考慮損傷修復(fù)的骨重建數(shù)值模擬.pdf

1、作為一種活體組織,骨具有調(diào)整自身結(jié)構(gòu)以適應(yīng)外界環(huán)境發(fā)生改變的骨重建能力。力學(xué)家和工程學(xué)家一直試圖用數(shù)學(xué)模型來描述骨的重建行為以便對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)前,有關(guān)骨重建的理論模型很多,但是其在應(yīng)用時(shí)通常會(huì)遇到力學(xué)模型過于復(fù)雜,很難模擬復(fù)雜狀態(tài)下的骨重建過程。隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展,利用有限元仿真模擬復(fù)雜狀態(tài)下的骨重建行為成為可能。骨重建的有限元仿真結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物力學(xué)、工程學(xué)和醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的研究方法,能夠在預(yù)測(cè)人體骨骼生長(zhǎng)、設(shè)計(jì)人工假

2、體和指導(dǎo)患者術(shù)后康復(fù)治療等方面發(fā)揮重要的作用。
　　基于以上背景,本文將骨重建控制方程和有限元軟件ANSYS中的二次開發(fā)功能結(jié)合起來,編寫了骨重建仿真的程序,進(jìn)行了以下兩個(gè)方面的模擬工作:
　　首先建立了應(yīng)變調(diào)控的近端股骨模型,施加日常荷載后,經(jīng)過1000天的迭代計(jì)算不斷更新單元的材料屬性,得到了接近人體真實(shí)股骨密度分布的結(jié)果。之后在此基礎(chǔ)上引入損傷激勵(lì),在皮質(zhì)骨層中預(yù)置損傷,經(jīng)過骨吸收期、逆轉(zhuǎn)期、生成期總共110天的計(jì)算,

3、模擬了損傷后的骨組織在感應(yīng)到損傷區(qū)域后的吸收和修復(fù)的情況,并得到了損傷隨時(shí)間歷程的演化規(guī)律。
　　骨的廢用性重建也是骨力學(xué)的重要問題,針對(duì)其因局部載荷的不足促進(jìn)骨吸收,引發(fā)的骨質(zhì)疏松癥和髖關(guān)節(jié)置換術(shù)患者假體松動(dòng)的情況,本文建立了在不同年齡肌力的廢用性載荷下形成的近端股骨的骨質(zhì)疏松模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長(zhǎng)導(dǎo)致肌力及其它必要載荷的下降,人體骨表觀密度也逐漸下降。同時(shí)建立了植入假體后的長(zhǎng)段股骨有限元模型,對(duì)應(yīng)力遮擋效應(yīng)引起的局部廢用