不同运动模式下人体股骨应变能密度影响促骨生成效应的数值计算研究

目的研究不同运动环境下,结合骨重建理论计算不同力学刺激下骨密度和骨强度变化趋势,建立运动促进骨质健康的无创监测和预测方法。方法基于应变能密度准则和骨自优化理论,编写骨重建算法。结合股骨近端有限元模型和骨重建算法,对静止站立、行走、跑步、深蹲、原地起跳和深蹲起跳6种运动的人体生理载荷和边界条件进行模拟,通过迭代计算得到骨密度分布,预测骨组织在不同运动力学刺激下的结构适应性变化。结果不同力学刺激对松质骨生长的影响不尽相同。行走和深蹲中髋臼、股骨颈的骨密度分布均匀,重建效果较好,与真实松质骨结构相近,应力的增长与密度的生长与骨局部区域所受到力学刺激密切相关。跑步和跳跃类的运动提供了更大负荷和更高频率,能在较短时间内增强骨结构强度,但存在骨应力性损伤风险。深蹲起跳结合静态和动态负荷,使股骨近端承受压力同时受到冲击力的刺激,综合负荷运动对股骨干的刺激显著,同时能增强下肢肌肉力量和协调性。结论本研究通过数值计算证实行走和深蹲适合长期维持骨骼健康,高冲击运动适合骨骼快速生长及需应对高强度负载的人群。提出的骨重建迭代算法对骨密度无创监测和预测,有望为运动促骨健康理论提供技术支撑。

下肢肌骨系统增强训练技术的生物力学优化研究

目的胫骨是下肢应力性骨折的高发部位之一。Wolff's law提出骨因力学刺激而发生结构适应性改变。研究表明,日常活动对骨影响有限,但特定负重、冲击训练可造成不同程度应变刺激而具备促骨生成效应。本研究旨在构建个性化肌骨动力学和形变体计算力学模型,对比不同负重运动训练对胫骨应力应变影响。方法将下肢动力学模型与胫骨有限元模型结合,计算不同负重运动下胫骨骨干处应变能。肌骨动力学、有限元模型均基于计算机断层扫描图像(CT)建立。有限元模型中,骨材料属性赋值基于CT Hounsfield值,结合Modulus-density关系确立;边界条件由肌骨动力学模型加载,并进行刚柔耦合力学分析。运动训练包括:快走(基线),大腿负重2%BW(Body Weight)、4%BW、6%BW快走,小腿2%BW、4%BW、6%BW快走,大腿2%BW、4%BW、6%BW深蹲,小腿2%BW、4%BW、6%BW深蹲,起跳,落地。结果胫骨应变能增幅取决于负重重量、位置、运动类型。在大腿/小腿负重快走、小腿负重深蹲中,应变能增幅显著的均为4%BW负重;所有运动起跳应变能增幅最大达548.8%;相同负重深蹲应变能大于行走。结论本研究构建的个性化肌骨系统计算力学模型更符合人体生理条件预测,对比不同运动对胫骨应变刺激的差异。本研究对易发生下肢损伤的人群,为强化其骨强度开展训练提供科学依据。

空心钉与锁定钢板治疗股骨颈骨折的振动特性

目的探讨股骨颈骨折术后植入空心钉及钢板后,髋关节固有和约束模态对内固定的影响。方法对1名股骨颈骨折患者CT图像数据进行分析,提取髋关节边界生成髋关节三维模型,并建立常用内固定模型与髋关节模型装配,进行有限元仿真,重点分析振动特性。结果振动对空心钉、钢板的内固定稳定性有一定影响,扭转的发生将破坏空心钉、钢板的固定环境,在骨折断端产生微小位移;在约束状态下,模态频率范围较低,振型的变形多发生在股骨头近端处,导致内固定以及假体发生松动的现象。从振动特性角度提出一种评判内固定稳定性的方法,发现空心钉内固定的稳定性优于近端锁定钢板。结论选用内固定时需要考虑螺钉、钢板固有频率的影响,避免与股骨的固有频率相近,导致谐振的产生。研究结果对指导内固定材料的选用和结构、排列的设计具有一定借鉴作用。