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计算骨力学若干问题研究

作　者: 陈秉智
导　师: 顾元宪；刘书田
学　校: 大连理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 松质骨 密质骨 均匀化方法 体分比 单胞模型 胶原纤维 羟磷酸基 骨骼重建 应变能 刺激 自适应 材料密度分布 粘滞系数:骨折愈合塑形 钢板内固定 普通加压钢板 限制性动力加压钢板 复合梁理论 失效 有限元方法
分类号: R318.01
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要


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

全文目录


摘要  4-7
Abstract  7-16
综述  16-22
  参考文献  20-22
上篇 骨材料的力学性能的数值计算方法  22-65
  第一章 绪论  22-28
    1．1 引言  22
    1．2 实验方法  22-23
    1．3 密质骨的微观结构模型  23-25
    1．4 松质骨的微观结构模型  25
    1．5 密质骨的弹性性质与其相关参数之间的关系  25-26
    1．6 松质骨的弹性性质以及与其体分比之间的关系  26
    1．7 骨骼的弹性模量预测的微观分析方法  26-27
    1．8 本篇的研究工作  27-28
  第二章 骨的结构与性质  28-37
    2．1 引言  28
    2．2 骨的结构  28-31
      2．2．1 分子水平的骨  28-29
      2．2．2 编织骨、板状骨和哈弗氏骨  29-30
      2．2．3 大块编织骨、原生板层骨和哈弗氏系统及层性骨  30-31
      2．2．4 密质骨和松质骨  31
    2．3 骨材料的力学性质  31-37
      2．3．1 哈弗氏系统的力学性质  32
      2．3．2 密质骨的力学性质  32-36
        2．3．2．1 一些主要实验结果  33-34
        2．3．2．2 密质骨的应力应变关系  34-36
      2．3．3 松质骨的力学性质  36-37
  第三章 复合材料宏观弹性常数计算的均匀化方法  37-47
    3．1 引言  37
    3．2 均匀化方法  37-42
    3．3 均匀化问题的有限元分析  42-45
      3．3．1 基本定义  42-44
      3．3．2 微观均匀化问题  44-45
      3．3．3 复合材料宏观弹性常数计算  45
    3．4 均匀化方法的应用  45-46
    3．5 小结  46-47
  第四章 松质骨弹性模量计算的均匀化方法  47-55
    4．1 引言  47
    4．2 松质骨内部结构描述  47
    4．3 松质骨微观结构的单胞模型  47-49
    4．4 数值分析结果及其分析  49-52
      4．4．1 与实验结果比较  51-52
      4．4．2 对松质骨单胞模型的讨论  52
    4．5 松质骨宏观弹性模量与体分比的关系  52-54
      4．5．1 宏观弹性模量和密度的指数关系  52-53
      4．5．2 不同密度范围内指数关系的探讨  53-54
    4．6 小结  54-55
  第五章 多层密质骨结构的数值模拟  55-62
    5．1 引言  55
    5．2 密质骨的微观结构模型选取  55-56
    5．3 均匀化方法在密质骨数值模拟中的实现  56-59
    5．4 数值分析结果及分析  59-61
      5．4．1 密质骨层结构的不同单胞模型计算结果以及与实验的比较  59
      5．4．2 矿物含量对密质骨材料性质的影响  59-60
      5．4．3 胶原纤维泊松比对密质骨材料性质的影响  60-61
      5．4．4 密质骨单元单胞模型的适用性  61
    5．5 小结  61-62
  参考文献  62-65
中篇 骨重建机理的数值模拟方法  65-131
  第一章 绪论  65-77
    1．1 引言  65
    1．2 本篇的研究课题及其意义  65-66
    1．3 骨骼重建的基本概念  66-67
      1．3．1 骨骼重建的分类  66-67
      1．3．2 骨骼细胞的类型和作用  67
    1．4 骨骼生长重建的基本概念  67-70
      1．4．1 骨骼的生长定律  68
      1．4．2 骨骼重建的基本理论  68-70
        1．4．2．1 适应性弹性理论  68-69
        1．4．2．2 骨骼维修理论  69-70
      1．4．3 骨的成形  70
    1．5 骨骼重建研究的发展  70-75
      1．5．1 骨骼重建实验的发展进程  72
      1．5．2 骨骼重建刺激源的探讨  72-73
      1．5．3 骨骼重建理论及模拟的发展进程  73-75
    1．6 本篇的研究工作  75-77
  第二章 基于应变能和应变优化模型的骨重建数值模拟  77-102
    2．1 引言  77
    2．2 骨骼的参考应变能理论  77-79
    2．3 骨骼的参考应变理论  79
    2．4 基于参考应变能和参考应变理论的优化准则  79-81
    2．5 骨骼材料性质和计算模型  81-86
      2．5．1 二维股骨头模型  81
      2．5．2 三维股骨头模型  81-83
      2．5．3 骨折愈合塑形模型  83-85
      2．5．4 股骨头部材料性质以及荷载模型  85-86
    2．6 股骨计算结果及其分析  86-92
      2．6．1 计算结果的准确性分析  86-89
      2．6．2 初始状态对骨重建的影响  89-92
        2．6．2．1 材料宏观密度的初始分布不同  89-90
        2．6．2．2 材料的初始密度值不同  90-92
    2．7 死区的探讨  92-93
    2．8 不同参考应变或应变能状态对骨骼重建模拟的影响  93-94
    2．9 骨骼重建率的时间相关性  94-96
    2．10 吸收与沉淀速率的探讨  96
    2．11 骨折愈合塑形模拟结果  96-101
      2．11．1 骨痂吸收型的塑形模拟  96-98
      2．11．2 骨疏松恢复型的塑形模拟  98-100
      2．11．3 骨缺损恢复型的塑形模拟  100-101
    2．12 小结  101-102
  第三章 基于骨骼自适应理论优化模型的骨重建数值模拟  102-116
    3．1 引言  102
    3．2 骨骼的自适应理论  102-103
    3．3 骨骼自适应理论的优化算法  103-105
      3．3．1 序列线性规划方法  103-104
      3．3．2 准则优化方法  104-105
    3．4 敏度公式推导  105-106
    3．5 骨骼材料性质和计算模型  106-108
      3．5．1 股骨的二维和三维有限元模型  106-107
      3．5．2 腰椎椎体的有限元模型  107-108
      3．5．3 股骨端部材料性质以及荷载模型  108
    3．6 数值模拟结果及其分析  108-111
    3．7 粘滞系数对重建的影响及其时间相关性  111-113
    3．8 椎体结构生长过程模拟  113-114
    3．9 小结  114-116
  第四章 基于感受细胞的自适应优化模型的骨重建数值模拟  116-127
    4．1 引言  116
    4．2 控制方程  116-117
    4．3 程序实现方法  117-118
    4．4 骨骼重建数值模拟结果  118-120
    4．5 骨骼密度变化与时间的关系  120-122
    4．6 骨骼体积/质量的收缩率  122-123
    4．7 基于感受细胞的自适应优化模型的进一步探讨  123-126
      4．7．1 骨功能适应性的进一步探讨  123-125
      4．7．2 骨骼的结构形式探讨  125-126
    4．8 小结  126-127
  参考文献  127-131
下篇 骨折内固定手术的力学分析  131-177
  第一章 绪论  131-140
    1．1 引言  131
    1．2 内固定基础  131-133
      1．2．1 骨折及其骨折类型  131-132
      1．2．2 内固定基础  132-133
    1．3 骨折内固定的发展进程  133-135
    1．4 内固定的相关理论及其研究与应用进展  135-138
      1．4．1 骨折内固定的力学和医学原理  135-136
      1．4．2 应力遮挡与血供损害理论  136-137
      1．4．3 内固定材料的改变  137
      1．4．4 有限元方法在内固定分析中的应用  137-138
    1．5 课题的工程背景及意义  138-139
    1．6 本篇工作  139-140
  第二章 钢板位置对内固定影响的理论分析和数值模拟  140-154
    2．1 引言  140-141
    2．2 材料和方法  141-143
      2．2．1 复合梁理论模型与有限元计算模型  141-142
      2．2．2 复合梁理论模型的假定与简化  142
      2．2．3 复合梁中心轴的确定  142-143
    2．3 复合梁理论分析结果与讨论  143-150
      2．3．1 复合梁弯曲刚度的确定  144
      2．3．2 钢板材料性质对复合梁弯曲刚度的影响  144-145
      2．3．3 弯曲方向对复合梁刚度的影响  145-149
      2．3．4 小结  149-150
    2．4 有限元数值计算结果及讨论  150-153
      2．4．1 有限元模型的确定  150
      2．4．2 偏心弯矩对结果应力的影响  150-152
      2．4．3 材料性质的变化对应力的影响  152
      2．4．4 小结  152-153
    2．5 关于内固定手术中“张力带原则”的进一步探讨  153-154
  第三章 钢板内固定的应力状态及其影响因素分析的有限元方法  154-174
    3．1 引言  154
    3．2 临床内固定手术失败情况的总结  154-157
    3．3 材料和方法  157-158
      3．3．1 有限元模型  157-158
      3．3．2 荷载简化  158
      3．3．3 材料性质  158
    3．4 计算结果和分析讨论  158-172
      3．4．1 钢板应力状态及易断裂部位分析  158-160
      3．4．2 内固定钢板长度对应力的影响  160-162
      3．4．3 反弯荷载对应力的影响  162-163
      3．4．4 钢板位置偏移对应力的影响  163-166
      3．4．5 螺钉安放不满时普通钢板的应力分析  166-168
      3．4．6 螺钉安放不满时LC-DCP钢板的应力分析  168-170
      3．4．7 骨缺损或骨缺损较大而没有植骨对钢板应力的影响  170-171
      3．4．8 螺钉断裂和拔出现象的数值模拟  171-172
    3．5 小结  172-174
  参考文献  174-177
总结与展望  177-180
论文创新点  180-181
攻读博士学位期间完成的相关学术论文  181-182
致谢  182-183
大连理工大学学位论文版权使用授权书  183

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