松质骨微结构的图像分析与特性研究

论文摘要

松质骨基质以其优良的成骨诱导能力,常常作为骨组织工程支架材料获得了广泛的应用。近年来,由于与年龄相关的骨折、假肢松弛、以及骨重建等科学和临床问题的推动,松质骨力学性能的实验研究和理论分析已成为骨力学的研究焦点之一。已有研究表明,松质骨可作为固-液耦合的两相多孔介质;松质骨中流体组分的扩散和流动,使得松质骨呈现出一种强烈的表观粘弹性行为以及能量耗散性质;松质骨微结构的变化显著影响其力学性能。可见,为了模拟体内生理条件下松质骨的微动力学环境,松质骨的微结构特征应引起更多的关注。描述松质骨微结构的指标较多,其中最重要的是孔隙率和渗透率。然而,迄今为止,松质骨微结构孔隙率、渗透率的测量方法的研究少见文献报道,松质骨微结构变化对其力学性能的影响机制也未有定论。为此,本文采用二维图像分析方法,研究松质骨（新鲜猪胫骨后肢松质骨）微结构孔隙率沿不同方向的分布规律;将松质骨简化为一种流-固耦合的两相多孔介质,根据Darcy定律设计松质骨渗透率测量装置、并开展松质骨微结构渗透特性实验研究;结合已发表的文献数据,分析微结构形式、解剖部位、年龄引起的松质骨微结构变化对其力学性能的影响。取得的主要研究结果和结论如下:①松质骨微结构孔隙率在胫骨轴向沿靠近密质骨的方向逐渐减小,在垂直于胫骨轴向方向基本不变;松质骨可看作是横观各向同性材料;如果切片数足够多,采用二维图像分析方法,能较为准确地测试出松质骨微结构孔隙率沿不同方向的分布规律。②根据Darcy定律设计的松质骨微结构渗透率测量装置,经进一步改进和完善,可望为松质骨渗透特性的研究提供了一种简便、实用的测量手段。③松质骨微结构的变化显著影响其力学性能:松质骨的弹性模量与“杆-杆微结构模型（Model of rod-rod structure）”中孔洞的周长有关,孔洞周长越大,弹性模量越小;儿童骺部及骺端远板层的松质骨的强度、弹性模量均大于骺端近板层的松质骨;青年组股骨头松质骨试件的弹性模量、能量吸收、屈服强度、极限强度和极限应变等六项指标均明显高于老年组。④本文所建立的方法、取得的结果,有助于全面了解松质骨复杂的微结构特征,有助于逼真地模拟人体内生理条件下松质骨的微动力学环境,有助于推动与年龄相关的骨折、假肢松弛、以及骨重建等骨组织工程技术的发展。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 松质骨微结构的研究现状
• 1.2.1 松质骨微结构的解剖学特征
• 1.2.2 松质骨微结构的胞元模型
• 1.2.3 松质骨微结构的力学特性
• 1.2.4 松质骨微结构的测量方法
• 1.3 本文的研究内容与研究意义
• 1.4 本章小结
• 2 松质骨微结构孔隙率的二维图像分析
• 2.1 引言
• 2.2 松质骨标本制备
• 2.2.1 选材
• 2.2.2 切片制备
• 2.3 松质骨微结构的显微镜观察
• 2.4 松质骨微结构显微图像的处理方法
• 2.4.1 显微图像预处理
• 2.4.2 采用BMP 图像文件格式
• 2.4.3 图像灰度化
• 2.4.4 直方图均衡化
• 2.4.5 图像平滑去噪
• 2.4.6 边缘检测
• 2.4.7 二值化
• 2.5 松质骨微结构孔隙率的计算方法
• 2.6 松质骨微结构孔隙率图像分析软件的设计
• 2.7 松质骨微结构孔隙率的检测结果
• 2.8 讨论
• 2.8.1 松质骨孔隙率的分布规律
• 2.8.2 松质骨的横观各向同性
• 2.8.3 松质骨孔隙率二维图像分析方法的优点
• 2.9 本章小结
• 3 松质骨微结构渗透率的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 松质骨微结构渗透率测量装置的研制
• 3.2.1 测量原理
• 3.2.2 测量装置
• 3.3 松质骨试件及渗透液的制备
• 3.4 松质骨渗透率的测量方法
• 3.5 松质骨渗透率的测量结果
• 3.6 讨论
• 3.6.1 本文建立的松质骨渗透率测量装置的优点
• 3.6.2 松质骨渗透性的计算动力学分析
• 3.7 本章小结
• 4 松质骨微结构对其力学性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 不同胞元形式的松质骨微结构
• 4.2.1 微结构形式对松质骨力学性质影响的计算模型
• 4.2.2 十种微结构形式的松质骨弹性模量的计算结果
• 4.2.3 讨论
• 4.3 不同解剖部位的松质骨微结构
• 4.3.1 标本取材部位
• 4.3.2 标本的材料特性实验结果
• 4.3.3 不同解剖部位标本力学特性的比较分析
• 4.4 不同年龄的松质骨微结构
• 4.4.1 标本分组
• 4.4.2 两组致密区与稀疏区松质骨显微结构计算机三维图像重建
• 4.4.3 两组松质骨生物力学性能测试
• 4.4.4 讨论
• 4.5 本章小结
• 5 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录