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计算骨力学若干问题研究

陈秉智  
【摘要】: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、下三篇。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,对二维和三维股骨头模型、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三腰椎冠状面,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。 第三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


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