【摘要】：骨骼組織在整個生命周期內是不斷適應變化的,其結構和形態(tài)都受到力學因素的影響和調控。當周圍的力學環(huán)境發(fā)生變化時,骨骼的組織成分、內部結構、彈性模量、密度等也會發(fā)生相應的變化,以便以最優(yōu)的結構形式承載,適應新的環(huán)境,骨的這種自適應調整過程被稱為骨重建。在空間失重環(huán)境中,由于作用于人體脊椎骨、腿骨等承重骨的壓力驟減,同時隨著肌肉的運動減少以及肌肉的萎縮導致肌肉力的降低,使得骨骼受到的力學刺激減弱,發(fā)生骨廢用性重建,導致骨量丟失和骨力學性能的惡化,從而影響航天員的身體健康及作業(yè)能力。建立骨重建數值模擬模型,結合有限元方法對骨適應性重建過程進行數值仿真,能夠模擬和預測骨骼密度與結構的變化。因此研究失重環(huán)境下的骨重建數值模擬具有重要的學術意義和應用價值。本研究基于骨力學穩(wěn)態(tài)理論,建立了骨重建數值模擬的數學模型,利用有限元分析軟件ANSYS進行程序的二次開發(fā)以實現骨重建的數值仿真。首先基于CT掃描數據建立了股骨近端的二維及三維有限元模型,并對提出的骨重建算法進行了驗證和參數討論;再對臥床實驗中骨密度變化過程進行了模擬仿真,與實際45天-6°頭低位臥床實驗中測得的數據進行比較;最后對空間失重環(huán)境下的骨丟失重建過程及重新回到地球重力場后骨恢復過程進行數值模擬,并對失重環(huán)境下重建速率的時間相關性進行了探討,還模擬了不同載荷刺激量的骨丟失過程,研究增加載荷對骨丟失現象的改善作用。研究結果表明,本文提出設計的骨重建數學模型及數值仿真程序能有效地模擬因力學環(huán)境改變而引起的骨重建過程,并且采用等效應力作為重建力學激勵時得到與真實CT數據最為相似的模擬結果。對臥床以及空間失重造成的骨丟失重建的模擬結果與實驗數據及文獻數據都非常吻合,且調整骨重建速率值可使模擬得骨密度變化趨勢更符合實際骨重建過程。通過模擬增加不同程度的載荷刺激量對骨重建的影響,能夠為宇航員長期空間飛行的骨丟失預防鍛煉措施的制定提供驗證方法和理論依據。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：R852.22

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本文編號：2788382