失重环境下骨重建数值模拟的理论与方法研究-机械工程专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文《失重环境下骨重建数值模拟 的理论与方法研究》，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 必威体育官网网址□，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不必威体育官网网址□。 （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学硕士学位论文 失重环境下骨重建数值模拟的理论与方法研究 摘 要 骨骼组织在整个生命周期内是不断适应变化的，其结构和形态都 受到力学因素的影响和调控。当周围的力学环境发生变化时，骨骼的 组织成分、内部结构、弹性模量、密度等也会发生相应的变化，以便 以最优的结构形式承载，适应新的环境，骨的这种自适应调整过程被 称为骨重建。在空间失重环境中，由于作用于人体脊椎骨、腿骨等承 重骨的压力骤减，同时随着肌肉的运动减少以及肌肉的萎缩导致肌肉 力的降低，使得骨骼受到的力学刺激减弱，发生骨废用性重建，导致 骨量丢失和骨力学性能的恶化，从而影响航天员的身体健康及作业能 力。建立骨重建数值模拟模型，结合有限元方法对骨适应性重建过程 进行数值仿真，能够模拟和预测骨骼密度与结构的变化。因此研究失 重环境下的骨重建数值模拟具有重要的学术意义和应用价值。 本研究基于骨力学稳态理论，建立了骨重建数值模拟的数学模型， 利用有限元分析软件 ANSYS 进行程序的二次开发以实现骨重建的数 值仿真。首先基于 CT 扫描数据建立了股骨近端的二维及三维有限元模 型，并对提出的骨重建算法进行了验证和参数讨论；再对卧床实验中 骨密度变化过程进行了模拟仿真，与实际 45 天-6°头低位卧床实验中 测得的数据进行比较；最后对空间失重环境下的骨丢失重建过程及重 新回到地球重力场后骨恢复过程进行数值模拟，并对失重环境下重建 速率的时间相关性进行了探讨，还模拟了不同载荷刺激量的骨丢失过 程，研究增加载荷对骨丢失现象的改善作用。 研究结果表明，本文提出设计的骨重建数学模型及数值仿真程序 I 摘要 摘要 能有效地模拟因力学环境改变而引起的骨重建过程，并且采用等效应 力作为重建力学激励时得到与真实 CT 数据最为相似的模拟结果。对卧 床以及空间失重造成的骨丢失重建的模拟结果与实验数据及文献数据 都非常吻合，且调整骨重建速率值可使模拟得骨密度变化趋势更符合 实际骨重建过程。通过模拟增加不同程度的载荷刺激量对骨重建的影 响，能够为宇航员长期空间飞行的骨丢失预防锻炼措施的制定提供验 证方法和理论依据。 关键词：数值模拟、卧床实验、有限元法、股骨近端、骨重建、失重 II 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学硕士学位论文 STUDY OF THEORY AND METHOD FOR NUMERICAL SIMULATION OF BONE REMODELING IN WEIGHTLESSNESS ABSTRACT Bone is an evolving tissue that is active throughout the whole life. Bone changes its shape and mechanical properties as a response to the mechanical environment. This adaptive behavior is known as adaptive bone remodeling and consists of deposition and resorption of bone material, causing internal density and modulus changes in bone microstructure. During space flight, there’s a reduced load on astronauts’ bones due to weightlessness. This lessened load can shift the bone resorp