[发明专利]一种适用于动静耦合载荷的骨结构预测方法

说明书

本发明公开了一种适用于动静耦合载荷的骨结构预测方法，包括：步骤一：确定要进行预测的骨结构的拓扑范围，并区分出固体骨质区域和骨内液体流体区域；步骤二：对骨结构进行建模，固体域和流体域分别建模，然后装配；步骤三：对建立的骨结构模型进行有限元网格划分，得到骨结构有限元网格模型；步骤四：分别定义骨结构固体骨质和流体的材料性能参数；步骤五：对骨结构有限元网格模型加载力学边界条件和载荷；步骤六：对骨结构进行有限元分析求解；本方法实现了骨组织内固体骨质静载力学刺激和流体动载力学刺激两种力学信号的调控作用，与骨重建生理观测力学刺激生理机制基本一致，预测结果更为准确。

技术领域

本发明涉及一种骨结构预测方法，具体说是一种适用于动静耦合载荷的骨结构预测方法。

背景技术

骨结构预测(也称为骨重建数值模拟)是研究骨重建理论的重要方法，为临床上预测骨密度变化或假体优化设计提供理论依据，也有助于各种骨代谢疾病的研究和新的骨代谢疾病治疗方案的提出。骨具有支撑、运动和保护等力学功能，承受的载荷非常复杂，支撑功能主导的静载荷及运动功能和体内液体循环主导的动载荷等。骨组织是一种多孔结构，内部间隙存在着液体。固体骨质有力学适应性的能力，即“需要就生长，不需要就吸收”的骨功能适应性原理。骨重建是骨功能适应性原理的生理活动调节机制。骨重建活动发生在骨组织的内表面上，主要依赖于间隙流微环境，间隙液体是骨组织力传导的主要媒介。基本多细胞单位(BMU)是骨重建的基本单位，构成骨重建的微环境。骨组织内有流体壁面的流体剪应力、固体骨质应力等各种力学刺激，其中流体剪应力是激活骨重建的最重要的力学刺激，影响基本多细胞单位的激活概率；固体骨质应力是影响骨重建方向的力学刺激。流体剪应力主要由动载荷引起，固体骨质应力主要由静载引起。

当前骨结构的预测控制方程一般为：式中X为表征骨结构特征的量，可取为弹性模量、表观密度、位置法向坐标等。B为骨重建速率。S为力学激励，用来表征力学效应的幅度，可以取为应变、应变能密度或应力。K为骨重建平衡态的力学激励。雷周激欣等取X为表观密度，采用应变能密度、米塞斯等效应力、米塞斯等效应变分别作为力学激励对股骨近端骨结构进行了预测。(参见：雷周激欣,王冬梅,王春慧,等.不同力学激励对骨重建数值模拟的影响[J].医用生物力学,2015,30(4):299-303.)当前的骨结构预测方法存在一些问题和缺点：一是对骨结构进行抽象力学模型时，忽略了骨组织内部存在的液体，把骨组织看作不同密度分布的固体弹性材料，与骨组织的流固二相结构不符；二是力学激励采用的是固体骨质的应变能密度或米塞斯等效应力或米塞斯等效应变，均与骨重建的实际力学刺激的生理机制有差异。故当前的骨结构预测算法与骨重建生理活动实际存在较大偏差。

发明内容

由于现有的骨结构预测方法在骨结构抽象力学模型与骨重建生理活动实际存在较大偏差，本发明的目的是提供一种适用于动静耦合载荷的骨结构预测方法，既能体现出骨结构的多孔流固二相结构，同时又能体现出固体骨质应力控制的“需要就生长，不需要就吸收”的骨功能适应性原理和流体剪应力是激活骨重建活动的主要力学刺激。

为了实现上述目的，本发明方案的技术要点是：一种适用于动静耦合载荷的骨结构预测方法，包括：

步骤一：确定要进行预测的骨结构的拓扑范围，并区分出固体骨质区域和骨内液体流体区域，根据力学原理抽象出力学边界条件、动载荷、静载荷；

步骤二：对步骤一确定的骨结构进行建模，固体域和液体流体域分别建模，然后装配，建模可采用CAD软件或有限元分析软件完成；

步骤三：对步骤二建立的骨结构模型进行有限元网格划分，得到骨结构有限元网格模型；

步骤四：分别定义骨结构固体骨质的材料性能参数和液体流体的材料性能参数；

步骤五：对骨结构有限元网格模型加载力学边界条件和载荷；

步骤六：对骨结构进行有限元分析求解；