各向异性松质骨弹性性能有限元分析

骨质疏松会导致松质骨细化从而降低松质骨力学性能。为了评估椎体松质骨的力学特性,文中采用有限元参数化建模,利用十四面体模型模拟棒状小梁骨的微结构,对各向异性松质骨的弹性性能进行了计算分析。通过控制输入参数Tb.Th、Tb.Sp、E0模拟不同骨质疏松程度的松质骨。计算结果表明,松质骨模量与骨体积分数呈平方律关系;随着各向异性比的增加,松质骨纵、横向模量间的比值呈线性增加,而横向两个模量保持基本一致。结果说明该微结构模型较好地反映了松质骨的横观各向同性性质,并能较好地反映受载松质骨的应力分布。     

股骨头负重区松质骨的压缩力学特性

本文对19具新鲜青年(30左右)尸体股骨负重区的松质骨进行了压缩测试,测算并提供了一组松质骨弹性模量,极限应力,应变,屈服载荷及能量吸收值.试验表明松质骨力学性能主要缓解外力冲击加压.     

单轴压缩下松质骨的应力率和蠕变性能北大核心

背景:松质骨是一种多孔、非均质、各向异性和具有黏弹性的结构,是骨的重要组成部分。它在负载传输和能量吸收方面起着十分重要的作用。所以对松质骨的力学行为进行研究具有重要意义。目的:探讨单轴压缩实验中应力率对松质骨性能的影响以及不同应力值下松质骨的蠕变行为。方法:以新鲜的猪股骨松质骨为实验材料,施加不同的应力率,至试样的压缩应变达到5%卸载;在松质骨表面施加恒定的应力水平,并保持7 200 s,以便观察其蠕变应变变化。结果与结论:(1)单轴压缩实验中,在同一应变条件下,随着应力率的增加,应力值、杨氏模量也增加;(2)在不同的加载率作用下,松质骨的压缩应力-应变曲线不重合,说明松质骨的压缩力学性能具有率相关性;(3)在蠕变实验中,蠕变应变随着压缩的应力的增加而增加,蠕变柔量随着应力的增加反而减少;(4)轴压缩和蠕变实验结果说明,应力率和恒定应力水平对松质骨的力学性能影响很大,以上结果可以为如何避免松质骨损伤提供参考依据。     

股骨头坏死中松质骨微观力学特性的演变规律

目的采用结合显微CT和显微有限元分析方法,即基于显微CT图像建立三维有限元模型并进行数值模拟仿真分析,无创研究不同分期的坏死股骨头松质骨的微结构和微观力学性能,以期了解在股骨头坏死的发展过程中,松质骨微结构和微观力学特性的变化规律,为临床预测股骨头坏死提供理论基础。方法采集10例股骨头坏死患者的股骨头标本的显微CT图像,按照国际骨循环研究学会分期标准分为Ⅱ期样本3例,Ⅲ期3例,Ⅳ期4例。将图像中骨组织进行阈值分割,分区域建立坏死区、侧向区、硬化区和远端区的松质骨块三维有限元模型(边长8 mm),并根据CT值赋予非均匀材料属性。利用ImageJ软件中的BoneJ插件通过识别显微CT组图像,计算测量各区域松质骨的微结构参数,包括骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁间隙、结构模型指数。对松质骨块施加表观应变为1%的压缩载荷,计算骨组织应力和松质骨表观刚度等参数,对比分析各分期、各分区结果。结果在松质骨微结构方面,Ⅳ期较Ⅱ期的股骨头内部硬化区和坏死区的变化最为明显,硬化区的骨体积分数不断上升,骨小梁间隙下降,结构模型指数减小,而坏死区域与之相反;在骨组织微观受力方面,Ⅱ期到Ⅲ期坏死区域的应力并没有明显变化,而硬化区域随着分期增加应力不断上升,侧向区的应力不断下降。表观刚度变化与应力变化一致。结论随着股骨头坏死程度的加剧,硬化区的松质骨微结构和力学性能变化最大,应作为临床早期诊断中重点关注的区域。此外,微结构参数并不能准确体现松质骨的力学行为,而股骨头塌陷最终取决于其力学特性,因此结合有限元分析方法可更加全面了解股骨头坏死的微观力学演变规律。     

松质骨微观骨小梁结构的生物力学有限元分析

股骨松质骨具有骨小梁的微观结构,其单元特性影响了股骨的整体力学性能.找到适当的单元形状与骨小梁分布特点可以帮助人们有效地进行松质骨及股骨整体的生物力学特性分析.本文采用不同结构的微观骨小梁单元模型,分析各单元的生物力学特性,并采用有限元方法,对由不同骨小梁单元及不同分布形式构成的股骨模型进行生物力学分析,获得了骨小梁单元密度与单元生物力学特性的关系的综合分析结果,找到了较好的微观骨小梁单元模型及总体布局形式,并应用于股骨松质骨建模.仿松质骨的骨小梁结构可以有效提高整体生物力学性能,所获得的微观单元优化结构可以应用于仿生结构材料的制造.     

股骨头内松质骨空间分布和力学性能变化有限元分析

目的应用有限元方法研究不同加载强度和偏轴角对股骨头内松质骨空间分布和力学性能变化的影响。方法基于断层磨削后扫描、计算机三维重建的方法建立得到股骨近端骨结构三维模型,按照与主压力小梁方向成0°、15°、45°分别选取相同大小的松质骨试件。计算试件的三维空间结构参数,应用有限元分析方法模拟单轴压缩试验,观察松质骨试件应力、应变分布,探讨不同加载强度和离轴角度对松质骨生物力学性质的影响。结果基于建立的人股骨头内松质骨三维有限元模型,模拟了松质骨试件单轴压缩试验,发现不同加载强度和偏轴角度在松质骨试件中≥5 000με(微应变)的松质骨比例存在统计学差异(P0.05)。结论股骨头内松质骨小梁空间分布与力学适应性密切相关。结构与功能的不相适应降低了股骨头内部松质骨的生物力学性能,反复不良刺激引起的骨重塑、改建可能在股骨头坏死中起着重要的作用。     

股骨头坏死松质骨生物力学特征的空间分布规律

目的 探究股骨头坏死松质骨微观结构参数和力学性能的空间分布规律,为临床诊断中科学评估病灶对病情的影响提供理论依据。方法 结合影像学测量和数值模拟方法,定量分析不同区域松质骨的微观结构参数和力学性能,分别从冠状面、矢状面和水平面投影方向上探究松质骨生物力学特征的空间分布特点。结果 在股骨头冠状面和矢状面投影方向上,松质骨的微观结构特征与力学性能大致呈Y型分布,Y形区域内松质骨的力学性能高于其他区域,该分布特点与股骨头内的主压应力束的位置相吻合。结论 位于股骨头Y形区域内的坏死灶对股骨头内应力分布的影响程度会更大,更有可能导致病情恶化。临床诊断中应充分考虑坏死灶和Y形区域的位置关系。     

胞元结构形式、材料性质对松质骨力学性能的影响

将均匀化理论与有限元方法相结合 ,讨论了骨小梁的弹性模量、泊松比和构成松质骨微结构的形式对松质骨力学性质的影响。结果表明微结构的形式和固体体分比确定时 ,松质骨的弹性模量与骨小梁弹性模量之间存在着确定的数量关系 ;当微结构的固体体分比较小时 ,骨小梁的泊松比对松质骨的弹性模量几乎没有影响。讨论了微结构形式对松质骨弹性模量的影响。     

冠状动脉支架抗压缩性能的有限元分析

冠状动脉支架作为经皮穿刺冠状动脉成形术中保持病变血管畅通的核心器件。其对病变动脉壁的支撑作用如何是支架植入术成功的先决条件之一。依据冠脉支架抗压缩性能的实际测试原型，建立起对应的有限元模型，并利用此方法系统地研究了专利支架设计，其扩张尺度的不同和筋的尺寸变化对支架抵抗两平面压缩性能的影响。结果显示，随支架扩张直径的增大，其抵抗两平面压缩的作用减小，增加支架筋的宽度或厚度能够提高支架的抗压缩性能，且这两个方向尺寸的增加对提高抗压缩性能的作用相当。模拟与实验结果一致，表明有限元模拟可以在一定程度上替代支架原型测试工作。     

未成年人胫骨近端松质骨的力学性质及讨论

本文报道了未成年人胫骨近端骺板及松质骨的力学性质。作者指出，未成年人胫骨近端松质骨在构造上呈弹性网状结构，其中充满了红骨髓。对松质骨作单轴压缩试验时有红骨髓溢出，压缩强度极限为０．５４ＭＰａ，远低于成熟骨压缩强度极限。松质骨作为承载结构应是固－液二相耦合承载。     

松质骨的一维撞击动力响应

基于对松质骨结构特征的观察,引入了描述松质骨的两相多孔弹性模型,对松质骨在一维撞击载荷作用下的动力响应进行了深入的分析。研究表明：由于松质骨中流体组分的扩散和流动,松质骨呈现着一种强烈的表观粘弹性行为以及能量耗散性质。     

股骨下端松质骨横向与纵向的蠕变特性

比较股骨下端松质骨横向和纵向取样的蠕变特性,为临床提供股骨下端松质骨的生物力学参数。取10个股骨下端标本,每个标本加工成长20 mm,宽20 mm,高20 mm的试样一个,共10个试样进行纵向蠕变实验。蠕变实验的应力增加速度为0.01 MPa/s,设定实验时间为7 200 s,采集100个实验数据。股骨下端松质骨纵向试样7 200 s蠕变量为0.26%,横向试样7 200 s蠕变量为0.33%。蠕变曲线是以指数关系变化的。股骨下端松质骨横向7 200 s蠕变量大于纵向。股骨下端松质骨横向和纵向具有不同的蠕变特性,其为各向异性粘弹性材料。     

正常与病态股骨头应力松弛特性的对比分析

比较正常股骨头和股骨头坏死后股骨头应力松弛性质,为人工关节研究和髋关节置换术提供应力松弛参数。在日本岛津电子万能试验机上对正常与病态股骨头各8个试样进行应力松弛实验。模拟人体温在36.5℃的温度场下进行实验,以5%/s的应变增加速度对标本施加应变,设定时间为7 200 s,采集100个实验数据。采用三参数模型计算应力松弛方程。观察应力松弛曲线和7 200 s应力松弛量。股骨头在最初600 s变化较快,之后应力缓慢下降,正常组7 200 s应力松弛量为0.31 MPa,病态组7 200 s应力松弛量为0.22 MPa,病态组7 200 s应力松弛量显著低于正常组(P<0.05)。股骨头坏死后打乱了松质骨头骨小梁的正常排列,骨量丢失,从而对应力松弛特性造成影响。应力松弛数据可以定量地说明坏死股骨头应力松弛特性差。     

一种力学-生物学因素耦联的松质骨骨质疏松过程计算模型

目的是研究力学因素和生物学因素在松质骨骨质疏松过程中的作用。根据骨重建的生理过程，在基本多细胞单位（BMUs）层次建立了一个力学因素和生物学因素耦联的，带有时间历程的松质骨骨质疏松过程计算模型。通过调整模型中的力学因素和生物学因素，模拟了妇女绝经期骨量变化过程，其模拟结果与Recker等临床观测结果非常接近。可见，本研究提出的松质骨骨质疏松过程计算模型可以很好地描述松质骨的骨质疏松过程，为中老年群体防治骨质疏松提供理论基础和计算分析方法。     

国人的股骨和胫骨各向异性力学参数和轴向流变特性测试

骨生物力学是生物力学的主要研究方向之一,但目前关于国人股骨和胫骨的力学参数尚很少见。我们测试了中国青年男性的股骨和胫骨三个不同方向-轴向、周向、径向的拉伸和压缩弹性模量。测得三个不同方向的压缩弹性模量:股骨分别为5.8±0.34、3.4±0.17、2.1±0.18 GPa;胫骨分别为6.1±0.36、3.5±0.17、2.1±0.18GPa。拉伸弹性模量:股骨分别为15.6±1.21、9.8±0.73、5.4±0.52 GPa;胫骨分别为16.7±1.09、10.3±0.70、5.6±0.49 GPa。还测试了股骨、胫骨拉伸和压缩时的破坏强度。得到轴向、周向、径向压缩时的破坏强度:股骨分别为150±9.3、111±6.5、110±7.1 M Pa;胫骨分别为191±12.3、140±6.3、123±8.3 M Pa。拉伸时的破坏强度:股骨分别为115±9.6、82±6.8、78±7.3M Pa;胫骨分别为143±8.7、110±8.3、97±6.4M Pa。另外,通过曲线拟合的方法,对股骨和胫骨应力松弛试验的结果进行处理,得出当骨的变形保持不变时,应力与时间满足下面的对数函数关系:F=A*Blogt,其中A为初始荷载,B为拟合材料参数,股骨和胫骨的拟合材料参数B分别为0.985和0.987。     

基于超声背散射信号分析松质骨中的声阻抗

采用背散射法,研究用声阻抗评价松质骨状况.对松质骨中的超声散射特性进行了分析和讨论,并将分析结果和Faran理论模型进行比较分析;最后对理论和实验所得的牛胫骨、人离体跟骨和人在体跟骨松质骨中的声阻抗分布进行了分析讨论.结果表明松质骨中的声阻抗随入射频率的增加而非线性的增加,理论和实验结果是一致的.当患有骨质疏松时,松质骨密度将减小,因此,与健康松质骨中的声阻抗相比,患骨质疏松松质骨中的声阻抗较小.     

The Effect of Regional Variations of the Trabecular Bone Properties on the Compressive Strength of Human Vertebral Bodies

Cancellous centrum is a major component of the vertebral body and significantly contributes to its structural strength and fracture risk. We hypothesized that the variability of cancellous bone properties in the centrum is associated with vertebral strength. Microcomputed tomography (micro-CT)-based gray level density (GLD), bone volume fraction (BV/TV), and finite element modulus (E) were examined for different regions of the trabecular centrum and correlated with vertebral body strength determined experimentally. Two sets of images in the cancellous centrum were digitally prepared from micro-CT images of eight human vertebral bodies (T10–L5). One set included a cubic volume (1 per vertebral centrum, n = 8) in which the largest amount of cancellous material from the centrum was included but all the shell materials were excluded. The other set included cylindrical volumes (6 per vertebral centrum, n = 48) from the anterior (4 regions: front, center, left, and right of the midline of vertebra) and the posterior (2 regions: left and right) regions of the centrum. Significant positive correlations of vertebral strength with GLD (r ² = 0.57, p = 0.03) and E (r ² = 0.63, p = 0.02) of the whole centrum and with GLD (r ² = 0.65, p = 0.02), BV/TV (r ² = 0.72, p = 0.01) and E (r ² = 0.85, p = 0.001) of the central region of the vertebral centrum were found. Vertebral strength decreased with increasing coefficient of variation of GLD, BV/TV, and E calculated from subregions of the vertebral centrum. The values of GLD, BV/TV, and E in centrum were significantly smaller for the anterior region than for the posterior region. Overall, these findings supported the significant role of regional variability of centrum properties in determining the whole vertebral strength.     

松质骨中两种纵波的传播特性分析

基于松质骨的层状模型，利用Schoenberg理论分析了松质骨中两种纵波(快纵波和慢纵波)的传播特性；并在理论和实验上详细分析了骨小梁方向与传播方向间的夹角对松质骨中快纵波和慢纵波传播特性的影响。分析结果表明，当超声波平行于骨小梁入射时，松质骨中两种纵波都传播，入射角度在60度附近时，松质骨中两种纵波的相速度曲线有一个转折点，入射角度在60度以上，角度越大时，骨髓和骨小梁耦合得越紧，因此阻止了慢纵波的传播，而只有快纵波传播。     

基于简易反向滤波跟踪算法分析松质骨的微结构特征

平均散射元间距（MSS）已被众多研究者用于分析准规则组织的微结构特征，平均骨小梁间距（MTBS）是诊断骨质疏松症的重要参数之一。本研究提出一种基于简易反向滤波跟踪（SIFT）的算法，用于估计平均骨小梁间距。对计算机仿真信号和离体牛胫骨松质骨的超声背散射信号分别进行分析处理。实验结果表明，SIFT算法能简单而有效地减小测量系统和传播介质特性的干扰，并且在较强噪声存在的情况下，SIFT算法比AR倒谱法的估计结果更为精确。因此，SIFT算法可用于估计平均骨小梁间距，从而反映松质骨的微结构特征。