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胰岛素型糖尿病骨骼力学特性变化的数值分析

作　者: 杨兆新
导　师: 郭同彤
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 力学
关键词: 胰岛素 骨再造 骨密度 参考激励
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


胰岛素型糖尿病是当今一种普通的糖尿病，糖尿病型骨质疏松就是其中一种经常性并发症，骨折概率很高。国内外学者认为胰岛素是通过作用于成骨细胞，影响其成骨作用进而破坏正常的骨骼再造，最终引发了骨量流失和骨质疏松。骨质疏松是内部环境和力学环境共同作用的结果，在骨再造理论中表现为胰岛素缺失后导致了骨骼的参考激励值增大，使得骨密度减小，最终引发骨质疏松。本课题的目的是在胰岛素浓度减小状态下，利用骨再造方程对上述过程进行模拟与分析，求出患病后参考激励值。本课题使用计算机模拟的方法，以骨再造的理论为指导，对SD大鼠股骨松质骨微观结构的密度变化进行了骨再造的数值分析。首先求出健康大鼠模型的初始参考激励，然后对其按照20%、40%、60%、80%的比例增大，然后将得到的一系列对应不同模型的初始参考激励带入骨再造方程，对三维重建模型进行骨再造过程模拟。得到模型的一系列的平均表观密度，求出达到平衡时密度减小的百分比。在计算机模拟的同时，购置10月月龄的若干雌性SD鼠，实验组注射链脲佐菌素（STZ），使其患胰岛素型糖尿病，刚购入时记为0周，分别在0、3、6、9周处死患病组，然后提取骨骼，以右侧股骨近端的微观局部为研究对象。经过CT扫描，用CTan读取0、3、6、9周微观骨小梁平均骨密度。计算从0周到9周骨密度减小的百分比，得到微观骨小梁密度的变化率是28.53%。在每个组的参考激励中，认为模型密度变化率是28.53±0.5%时的参考激励值即为患有胰岛素型糖尿病骨质疏松后的参考激励值。结果发现每组参考激励值均在增大20%时最接近实验得到的密度变化率，本文以原参考激励值的20%为增量来求解最优参考激励时得到的粗略的参考激励值，编写的优化程序在有限元模型中优化最终得到的参考激励值为：0.213J/g、0.237J/g、0.446J/g、0.00578J/g、0.0530J/g、0.148J/g、1.051J/g、1.446J/g、2.279J/g。本文的结论是对患有胰岛素型糖尿病患者进行骨质疏松研究和骨再造研究时，可以用1.2倍的初始参考激励值作为患病后的参考激励值。本文的创新性在于模拟胰岛素型糖尿病微观骨质疏松过程，同时得到了胰岛素缺乏状态下的参考激励值。这一过程给为今后探求生化指标变化状态下骨再造过程模拟提供思路。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-14
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-10
    1.1.1 课题背景  9
    1.1.2 研究的目的和意义  9-10
  1.2 国内外在该方向的研究现状及分析  10-12
    1.2.1 国外研究现状  10-11
    1.2.2 国内研究现状  11-12
    1.2.3 国内外研究现状的分析  12
  1.3 本文的主要研究内容  12-14
第2章 胰岛素型糖尿病骨骼病变机理  14-22
  2.1 引言  14
  2.2 骨细胞及骨小梁  14-16
    2.2.1 骨细胞  14-15
    2.2.2 骨小梁功能结构  15-16
  2.3 骨代谢  16-18
    2.3.1 全身的动态平衡  16-17
    2.3.2 微观的局部再造  17-18
  2.4 骨功能力学理论  18-19
    2.4.1 力学原理  18
    2.4.2 骨再造理论  18-19
  2.5 发病机制  19-21
  2.6 本章小结  21-22
第3章 松质骨微观有限元模型  22-36
  3.1 引言  22
  3.2 有限元软件中模型的建立  22-23
  3.3 生物力学中建模方法的选择  23
  3.4 获取 CT 图像数据  23-24
  3.5 骨小梁三维有限元模型建立  24-35
    3.5.1 建立三维有限元骨小梁模型的流程  24-25
    3.5.2 实体模型建立  25-28
    3.5.3 网格划分与单元选择  28-31
    3.5.4 骨小梁材料赋值  31-33
    3.5.5 CT 值与材料属性的转化关系  33-35
    3.5.6 最终建立的有限元模型  35
  3.6 本章小结  35-36
第4章 骨小梁力学特性分析  36-55
  4.1 引言  36
  4.2 数值分析算法与程序设计  36-41
    4.2.1 数值分析算法  36-38
    4.2.2 基于 APDL 的 ANSYS 骨再造程序  38-41
  4.3 参考激励  41-43
    4.3.1 不同载荷不同模型下的参考激励  41-42
    4.3.2 调整参考激励  42-43
  4.4 数值分析结果  43-53
    4.4.1 载荷及约束  43-44
    4.4.2 表观密度扫描结果  44-46
    4.4.3 模拟值分析  46-53
  4.5 密度云图  53-54
  4.6 本章小结  54-55
结论  55-56
参考文献  56-59
攻读硕士学位期间发表的论文  59-61
致谢  61

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