中国力学虚拟人颅骨系统研究及其在颌面骨缺损修复中的应用

论文摘要

人体骨骼肌肉个体间的差异性、多样性以及活体实验的局限性,使得关于人体生物特性的研究工作开展的十分困难。与此同时,随着医疗条件的改善,各种临床手术方法不断的涌现,如何有效的评价术后效果,成为当前相关领域生物医学研究者的重要研究工作。本文基于上海交通大学生命质量与机械工程研究所“中国力学虚拟人”重点项目以及三个与上海第九人民医院联合研究开发项目的支撑,在实现颌面“骨骼-肌肉”三维几何模型和力学模型的基础上,结合临床病例,将该模型应用于颌面外科手术领域,对不同颌面骨缺损的修复方法进行了手术仿真设计和生物力学评价。文中围绕研究在符合人体咀嚼周期生理状态的肌力与关节约束等边界条件下,人体颅骨的生物力学特性这一主题,构造了人体颅骨骨骼-肌肉的运动学仿真和有限元力学系统模型。采用NDI运动捕捉系统,获得仿真运动输入数据。利用颌面咀嚼三维运动学仿真和肌力优化算法验证,确定了有限元力学计算的边界条件。在咀嚼周期6个运动相下,对自然颅骨进行了有限元分析,并在该有限元力学系统模型基础上,对颌面骨缺损三种不同类型的修复方法（骨瓣移植修复、种植体修复和赝复体修复）进行了生物力学性能方面的分析和评价。本文的主要工作可以归纳为以下几点:1.基于CT和冷冻切片解剖图像数据的颅骨骨骼肌肉几何形态建模。为了更好的提取人体颅骨的轮廓线信息,采用图像分割和曲线逼近的方法,精确获取骨骼和肌肉轮廓信息（该轮廓线提取和建模方法已在SCI源期刊发表论文一篇）,避免了轮廓信息的丢失,同时,缩短了建模时间。建立了根据解剖结构模块化的颅骨几何模型和10束肌肉几何模型。2.咀嚼运动中的运动力学仿真。采用肌力与肌小节长度和速度的关系方程,完成了咀嚼功能相关的10束肌肉的18束力学直线肌小节模型的构建问题。采用NDI运动捕捉系统测试获得仿真输入,构建下颌骨、颞下颌关节、18束肌肉和食物粒的运动学仿真系统模型。利用三维运动学仿真和基于咀嚼运动仿真的肌力优化算法确定了咀嚼周期状态下有限元计算的力学边界条件(肌力、关节力和牙合

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 “中国力学虚拟人”国家重点自然科学基金项目简介
• 1.2 “中国力学虚拟人”颅骨系统研究课题意义
• 1.3 颅骨力学研究
• 1.4 颌面骨缺损研究
• 1.5 本论文研究目的及主要内容
• 第二章 颅骨“骨骼-肌肉”系统三维几何建模
• 2.1 引言
• 2.2 颅骨和咀嚼功能肌肉的解剖学特征
• 2.3 基于CT&冷冻切片断层医学图像的颅骨“骨骼－肌肉”系统建模
• 2.4 颅骨“骨骼－肌肉”模型构建
• 2.5 本章小节
• 第三章 咀嚼运动力学特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 咀嚼运动的测试
• 3.3 咀嚼运动仿真
• 3.4 咀嚼力学系统的优化计算
• 3.5 咀嚼肌肉仿真结果与肌电图的比较
• 3.6 本章小节
• 第四章 咀嚼功能下的颅骨有限元力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 骨组织材料参数的确定
• 4.3 有限元计算参数的确定
• 4.4 有限元模型网格化、边界约束及载荷
• 4.5 咀嚼功能下的自然颅骨应力分析
• 4.6 本章小节
• 第五章 颌面骨缺损和修复方法的几何建模
• 5.1 引言
• 5.2 临床常见缺失
• 5.3 模块化颌面骨平台的建立
• 5.4 修复方法的设计
• 5.5 本章小节
• 第六章 颌面骨缺损修复方法有限元生物力学评价
• 6.1 引言
• 6.2 植入修复体的接触问题研究
• 6.3 下颌骨缺损自体骨瓣移植修复方法生物力学评价
• 6.4 上颌骨缺损种植体修复方式设计和生物力学评价
• 6.5 上颌骨缺损赝复体修复方式设计和生物力学评价
• 6.6 本章小节
• 第七章 全文总结
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表或录用的文章
• 致谢
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