赵文志[1]2004年在《活骨组织应力与重建适应实验及其生物模型研究》文中认为应力与生长是生物力学活的灵魂,功能性适应是生物力学普遍规律。应力与生长关系的研究主要包括两个方面:其中一个方面是从宏观上研究骨生长与重建对其应力环境的适应过程,以期建立一个恰当、准确、实用又能量化的“模型”,使其能够精确表达如何由于功能适应性而形成骨的各种内部组织。另一方面是从微观角度研究应力环境同细胞生长与活力的关系及其力学—生物学转导机制,以期从本质上阐明应力与生长关系的机制。 尽管对骨力学的研究已有上百年的历史,但至今还不能说它已形成一个成熟的分支。把力学原理引进生物体、生物组织与器官是一件非常困难的事,因为生物体的主要特点是有生命,有生命的活组织与无生命的工程材料的结构有根本的区别。 本文从生物力学角度出发,将计算机仿真技术、叁维图形重构、计算力学、参数识别反问题等理论、近代医学理论与动物实验相融合,发挥多学科交叉的优势,进行骨骼解剖结构和力学性能与正常功能相适应的研究,并建立活骨组织应力与重建适应生物模型。这种生物建型是在宏观尺度意义下进行的。 论文各章节主要工作概述如下: 第一章主要阐述了生物力学及骨力学的定义,简单介绍了生物力学和骨力学的发展简史、研究特点、研究意义和骨力学的研究方法。接着给出了骨骼生长与重建的基本概念和基本理论。回顾了应力与骨重建理论的发展进程。简要介绍了国内生物力学的发展状况。最后概述了论文的临床背景和研究意义。 第二章首先概述了骨的组织学和生理学,然后建立大鼠动物实验模型,进行3次实验研究,系统研究不同应力环境对大鼠股骨的宏观几何结构、解剖学、组织形态学、骨计量学、骨密度以及股骨生物力学性能的影响,并对应力环境对大鼠股骨生长与重建影响的机理进行了讨论。实验结果发现,活骨组织通过改变其自身的结构、形状、组织成分以及生物力学性能来适应环境。 第叁章建立大鼠胫骨骨折模型,从医学和生物力学多角度研究不同的受力状态对动物骨折愈合在组织水平和分子水平的影响;分别在组织学和力学细胞生物学水平探讨了应力与骨重建的机理。研究发现,应力环境影响可间充质细胞的增殖和分化,同时影响胞外基质分子的表达和巨噬细胞的迁入,并改变着参与骨折愈合的细胞间的相互作用。最后进行了长骨内开口效应对其力学性能和应力分布影响的有限元分析,所得结论为临床上骨科手术的实施提供有价值的参考。 第四章是本论文的重点内容。首先详细介绍了活骨组织应力与重建适应生物力学模型的发展现状,然后在动物实验基础上,运用反问题的理论与方法对骨生长与重建方程中的关键参数进行反演识别。再利用正演结合动物实验来验证和修订所建模型。从而得到能够正确反映大鼠骨骼随应力环境变化而进行骨重建的生物力学模型。最后进行大鼠股骨医学CT图像的叁维重建。为深入研究生物建模奠定基础。 第五章总结全文,并展望今后的研究方向和研究内容。 本文的研究工作是国家自然科学基金项目(基金号:10472025)、高等学校博士点专项基金项目(基金号2000014107)以及辽宁省科学技术基金项目(基金号:20032109)的一部分。 关键词:动物实验;骨组织:生长与重建;生物模型;反问题;应力环境;有限元方法:生物力学;骨折;CD68;BMP2; 注:本文作者是名临床骨科医生,虽然进入力学专业学习已有3年半的时间,但对于广博的力学知识而言,自己所掌握的可以说只是沧海一粟,九牛一毛,对力学专业的某些名词的理解尚不够深刻。本论文的参考资料有些来自医学、生物医学工程以及生物力学等领域的文献,其中引用的某些术语从纯力学的角度看可能不够准确,如:应力遮挡、应力保护、应力环境等。可见,将交叉学科领域里的名词和术语进行规范和标准化无疑也是我们面临的重要任务之一。希望我的工作能起到抛砖引玉的作用。
王西十, 王岷[2]2001年在《活骨组织应力与重建适应模型的研究现状与展望》文中指出“应力与生长是生物力学的活的灵魂”[1 ]。对于 2 1世纪生物力学的发展来说 ,生物活体组织的应力与生长关系是一个新的研究前沿。在这方面 ,骨的应力与生长 (或应力与重建 )关系的研究已有开端。我们将根据文献 ,对活骨组织的应力与重建适应模型的研究现状予以简单的评估与综述 ,并对活骨组织应力与重建适应模型的未来研究方向予以展望
刘海京[3]2003年在《下颌骨与颞下颌关节矫形应力与重建分析》文中进行了进一步梳理口腔矫形过程中会导致颞下颌关节产生与应力相关的关节综合症，并会引起关节内部骨组织和下颌骨的重建现象。为了明确这两种现象的形成机理，本文从下颌骨与颞关节系统生理学、解剖学和力学的知识出发，利用数值方法对系统的矫形过程进行了静力分析和重建过程的数值模拟。本文首先选择下颌发育健康的志愿者，对其下颌进行CT断面扫描，然后将扫描图象输入计算机，并对图片加以处理。然后，根据扫描图片中像素值与下颌实际几何尺寸之间的比例关系，利用图片中像素值确定了实际下颌的几何形状。结合牙合 学和解剖学基本原理，建立了下颌骨与颞下颌关节系统的叁维实体的几何模型。根据用颏兜矫治器矫正下颌发育异常和使用弓丝矫治器矫正牙齿发育异常两种矫形的加载方式，分别建立了对应的载荷模型；针对骨组织和关节盘等软组织的实验数据建立了组织材料的虎克介质模型。然后利用上述的模型，对这两种治疗过程进行静力学有限元分析。根据计算的结果，分析了髁状突表面的冠状和矢状方向应力场的分布，得到髁状突表面前部和内部承受拉伸应力，而外侧和后侧主要承受压应力的结论。另外计算发现下颌角、髁状突以及髁状突与喙突之间这叁个区域的应力较大；由此指出了矫形过程中应注意可能产生的矫形损伤问题。然后将von Mises等效应变作为骨组织重建刺激量，根据Cowin重建方程，以有限元方法为基础，对矫形过程中骨组织表面法向重建提出了可实施的数值算法。根据计算得到的数值结果，分析了重建对骨组织承受载荷能力的影响。得到了表面法向重建有利于降低骨组织的应变，利于改善骨组织的应变的全场分布的结论。最后，本文对Cowin重建方程加以拓展，并计入重建过程中的各向异性以及重建对组织刚度矩阵的影响。数值结果表明，重建过程中计入各向异性，与忽略各向异性的数值结果相比，在骨组织中得到较低的应变，在表面得到更有利的应变分布。所以得到计入各向异性的重建过程更有利于降低骨组织的应变和改善骨组织的应变的全场分布的结论。
张军[4]2007年在《人体鼻腔结构与功能自适应生物力学模型的基础性研究》文中研究指明鼻腔是肺与外界大气环境进行气体交换的主要通道，位于呼吸道的最前端，除承担呼吸功能外，还有调节吸入气体气量、温度、湿度、过滤清洁等作用，以满足下呼吸道粘膜的生理需求；同时又是防止呼吸系统疾病入侵人体的第一道防线。由于鼻腔结构异常造成鼻腔物理力学等环境的异常变化，影响到鼻腔正常功能的实现，为了恢复鼻腔正常功能，鼻腔组织能够随着这一环境激励变化，调整自身的几何结构形态，导致原鼻腔结构几何形态变化，这就是人体鼻腔结构与功能的自适应过程。经过数百万年的进化过程，正常的人体鼻腔与正常的通气功能之间已经形成了很好的互优化关系；但是，这种互动过程作用到病态结构的鼻腔则会加剧鼻腔结构的病变。许多临床医疗实践和研究工作已经证明：鼻腔结构几何形态的优劣与鼻腔能否保持正常功能以及鼻腔鼻窦的发病有着密切关系，然而对于鼻腔结构异常发展到功能异常继而发生疾病的过程，由于缺少生物模型以及与之对应的数值量化的计算模型，从而无法系统地细致了解和掌握这一过程，进而限制了对鼻科相关疾病的深入研究。随着信息技术的进步，计算机辅助设计和数值模拟成为与理论研究和物理实验并列的获取新知识、新发现的叁大手段之一，传统的医药学研究依赖于大量动物和人体实验的做法将在一定程度上由计算机数值实验所取代。本论文从生物力学的角度出发，将计算力学、平面图像叁维重构技术与人体实验相结合，以临床诊断为参考依据，医学CT图像为材料基础，计算机建模和数值分析为研究方法，通过对大量正常鼻腔的叁维重建和数值模拟，抽象出了正常鼻腔结构的标准形式，引入抛物线方程作为自适应过程的数学描述，这些研究内容均是为建立人体鼻腔结构与功能的自适应生物力学模型研究而进行的基础性工作。本课题研究来源于耳鼻咽喉科临床，其结果对于临床上疾病诊断、手术方案制定及术后疗效评估都具有一定的指导意义和实用价值。论文中各章节主要工作概述如下：第一章：介绍了本论文研究的意义和背景，阐述了生物力学及其分支鼻腔呼吸力学的定义，总结了鼻腔呼吸力学的研究内容和主要的研究方法，并对国内外学者在鼻腔呼吸力学方面研究的进展情况进行了综述。第二章：介绍了人体上呼吸道的解剖特征和主要生理功能，论述了医学CT图像模拟信号的数字化、基于有限元分析软件ANSYS的鼻腔模型叁维重构和流场数值模拟等本论文研究工作的技术手段、工具和方法。第叁章：本论文研究的基础性工作，基于医学CT图像，叁维重建了多例健康志愿者的鼻腔模型，利用ANSYS的FLOTRAN分析模块，对鼻腔气流流场进行数值模拟，总结该年龄段我国东北正常国人鼻腔几何形态与气流分布特征之间的关系，探讨对正常鼻腔鼻中隔数字量化的评判方法。第四章：凭借鼻声反射仪测试曲线上特征切迹与鼻腔典型解剖部位的对应关系，通过两者的对比，验证并修正了叁维重建鼻腔模型的几何结构与数值模拟的结果；对比研究了鼻中隔偏曲患者、OSAHS患者与正常人检测曲线的差别。第五章：为消除个体差异对鼻腔结构与功能自适应研究的影响，将叁维鼻腔模型抽象化，利用鼻腔典型结构的特征尺寸来描述鼻腔，在大样本鼻腔特征尺寸的统计基础上，提出了通过叁维的尺度变换建立了鼻腔模型的标准形式的方法，为形态各异的鼻腔能够在同一尺度平台上进行比较奠定基础。第六章：作为鼻腔自适应模型的先期研究，通过大鼠动物实验，系统探究了不同应力环境对大鼠股骨重建的影响，对经典的骨生长方程中未知参数进行识别，集成得到活骨应力与重建的生物力学模型，该研究为鼻腔自适应过程数学模式的提出，以及自适应模型的建立提供了有意义的借鉴。第七章：总结全文，并展望今后需继续完善的研究内容和研究方向。本研究工作是国家自然科学基金项目(人体鼻腔结构与功能自适应生物力学模型的研究，基金号：10472025；OSA人上气道阻塞平面识别的生物力学模型研究，基金号：10672036)和辽宁省自然科学基金项目(鼻腔多功能微型引流器研制与应用，基金号：20032109)的一部分。
陈秉智[5]2002年在《计算骨力学若干问题研究》文中提出生物力学是力学与生物学、生理学、医学等多种学科相互结合、相互渗透而形成的一门边缘交叉学科。它是解释生命及其活动的力学,它从生物个体、组织、器官到细胞和分子不同层次研究应力与运动、变形、流动及生长的关系。生物力学帮助我们了解生命,启发我们观察自然、设计和制造各种设备以改善我们的生活质量。近二十年来,生物力学的研究已经从无到有生长起来。目前,生物力学已成为各国学者研究的热点,已深入于医学,生物医学等工程的多个领域,尤其是一些新生的前沿领域,如组织工程、生物功能材料等。骨骼-肌肉力学是生物力学中最被临床医学所接受、认可的一个子领域。骨力学的研究在美欧已经进入骨科临床,而这恰恰是我国生物力学中比较零散、薄弱的一个方面。本文的工作是对计算骨力学的一个探索与尝试。论文以人体骨骼为研究目标,研究骨材料力学性能的计算方法、骨骼重建机理,并与临床医学相结合,对骨科内固定手术的固定件和连接部位进行力学分析,从力学的角度分析手术的质量,研究固定件形状、尺寸等参数对手术效果的影响。 本文分上、中、下叁篇。上篇建立了骨微观结构的单胞模型,用均匀化方法分别对密质骨和松质骨的材料力学性能进行预测,并研究探讨了反映骨微观结构的参数与骨力学性能之间的关系。中篇以基于参考应变能和参考应变理论、自适应优化的骨重建理论,以及基于感受细胞的自适应优化模型为基础建立了骨骼重建数值模拟方法,以骨骼材料在外界力学环境下得到的应变能和应变值作为刺激,研究了骨骼重建的规律。应用基于上述重建理论的数值计算模型,对二维和叁维股骨头模型、二维整体长骨模型进行了重建数值模拟;对简化为平面模型的第叁腰椎冠状面,模拟了年青期椎体和老年期椎体的外部几何形状和内部组织结构;模拟了四种类型的骨折愈合塑形行为。下篇则是生物力学与临床手术的结合,用计算力学的方法对骨折内固定手术及常见的内固定失效问题进行定性和定量的分析,为内固定临床手术提供必要的理论和计算依据。 上中下篇及其各章节的内容安排如下: 上篇的第一章首先简单介绍和回顾了测定骨骼弹性常数的实验方法,给出了各种实验方法下的骨组织弹性模量的值。接着回顾了松质骨和密质骨微观结构模型描述的发展历程,总结了前人在骨骼微观结构模型上的工作。进一步介绍了密质骨材料性质、松质骨材料性质与其相关参数之间的关系。最后概述了本篇的研究工作。 第二章详细描述了骨的结构和性质。骨的结构与性质是本篇研究的一个着手点,这里从骨的最基础的知识出发,阐述了骨的基本结构与性质。骨的结构涉及到骨的宏观结构-密质骨和松质骨,编织骨、板状骨和哈弗氏骨结构以及分子水平的骨。骨的性质包括哈弗氏系统、密质骨和松质骨的力学性质。本章的内容是对上篇以至整个论文的补充和完善。 第叁章详细介绍了复合材料宏观弹性常数计算的均匀化方法。均匀化理论是一种具
许金栋[6]2007年在《股骨—假体系统中不同物理参数假体对骨重建的影响分析》文中研究指明生物医学工程的迅速发展,带来了人类医疗技术的革命。而病变、事故等原因导致髋关节功能丧失,给患者带来了很大的不便。人工关节特别是人工髋关节置换术是一种能即刻缓解、消除关节疼痛,提高患者生活质量的成功手术。因此工学和医学界都十分重视人工股骨(特别是髋关节)的研究,此项技术对生物医学工程具有重要意义。在全髋关节置换术中,定制型人工股骨假体由于实现了与骨髓腔的最佳匹配,因此能更好地适应人体内部的生物力学环境,消除对股骨正常应力的破坏,减少应力遮挡,从而延长了股骨假体的使用寿命。但由于股骨几何形态的多样性以及股骨结构材料的复杂性,在实际研究应用中,至今仍缺乏假体植入股骨髓腔后假体的物理参数对股骨重建影响的有效数据。本课题来源于高等学校博士学科点专项科研基金项目(20060611014)。研究的目的是通过建立数字化股骨-假体系统模型,结合自主研发的骨重建自适应程序通过有限元软件ANSYS进行有限元分析,在计算机中模拟了内置假体植入股骨髓腔后,假体的结构形态、材料属性、几何尺寸和接触形式对骨组织应力大小以及骨细胞生长和重建情况的影响,从而可以在髋关节置换手术前仿真评估植入假体的设计参数的变化对股骨重建的影响,为定制型股骨假体的设计提供准确的几何参数和力学依据。本文的研究工作主要包括以下几个方面:①根据患者股骨的CT图像数据提取股骨的内外轮廓线,并在CAD软件中进行封闭光顺处理,采用由大面合并剪切生成端面消减小面的方法,优化反求了股骨叁维实体模型,使模型更加逼近真实股骨。②通过叁种不同的设计方法设计参数相异的植入假体,并通过在CAD软件Pro/E中虚拟装配,建立股骨-假体系统的叁维实体模型,为下一步的分析运算打下了良好的基础。③基于骨重建理论的研究成果,研究髋关节内置假体植入股骨髓腔后,在正常的生理力作用下,股骨单元重建自适应与力学激励之间的关系。④通过VC++自主开发骨重建自适应程序,把假体的物理参数对骨重建的影响进行定量的程序化计算,并导入有限元软件ANSYS中,进行仿真模拟。⑤从股骨-假体系统所受到的应力以及股骨重建的速率着手,对比分析了7种不同物理参数的假体植入股骨髓腔后对骨重建的影响。
赵文志, 刘迎曦, 张军, 方旭, 何盛为[7]2008年在《基于动物实验的应力与股骨近端生长关系的生物力学模型》文中指出目的建立可数值量化的应力与骨生长生物力学模型。方法将动物实验、骨生长方程中未知参数的反演识别和计算机技术相结合,研究应力环境对快速生长期大鼠股骨生长与重建的影响,依据大鼠股骨所受外力刺激以及近端骨密度数值的改变,反演骨生长方程中的未知参数B和K。结果文中所建的生物模型不仅能够数值模拟快速生长期大鼠股骨骨密度变化和外界刺激的关系,而且能够预测大鼠生命周期中某段时间内不同应力环境下股骨的生长趋势。结论:本文的建模思路和方法为人体骨骼重建适应模型的确立起到提示和借鉴作用。
于潼[8]2014年在《基于近端硬化带比例的股骨头坏死塌陷预测及其与中医体质的关系研究》文中研究指明股骨头坏死(Osteonecrosis of the Femoral Head,ONFH)是骨科领域常见的难治性疾病。据估计我国目前需要治疗的股骨头坏死患者约为500-750万,每年新发病例为15-30万。如不采取适当治疗,约80%的ONFH会在1-4年内进展为股骨头塌陷,其中87%需在2年内行人工关节置换,由于人工关节使用寿命有限,很多年轻患者不可避免的需再次或多次行关节翻修,给患者带来巨大痛苦,给家庭及社会带来沉重的经济负担。故而早期给予有效治疗,防治股骨头塌陷具有重要意义。目前预测股骨头坏死塌陷的方法虽多,但均有其局限性,不能完全满足临床需要。在临床实践中,我们发现坏死组织近端的硬化带对预防股骨头塌陷具有一定作用,据此,本研究拟探求基于近端硬化带比例的股骨头坏死塌陷预测及其与中医体质的关系,为股骨头坏死塌陷预测及中医治疗提供新方法、新思路。目的：1.通过有限元的方法分析近端硬化带对股骨头及坏死组织应力分布的影响,为应用近端硬化带比例预测股骨头坏死塌陷提供理论基础。2.探索近端硬化带比例与股骨头坏死塌陷的关系,建立近端硬化带比例预测股骨头坏死塌陷的参考值。3.分析中医体质与股骨头坏死近端硬化带比例的关系,以探索中医体质对股骨头坏死修复能力的影响,为中医治疗股骨头坏死提供新的思路。方法：1.股骨头坏死近端硬化带对股骨头及坏死组织应力影响的有限元分析：以DICOM格式的CT薄扫图像为基础,提取股骨头叁维模型,并构建股骨头坏死组织近端不同比例硬化带(0、30%、50%、100%)的叁维有限元“装配体”模型,模拟负载400N载荷,选取总变形、受力方向(即纵向压缩方向)变形、第一主应力压缩方向应力值、第叁主应力压缩方向应力值及坏死组织接触应力为观察指标,比较不同近端硬化带比例的股骨头及坏死组织的形变及应力分布情况。2.近端硬化带比例预测股骨头坏死塌陷参考值：由中国中医科学院广安门医院骨科门诊收集101例(170髋)股骨头坏死病例,所有病例均行双髋关节CT扫描。筛选符合纳入排除标准的病例,选取CT冠状位坏死范围最大层面及其前后各1层共3个层面为硬化带测量层面,使用CAD软件行近端硬化带比例的测算,分析比较塌陷组与未塌陷组近端硬化带比例的差异,并构建近端硬化带比例的ROC曲线,选择Youden's指数最大值所对应的近端硬化带比例为预测股骨头坏死塌陷的参考值。3.中医体质与股骨头坏死近端硬化带比例关系的研究：由中国中医科学院广安门医院骨科门诊收集96例中医体质为阳虚质和(或)、湿热质和(或)、血瘀质的股骨头坏死病例,所有病例均行双髋关节CT扫描。选取CT冠状位坏死范围最大的层面及其前后各1层共3个层面为硬化带测量层面,使用CAD软件行近端硬化带比例的测算,比较分析不同中医体质股骨头坏死患者的近端硬化带比例是否存在差异。结果：1.股骨头坏死近端硬化带对股骨头及坏死组织应力影响的有限元分析：当近端硬化带比例为0%、30%、50%、100%时,股骨头的总变形分别为0.207mm、0.205mm、0.202mm、0.196mm;Z轴负向((即纵向压缩方向))变形分别为-0.134mm、-0.132mm、-0.130mm、-0.126mm;股骨头的第一主应力压缩方向应力值分别为-0.361MPa、-0.349MPa、-0.304MPa、-0.301MPa;股骨头的第叁主应力压缩方向应力值分别为-0.862MPa、-0.292MPa、-0.274MPa、-0.252MPa;坏死组织接触应力分别为0.41MPa、0.35MPa、0.34MPa、0.31MPa。随着近端硬化带比例的增加,所有指标均呈现递减趋势。2.近端硬化带比例预测股骨头坏死塌陷参考值：对塌陷组与未塌陷组的近端硬化带比例进行比较分析显示：塌陷组的近端硬化带比例为13.11%±10.65%,未塌陷组的近端硬化带比例为51.91%±21.29%,二者差异有统计学意义(P=0.001)。构建近端硬化带比例的ROC曲线,计算出的ROC曲线下面积A=0.967。选择Youden's指数最大值(0.902)对应的近端硬化带比例,为29.24%。为方便临床应用,选取30%为近端硬化带比例预测股骨头坏死塌陷的参考值,应用此值预测塌陷的灵敏度97.30%,特异性87.5%,准确度94.01%,假阳性率(误诊率)12.5%,假阴性率(漏诊率)2.70%,诊断比值比252,阳性似然比7.78,阴性似然比0.03,阳性预测值0.94,阴性预测值0.94,Youden's指数0.85。3.中医体质与股骨头坏死近端硬化带比例关系的研究：比较分析不同中医体质的股骨头坏死近端硬化带比例结果为：阳虚质近端硬化带比例为0.20±0.25,湿热质近端硬化带比例为0.24±0.25,血瘀质近端硬化带比例为0.39±0.29,阳虚+湿热质近端硬化带比例为0.29±0.37,阳虚+血瘀质近端硬化带比例为0.35±0.29,湿热+血瘀质近端硬化带比例为0.42±0.28,股骨头坏死不同中医体质的近端硬化带比例差异有统计学意义(P=0.046)。对叁种单一偏颇体质的股骨头坏死近端硬化带比例进行比较分析,结果显示：差异有统计学意义(P=0.042)。对股骨头坏死各中医体质的近端硬化带比例行两两比较研究发现,阳虚质与血瘀质(P=0.02)、阳虚质与湿热兼夹血瘀质(P=0.02)的差异有统计学意义。血瘀质股骨头坏死患者近端硬化带比例较高,阳虚质股骨头坏死患者近端硬化带比例较低。结论：1.坏死组织近端硬化带能有效承担应力载荷,增加股骨头的结构耐受力及抗变形能力,在坏死组织的表面形成“力学保护伞”,起到预防股骨头坏死塌陷的作用。2.近端硬化带比例对预测股骨头坏死塌陷具有较高价值,临床实践中可以30%为临界点,当近端硬化带比例大于30%时,股骨头坏死发生塌陷风险较低；近端硬化带比例小于30%时,塌陷风险较高,应及时给与有效的力学支撑。3.股骨头坏死的修复能力受中医体质的影响,血瘀质修复能力较好,阳虚质修复能力较差,容易塌陷,需积极治疗,应重以温补脾肾阳之法。
张志广[9]2011年在《人工股骨假体多尺度建模及其生物力学研究》文中研究说明由疾病、创伤等原因导致的股骨缺损给患者的生活和工作带来了极大的不便。为了帮患者恢复肢体功能,医学人员先后提出了多种修复骨骼的方法,其中,人工假体修复技术,被认为是治疗各种骨缺损及关节疾病终末期病变最普遍、最有效的方法,但是随着临床研究的深入该方法也逐渐暴露出一些问题,如：软组织穿透、感染,假体折断和松动等。据统计,假体无菌性松动是人工假体修复手术中最常见的问题之一发生率约为7%-30%。针对假体无菌性松动这一问题,本文提出了基于CT图像对植入的人工假体进行多尺度建模方法,以提高假体与自体骨组织的匹配性能,减少假体植入对股骨内部应力分布的影响,防止骨骼自适应重建的发生,从根本上减小假体发生松动的可能性。本文的研究工作主要包括以下四个方面：(1)在查阅国内外相关文献的基础上,系统地阐述了人体骨骼的结构、力学特性及其重建理论的最新研究进展,并基于骨组织的自适应重塑理论对假体产生无菌性松动的机理进行了分析。(2)将逆向工程技术引入到人体骨骼的重建领域,基于医学CT图像建立了人体髋部的叁维CAD模型,并利用Mimics软件对修复手术进行了模拟,获得了所需植入假体的宏观模型。(3)基于医学CT图像建立了面向快速原型制造的组织工程化的多尺度假体的CAD模型,以提高假体与自体骨组织的匹配性能。(4)利用ANSYS对由五种不同材料假体与股骨组成的装配体模型以及股骨在切除肿瘤之前和之后的模型进行了静力学分析,验证了本文所提出的假体多尺度建模方法在提高假体与骨组织生物力学匹配性方面的可行性,同时也为将来进一步优化人工假体模型提供了理论依据。
鲁超[10]2014年在《基于叁维有限元动态模拟分析健脾活骨方治疗ARCOⅡ期股骨头坏死的生物力学研究》文中研究指明研究目的1.建立一个具有较好几何和物理相似性的、可重复应用、可供动态力学模拟分析的股骨头坏死有限元模型。2.基于叁维有限元动态模拟分析健脾活骨方治疗ARCO Ⅱ期股骨头坏死后,股骨头内部的生物力学变化情况,为中医治疗股骨头坏死提供力学方面的理论依据。研究方法1.可供动态力学模拟分析的股骨头坏死有限元模型的建立(1)选择1例单侧股骨头坏死为ARCO Ⅱ期的患者,取其另一侧正常股骨头作为对照。(2)将患者Dicom3.0格式的CT数据资料导入到Amira图像处理软件中读取图像,进行图像分割,分别提取股骨头整体表面轮廓及松质骨、坏死骨轮廓后建立各自的叁维模型。(3)经Geomagic进行采样、光滑处理、表面拟合等处理后,将各模型导入到Ansys14.0有限元分析软件中。(4)在Ansys14.0有限元分析软件中进行网格划分、材料属性定义与赋值、定义边界条件及载荷区域等处理,分别建立松、密质骨区分和不区分下的正常和坏死股骨头有限元模型。(5)对生成的各股骨头有限元模型进行普通行走下的应力分析,观察各模型的应力特点,总体分析更为真实可靠的建模方法。2.健脾活骨方治疗ARCO Ⅱ期非创伤性股骨头坏死的生物力学研究(1)选取经健脾活骨方治疗后1年临床疗效显着的股骨头坏死患者4例,收集其治疗前后的Dicom3.0格式的CT数据资料。(2)分别建立4例患者治疗前及治疗后1年的股骨头坏死有限元模型。(3)对建立好的股骨头坏死有限元模型分别施加正常行走、慢速跑步、快速跑步时的力学载荷,观察治疗前后股骨头应力及位移变化情况,并判断不同步态下股骨头塌陷的风险。研究结果1.股骨头有限元模型建立(1)对生成的模型网格划分后,坏死股骨头中松、密质骨材料不区分时其节点数为562682,单元数为406764。区分后模型中节点数分别降为189287、123274。但坏死部分骨模型中材料不区分时,其节点数和单元数分别为6213、3724。而在材料区分后的模型中,其节点数和单元数分别增加到45385、30006。但在正常股骨头中,松、密质骨材料是否区分,其节点数和单元数差别并不明显。分析后认为,相比正常股骨头,坏死股骨头更有必要将松、质骨的材料区分。(2)两种赋值下的正常股骨头模型股骨颈内外侧、股骨干近端内侧、股骨干外侧均表有明显的应力集中,该区域深层则为股骨距,即人体直立负重时最大压应力的部位,但在股骨头上的应力集中却不明显。这样的特点与正常人体股骨头的生理特点及以往的文献研究相符合。而在股骨头坏死的两个模型中,在小转子附近及股骨颈处均出现了两个较大应力的集中区域,股骨头负重区的应力也明显集中,尤其在松、密质骨区分的模型中表现更为明显。与正常股骨头相比,其应力发生了转移,在股骨头上形成了多处应力集中的区域,易引起股骨头坏死的进一步发展。(3)各模型中,股骨头负重区位移值最大,越往股骨远端值越减小,显示股骨头负重区是塌陷容易产生。材料区分的模型中,同一位置下,坏死股骨头位移值都大于正常股骨头,这在材料不区分的模型中表现不明显。其中负重区下坏死骨部分发生位移的程度更大,而非负重区下的坏死骨,位移程度相对较小。(4)各模型中,左侧坏死股骨头最大应力值均小于右侧正常股骨头模型明显减少,尤其是在松、密质骨区分时更为明显,最大应力值从52.1103GPa降低到30.1069MPa。当密、松质骨不区分时,右侧正常股骨头模型与左侧坏死股骨头模型最大位移值分别为1.0022mm、1.3214mm,不符合正常和坏死股骨头受到应力时的真实状况。而当松、密质骨区分时,左侧坏死股骨头模型的最大位移值为1.0069mm,明显大于右侧正常股骨头模型的0.5836mm,间接显示了在相同力学载荷时坏死骨负重区塌陷的风险和程度更大。2.健脾活骨方治疗ARCO Ⅱ期非创伤性股骨头坏死的生物力学研究(1)在普通步行、慢速跑步、快速跑步下,相比治疗前,4例患者均在治疗后股骨头整体最大应力及位移值明显降低,股骨头负重区位移值较治疗前明显减小(p<0.05),股骨头负重区应力值明显增高(p<0.05),坏死骨的应力值明显降低(p<0.05)。(2)根据塌陷准则,在普通步行时,坏死骨的应力值均小于0.55MPa,坏死骨塌陷的可能性较低。在慢速跑步时,坏死骨的应力在治疗前已趋于0.55MPa,坏死塌陷的风险增大,应积极进行治疗,预防股骨头塌陷。在快速跑步时,坏死骨的应力在治疗前已大于0.55MPa,坏死塌陷的可能很大,此时应在积极进行治疗的基础上,告知患者避免快速跑步,否则塌陷的可能很大,并且危害的程度更深。(3)随着步态由正常行走到慢速跑步,再到快速跑步,其股骨头的最大应力值及位移值随之增大。叁种步态下的坏死股骨头在治疗后,其最大应力值及位移值明显减小。而治疗后坏死骨位移值较治疗前减小,股骨头负重区应力值增加,而坏死骨应力值降低。随着步态频率增加,坏死区所承受压力及位移值增加明显,塌陷的风险和程度逐渐增大。研究结论1.股骨头有限元模型建立(1)应用Amira图像分析软件、Geomagic Studio逆向工程软件、Ansys有限元分析软件,成功建立了一个具有较好几何和物理相似性的、可重复应用、可供动态力学模拟分析的股骨头坏死有限元模型。(2)相比正常股骨头建模,股骨头坏死模型建立时,将松质骨和密质骨材料区分赋值更有必要。2.健脾活骨方治疗ARCO Ⅱ期非创伤性股骨头坏死的生物力学研究(1)健脾活骨方可有效增强股骨头坏死负重区骨的支撑能力,降低对坏死骨的压应力,减少塌陷的危害性,从根本上改善坏死股骨头内部的力学环境,降低股骨头坏死塌陷的风险。(2)随着步态频率的增加,股骨头塌陷的风险逐渐增大,尤其在快速跑步下,股骨头坏死塌陷风险更大,故治疗期间应尽量避免跑步等剧烈活动。
参考文献：
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[8]. 基于近端硬化带比例的股骨头坏死塌陷预测及其与中医体质的关系研究[D]. 于潼. 中国中医科学院. 2014
[9]. 人工股骨假体多尺度建模及其生物力学研究[D]. 张志广. 东北大学. 2011
[10]. 基于叁维有限元动态模拟分析健脾活骨方治疗ARCOⅡ期股骨头坏死的生物力学研究[D]. 鲁超. 中国中医科学院. 2014
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