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(gè)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(xué)因素的影響和調(diào)控。當(dāng)周?chē)牧W(xué)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，骨骼的組織成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、彈性模量、密度等也會(huì)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(guò)程被稱(chēng)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(shí)隨著肌肉的運(yùn)動(dòng)減少以及肌肉的萎縮導(dǎo)致肌肉力的降低，使得骨骼受到的力學(xué)刺激減弱，發(fā)生骨廢用性重建，導(dǎo)致骨量丟失和骨力學(xué)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(duì)骨適應(yīng)性重建過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，能夠模擬和預(yù)測(cè)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(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　本研究基于骨力學(xué)穩(wěn)態(tài)理論，建立了骨重建數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型，利用有限元分析軟件 ANSYS進(jìn)行程序的二次開(kāi)發(fā)以實(shí)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(duì)提出的骨重建算法進(jìn)行了驗(yàn)證

3、和參數(shù)討論；再對(duì)臥床實(shí)驗(yàn)中骨密度變化過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真，與實(shí)際45天-6°頭低位臥床實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；最后對(duì)空間失重環(huán)境下的骨丟失重建過(guò)程及重新回到地球重力場(chǎng)后骨恢復(fù)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)失重環(huán)境下重建速率的時(shí)間相關(guān)性進(jìn)行了探討，還模擬了不同載荷刺激量的骨丟失過(guò)程，研究增加載荷對(duì)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(jì)的骨重建數(shù)學(xué)模型及數(shù)值仿真程序能有效地模擬因力學(xué)環(huán)境改變而引起的骨重建過(guò)程，并且采用等效應(yīng)力