股骨材料属性有限元模拟及生物力学分析

论文摘要

有限元方法已经被广泛地应用于研究生物组织结构的力学行为。有限元网格由CT数据生成之后,给每个单元分配材料属性便成为了建立个性化有限元模型的基本步骤,而且材料属性分配将对分析结果产生很大的影响。CT图像经过校验可以提供骨骼几何形状和密度信息,又由于CT数据集和由它生成的网格模型在空间上是对应的。因此,通过选择适当的算法可以实现每个网格单元材料属性的赋值。这一领域的大部分研究都集中在各向同性材料属性的分配,因为这种算法比较简单。然而,骨材料一般情况下被认为是各向异性而非各向同性的。因此,本论文的目的是通过数值积分的方法给每个网格单元赋予材料属性实现非均匀性的模拟,再合理定义主材料方向实现各向异性模拟,然后比较两种材料模型在六种载荷状况下的力学分析结果的差别。我们选择四个感兴趣区域分别进行等效应力和节点位移的比较。总体来说,本论文包括以下内容:首先介绍CT数据和有限元网格数据的准备情况。由于初始的CT数据是DICOM格式,比较复杂,我们首先将它转化为VTK格式。除此之外,我们还介绍了有限元网格生成过程,包括CT图像处理、三维重建和网格划分等。通过编写程序读取CT数据和有限元网格数据,然后给每个网格单元分配一种材料属性,这种材料属性是来源于单元处的骨组织密度。这一过程就实现了材料属性非均匀特性的有限元模拟。根据股骨干处的皮质骨结构以及股骨颈处的松质骨结构,松质骨的材料主方向依据小梁骨结构定义,皮质骨的材料主方向依据哈弗系统的方向定义。为了全面地了解各向同性和各向异性材料模型的差别,我们给股骨施加了六种载荷状况,选择四个区域的等效应力和节点位移进行比较。结果显示,在股骨某些区域中,两种材料属性分配的差别是比较大的,而且在出现最大等效应力和节点位移的区域中差别较小。因此,方向定义对骨材料属性有限元模拟很重要。另外,载荷状况对比较结果的影响也是比较大的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外相关技术发展现状
• 1.2.1 国外应用研究状况
• 1.2.2 国内应用研究现状
• 1.3 本课题研究的目的及意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 CT数据和有限元网格数据
• 2.1 CT数据
• 2.1.1 数据来源
• 2.1.2 DICOM标准介绍
• 2.2 有限元网格模型数据
• 2.2.1 数据来源
• 2.2.2 有限元网格模型生成过程
• 2.3 本章小结
• 第3章 材料属性非均匀特性的有限元模拟
• 3.1 引言
• 3.2 网格单元平均CT值的计算
• 3.2.1 算法介绍
• 3.2.2 用数值积分的方法求平均CT值
• 3.3 CT数据校验
• 3.3.1 校验体模（Calibration phantom）
• 3.3.2 校验公式
• 3.4 密度和弹性模量之间关系
• 3.5 材料属性数量精简
• 3.6 非均匀材料属性模拟结果
• 3.6.1 材料属性在网格模型中的分布
• 3.6.2 材料属性和单元个数间关系
• 3.6.3 材料属性大小
• 3.7 本章小结
• 第4章 材料属性各向异性的有限元模拟
• 4.1 引言
• 4.2 股骨结构
• 4.3 材料主方向定义
• 4.4 本章小结
• 第5章 各向同性和各向异性材料属性的比较
• 5.1 引言
• 5.2 载荷及边界条件施加
• 5.3 比较参数设置
• 5.4 比较结果
• 5.5 结论及讨论
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢