【《骨骼模型的有限元研究国内外文献综述》2700字】

骨骼模型的有限元研究国内外文献综述1.1国外的发展历程和研究现状本研究利用有限元方法对骨骼模型进行研究，属于骨生物力学的范畴。骨力学是研究骨骼结构和力学特性的重要工具和手段，在国外的研究比较成型。下文对骨力学的发展历程进行加单介绍。1638年伽利略[1]在论文中首次提出了骨骼载荷和形态之间存在关系，这是国外在骨生物力学方面最早的报道。1834年Bell[2]指出骨骼材料具有特殊性质，能够使用尽可能少的材料来承担更大的载荷。1892年JuliusWolff[3]提出了骨骼的功能适应性假说定律(Wolff定律)，指出生物体内的骨骼所承受外部载荷会直接影响骨骼的生长、吸收和重建。功能适应性假说在骨生物力学领域具有重大意义，极大地推动了研究进展，成为了领域内最重要的基础理论之一。Paiwels(1950，1973)[4]进一步解释了Wolff定律，认为可以将骨骼看作是一个反馈控制系统。1964年，HardFrost[5]发现了骨骼的再塑性，骨骼在骨吸收和骨生成之间具有动态平衡，依靠动态平衡进行骨骼组织的代谢，以保证骨骼具有最优结构和合适的强度。骨重建理论主要研究骨骼的生长、吸收和重建，主要分为两个方向。一个是骨骼维持理论，以美国斯坦福大学的Carter等为代表，其主要观点是骨骼在外力作用下内部会产生裂纹，骨重建过程就是不间断的产生裂纹一修复裂纹一产生新裂纹的过程。另一个是骨适应理论，以比利时内梅亨大学的Huiskes等为代表，引用了“死区效应”概念，并使用应变能密度作为激励量，提出了一种全新的骨重建理论。1.2国内的发展历程和研究现状我国在骨生物力学方面的研究起步较晚，但研究速度较快，从1979年以来在骨生物力学研究上的发展中取得了很多成果，我国研究方向主要包括：骨骼的常规力学仿真、骨骼在高速撞击下的动力响应、骨骼的粘弹性性质、骨骼弹性模量和泊松比的实验研究、骨骼的基本数学模型、骨关节受力分析、人工关节等；在国内研究中，叶德临等[6]通过对牙骨质进行实验测量，得到了牙骨质的弹性模量。王勃等[7]测试了活体中的股骨和胫骨不同方向的力学参数，并得到了应力松弛时力与时间的关系。赵均海等[8]通过骨撞击实验研究，得出了人体密质骨随时间变化的的应力、应变率曲线以及应力—应变关系曲线。赵文志等[9]通过动物力学实验，建立了股骨近端应力与骨生长关系的生物力学数值模型。李忠海等[10]对新鲜尸骨腰椎进行研究，认为在进行腰椎固定重建时，要保证腰椎具有正常凸角。毕平等[11]通过对股骨颈处总体、密质骨和松质骨的承载特性分析，得出股骨颈处密质骨和松质骨具有线弹性性质。对比国内和国外研究成果，国内的研究主要以实验研究为主，多进行生物材料相关参数的计算，如骨骼的弹性参数等。同时，由于生物材料参数在不同个体之间的差异性较大，相关数据难以推广。1.3骨力学的发展趋势随着力学技术和计算机技术的发展，骨力学也在数值模拟和诊断方法等各个方面得到了更加深入的研究。在骨力学领域中，综合当前成果和研究方向，认为将会有以下的发展趋势：使用三维模型代替二维模型。三维模型能够更加准确地反映出骨骼的结构形态，从而保证实验结果的准确性。致力于建立更加符合实际的骨骼材料本构模型。准确的本构模型是完整描述实际模型的必备条件。线性材料被替换为更符合真实生物组织的非线性材料。（4）在骨生物力学研究中更多地使用计算机与医学影像技术。跨学科的交叉应用能够在最大程度上推动研究的发展，同时，将会有越来越多的专业工程人员投入到医学分析领域当中。（5）有限元技术在骨生物力学领域中得到更加广泛的应用。有限元技术具有精度高、可以多次实验等优势，这使得其在医学分析中能够发挥巨大的作用。1.3骨骼有限元技术1.3.1有限元技术有限元法（FiniteElementMethod）是一种数值求解技术，最开始是为求解偏微分方程问题的近似解而提出的。有限元法在求解时，将整个问题区域拆解为有限数量个子区域，每个子区域都易于求解，这些子区域就称为有限单元。有限元法通过变分的手段，以误差函数达到最小值为目标进行求解。近似于多段微小直线逼近圆的思想。有限元法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。他将求解域拆分为有限数量的互连子域，给予每个单元一个简单的近似解，然后推导出满足求解域的总的条件，从而求解出问题结果。因为对实际问题进行了简化和分解，所以有限元法得到的不是理论解，而是工程上的近似解。有限元求解方法不仅计算精度高，还适应各种复杂的实际情况，从而成为了有效的工程分析工具。1.3.2有限元法在骨力学中的应用骨力学的研究模式随着计算机技术的发展得到了改进，逐步转变为计算机模拟及数值分析方法，相比于由早期的动物实验，计算机实验更加快速且准确。最早使用有限元分析方法的是骨骼的应力应变分析，由于该方法在分析像骨骼这样不规则物体受力情况上的优越性，随后广泛应用于骨生物力学研究。在骨力学分析中，有限元法最早应用于脊椎力学分析，随后其应用范围拓展到牙齿、关节、股骨等生物结构当中。有限元法在四肢骨力学方面的研究较多，下面介绍一些研究成果。在上肢方面，张琳琳等[12]利用断层CT图片，建立了肩关节的三维有限元模型，并使用该模型分析了肱骨在外旋运动中关节及其接触面的应力分布情况，有效地确定了关节受力中的应力集中位置。董俊文等[13]利用螺旋CT建立腕舟骨肿物患者的腕骨模型，从而帮助手术前对肿物进行精确定位。在下肢方面，主要集中在股骨个膝关节的研究上。樊黎霞等[14]结合密质骨和松质骨强度实验数据建立股骨失效模型，用有限元分析预测了人摔倒时股骨的承载能力，并讨论了载荷条件对承载能力的影响。在膝关节研究上，姜华亮等[15]通过对MRI图像建立了完整膝关节的三维有限元模型，是目前研究膝关节生物力学最完整的有限元模型。1.3.3有限元法在国内骨力学中的发展现状虽然国内的骨力学研究起步较慢，但随着相关技术的发展，我国在骨力学有限元研究领域也取得了较多的成果和较大的进步，主要体现在以下几个方面：（1）在模型形态上，三维模型逐渐取代二维模型，利用螺旋CT扫描技术，基于CT图像建立的三维模型能够更加准确地反映出骨骼的真实结构。（2）在模型的材料上，非线性材料逐步取代线性材料，能够更加贴合真实的生物组织属性。（3）在分析过程上，动态过程逐步取代静态过程，从而能够分析更多的如冲击、碰撞等实际的受力过程，进行更加全面和完整的力学性能评定实验。在取得进步的同时，我国骨生物力学方面的研究与世界一流的研究机构相比仍存在较大的差距，具体来说，我国骨生物力学有限元分析技术存在着如下的问题：（1）在研究对象上，国内很少对活骨进行研