收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

骨骼材料与结构的性能仿真及重建模拟研究

连志强  
【摘要】: 生物力学是力学与生物学、生理学以及医学等诸多学科相互结合而形成的一门新兴的边缘交叉学科。生物力学以生命体为研究对象,它从生物个体、组织、器官以及细胞和分子等不同层次上研究应力与运动、变形、生长等之间的关系。生物力学研究可以帮助我们更好地了解各种生命现象与所处力学环境之间的关系,从而有效地设计制造各种器械、设备以改善我们的生活质量。由于其研究对象与人们的生活息息相关,生物力学这门学科已经越来越多地受到人们的关注,并且渗透到人们生活中的各个领域。 有限元方法是一种成熟高效的数值计算方法,在现代工程技术中发挥了巨大的作用,在生物力学和医学工程中也有许多成功的应用。自1972年Brekelmans和Rybicki等人首先将有限元法应用于骨科生物力学的研究以来,经过30多年的迅速发展,已经渗透到生物力学、生物医学工程学等研究的各个领域,特别是在骨科生物力学研究中有限元方法显示出了显著的优越性。目前,数值模拟技术已经成为和理论研究、实验研究并列的生物力学研究的重要手段之一,并且形成了计算生物力学这个重要并且非常活跃的生物力学分支学科。 本文运用数值模拟技术对骨骼材料和结构的力学性质及骨重建进行了一些数值模拟研究,全文共分七章。 第一章是绪论,系统地介绍了生物力学研究的发展背景及当前的研究现状,并以骨力学的研究为重点,介绍了人体骨骼的组成、结构及常用力学性质等。另外还用少量篇幅介绍了当前生物力学中的一些前沿领域的最新研究进展,如细胞生物力学、DNA力学、组织工程等,以期对当前的生物力学研究有一个初步的认识。 第二章对目前主要的骨重建理论进行了系统的介绍。首先回顾了骨重建理论的发展历程,阐述了骨重建的微观机理,并对可能引起骨重建的力学激励量进行了归纳总结。最后还介绍了骨重建理论在临床上的一些应用,这些应用主要集中在人工关节(主要是膝关节和髋关节)设计、髋关节表面成形术、种植牙中种植体的设计等方面。 在论文的第三章,首先详细介绍了目前国内外应用比较广泛的两种基本的骨重建理论,并阐述了其各自的优缺点,然后在这两种骨重建理论的基础上,发展了一种新的模拟骨重建的算法,该算法有效克服了上述两种骨重建理论中存在的缺点,最后用文献中的几个算例对本文提出的骨重建算法进行了验证,证明了本文提出的算法的有效性。 第四章应用本文第三章中提出的骨重建算法分别对考虑骨结合和不考虑骨结合两种情况下种植牙周围的骨重建现象进行了数值模拟。首先建立了不考虑骨结合的种植体及周围骨骼组织的有限元模型,对种植体植入后种植牙周围骨骼组织的密度分布情况进行了数值模拟,并对骨重建方程中的两个控制参数对骨密度分布的影响进行了初步的探讨。 事实上,骨结合率是影响种植牙稳定性的一个重要因素,也是衡量种植牙手术成败的重要指标之一。本章还通过建立四种不同的骨结合率(25%、50%、75%、100%骨结合)的种植体模型,模拟了骨结合率对种植牙周围骨组织的密度分布情况的影响并与临床观察进行了比较。模拟结果表明,骨结合率并不是越大越好,当骨结合率为50%时,种植体周围骨组织的密度分布情况与临床观察最为接近。文献报道临床上比较成功的种植牙手术,其骨结合率均在50-70%之间,这也验证了本章的模拟结果。 第五章基于逆向工程技术和医学CTMRI图像数据,提出了建立人体复杂骨骼三维有限元模型的一种一般方法,并以人体膝关节为例,对建立模型过程进行了详细的说明。本章首先对目前建立骨骼有限元模型的方法进行了系统的归纳与总结,并比较了各方法的优缺点,还详细介绍了目前国内外在建立膝关节有限元模型方面的一些研究进展;然后将在工程领域中广泛应用的逆向工程技术引入骨骼系统建模中来,结合CTMRI等医学图像数据,以人体关节中最为复杂的膝关节为例,详细讲述了利用逆向工程技术建立了人体膝关节的三维有限元模型的过程,该模型包括股骨、胫骨、髌骨、股骨下软骨、胫骨平台软骨、半月板。 在第六章中,利用第五章中的逆向工程建模技术,通过建立特定个体(Subject-Specific)的股骨近端的有限元模型,模拟了股骨头缺血性坏死骨瓣移植前后股骨近端应力的变化情况。骨瓣移植术是治疗中期股骨头缺血性坏死的主要手段之一,但这种手术方法一直缺乏相应的生物力学理论基础。本章试图通过数值模拟骨移植前后股骨受力状态的变化来加深对这一手术的认识。首先基于医学CT图像数据分别建立了正常、坏死及修复的股骨头三维有限元模型;并基于同样的医学图像数据分别对三个有限元模型的材料参数进行设置,即将CT图像数据通过一些方法“转换”为有限元模型的弹性模量。用该方法得到的有限元模型与真实的骨骼结构更为接近,计算结果也更为准确。对三个不同模型的有限元分析结果表明,在切除掉坏死区域后,股骨头所受应力有显著增加,而进行骨移植手术后,股骨头部应力相应地减小。很明显,对坏死的股骨头进行骨瓣移植修复能有效地恢复股骨头部的力学性能,使其受力状态与正常股骨更为接近。本文的数值模拟为股骨头缺血性坏死骨瓣移植手术提供了临床依据,同时为将来进一步的手术方案优化提供了基础。 第七章对人体下肢的平地行走及弯曲过程进行了动力学模拟。首先利用LifeMod软件建立了包括膝关节在内的完整的人体下肢动力学模型,并用该模型对人体平地行走及下肢弯曲过程进行了动力学模拟。得到了在人体平地行走及弯曲过程中胫-股关节的接触力及膝关节四条主要韧带张力的变化情况,并对ACL和PCL韧带缺损对胫-股关节接触力及其它韧带张力的变化情况进行了动力学模拟。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 ;《医用生物力学》杂志征稿、征订启事[J];医用生物力学;2011年04期
2 湛志刚;;手法刮痧针刺拔罐配合可调生物力学药枕治疗颈椎病[J];山西中医;2008年S1期
3 任晓旭;殷学民;;颧上颌骨复合体骨折坚强内固定术式研究进展[J];口腔颌面外科杂志;2011年04期
4 武明鑫;刘志彬;邹菁;;磷酸钙骨水泥强化椎体钉固定的生物力学影响[J];求医问药(下半月);2011年08期
5 刘培林;张世杰;刘霄龙;夏仁云;;鸡股骨颈注射骨水泥生物力学的研究[J];医药论坛杂志;2011年09期
6 王庄林;;万能双手的奥秘[J];科学之友(上旬);2011年06期
7 蔡立忠;张爱平;陈日齐;黄碧玲;张建新;孙永跃;;第三腰椎横突综合征三维有限元实验研究[J];福建中医药大学学报;2011年04期
8 于琦;马剑雄;马信龙;;腰椎融合术后邻近节段小关节应力变化及椎间盘退变研究[J];中国骨与关节外科;2011年02期
9 古恩鹏;刘爱峰;金鸿宾;吴思;;步态分析在临床骨科与康复中的应用[J];中国中西医结合外科杂志;2011年03期
10 张旻;冯美兰;瞿佩玉;;痉挛型脑瘫儿童佩戴不同类型踝足矫形器后下肢生物力学的变化[J];中国康复;2011年03期
11 张小雪;李立峰;王喜太;;矫形器在烧伤病例中的应用[J];医用生物力学;2011年04期
12 李光灿;李靖年;郑连杰;李正维;刘晓凯;李志刚;;颈椎终板抗压强度分布规律的生物力学研究[J];中国矫形外科杂志;2011年15期
13 王智渊;李皓桓;;全膝关节置换术中股骨头中心体表定位方法的研究[J];中国骨与关节损伤杂志;2011年07期
14 李俊杰;刘亚;邱玉金;田云虎;李坤;;持久脊柱负荷与椎间盘组织中MMP-2表达关系的研究[J];现代生物医学进展;2011年14期
15 董谢平;王冬梅;何剑颖;周立义;王锦程;吴小辉;;腕保护器抗冲击载荷的有限元分析(英文)[J];中国组织工程研究与临床康复;2011年30期
16 谢昆岭;于正洪;;膝关节固定后髌骨腱的生物力学改变(英文)[J];中国组织工程研究与临床康复;2011年30期
17 ;本刊组织构建栏目已出版“组织工程与生物力学”研究的相关文章[J];中国组织工程研究与临床康复;2011年33期
18 周玉科;陈施展;姚一民;万宇;胡萍;于学军;;伤椎置钉单节段固定植骨融合治疗胸腰段脊柱骨折[J];实用骨科杂志;2011年06期
19 魏威;廖胜辉;赖震;;青年颈椎生理曲度变直全节段有限元建模与分析[J];生物医学工程学进展;2011年02期
20 付海燕;杨海韵;;膝骨性关节炎患者与正常青年人步态的对照[J];中国组织工程研究与临床康复;2011年22期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 尤锁柱;陈建桥;毛文玉;张国栋;;基于CT扫描的股骨三维有限元模型重建及力学性能分析[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
2 陈龙;徐华梓;郭晓山;水小龙;孔建中;王振文;陈华;;两种方法治疗股骨转子间骨折的生物力学比较[A];浙江省中西医结合学会骨伤科专业委员会第十四次学术年会暨省级继续教育学习班论文汇编[C];2008年
3 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
4 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
5 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
6 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
7 黄继锋;徐永年;赵卫东;樊继宏;钟世镇;;三角纤维软骨复合体水平部分不同程度的切除对尺骨载荷功能的影响[A];第八届全国骨科新进展、新技术学习班讲义汇编[C];2005年
8 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
9 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
10 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
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 连志强;骨骼材料与结构的性能仿真及重建模拟研究[D];大连理工大学;2010年
2 陈秉智;计算骨力学若干问题研究[D];大连理工大学;2002年
3 张维波;中医经络的生物力学研究[D];北京工业大学;1998年
4 姚啸生;动力性内固定DPF的研制及治疗胸腰椎爆裂性骨折的实验研究[D];苏州大学;2006年
5 陈强;挥鞭样损伤的生物力学和临床研究[D];第二军医大学;2005年
6 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
7 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
8 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
9 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
10 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
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张奇;股骨距对股骨上段应力分布的影响及其临床意义[D];河北医科大学;2007年
2 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
3 王琳;股骨钻孔对人工髋关节置换术假体稳定性的生物力学研究[D];河北医科大学;2008年
4 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
5 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
6 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
7 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
8 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
9 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
10 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
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 甘勃;樊瑜波:科学“交叉”[N];大众科技报;2011年
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 王美宽;运动品牌重视核心竞争力塑造[N];中国服饰报;2008年
6 韩李云;银刀飞舞寄深情[N];科技日报;2009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 汪雪姣 林岚;辛勤耕耘在生物力学园圃中[N];科技日报;2004年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978