常見步態(tài)下人體股骨力學(xué)特性的數(shù)值模擬及其分布規(guī)律研究.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著社會(huì)健康保障的進(jìn)步、人民生活質(zhì)量的提高和人類壽命的延長，老齡人口的骨質(zhì)疏松、骨折等疾病越來越受到關(guān)注，其中，骨折的預(yù)防和加快骨折后的愈合是目前的棘手問題。骨骼作為一種有生命的材料，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)除了受遺傳和激素的影響外，還受作用于骨骼上的載荷的控制，合理的應(yīng)力刺激有助于骨折愈合。為了有效認(rèn)識(shí)股骨骨折和骨折愈合的機(jī)理，本文研究人體股骨的數(shù)值模擬方法，計(jì)算和分析在五種常見步態(tài)下股骨的力學(xué)特性及應(yīng)力分布規(guī)律；探討

2、哪些動(dòng)作步態(tài)能適當(dāng)刺激骨組織生長，這樣可以經(jīng)常鍛煉這些動(dòng)作，提高骨組織強(qiáng)度。本文完成的研究工作與主要成果包括：
　　 1.建立了人體股骨的精確三維有限元模型。人體股骨這類復(fù)雜生物體，外形復(fù)雜、彎曲多變，難以用常規(guī)的方法建立有限元模型；骨組織具有非均勻的材料特性，且不同特性材料之間的分界面難以確定，以往采用近似的單一材料特性，或者簡(jiǎn)單分為松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨，與實(shí)際情況相差太大，這些問題一直以來都是阻礙生物力學(xué)發(fā)展的因素之一。本文選取志

3、愿者活體股骨進(jìn)行CT斷層數(shù)據(jù)掃描，利用逆向工程方法，建立了股骨實(shí)體的三維幾何模型，進(jìn)而導(dǎo)入有限元軟件建立股骨的三維有限元模型；采用基于CT斷層掃描數(shù)據(jù)圖像的灰度值分布進(jìn)行非均勻材料特性的離散賦值，模擬了骨組織真實(shí)的非均勻材料分布情況。因此，本文建立的股骨三維有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬股骨生物體的真實(shí)形態(tài)和物態(tài)，做到了幾何外形相似、單元?jiǎng)澐趾侠?、材料屬性?zhǔn)確。
　　 2.模擬了五種常見步態(tài)下人體股骨的載荷工況。以日常生活中五種常見步態(tài)

4、（步行、下蹲、單腿站立、前后弓步、左右弓步）為研究對(duì)象，模擬人體股骨所受到的關(guān)節(jié)力和肌肉力，得出股骨在這五種常見步態(tài)下的精確的載荷狀態(tài)。以往的研究大都忽略肌肉力，只考慮關(guān)節(jié)力，或者施加假定的荷載，使得計(jì)算中施加的載荷不能反映股骨真實(shí)的受力狀態(tài)。本文的方法是，通過三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，建立五種步態(tài)的動(dòng)力學(xué)模型，使用LIFEMOD軟件模擬計(jì)算股骨受到的關(guān)節(jié)力和肌肉力。這樣得到的是綜合關(guān)節(jié)、肌肉對(duì)骨骼作用的力學(xué)系統(tǒng)，模擬了真實(shí)的載荷環(huán)境。

5、　　 3.分析了16種工況下股骨的力學(xué)特性分布規(guī)律。以日常生活中五種步態(tài)為研究對(duì)象，選取五種步態(tài)的動(dòng)作過程中的16個(gè)典型時(shí)刻，分別計(jì)算分析了這16種工況下股骨的力學(xué)特性和應(yīng)力分布規(guī)律。分析結(jié)果表明：對(duì)于人體股骨來說，股骨頸處的壓力骨小梁、張力骨小梁和股骨干內(nèi)側(cè)、外側(cè)中下段是主要的承重結(jié)構(gòu)，也是應(yīng)力集中處，并且也是最容易發(fā)生破壞、斷裂的部位。
　　 4.基于數(shù)值模擬結(jié)果提出了合理的健康鍛煉步態(tài)?；诒疚挠邢拊獢?shù)值模擬結(jié)果，提出合