摘要: 骨在日常载荷的作用下会产生微损伤，微损伤的积累会削弱骨的承载力，降低其韧性，甚至导致疲劳性骨折。骨自身具有修复微损伤的能力，并能调整其内部结构和相关特性，以适应不断变化的力学和生理环境，这一过程通常被称为骨重建。有关骨重建的理论模... 展开 骨在日常载荷的作用下会产生微损伤，微损伤的积累会削弱骨的承载力，降低其韧性，甚至导致疲劳性骨折。骨自身具有修复微损伤的能力，并能调整其内部结构和相关特性，以适应不断变化的力学和生理环境，这一过程通常被称为骨重建。有关骨重建的理论模型很多，考虑骨损伤修复的模型通常较为复杂，很难通过解析模型来模拟骨的损伤和重建。随着数值计算技术的飞速发展，利用有限元仿真模拟复杂状态下的骨重建行为成为可能。骨重建的有限元仿真结合了计算机技术、生物力学、工程学和医学等多个学科的研究方法，能够在预测人体骨骼生长、设计人工假体和指导患者术后康复治疗等方面发挥重要的作用。 基于以上背景，本文提出了一种基于疲劳损伤机制的新型骨重建算法，该算法包含一个二次项，当加载周期过高时，骨密度会下降，从而能够模拟由于过载引起的骨量流失。本文利用有限元法来模拟二维及三维股骨近端重建。首先，运用Mimics和Hypermesh软件对人体近端股骨进行建模，获得准确的股骨近端有限元仿真模型。在此基础上进行考虑疲劳损伤影响的骨重建模拟，利用iSight进行软件调用，将控制方程与有限元软件Abaqus结合起来，研究不同损伤程度下的骨重建情况。结果表明，少量的疲劳损伤积累会引起骨密度增加，但是当损伤积累到一定程度时，骨密度会迅速下降，直至股骨失效。也就是说，在一定的损伤积累量内，骨重建可以与不断积累的损伤相互耦合保证骨骼的力学性能，损伤量积累到一定程度之后，骨重建将无法及时修复不断积累的疲劳损伤，循环载荷将会显著弱化骨的承载能力。 本文所得的结果不仅可以分析骨重建的过程、预测骨的疲劳寿命，还有助于进一步理解损伤修复与损伤积累量之间的关系，这对临床骨疾病的预防和治疗具有重要意义。 收起