【摘要】：骨骼組織在整個生命周期內(nèi)是不斷適應(yīng)變化的,其結(jié)構(gòu)和形態(tài)都受到力學(xué)因素的影響和調(diào)控。當(dāng)周圍的力學(xué)環(huán)境發(fā)生變化時,骨骼的組織成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、彈性模量、密度等也會發(fā)生相應(yīng)的變化,以便以最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式承載,適應(yīng)新的環(huán)境,骨的這種自適應(yīng)調(diào)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(yùn)動減少以及肌肉的萎縮導(dǎo)致肌肉力的降低,使得骨骼受到的力學(xué)刺激減弱,發(fā)生骨廢用性重建,導(dǎo)致骨量丟失和骨力學(xué)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(shù)值模擬模型,結(jié)合有限元方法對骨適應(yīng)性重建過程進(jìn)行數(shù)值仿真,能夠模擬和預(yù)測骨骼密度與結(jié)構(gòu)的變化。因此研究失重環(huán)境下的骨重建數(shù)值模擬具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。本研究基于骨力學(xué)穩(wěn)態(tài)理論,建立了骨重建數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型,利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行程序的二次開發(fā)以實(shí)現(xiàn)骨重建的數(shù)值仿真。首先基于CT掃描數(shù)據(jù)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(jìn)行了驗(yàn)證和參數(shù)討論;再對臥床實(shí)驗(yàn)中骨密度變化過程進(jìn)行了模擬仿真,與實(shí)際45天-6°頭低位臥床實(shí)驗(yàn)中測得的數(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并對失重環(huán)境下重建速率的時間相關(guān)性進(jìn)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(xiàn)象的改善作用。研究結(jié)果表明,本文提出設(shè)計(jì)的骨重建數(shù)學(xué)模型及數(shù)值仿真程序能有效地模擬因力學(xué)環(huán)境改變而引起的骨重建過程,并且采用等效應(yīng)力作為重建力學(xué)激勵時得到與真實(shí)CT數(shù)據(jù)最為相似的模擬結(jié)果。對臥床以及空間失重造成的骨丟失重建的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)都非常吻合,且調(diào)整骨重建速率值可使模擬得骨密度變化趨勢更符合實(shí)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?yàn)橛詈絾T長期空間飛行的骨丟失預(yù)防鍛煉措施的制定提供驗(yàn)證方法和理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R852.22

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本文編號：2788382