骨应力重建仿真,是一个多学科交叉的研究领域,它涉及固体力学、有限元仿真技术以及骨科医学领域的相关知识。骨应力重建仿真在医学诊断、医学内植物设计与制造、手术规划和骨科疾病治疗等方面有重要应用。因此,骨应力重建仿真的研究,具有重要的学术意义和应用价值。本课题主要研究内容包括骨有限元模型前处理,如CT图像中提取有限元模型和合理网格划分等;建立骨重建数值仿真中的控制方程;重建模型在不同骨骼、工况下的应用,如步态下股骨的重建、牙齿正畸过程中牙弓的重建和植入手术后骨的重建仿真等。骨重建实际上是一个复杂的生理过程,呈现出材料与边界条件的非线性特征,既有生理状况控制的生长因素,又有外部应力刺激而产生的力学调控。本算法模型根据每个有限单元上的应变能,通过一系列的数值调控过程,计算出每个单元新的骨密度、弹性模量和泊松比值并赋予对应单元,使之参与下一轮欧拉前项迭代计算。试验证明重建算法是收敛的,针对不同的有限元模型,模拟了300到3000天后骨骼重建的结果,通过对比CT图片和前人仿真结果,都达到了较为满意的结果。论文采用逆向工程方法,提取CT图片组中关键信息并转化为三维有限元模型,对其做合理的网格划分并赋予模型初始参数。计算了二维股骨在外界静载荷工况下3000天的重建,结果与真实股骨截面密度分布非常相似;计算了三维颅颌面骨在咬合力与扩弓状态下的300天重建,对比单层CT图片获得满意结果;计算了三维股骨在循环步态下(含肌肉力与关节力)的300天重建,通过探讨骨干路径区域密度与应力分布,认为是符合生理状态的;计算了全髋关节置换术后,股骨密度300天内的变化情况,对比自然股骨重建计算结果,发现股骨大转子和小转子部位伴发生骨吸收现象,而在股骨远端,骨干皮质骨层有轻微的增厚。建立真正各向异性且能适用于更多复杂结构的骨重建算法是一个很有前景的发展方向。