疲劳损伤对松质骨结构影响的数值模拟研究

摘要

在日常载荷作用下，骨组织内会产生疲劳损伤，而这些损伤被认为是诱发骨重建的重要力学激励之一。本课题的目标是建立一种将应变调节和损伤诱导相结合的骨重建算法，并应用计算机模拟来研究松质骨及椎体结构的形态变化。
　　 在研究中建立了一种新的骨重建算法。根据骨质内的损伤程度，此算法被分为两部分：当损伤率低于阈值时，采用应变调节程序；当损伤率高于阈值时，采用损伤诱导重建程序，此部分基于基本多细胞单位(BMUs)体现了随机性微观损伤的发生及修复的生物学特征。而后，我们将此算法与有限元法相结合，应用于二维松质骨结构和椎体冠状面的模拟。
　　 模拟结果显示，松质骨结构因骨小梁丢失而变脆，并随年龄的增长而呈现各向异性。模拟过程中，垂直方向的骨小梁得到维持，但水平方向骨小梁丢失较为严重。垂直方向弹性模量基本维持不变但是水平方向弹性模量逐渐减小，由此说明松质骨结构的弹性模量与松质骨的完整性密切相关，此计算结果同临床观察相一致。
　　 本课题的研究结果说明，松质骨在老龄化过程中不可避免的会出现退行性变化，并且其各向异性结构使得骨能适应压载荷而不是拉载荷。此骨重建模拟能够帮助我们了解更多的骨质丢失机理，以优化改良骨质疏松症和应力骨折的防治方案，并且为研究疲劳损伤对松质骨及椎骨形态的影响提供了一种定量数值途径。

目录

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第一章 绪 论

1.1 国内外研究现状

1.1.1 骨重建控制方程的非线性化

1.1.2 分开描述破骨细胞和成骨细胞行为的理论模型

1.1.3 疲劳损伤修复理论研究的深入

1.1.4 关于有限元法计算结果不连续性的不同解决方案

1.2 当前存在的问题

第二章 建模所需的骨生理学基础

2.1 皮质骨和松质骨

2.2 骨重建的“力学调控系统”

2.2.1 骨力学调控器假说

2.2.2 骨力学阈值假说

2.2.3 骨力学感应机制

2.2.4 骨力学效应机制

2.3 骨的疲劳损伤和修复

2.3.1 骨内疲劳损伤

2.3.2 疲劳损伤的骨重建修复

第三章 计算方法及模型建立

3.1 带有损伤修复机制的骨重建算法

3.2 基于ANSYS的骨重建程序开发

3.2.1 二维均质方板模型

3.2.2 二维椎体冠状面模型

第四章 计算结果分析与讨论

4.1 二维均质方板模型的模拟结果与讨论

4.1.1 方案A中松质骨结构的变化

4.1.2 方案B中松质骨结构的变化

4.1.3 关于二维均质方板模型的讨论

4.2 二维椎体冠状面模型的模拟结果与讨论

4.2.1 椎体冠状面微观形态结构变化

4.2.2 关于椎体冠状面模型的讨论

第五章 总结与展望

5.1 总 结

5.2 展 望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢