失重環(huán)境下骨重建數(shù)值模擬的理論與方法研究.pdf

1、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)都受到力學因素的影響和調(diào)控。當周圍的力學環(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，同時隨著肌肉的運動減少以及肌肉的萎縮導致肌肉力的降低，使得骨骼受到的力學刺激減弱，發(fā)生骨廢用性重建，導致骨量丟失和骨力學性能的惡

2、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術(shù)意義和應(yīng)用價值。
　　本研究基于骨力學穩(wěn)態(tài)理論，建立了骨重建數(shù)值模擬的數(shù)學模型，利用有限元分析軟件 ANSYS進行程序的二次開發(fā)以實現(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行了驗證

3、和參數(shù)討論；再對臥床實驗中骨密度變化過程進行了模擬仿真，與實際45天-6°頭低位臥床實驗中測得的數(shù)據(jù)進行比較；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)計的骨重建數(shù)學模型及數(shù)值仿真程序能有效地模擬因力學環(huán)境改變而引起的骨重建過程，并且采用等效應(yīng)力