胫骨上端外部形状及内部结构的模拟

目的，进行胫骨上端内部结构和外部形状的模拟。方法，采用高阶非线性骨再造速率方程和有限元方法相结合，引入拓扑优化的思想，选取大于模拟的胫骨上端外形的模拟域，从不固定外形出发，对正常力学环境下的胫骨上端内部结构及外部形状进行模拟。结果，模拟的胫骨上端的外部形状和内部结构与真实结构十分接近。     

椎体结构及其生长过程模拟

目前,关于骨自优化,或称自适应的定量描述,只有线性的骨再造速率方程,用它与有限元相结合去预测骨结构,仅限于在实测骨的外部几何形状基础上,预测其内部组织结构.至于骨的外部几何形状的模拟预测未见报道.本文的目的是利用骨自优化理论完成椎体的外部几何形状、内部组织结构及生长过程的模拟.采用了一种新的高阶非线性骨再造速率方程与有限元相结合,引入工程拓扑优化思想,从不确定的外形出发进行模拟;并且实测了人第三腰椎椎体冠状面的外部几何形状及内部组织结构.预测的结果在外部几何形状和内部组织结构上与实测相一致.外形上老年期比年轻期椎体具有更向内凹的腰鼓形,小梁骨主要沿主应力即垂直方向排列,只不过,老年期更疏松.是否可以说,采用这种自优化方程与有限元相结合,引入拓扑优化思想,不但能模拟预测骨的外部几何形状和内部组织结构,而且可以模拟其生长过程.尤其值得强调的是实现了外部几何形状的模拟,只有这样才能得以实现生长过程的模拟预测.     

C2～7颈椎振动特性的有限元分析

目的研究正常C2～7颈椎有限元模型的振动特性和颈椎小关节不同程度受损及切除的振动特性变化。方法基于颈椎CT扫描影像,建立正常C2～7颈椎有限元模型并验证有效性,提取前10阶固有频率和振型。颈椎小关节分别为无约束、有约束且摩擦系数分别为0.01、0.1和0.2,模拟颈椎小关节切除以及小关节轻度、中度、重度受损,研究颈椎受损程度不同对固有频率的影响。结果正常C2～7颈椎模型最低固有频率出现在后伸、侧弯振型,约为12Hz,大位移主要出现在寰椎齿凸。小关节有约束模型的固有频率高于无约束模型,小关节摩擦系数不同对颈椎固有频率无影响。结论研究颈椎的固有频率、振型和振幅等参数,是进一步研究颈椎动态特性的基础,对颈椎护理和治疗有重要意义。在生活和颈椎治疗中,应尽量避开12Hz环境,防止共振对颈椎造成大的损伤。     

正常和膝外翻情况下胫骨近端内部结构模拟

目的模拟正常和膝外翻时胫骨近端的内部结构。方法采用定量骨重建理论与有限元法相结合,对正常力学环境下胫骨近端的内部结构进行模拟,然后以此结构为初始模型,根据膝外翻情况下胫骨平台压力分布的改变规律,合力的作用点在胫骨外侧平台上,模拟膝外翻后胫骨近端内部结构。结果模拟得到的骨密度分布与真实胫骨进行对比,无论是正常力学环境下还是膝外翻情况下,都与实际非常吻合。结论本研究所采用的方法与载荷的分布方式能够正确地模拟预测胫骨近端内部结构,是进一步研究全膝关节置换术后假体周围骨重建行为的基础。     

镁基植入体植入兔股骨后周围骨微结构变化趋势

目的研究镁基植入体植入兔股骨不同时间点周围骨微结构参数的变化规律。方法将直径2 mm、长7 mm有螺纹及无螺纹的高纯镁(99.99 wt.%)钉植入兔股骨髁,对照组为钻孔组及健康组。在术后8、12、16周进行Micro-CT扫描和分析,得到各组微结构参数,包括:骨质密度(BMD)、骨体积分数(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁数量(Tb.N)、骨小梁分离度(Tb.Sp)。结果 8周时无螺纹镁钉组BMD、BV/TV显著高于健康组,Tb.N显著高于钻孔组与健康组,Tb.Sp显著低于健康组;12周时有螺纹镁钉组BMD、BV/TV、Tb.N显著高于钻孔组与健康组,Tb.Th显著高于健康者,Tb.Sp显著低于钻孔组与健康组;16周时无螺纹镁钉组的BMD、BV/TV、Tb.N显著高于钻孔组与健康组,Tb.Sp显著低于钻孔组与健康组。结论镁基植入体促使周围骨组织的BMD、BV/TV、Tb.Th、Tb.N更高,Tb.Sp更低,说明其骨整合与骨生长状况良好,镁基植入体能有效促进骨再生。研究结果为镁基植入体的骨科临床应用提供理论依据。     

正常人股骨近端生物力学性能的区域性分析

目的 分析股骨近端不同区域松质骨的显微结构及生物力学性能的差异性,为合理设计金属置人物提供力学参考.方法 取7个新鲜正常人体股骨近端标本,进行Micro-CT扫描,分别对股骨头、股骨颈、粗隆间的骨小梁的结构参数进行分析,并结合大型有限元三维有限元对比分析各区域在主要受力方向上的生物力学性能.结果 股骨头部的骨密度、骨矿含量、骨小梁密度、骨小梁数目明显高于股骨颈及粗隆间,差异有统计学意义(P＜0.05),股骨颈与粗隆间相比则差异无统计学意义(P＞0.05).结论 股骨近端不同区域的松质骨的显微结构及生物力学性能存在差异性,提示现有股骨近端金属置人物可能存在生物力学上的缺陷.     

椎体内固定技术发展

对近年来椎体内固定的发展状况及实验现状进行了综述,着重介绍了几种常见的经椎弓根椎体内固定系统及椎弓根螺钉的植入对椎体骨组织的影响,它包括3个方面,分别是邻近节段运动的改变、邻近椎体骨密度变化、融合相邻节段发生退变。可为今后设计优化椎体内固定器械及相关实验研究提供参考。     

多尺度分析骨质疏松大鼠骨微结构变化

目的 多尺度分析骨质疏松大鼠的骨微结构变化。 方法 20只5月龄雌性SD大鼠随机选取12只实施双侧去卵巢(ovariectomy, OVX)手术,术后 8 周形成骨质疏松大鼠模型,另外 8 只作为假手术( SHAM) 对照组。 利用Micro-CT 和 SR-Nano-CT 定量分析骨质疏松大鼠在组织尺度下皮质骨和松质骨以及细胞尺度下骨细胞、骨陷窝小管和细胞外基质的微结构变化。 结果 组织尺度下,OVX 组皮质骨的截面积较 SHAM 组显著增大(P<0. 05),皮质骨骨密度和厚度较 SHAM 组虽有变化,但不显著;OVX 组骨小梁的骨密度、体积分数、厚度和骨小梁数量较 SHAM组显著降低(P<0. 01),骨小梁分离度显著增加(P<0. 01)。 细胞尺度下,OVX 组骨陷窝半轴长较 SHAM 组没有显 著差异,但 OVX 组骨陷窝厚度和骨小管直径较 SHAM 组显著增大(P<0. 05);同时,细胞尺度下 OVX 组皮质骨孔隙率较 SHAM 组显著增大(P<0. 05)。 结论 OVX 大鼠骨在组织和细胞尺度出现不同程度的微结构变化。 其中,组织尺度主要是松质骨丢失,皮质骨变化不大;细胞尺度骨陷窝小管网络孔隙显著增大,将直接影响皮质骨骨密度和强度。 多尺度分析骨质疏松大鼠骨微结构变化对于骨质疏松症的临床诊断及病理分析有潜在的应用价值。     

腰椎椎体有限元建模的最优单元尺寸和材料属性分布及建模方法

目的研究人体腰椎椎体有限元建模中有限元的单元尺寸和类型、松质骨材料属性分配方式以及皮质骨结构模拟方法对有限元结果的影响。方法基于定量CT扫描人体腰椎的影像,采用6种不同的单元尺寸(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm)、2种松质骨材料属性分配方法、2种松质骨非均匀材料属性分配梯度(150、300)、2种皮质骨结构建模方法,建立22个去除后部结构的腰椎L2段椎体有限元模型,计算获得22个有限元模型的最大位移、应变能、平均应力、轴向刚度,并对这些结果进行统计分析和验证。结果单元尺寸为0.5 mm时,10、150、300三种非均匀材料属性分配梯度下,模型的轴向刚度值出现明显差异;不同单元尺寸下,松质骨在150种非均匀材料属性分配梯度下,模型的平均应力波动变化平缓;利用最外层六面体单元模拟皮质骨结构方法,其平均应力大于利用在最外层添加蒙皮(skin)模拟皮质骨结构方法。结论在进行腰椎椎体有限元建模时,选取0.5 mm尺寸的六面体单元、为椎体松质骨分配150种非均匀材料属性、利用最外层六面体单元模拟椎体皮质骨结构的建模方法,建立的有限元模型更加合理和有效。研究结果为后续大批量、个体化腰椎椎体模型的建立奠定基础。