CN108647466A - 一种适用于动静耦合载荷的骨结构预测方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种适用于动静耦合载荷的骨结构预测方法
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；
步骤七：提取固体骨质表征受力和变形程度的力学效应参数，包括应力、应变、应变能密度、微观损伤，但不限于，作为固体骨质骨重建方向控制力学激励；
步骤八：提取流体壁面的流体剪应力作为基本多细胞单位激活概率控制力学激励；
步骤九：应用新的骨重建控制方程计算下一步的表征骨结构固体骨质区域特征的量；：
Xt+Δt＝Xt+Bfat(S-K)Δt-------------------------------------(6)
式中X为表征骨结构固体骨质区域特征的量，B为骨重建速率，fa为基本多细胞单位的激活频率；S为固体骨质骨重建方向控制力学激励；K为固体骨质骨重建平衡态的骨重建方向控制力学激励；fa-disuse为流体区域废用态的基本多细胞单位的激活概率；famax是基本多细胞单位的最大激活概率；kb和kc是调整基本多细胞单位激活概率-基本多细胞单位激活概率控制力学激励曲线形状特征的系数，kc是曲线拐点的横坐标，kb定义曲线的斜率；φ为基本多细胞单位激活概率控制力学激励；φ0为流体区域平衡态的基本多细胞单位激活概率控制力学激励；fa-overload为流体区域过载态的基本多细胞单位激活概率；fa0为流体区域平衡态的基本多细胞单位激活概率；kr为调整基本多细胞单位激活概率-基本多细胞单位激活概率控制力学激励曲线形状特征的系数；Xt为t时刻表征骨结构固体骨质区域特征的量，Xt+Δt为t+Δt表征骨结构固体骨质区域特征的量，Δt为积分步长，fat为t时刻基本多细胞单位的激活概率。
步骤十：对得到的新的骨结构进行材料、边界条件、载荷等进行定义：
步骤十一：收敛判断，固体骨质骨重建方向控制力学激励或骨结构趋于稳定，退出骨重建迭代循环，结束骨结构预测计算。否则转至步骤六开始下一步的迭代计算；
步骤十二：进入有限元分析后处理，进行各单元表征骨结构特征的量图形显示，即得到预测的骨结构。
本发明与现有技术相比有益效果在于：
1、骨重建控制方程既引入了静载力学效应，同时又引入了动载力学效应，实现了骨重建的动静载荷耦合效应，与骨实际承受复杂载荷情况基本一致。
2、固体骨质的静载力学效应作为骨重建方向控制力学激励，流体动载力学效应流体壁面的流体剪应力作为基本多细胞单位激活概率控制力学激励，与与骨重建的实际力学刺激的生理机制观测现象基本一致。
附图说明
图1是圆筒模型。
图2是平面模型。
图中序号说明：1、固体区域，2、液体区域。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本实施例提供一种适用于动静耦合载荷的骨结构预测方法，取内表面位置法向坐标作为骨结构特征表征量，固体骨质区域的应变能密度作为骨重建方向控制力学激励。
步骤一、选取内半径50um、外半径150um、高度1mm的圆筒模型为固体骨质区域，半径50um内部圆柱为液体区域作为预测骨结构的初始拓扑范围(见图1)，圆筒外表面施加约束，端部施加载荷；
步骤二、计算模型简化，骨结构初始拓扑范围为轴对称结构，有限元计算模型简化取轴对称平面，有限元模型见图2；
步骤三：定义固体骨质区域材料参数，定义骨结构液体区域材料参数；
步骤四：有限元分析求解；
步骤五：提取固体骨质区域的应变能密度，提取流体壁面的流体剪应力；
步骤六：根据公式4或者5计算基本多细胞单位的激活概率；
步骤七：根据公式6计算新的位置法向坐标，并对模型进行材料、边界条件、载荷定义；
步骤八：结构收敛判断，骨重建方向控制力学激励固体骨质应变密度趋于稳定，退出骨重建迭代循环，结束骨结构预测计算。否则转至步骤四开始下一步的迭代计算；
步骤九：进入有限元分析后处理，显示新的固体骨质区域边界、新的液体区域边界，即得到预测的骨结构。
一种动静载荷耦合的骨结构预测方法，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。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于动静耦合载荷的骨结构预测方法，其特征在于，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；
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；
步骤七：提取固体骨质表征受力和变形程度的力学效应参数作为固体骨质骨重建方向控制力学激励；
步骤八：提取流体壁面的流体剪应力作为基本多细胞单位激活概率控制力学激励；
步骤九：应用骨重建控制方程计算下一步的表征骨结构固体骨质区域特征的量；
步骤十：对得到的新的骨结构进行材料、边界条件、载荷进行定义；
步骤十一：收敛判断，固体骨质骨重建方向控制力学激励或骨结构趋于稳定，退出骨重建迭代循环，结束骨结构预测计算；否则转至步骤六开始下一步的迭代计算；
步骤十二：进入有限元分析后处理，进行各单元表征骨结构特征的量图形显示，即得到预测的骨结构。
2.根据权利要求1所述一种适用于动静耦合载荷的骨结构预测方法，其特征在于，步骤七中固体骨质参数包括应力、应变、应变能密度、微观损伤。
3.根据权利要求1所述一种适用于动静耦合载荷的骨结构预测方法，其特征在于，步骤九中应用如下骨重建控制方程计算下一步的骨结构特征量，具体为：
Xt+Δt＝Xt+Bfat(S-K)Δt
式中X为表征骨结构固体骨质区域特征的量，B为骨重建速率，fa为基本多细胞单位的激活频率；S为固体骨质骨重建方向控制力学激励；K为固体骨质骨重建平衡态的骨重建方向控制力学激励；fa-disuse为流体区域废用态的基本多细胞单位的激活概率；famax是基本多细胞单位的最大激活概率；kb和kc是调整基本多细胞单位激活概率-基本多细胞单位激活概率控制力学激励曲线形状特征的系数，kc是曲线拐点的横坐标，kb定义曲线的斜率；φ为基本多细胞单位激活概率控制力学激励；φ0为流体区域平衡态的基本多细胞单位激活概率控制力学激励；fa-overload为流体区域过载态的基本多细胞单位激活概率；fa0为流体区域平衡态的基本多细胞单位激活概率；kr为调整基本多细胞单位激活概率-基本多细胞单位激活概率控制力学激励曲线形状特征的系数；Xt为t时刻表征骨结构固体骨质区域特征的量，Xt+Δt为t+Δt表征骨结构固体骨质区域特征的量，Δt为积分步长，fat为t时刻基本多细胞单位的激活概率。
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