不同力学激励对骨重建数值模拟的影响

目的研究采用应变能密度、等效应力、等效应变3种不同力学激励对骨重建数值模拟结果的影响。方法建立股骨近端的二维有限元模型,基于力学稳态理论的重建控制方程并结合有限元法,分别用3种不同力学激励模拟股骨近端的内部结构及密度分布,并与CT数据计算得到的骨密度值进行定量分析比较。结果 3种力学激励模拟得到的重建结果均能反映出股骨近端的主要特征结构,但采用等效应力作为激励时得到的股骨密度曲线图的趋势和数值都与CT图像数据更为一致。结论在骨重建力学调控机制中,应力可能起主导作用。准确预测和模拟骨重建过程将对矫形外科、骨伤治疗、人工假体的优化和个体化设计等临床实践提供理论依据。

骨功能适应性重建模型及数值模拟

骨骼会受到力学因素的影响和调控,发生骨功能适应性重建。建立模拟骨重建的数值模型,定量地研究骨重建过程,有着重要的临床应用价值。目前,骨功能适应性重建模型可分为两大类:力学模型和生理模型。对这两类重建模型的原理、算法和应用等做详细论述。力学模型通过假设力学环境与骨结构之间的函数关系来预测骨重建,但不考虑其真实的生物学过程。基于不同的重建激励主要有两种力学模型:骨力学稳态模型和骨损伤修复模型。生理模型则试图从微观层次阐明骨重建的力学-生物学机制,骨重建是由破骨细胞、成骨细胞等各种骨组织细胞完成,有以基本多细胞单位的形式作用或细胞独立分开作用两种观点。这些重建模型结合有限元法应用在许多有关骨重建问题的数值计算中。通过比较分析多个数值应用的模拟结果,还讨论了重建控制方程中各参数值的设置对重建结果的影响。

集成本体的CBR算法及在CAPP应用

虽然CBR(Case-based Reasoning)技术越来越深入地应用到工程领域特别是工艺设计问题,但是传统的CBR系统缺乏语义理解能力,这严重阻碍了CBR系统在CAPP(Computer Aided Process Planning)领域智能性发展。为了进一步提高CBR系统的智能性,本体技术集成到CBR系统是一种趋势。以工艺事例库为例,研究了基于本体事例库的构建技术以及事例检索的相似度算法,并提出了一个新的语义相似度算法即W-IC-CD(Weighted Information Content and Concept Distance)。通过在机械CAPP应用分析,证实了该算法的有效性。

基于三维有限元仿真的卧床和空间失重下人体股骨重建分析

进行长期空间飞行的航天员处于失重环境,所受力学激励小于正常值,会面临骨密度减小和骨丢失的问题。为了探究失重环境下股骨密度和质量的变化趋势,本文建立了人体股骨的三维模型,进行了卧床条件下基于有限元的人体股骨重建的仿真分析。通过对比卧床实验数据与仿真数据,验证了人体股骨有限元模型与重建参数的有效性。继而进行人体股骨在空间失重条件下的重建仿真,建立关于时间的骨重建速率函数。增大载荷大小和增加载荷循环都能减少骨丢失,仿真结果表明增大载荷大小更能有效减少骨丢失。对股骨骨量恢复的重建速率作出讨论,结果表明骨量恢复的重建速率小于骨丢失的重建速率。本文为航天员阻力锻炼方法及后期恢复训练提供了理论依据,航天员在空间飞行期间可以通过增大阻力锻炼强度减少骨量丢失。