胞元模型在骨组织建模中的应用及评价.pdfVIP

学兔兔 第5l卷第 11期 机 械 工 程 学 报 v01．5l NO．11 2015 年 6 月 JOURNALOFMECHANICALENGINEER N【G Jun． 2O 15 DoI：10．3901／JME．2015．11．142 胞元模型在骨组织建模中的应用及评价水 王沫楠 (哈尔滨理工大学机器人研究所 哈尔滨 150080) 摘要：针对去软组织骨生物力学建模问题，采用有限元仿真手段通过股骨CT体数据集三维几何重建、网格划分、股骨表观 密度计算、有限元单元横观各项同性力学模型建立、力学参数确定等几个步骤实现对股骨的力学建模和解算。其中，最关键 的工作是力学参数确定，尤其是弹性模量和表观密度关系式的建立。依据胞元理论建立了弹性模量和表观密度的分段函数关 系，最终获得股骨力学模型并通过仿真计算得到载荷．轴向应变和载荷．横向应变数据。同时，也基于弹性模量和表观密度经 验关系式建立力学模型并进行分析计算提取仿真结果，通过实施生物力学试验提取试验结果，将两种仿真结果与试验结果对 比得出：同一块猪股骨，在相同力学环境下，胞元理论力学模型与试验结果轴向应变误差为25．92，横向应变误差为 10．04， 两种误差均小于经验公式力学模型仿真结果误差，因此，胞元理论力学模型在股骨建模中表现出模型更精确、适用范围更广 泛的优势。 关键词：胞元理论；经验公式；骨组织建模；生物力学；模型评价 中图分类号：TB12：R318 M odelingandEvaluationtoBoneTissueBasedonCellularM odel W NG Monan (RoboticsInstitute，HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150080) Abstract：Aimedtomodelmgbonebiomechanicsremovedfrom softtissue，modelisanalyzedbyusingfiniteelementmethod．The processoffresh swinethighbonebiomechanicalmodeling include3D geometryreconstruction offemoralCT imagedata，grid， determination ofapparentdensity,transverse isotropicmechna icalmodeling of finite elemem na d praam~er selection of biomechnaicalmode1．Praametersselectingisthekeyworkinthisprocess．Specially,relationalmodelbetweenelasticmodulusnad appraentdensiyt ishtemostimportantstep．Adefinedfunctionmodelbewteenelasticmodulusnad~praem densiyt isdeveloped basedoncellulra theory．Thenload--axialsrtainandload-·lateralstraindataalegotrfom mechanicalmodelanalysisresultsoffemur． Finiteelementnaalysisresultsrfom emp~cMformulaofelasticmodulusandappraentdensiyt alsoraegotandbiomechnaicaltest dataarerecorde