Wistar鼠股骨横截面生长模拟

• 作 者: 周瑜
• 机 构: 哈尔滨工业大学
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 骨再造理论 数值模拟 股骨骨干 横截面形态 生长过程 动物模型

骨再造数值模拟是多个学科的交叉领域,它涉及有限元技术、连续介质力学以及骨生理学领域的相关知识。骨再造数值模拟在假体设计、骨科疾病的防治及临床诊断方面有着重要应用。因此,骨再造数值模拟的研究有着重要的学术意义和应用价值。　　本课题以骨再造理论为指导,结合现有的数值模拟模型,选择Wistar鼠股骨骨干的中段横截面作为研究对象,在施加随时间变化的载荷后,模拟出了给定时间内骨干横截面的内外轮廓的生长过程。使用Micro-CT扫描1～9个月的Wistar鼠股骨,获取其断层扫描数据。将这些数据在Mimics中进行处理后得到骨干横截面图形,然后利用Matlab图像处理工具提取出横截面内外轮廓上点的坐标值,其中1个月的数据作为模拟的初始数据,其它时间段作为对比数据。获取模拟的初始截面数据后,根据载荷与时间之间的关系确定了施加在模型上的弯矩和扭矩,再利用Fotran编写的有限元程序确定了骨内外膜上任意节点处的应力状态,继而按定义求出这点的每日应力刺激,根据每日应力刺激与骨的表面再造速率之间的关系,确定了骨膜上每个节点的每日生长量,也就是应该移动的距离。将节点沿程序中计算出来的节点处法向的方向移动,就得到了T一次循环的初始几何数据。重复上述过程,直到预定时间停止迭代,这样就模拟出了给定时间内Wistar鼠股骨横截面的生长过程。　　通过多次调整弯矩和扭矩的系数后,得到了同真实Wistar鼠股骨横截面较为接近的模拟结果。为了探讨初始横截面外形和弯矩施加方向对骨生长模拟造成的影响,在本文中,又以中空圆形为初始模型模拟了Wistar鼠股骨横截面在O～4个月期间的生长过程,在将弯矩的方向顺时针转动300之后又模拟了1～6个月其横截面的生长过程。　　最后将上述三个模拟得到的结果同实验室获得的处于各生长阶段的Wistar鼠股骨横截面形态作了对比分析。对比分析的结果再次印证了骨的功能适应性再造过程是受力学环境控制的这一基本观点,同时表明了真实的初始横截面模型模拟出出来的结果更为接近实际的形态,验证了弯矩沿股骨内外侧轴线加载的合理性。