發(fā)布時(shí)間：2018-04-04 18:39

  本文選題：骨重建　切入點(diǎn)：有限元　出處：《吉林大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：骨組織具有功能適應(yīng)性,可以通過骨重建過程調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布以適應(yīng)其周圍力學(xué)環(huán)境。骨重建過程主要受力學(xué)因素調(diào)控,長(zhǎng)期處于不正常力學(xué)環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致骨形態(tài)結(jié)構(gòu)異常,進(jìn)而導(dǎo)致骨疾病發(fā)生,如骨性關(guān)節(jié)炎(Osteoarthritis,OA)和骨質(zhì)疏松癥(Osteoporosis,OP),降低了老年人的生活質(zhì)量,并且給社會(huì)經(jīng)濟(jì)增加了沉重的負(fù)擔(dān)。為了深入探索不同力學(xué)環(huán)境對(duì)骨結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制,本文采用定量骨重建理論結(jié)合有限元法,模擬不同力學(xué)環(huán)境對(duì)宏觀和微觀骨結(jié)構(gòu)的影響,并對(duì)骨密度(Bone mineral density,BMD)和力學(xué)性能的變化進(jìn)行定量分析,探討力學(xué)因素與骨形態(tài)結(jié)構(gòu)異常的關(guān)系,為臨床上骨疾病的預(yù)防和治療提供理論依據(jù);采用實(shí)驗(yàn)方法研究了生長(zhǎng)期雌性大鼠進(jìn)行不同水平負(fù)重和負(fù)重跑步運(yùn)動(dòng)對(duì)多尺度骨屬性的影響,從宏觀-細(xì)觀-微納觀不同尺度對(duì)比了骨宏觀力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)及納觀材料屬性的變化,探討不同水平負(fù)重和負(fù)重跑步運(yùn)動(dòng)對(duì)骨形態(tài)結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的影響。本研究有助于深入認(rèn)識(shí)不同水平力學(xué)激勵(lì)導(dǎo)致生長(zhǎng)期大鼠骨骼在不同尺度的變化,為青少年期進(jìn)行合理鍛煉以增加骨強(qiáng)度提供理論依據(jù)。本文研究?jī)?nèi)容可分為以下三部分:第一部分,采用適應(yīng)性定量骨重建理論結(jié)合有限元法,模擬不同力學(xué)環(huán)境下三維脛骨近端內(nèi)部BMD的變化,探索力學(xué)環(huán)境與骨形態(tài)結(jié)構(gòu)異常的關(guān)系。利用計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed tomography,CT)獲得右側(cè)脛骨近端影像數(shù)據(jù),在MIMICS 17.0軟件中建立脛骨近端三維模型,導(dǎo)入到大型有限元軟件ANSYS12.0中建立三維脛骨近端有限元模型,采用有限元法與定量骨重建理論相結(jié)合,首先對(duì)年輕人正常力學(xué)環(huán)境下三維脛骨近端內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),為了驗(yàn)證模擬結(jié)果,在脛骨近端選擇感興趣區(qū)(Region of interest,ROI),對(duì)BMD進(jìn)行定量分析,并與臨床測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。模擬結(jié)果表明,年輕人正常力學(xué)環(huán)境下三維脛骨近端BMD的分布與臨床測(cè)量正常脛骨近端結(jié)果一致,說明本研究采用的方法可以較為準(zhǔn)確地模擬脛骨近端三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)。驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性之后,根據(jù)膝外翻脛骨平臺(tái)上關(guān)節(jié)力變化規(guī)律,改變脛骨平臺(tái)上的載荷分布,以正常脛骨近端模擬結(jié)果為初始結(jié)構(gòu),模擬預(yù)測(cè)了老年人膝外翻6°后三維脛骨近端內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在脛骨近端選取ROI對(duì)BMD進(jìn)行定量分析,并與臨床測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,膝外翻后脛骨近端BMD分布與臨床上OA患者測(cè)量結(jié)果一致�？梢娏W(xué)環(huán)境的變化是導(dǎo)致OA的重要原因之一,長(zhǎng)期處于不正常力學(xué)環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致OA的發(fā)生。此外,本文采用的方法可以較為準(zhǔn)確地模擬不同力學(xué)環(huán)境下三維脛骨近端內(nèi)部結(jié)構(gòu),有助于更好地理解OA的發(fā)病機(jī)制,還可以為OA的早期預(yù)防與診斷提供理論依據(jù),是進(jìn)一步研究全膝關(guān)節(jié)置換后假體周圍骨吸收的基礎(chǔ),并為假體的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。第二部分,探索女性由于老齡和絕經(jīng)導(dǎo)致骨量和松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的變化。采用細(xì)觀水平定量骨重建理論與有限元法相結(jié)合,模擬6種不同工況下三維松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)的變化,同時(shí)計(jì)算松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。這6種工況包括:(1)板狀松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)的形成;(2)桿狀松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)的形成;(3)載荷方向發(fā)生變化;(4)骨小梁斷裂后結(jié)構(gòu)變化模擬;(5)板狀結(jié)構(gòu)退化穿孔;(6)女性老齡化過程中松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明,活動(dòng)量減小48.48%導(dǎo)致松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)形態(tài)參數(shù)骨體積分?jǐn)?shù)(Bone volume fraction,BV/TV)、骨小梁厚度(Trabecular bone thickness,Tb.Th)分別減小52.44%和55.79%,而骨小梁分離度(Trabecular bone separation,Tb.Sp)增大2倍,此時(shí)結(jié)構(gòu)表觀彈性模量和表觀屈服強(qiáng)度分別降低了70.37%和74.09%。當(dāng)發(fā)生微損傷時(shí),松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)形態(tài)參數(shù)和表觀彈性模量并未發(fā)生明顯變化和降低,但是當(dāng)力學(xué)激勵(lì)閾值提高16.67%時(shí),表觀屈服強(qiáng)度降低了13.86%。對(duì)于女性,在40歲到60歲的20年時(shí)間里,由于絕經(jīng)和老齡的共同作用,其松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)形態(tài)參數(shù)BV/TV和Tb.Th分別減小了14.00%和23.96%,而Tb.Sp則增大了23.16%,此時(shí)表觀彈性模量和表觀屈服強(qiáng)度分別降低了24.92%和25.23%�？梢�,老齡導(dǎo)致了骨量流失,而雌激素缺乏加速了與老齡有關(guān)的骨流失,與此同時(shí),松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)退化,松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大降低,從而增加了骨折的風(fēng)險(xiǎn)。本研究模擬了由力學(xué)因素和生物學(xué)因素共同作用導(dǎo)致的松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)變化,并對(duì)這種變化進(jìn)行定量分析,可以為臨床上預(yù)防和治療由于老齡和絕經(jīng)導(dǎo)致的骨量流失提供理論依據(jù),及為其他骨疾病如廢用導(dǎo)致的OP的治療提供幫助。第三部分,深入探索不同水平力學(xué)激勵(lì)對(duì)生長(zhǎng)期骨骼不同尺度屬性的影響,將96只1月齡雌性Wistar大鼠隨機(jī)分為對(duì)照組、負(fù)重12%組、負(fù)重19%組、負(fù)重26%組、跑步運(yùn)動(dòng)組、負(fù)重12%跑步運(yùn)動(dòng)組、負(fù)重19%跑步運(yùn)動(dòng)組、負(fù)重26%跑步運(yùn)動(dòng)組。對(duì)其進(jìn)行中等強(qiáng)度的跑步運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,速度為12 m/min,15 min/天,7天/周。8周實(shí)驗(yàn)后處死,取血液離心后獲得血清檢測(cè)其堿性磷酸酶和抗酒石酸酸性磷酸酶,評(píng)估其成骨和破骨細(xì)胞活性;取大鼠股骨進(jìn)行多尺度實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)股骨干皮質(zhì)骨進(jìn)行三點(diǎn)彎曲力學(xué)試驗(yàn)、微型計(jì)算機(jī)斷層掃描(Micro-computed tomography,Micro-CT)、納米壓痕測(cè)試、化學(xué)成分分析及掃描電鏡觀測(cè),對(duì)皮質(zhì)骨宏觀力學(xué)性能、三維微觀結(jié)構(gòu)、納觀力學(xué)性能、鈣、磷含量及股骨干皮質(zhì)骨橫向斷裂面微觀形貌進(jìn)行檢測(cè)和觀察;對(duì)股骨頭松質(zhì)骨進(jìn)行Micro-CT掃描、熒光測(cè)試和納米壓痕力學(xué)測(cè)試,評(píng)估其三維微觀結(jié)構(gòu)、骨礦化沉積率和骨形成速率,及納觀力學(xué)性能。結(jié)果表明,在生長(zhǎng)期進(jìn)行負(fù)重和負(fù)重跑步運(yùn)動(dòng)未能顯著增大雌性大鼠皮質(zhì)骨密度和松質(zhì)骨密度;低水平負(fù)重跑步運(yùn)動(dòng)能夠顯著改善松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu);負(fù)重為中等和高水平時(shí),尚未發(fā)現(xiàn)跑步運(yùn)動(dòng)對(duì)松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)有積極作用,且無論是否進(jìn)行跑步運(yùn)動(dòng),松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)退化程度都隨負(fù)重水平增加而增加。皮質(zhì)骨各個(gè)尺度性能均發(fā)生變化,雖然負(fù)重和負(fù)重跑步運(yùn)動(dòng)未顯著增加股骨宏觀強(qiáng)度,但在微觀尺度,無負(fù)重跑步運(yùn)動(dòng)組(ex組)、低水平負(fù)重組(eb12組和wb12組)和中等水平負(fù)重組(eb19組和wb19組)顯著改善了皮質(zhì)骨橫向斷裂面膠原纖維排列;在納觀尺度,低水平負(fù)重跑步運(yùn)動(dòng)組(eb12組)和中等水平負(fù)重跑步運(yùn)動(dòng)組(eb19組)顯著改善了皮質(zhì)骨納觀材料力學(xué)性能。本研究結(jié)果有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)生長(zhǎng)期大鼠骨骼在不同尺度的變化,可以為人類在青少年期進(jìn)行合理鍛煉以提高骨質(zhì)量提供理論指導(dǎo)。
[Abstract]:Bone mineral density ( BMD ) and bone morphogenetic protein ( BMD ) were analyzed quantitatively by using quantitative bone reconstruction theory and finite element method . The results showed that the bone volume fraction ( BV / TV ) , bone volume fraction ( BV / TV ) and trabecular thickness ( Tb . Th ) decreased by 52.44 % and 55.79 % respectively . In this paper , the effects of mechanical and biological factors on bone loss in aged and postmenopausal women were studied . The effects of running motion on the microstructure of cancellous bone have not been found , and the degree of micro - structural deterioration of cancellous bone is increased with the increase of the weight of the cortical bone , regardless of whether the running motion is performed or not .

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：R68;O241.82

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本文編號(hào)：1711211