椎体结构及其生长过程模拟

摘要

目前,关于骨自优化,或称自适应的定量描述,只有线性的骨再造速率方程,用它与有限元相结合去预测骨结构,仅限于在实测骨的外部几何形状基础上,预测其内部组织结构.至于骨的外部几何形状的模拟预测未见报道.本文的目的是利用骨自优化理论完成椎体的外部几何形状、内部组织结构及生长过程的模拟.采用了一种新的高阶非线性骨再造速率方程与有限元相结合,引入工程拓扑优化思想,从不确定的外形出发进行模拟;并且实测了人第三腰椎椎体冠状面的外部几何形状及内部组织结构.预测的结果在外部几何形状和内部组织结构上与实测相一致.外形上老年期比年轻期椎体具有更向内凹的腰鼓形,小梁骨主要沿主应力即垂直方向排列,只不过,老年期更疏松.是否可以说,采用这种自优化方程与有限元相结合,引入拓扑优化思想,不但能模拟预测骨的外部几何形状和内部组织结构,而且可以模拟其生长过程.尤其值得强调的是实现了外部几何形状的模拟,只有这样才能得以实现生长过程的模拟预测.