性影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和研究意义

1．2 骨的结构和力学性质

1．2．1 骨的组成结构

1．2．2 骨的力学性质

1．2．3 骨内通路及流动性描述

1．3 LCS系统建模

1．3．1 系统、模型及模拟

1．3．2 LCS微观系统建模

1．3．3 LCS系统三仓模型

1．4 生物有限元法及其常用软件介绍

1．4．1 有限元方法

1．4．2 常用的几种有限元软件

1．5 本论文研究意义和主要内容

2 基于流固耦合的骨组织内流场分析原理介绍

2．1 骨组织内流场控制方程的建立

2．2 骨组织两相-溶质模型的边界条件

2．3 各参数场的求解及其分布

2．4 本章小结

3 基于CT图像的胫骨三维模型建立

3．1 CT逆向重构工程基本原理和流程

3．1．1 CT逆向重构工程基本原理

3．1．2 胫骨模型重建基本流程

3．2 CT图像处理以及成年鼠胫骨模型重建

3．2．1 成年鼠胫骨螺旋CT图像的获取及二维重建

3．2．2 三维实体重构

3．3 胫骨模型六面体网格建立及其质量优化

3．4 本章小结

4 受载骨内溶质输运速率的有限元研究

4．1 引言

4．2 胫骨材料模型建立

4．2．1 孔隙度的取值研究

4．2．2 成年鼠胫骨弹性模量取值研究

4．2．3 组织渗透率取值研究

4．3 受载胫骨的有限元分析

4．4 数据处理

4．5 本章小结

5 FRAP实验方法介绍及数据引用

5．1 实验原理介绍

5．2 实验材料和实验方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验方法

5．3 实验结果

5．4 实验结果讨论

5．5 本章小结

6 骨内LCS系统的流场有限元分析

6．1 骨内LCS系统的流场有限元分析

6．1．1 胫骨表面流场分布

6．1．2 胫骨横断面流场分布

6．2 孔隙度对LCS内流动性影响的有限元分析

6．3 本章小结

7 总结与展望

7．1 工作内容总结

7．2 研究工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况