题名 | 松质骨力学性能预测多尺度模型与力学等效仿真骨研制 |
作者 | 王君 |
答辩日期 | 2023-05 |
文献子类 | 博士 |
授予单位 | 中国科学院大学 |
授予地点 | 北京 |
导师 | 郇勇 |
关键词 | 松质骨 多尺度模型 生物力学 仿真骨 力学等效 |
其他题名 | Multi-scale model for predicting mechanical properties of cancellous bone and development of mechanical equivalent simulated bone |
学位专业 | 固体力学 |
英文摘要 | 随着我国人口老龄化的加剧,骨质疏松症已成为影响公众健康的重要因素之一。对于骨折后的骨质疏松患者,一旦手术方案规划不当,则将导致手术失败,且难以翻修。使用仿真骨进行术前规划是提高手术成功率的重要手段。目前市面上应用最广泛的仿真骨为国外合成骨。研究表明,该产品的皮质骨材料在力学性能上与人体皮质骨相当,但其内部填充的用于模拟松质骨的聚氨酯泡沫是均匀密度且各向同性的,而真实松质骨具有密度梯度变化及各向异性特点。另外,其形态参数及骨质特点与中国人骨骼有较大差距,且不便于制作骨折模型,因此在临床中的应用具有一定的局限性。完成力学等效仿真骨的研制,首先要对骨的力学性能进行精准预测。临床上往往通过骨密度来预测骨的力学性能。但研究表明,无论是作为金标准的双能X射线还是定量CT立体骨密度测定,其检测结果与临床表现中的骨折风险并不一致,在一定程度上反映了骨密度并不能直接代表骨力学性能的好坏。骨是多尺度生物材料,内部松质骨结构复杂。除体积分数(对应骨密度)外,其微结构特点也是宏观力学性能的重要度量之一。显微CT成像可以获得松质骨的微结构信息。以往研究中也曾对松质骨微结构特点与宏观力学性能间的关系进行了相关研究,但因其辐射剂量大,无法直接应用于临床。因此,如何既能考虑松质骨的微结构特点,又在人体安全的情况下准确预测松质骨的力学性能,并研制适合中国人的力学等效仿真骨是亟待解决的问题。 针对以上问题,本文建立了一种预测松质骨力学性能的多尺度模型,并以此为基础,进行力学等效仿真骨的研制。主要研究内容及结论如下:
综上所述,本文所建立的松质骨力学性能预测多尺度模型较传统方法可以更为准确的预测松质骨的宏观弹性模量、屈服强度,可为临床骨折风险预测、骨科虚拟诊疗提供依据。另一方面,本文研制的力学等效仿真骨因其在整体力学性能、断裂载荷、局部松质骨力学响应、骨周围应变分布等方面均表现出良好的力学等效性,且较国外合成骨更贴合中国人骨型,可以替代进口产品作为骨科术前规划及科研实验的通用耗材。 |
语种 | 中文 |
内容类型 | 学位论文 |
源URL | [http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/92317] |
专题 | 力学研究所_非线性力学国家重点实验室 |
推荐引用方式 GB/T 7714 | 王君. 松质骨力学性能预测多尺度模型与力学等效仿真骨研制[D]. 北京. 中国科学院大学. 2023. |
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