骨髓对骨机械性能影响的仿真研究

作     者：任融 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马婷

授予年度：2014年

学科分类：1002[医学-临床医学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 100201[医学-内科学(含：心血管病、血液病、呼吸系病、消化系病、内分泌与代谢病、肾病、风湿病、传染病)] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 

主      题：松质骨 骨髓 骨强度 有限元仿真 骨质疏松 

摘      要：骨质疏松已被列为影响人类健康最严重的六大疾病之一,骨质疏松患者的骨量下降、骨微观结构退化,由此导致的高骨折风险及并发症严重影响患者的正常生活,也给国家财政带来了巨大负担。目前关于骨质疏松的绝大多数研究都集中在松质骨结构,然而生物体内的松质骨孔隙是由骨髓填充的,且已有研究发现骨质疏松患者的骨髓含量增多、脂肪化明显。因而本课题将骨髓加入到骨的机械性能研究中,通过线弹性理论和流固耦合理论分别考量黄骨髓和红骨髓对骨机械性能的影响。鉴于生物力学实验的破坏性及不可重复性,课题采用仿真手段实现研究。课题旨在研究骨髓对骨机械性能的影响,采用基于椎骨的CT图像得到了骨的基本结构信息,基于三维重构及有限元理论构建了椎骨模型,通过不同物理场的偏微分方程组实现了非破坏条件下的骨压缩仿真。基于线弹性材料理论,课题分析了黄骨髓对骨机械性能的影响:在相同加载条件下,课题比较了相同条件下有、无黄骨髓模型的应力结果,发现黄骨髓的存在很好地减小了骨组织形变。骨组织内部应力的增加与外界载荷的增大呈非线性关系,表明骨组织内部应力与其结构特征有关。另外,课题还发现黄骨髓对骨强度的增强作用随骨松质弹性模量的减小而增大。基于流固耦合理论,课题研究了红骨髓对骨机械性能的影响,发现红骨髓的流动会产生剪应力,这种应力增大了骨组织的形变而导致其更易折断。本课题验证了骨髓对骨机械性能存在影响,表明后续相关骨质疏松的研究应该保留骨髓结构,课题还发现相同条件下黄骨髓可以减小骨组织形变,红骨髓增大了骨组织形变,结合骨质疏松病理知识,骨质疏松患者黄骨髓比例增加可以减小骨折风险,极有可能是患者机体的一种自我保护机制。本课题的研究对骨质疏松的研究、骨伤防护及人工骨材料的发展有着重要的意义。