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黄骨髓对骨质疏松生物力学特性影响的仿真研究

发布时间:2017-10-11 23:14

  本文关键词:黄骨髓对骨质疏松生物力学特性影响的仿真研究


  更多相关文章: 有限元分析 骨质疏松 骨强度 骨髓


【摘要】:骨质疏松是一种以骨量减少、骨的微观结构退化为特征的代谢性疾病。骨质疏松已经成为严重危害人类健康的疾病之一,因骨质疏松造成的骨折为国家带来了巨大的财政与社会负担。骨质疏松患者因其骨强度的降低会伴有高概率的脆性骨折的风险,因而研究骨的力学性质对于研究骨质疏松疾病有着重要的意义。传统的针对骨力学性质的研究集中在骨组织的皮质骨与松质骨部分,忽略了填充在髓腔中的骨髓,有证据表明骨质疏松患者骨髓含量增多且伴有明显的骨髓脂肪化倾向,因此本课题将探究黄骨髓对骨机械性能的作用对骨质疏松患者骨强度机制的影响。鉴于活体骨微观结构的不可观察性及生物力学实验的不可重复性,本课题采用有限元仿真分析的方法进行研究。本课题旨在研究黄骨髓对骨生物力学性质的作用导致骨质疏松患者骨强度机制的变化,课题将基于椎骨QCT(Quantitative Computer Tomography)图像建立骨的真实微观结构的三维模型。通过将填充在髓腔内的骨髓质简化为黄骨髓,本文将采用固-固耦合的方法构建两种不同的有限元网格模型:纯骨小梁模型与填充黄骨髓的骨小梁模型,并基于非线性力学的物理场实现了骨的破坏性压缩仿真试验。一方面,通过比较两种模型的仿真结果,本课题发现黄骨髓的存在增加了骨小梁的体积强度,减轻了骨小梁的形变程度,平衡了骨小梁的应力分布,减少骨小梁发生断裂的风险;另一方面,通过改变实验样本的材料属性与骨体积比,本课题还探究了可能影响黄骨髓作用的因素,发现在拥有较低体积比与较低弹性模量的样本中,黄骨髓对骨强度的提升作用更加明显。结合骨质疏松的病理知识,骨质疏松患者体内黄骨髓比例的增加可以增强其骨强度,弥补一部分因骨量缺失而损失的骨强度,减少了骨折发生的概率;随着患者骨质疏松程度的加深,黄骨髓的这一作用也因患者骨体积比的下降或骨小梁弹性模量的下降而更加明显。本文研究表明,骨质疏松患者体内增加的黄骨髓可以减少骨折的风险,本文研究对骨质疏松的预防与诊疗有着重要的意义。
【关键词】:有限元分析 骨质疏松 骨强度 骨髓
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:R580;R318.01
【目录】:
  • 摘要3-4
  • ABSTRACT4-8
  • 第1章 绪论8-14
  • 1.1 课题研究的背景和意义8-9
  • 1.2 国内外研究现状9-11
  • 1.3 论文主要研究内容与论文结构11-14
  • 第2章 骨的生物力学分析方法概述14-27
  • 2.1 骨的力学性质分析概述14-17
  • 2.1.1 骨的基本解剖学结构14-15
  • 2.1.2 骨的力学性质的概述15-17
  • 2.2 非线性固体力学理论17-21
  • 2.2.1 骨的弹性力学理论17-20
  • 2.2.2 骨的弹塑性力学理论20-21
  • 2.3 本课题采用的分析方法21-22
  • 2.4 骨生物力学特性的有限元仿真分析实现22-26
  • 2.5 本章小结26-27
  • 第3章 基于全面生理特征的骨有限元模型27-37
  • 3.1 基于CT图像的骨的有限元网格27-33
  • 3.1.1 椎骨CT图像的预处理27-29
  • 3.1.2 基于Simpleware的椎骨三维重构与有限元网格生成29-33
  • 3.2 基于损伤理论的骨非线性力学模型33-34
  • 3.3 基于真实物理属性的骨的材料属性设定34-35
  • 3.4 本章小结35-37
  • 第4章 非线性模型下黄骨髓性能分析37-46
  • 4.1 基于COMSOL的非线性力学仿真实验37-39
  • 4.1.1 实验对象及样本材料属性37-38
  • 4.1.2 基于COMSOL的有限元仿真实现38-39
  • 4.2 模型有效性及收敛性分析39-42
  • 4.3 非线性力学模型下的黄骨髓性能分析42-45
  • 4.3.1 基于应力-应变关系的黄骨髓性能分析42-43
  • 4.3.2 基于应变能密度理论的黄骨髓性能分析43-45
  • 4.4 本章小结45-46
  • 第5章 不同骨结构与骨成分下黄骨髓的性能探究46-58
  • 5.1 实验数据来源及实验设计46-47
  • 5.1.1 实验数据来源46-47
  • 5.1.2 实验设计47
  • 5.2 基于COMSOL的仿真实验47-52
  • 5.2.1 各向同性模型下不同结构的仿真实验47-50
  • 5.2.2 各向异性模型下相同结构的仿真实验50-51
  • 5.2.3 各向异性模型下不同结构的仿真实验51-52
  • 5.3 不同骨结构与骨成分下黄骨髓性能分析52-57
  • 5.3.1 各向同性模型下不同结构的黄骨髓性能分析52-53
  • 5.3.2 各向异性模型下相同结构的黄骨髓性能分析53-54
  • 5.3.3 各向异性模型下不同结构的黄骨髓性能分析54-57
  • 5.4 本章小结57-58
  • 结论58-60
  • 参考文献60-65
  • 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果65-67
  • 致谢67

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本文编号:1015298

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