失重环境下骨重建数值模拟的理论与方法研究

摘要

骨骼组织在整个生命周期内是不断适应变化的，其结构和形态都受到力学因素的影响和调控。当周围的力学环境发生变化时，骨骼的组织成分、内部结构、弹性模量、密度等也会发生相应的变化，以便以最优的结构形式承载，适应新的环境，骨的这种自适应调整过程被称为骨重建。在空间失重环境中，由于作用于人体脊椎骨、腿骨等承重骨的压力骤减，同时随着肌肉的运动减少以及肌肉的萎缩导致肌肉力的降低，使得骨骼受到的力学刺激减弱，发生骨废用性重建，导致骨量丢失和骨力学性能的恶化，从而影响航天员的身体健康及作业能力。建立骨重建数值模拟模型，结合有限元方法对骨适应性重建过程进行数值仿真，能够模拟和预测骨骼密度与结构的变化。因此研究失重环境下的骨重建数值模拟具有重要的学术意义和应用价值。
　　本研究基于骨力学稳态理论，建立了骨重建数值模拟的数学模型，利用有限元分析软件 ANSYS进行程序的二次开发以实现骨重建的数值仿真。首先基于CT扫描数据建立了股骨近端的二维及三维有限元模型，并对提出的骨重建算法进行了验证和参数讨论；再对卧床实验中骨密度变化过程进行了模拟仿真，与实际45天-6°头低位卧床实验中测得的数据进行比较；最后对空间失重环境下的骨丢失重建过程及重新回到地球重力场后骨恢复过程进行数值模拟，并对失重环境下重建速率的时间相关性进行了探讨，还模拟了不同载荷刺激量的骨丢失过程，研究增加载荷对骨丢失现象的改善作用。
　　研究结果表明，本文提出设计的骨重建数学模型及数值仿真程序能有效地模拟因力学环境改变而引起的骨重建过程，并且采用等效应力作为重建力学激励时得到与真实CT数据最为相似的模拟结果。对卧床以及空间失重造成的骨丢失重建的模拟结果与实验数据及文献数据都非常吻合，且调整骨重建速率值可使模拟得骨密度变化趋势更符合实际骨重建过程。通过模拟增加不同程度的载荷刺激量对骨重建的影响，能够为宇航员长期空间飞行的骨丢失预防锻炼措施的制定提供验证方法和理论依据。

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第一章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2失重环境骨丢失研究的发展

1.3骨重建数值模拟力学模型综述

1.4骨重建数值模拟生理模型综述

1.5研究目的及内容

第二章 45天-6°头低位模拟失重卧床实验

2.1引言

2.2卧床实验方案

2.3卧床实验结果及分析

2.4本章小结

第三章 骨重建数值仿真程序与重建激励的研究

3.1引言

3.2骨重建控制方程

3.3骨重建流程与程序设计

3.4不同重建激励的骨重建数值模拟

3.5本章小结

第四章 三维股骨近端重建研究与卧床骨丢失模拟

4.1引言

4.2三维股骨近端几何模型

4.3三维股骨近端有限元模型

4.4三维股骨近端重建模拟

4.5卧床条件下骨重建数值模拟

4.6本章小结

第五章 空间失重环境下骨重建数值模拟

5.1引言

5.2失重骨丢失数值模拟

5.3载荷变化对骨重建的影响

5.4骨恢复重建模拟

5.5本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已录用的论文