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《大连理工大学》 2004年
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活骨组织应力与重建适应实验及其生物模型研究

赵文志  
【摘要】: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、三维图形重构、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。 第三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图像的三维重建。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。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:R318.01

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
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2 官凤娇;冲击载荷下的生物组织材料参数反求及损伤研究[D];湖南大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
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2 李静;基于MRI图像的人体腰椎节段三维有限元模型重建及分析[D];天津理工大学;2013年
3 李伟;沙疗对兔股骨各骨质层与力学性能间的关联性分析[D];新疆大学;2013年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 韩萍,冯敢生,H-J.Brambs,W.Prisig,R.Sokiranski;CT仿真鼻腔镜[J];临床放射学杂志;2000年01期
【共引文献】
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8 程杰平,权铁钢,马洪顺,褚怀德;股骨颈松质骨拉伸蠕变实验研究[J];北京生物医学工程;2005年04期
9 裴葆青;王田苗;王军强;;松质骨微观骨小梁结构的生物力学有限元分析[J];北京生物医学工程;2008年02期
10 纪仲秋,姜桂萍,郎雪梅;人体惯性参数的实测生物力学研究[J];北京体育大学学报;2001年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 迪丽娜·马合木提;穆合塔尔·沙德尔;哈木拉提·吾甫尔;;维医沙疗中的生物力学问题之探讨[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
2 迪丽娜·马合木提;穆合塔尔·沙德尔;热夏提·提易扑;;维医沙疗中现代机理探究[A];力学与西部开发会议论文集[C];2001年
3 陈天华;陈孟诗;姚晓琳;龙维富;陈槐卿;何学令;李良;;一种新的测试胫骨骨生物力学特性的三点弯曲方法[A];2008年全国生物流变学与生物力学学术会议论文摘要集[C];2008年
4 倪君杰;叶红玲;隋允康;;骨骼重建的研究进展[A];北京力学会第14届学术年会论文集[C];2008年
5 倪君杰;叶红玲;隋允康;;骨骼重建的数值模拟与研究[A];北京力学会第15届学术年会论文摘要集[C];2009年
6 张爱东;李炬;孙灵霞;;MATLAB编程实现连续断层工业CT图像的三维重建[A];全国第五届核仪器及其应用学术会议论文集[C];2005年
7 白士红;路敦勇;孔凌嘉;张春林;;生物力学与机构学的新发展[A];第十三届全国机构学学术研讨会论文集[C];2002年
8 刘迎曦;张军;赵文志;孙秀珍;;参数识别在骨生长方程中的应用[A];大连理工大学生物医学工程学术论文集(第2卷)[C];2005年
9 刘迎曦;赵文志;张军;李守巨;李靖年;孙晓江;;在不同应力环境下生长的大鼠股骨的生物力学试验研究[A];大连理工大学生物医学工程学术论文集(第2卷)[C];2005年
10 孙秀珍;于驰;刘迎曦;;人体上呼吸道三维有限元重建与流场数值模拟[A];大连理工大学生物医学工程学术论文集(第2卷)[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 付文俊;矿井封闭火区救灾辅助决策系统研发[D];辽宁工程技术大学;2010年
2 孙建;基于外骨骼机器人技术的人体手臂震颤抑制关键技术研究[D];中国科学技术大学;2010年
3 陈宇;电容层析成像反问题求解及图像重建算法研究[D];哈尔滨理工大学;2010年
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5 苑廷刚;运动视频图像多重处理技术系统在田径科研领域中的应用和创新[D];北京体育大学;2011年
6 徐红旗;青年人优势提举技术研究[D];北京体育大学;2011年
7 冯正平;p38MAPK通路在高糖诱导成骨细胞凋亡中作用的研究[D];重庆医科大学;2010年
8 戴程隆;用于局部快速止血和骨修复的可降解介孔硅基干凝胶设计制备与性能研究[D];华东理工大学;2011年
9 富东慧;骨压电电压信号特征的实验研究[D];天津大学;2008年
10 汪鹏;半导体薄层电阻测量新方法研究[D];河北工业大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 史亮亮;持续性压力通过影响ERK1/2和GIT1的结合促进大鼠成骨细胞的迁移[D];南京医科大学;2009年
2 杨宝宽;正畸三维测力装置的设计与牙周应力分析系统的建立[D];南京医科大学;2009年
3 刘爽;气动肌肉机械手臂机构设计与控制方法实现[D];浙江理工大学;2010年
4 王慎金;丹参联合胰岛素样生长因子-1对骨折愈合影响的实验研究[D];泰山医学院;2010年
5 伍云智;基于VTK和ITK算法库的研究与应用[D];南昌大学;2010年
6 钟凯;中国女性体重指数与髋部骨折风险关系[D];湖南师范大学;2010年
7 于洋;三维虚拟人足球传接球运动仿真研究[D];西安电子科技大学;2009年
8 莫勇军;初步探讨NGF促进骨折愈合的适宜浓度梯度[D];广西医科大学;2011年
9 谭爱花;成年男性血清骨钙素与代谢综合征的相关研究[D];广西医科大学;2011年
10 张建国;内源性大麻素系统对去势大鼠骨质疏松影响的研究[D];山西医科大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 罗斌,张红兵,汪炳权;断层图象的完全枚举法三维建模[J];安徽大学学报(自然科学版);1996年04期
2 杨企文,俞梦孙,金季春,王桂伦,徐建仁,于胜英;椎骨材料慢速(静)加载强度[J];北京生物医学工程;1983年Z1期
3 杨企文,俞梦孙,金季春,王桂伦,徐建仁,于胜英;椎骨材料在冲击负荷下的力学强度[J];北京生物医学工程;1983年Z1期
4 杜瑞卿,陈以国,张鹏,郑忻;脊柱生物力学有限元分析法的概述[J];北京生物医学工程;2004年01期
5 陈运涛;系统仿真应用与新发展[J];船电技术;2001年01期
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8 姜宗来;组织工程研究的现状和展望[J];第二军医大学学报;2000年11期
9 陈强;侯铁胜;杨国标;何大为;石志才;傅强;;全颈椎三维有限元模型的建立[J];第二军医大学学报;2006年05期
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中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 张冠军;行人下肢的碰撞损伤特性及相关参数研究[D];湖南大学;2009年
2 李凤志;织物中热、质传递建模及着装人体数值仿真[D];大连理工大学;2004年
3 赵红兵;基于“能量测试”和优化方法的结构单元损伤识别[D];大连理工大学;2005年
4 陈秉智;计算骨力学若干问题研究[D];大连理工大学;2002年
5 田明俊;智能反演算法及其应用研究[D];大连理工大学;2006年
6 侯淑娟;薄壁构件的抗撞性优化设计[D];湖南大学;2007年
7 姜潮;基于区间的不确定性优化理论与算法[D];湖南大学;2008年
8 张勇;基于近似模型的汽车轻量化优化设计方法[D];湖南大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前9条
1 康成亮;椎间孔镜下髓核摘除术治疗腰椎间盘突出症的临床观察[D];南京中医药大学;2011年
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4 苏英锋;20例健康年轻人鼻腔气道的三维重建和气流流场的数值模拟与分析[D];大连医科大学;2005年
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7 张文涛;人腰椎椎体松质骨非线性力学性能的实验研究[D];吉林大学;2008年
8 刘琼;骨桥蛋白在类风湿关节炎病理机制中的作用[D];安徽医科大学;2008年
9 高同军;RP技术在口腔医学中的应用研究[D];江南大学;2008年
【二级引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 王莹;国人上呼吸道系统生物力学模型研究与临床应用[D];大连理工大学;2012年
2 蔡志华;汽车碰撞中胸部生物力学响应与损伤评估研究[D];华南理工大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 张静;呼吸防护面具罩体的流体力学分析及参数化建模研究[D];武汉理工大学;2011年
2 李俊猛;旋转对称支承板机座的瞬态仿生拓扑优化方法研究[D];新疆大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 曾衍钧;生物力学现状与展望[J];北京工业大学学报;1996年01期
2 深田荣一 ,钱民全;骨的压电性和压电膜对骨生长的影响[J];北京生物医学工程;1983年Z1期
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4 李德源,陈海斌,刘占芳,肖凯;直接法与统计法测试松质骨孔隙率的比较研究[J];第三军医大学学报;2001年02期
5 裘秀春,蒋维中,文艳华,周勇,范清宇,张惠中;生物活性材料动物实验组织制片法[J];第四军医大学学报;1999年12期
6 马进,陈杰,丁兆平,张立藩;模拟失重九十天对大鼠长骨生物力学特性的影响[J];第四军医大学学报;1994年03期
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【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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4 尹东!530021南宁,唐天驷,白崇恩!530021南宁,杨惠林,王以进;短节段钉钩结合脊柱内固定的生物力学研究[J];中华实验外科杂志;2000年03期
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6 韩利华,王全平,李靖,刘建,李晓娟;卵巢切除大鼠皮质骨骨密度与生物力学特性分析(英文)[J];中国临床康复;2003年18期
7 罗卓荆,李明全,雷伟,王全平,李新奎,陶惠人,任占良,苏波;前路手术治疗多节段颈椎退变的临床及生物力学研究[J];中华神经外科疾病研究杂志;2004年02期
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1 杨金田;;跳远“两跳式”起跳技术的生物力学论证及其实践运用[A];第十届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编[C];2002年
2 余嘉;张明;;高跟鞋对足部的生物力学影响的三维有限元分析[A];第八届全国生物力学学术会议论文集[C];2006年
3 张晓菁;黄品同;寇红菊;李世岩;;立普妥对颈动脉斑块生物力学影响的初步研究[A];中华医学会第十次全国超声医学学术会议论文汇编[C];2009年
4 王斌;汤锦波;谭军;倪锋;司逸;;缝合端张力对修复后屈肌腱抗张强度的影响[A];2005'中国修复重建外科论坛论文汇编[C];2005年
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6 范宗禄;王楚怀;;肌肉能量技术在下腰痛治疗中的应用[A];广东省康复医学会、广东社会学会健康研究专业委员会2007年学术年会论文汇编[C];2007年
7 苏佳灿;张春才;王家林;许硕贵;禹宝庆;纪方;;肱骨三维有限元分析及其记忆生物力学意义[A];2008年上海市医用生物材料研讨会论文汇编[C];2008年
8 毕大卫;孙长乐;祖罡;;人工髋关节置换中的股骨-假体界面应力分析与临床应用[A];2009第十七届全国中西医结合骨伤科学术研讨会论文汇编[C];2009年
9 董萼良;迟佳囡;武子靖;付广龙;蔡浩;;肱骨髁间骨折双钢板固定方法的实验研究[A];第十二届全国实验力学学术会议论文摘要集[C];2009年
10 于海洋;杜传诗;巢永烈;郑弟泽;;三型瓷贴面的三维有限元分析[A];中华口腔医学会第三次全国口腔修复学术会议论文集[C];1997年
中国重要报纸全文数据库 前10条
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2 冯海波;“中国数字人男1号”在此诞生[N];广东科技报;2007年
3 任效良;科大科研成果填补国际空白[N];北方经济时报;2007年
4 戴丽昕;人生如棋 落子无悔[N];上海科技报;2008年
5 韩李云;银刀飞舞寄深情[N];科技日报;2009年
6 王美宽;运动品牌重视核心竞争力塑造[N];中国服饰报;2008年
7 周丹;临床离不开医学工程学[N];健康报;2006年
8 本报记者 刘垠;解决医学难题需搭建学科交叉“互联网”[N];大众科技报;2009年
9 航院;清华教师在干细胞世系分化研究中取得重要进展[N];新清华;2011年
10 周立武;颈椎病久治不愈原因探析[N];中国中医药报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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4 陈秉智;计算骨力学若干问题研究[D];大连理工大学;2002年
5 陆晴友;人工髋关节优选专家系统的初步研制[D];第二军医大学;2005年
6 赵德伟;股骨头缺血性坏死修复与重建的基础与临床研究[D];第一军医大学;2005年
7 梁秋发;颈椎病与人工颈椎间盘置换的生物力学和临床研究[D];第一军医大学;2005年
8 王瑞;椎体成形的实验研究和临床应用[D];第一军医大学;2005年
9 展磊;股骨头坏死三维有限元分析及其与治疗方法选择的研究[D];广州中医药大学;2008年
10 庞智晖;股骨头前外侧柱与激素性股骨头坏死预后和保髋疗效的相关性研究[D];广州中医药大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 尹毅;新型双向加压空心螺钉治疗股骨颈骨折的生物力学及临床应用研究[D];苏州大学;2007年
2 梁伟;神经组织工程修复支架材料的制备及其相关基础研究[D];第四军医大学;2004年
3 石勰;摇椅弓矫治机理的三维有限元研究[D];福建医科大学;2004年
4 阮建伟;寰枢椎融合的基础研究和临床应用[D];浙江大学;2005年
5 王立;近排腕骨切除术和部分腕骨融合术对腕关节生物力学影响的实验研究[D];河北医科大学;2005年
6 梁磊;桁架结构治疗股骨粗隆间骨折的生物力学初步探讨[D];大连医科大学;2008年
7 李朝顶;脊柱椎弓根内固定器械(TSF)治疗胸腰段骨折及腰椎滑脱的生物力学研究和临床应用[D];苏州大学;2004年
8 金福德;兔眶距增宽症矫正术对眶周皮肤软组织影响的研究[D];大连医科大学;2004年
9 刘勇;腓骨短缩对胫距关节生物力学接触特性的影响[D];河北医科大学;2005年
10 周伊顗;三维建模与有限元分析在眼科和骨科的应用[D];清华大学;2005年
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