【《骨骼病变对骨骼力学性能的影响分析案例》3000字】

骨骼病变对骨骼力学性能的影响分析案例1.1骨骼常见病变骨骼病变的意思是指骨骼由于外伤、退变、劳损、肿瘤等因素发生病理性的变化，常见骨骼病变如下：（1）骨质疏松。是指单位体积内骨组织的含量减少，即骨组织的有机成分和无机成分都减少，但两者的比例仍正常。骨质疏松使骨的结构脆弱，骨折的危险性增加。组织学变化是骨皮质变薄、哈弗管和伏克曼管扩大和骨小梁减少、变细甚至消失。（2）骨质软化。是单位体积内骨组织有机成分正常而钙化不足，因而骨内钙盐含量降低，骨质变软。组织学显示未钙化的骨样组织增多，常见骨小梁中央部分钙化而外面围一层未钙化的骨样组织。骨质软化是全身性骨病，发生于生长期为佝偻病，于成人为骨质软化症。（3）骨质破坏。是局部骨质为病理组织所取代而造成的骨组织的缺失。它可以由病理组织本身直接溶解骨组织使之消失，或由病理组织引起的破骨细胞生成和活动亢进所致。骨皮质和骨松质均可发生破坏。（4）骨质增生硬化。是单位体积内骨量的增多。组织学上可见骨皮质增厚、骨小梁增粗增多，是成骨活动增多或破骨活动减少或两者同时存在所致。大多是因病变影响成骨细胞活动所造成，少数是因病变本身成骨，如成骨肉瘤的肿瘤骨形成。（5）骨膜增生又称骨膜反应，是因骨膜受到刺激，骨膜内层的成骨细胞活动增加所产生的骨膜新生骨。组织学上，可见骨膜内层成骨细胞增多，形成新生的骨小梁。（6）骨骼变形。骨骼变形多与骨骼的大小改变并存，可累及一骨、多骨或全身骨骼。局部病变和全身性疾病均可引起，如骨的先天性发育异常、创伤、炎症以及代谢性、营养性、遗传性、地方流行性和肿瘤性病变等。局部骨骼增大可见于血供增加和发育畸形等病变，如软组织和骨血管瘤、巨肢症和骨纤维异常增殖症等。全身性骨骼短小可见于内分泌障碍，如垂体性侏儒等。骨骺和骺软骨板的损伤可使肢体骨缩短。骨肿瘤可导致骨局部膨大凸出。脊椎的先天畸形如半椎体、蝴蝶椎可引起脊柱侧弯、后突。骨软化症和成骨不全可引起全身骨骼变形。（7）软骨钙化。是指软骨基质钙化，标志着骨内或骨外有软骨组织或瘤软骨的存在。分为生理性和病理性钙化。1.2研究方案1.2.1骨骼病变在骨骼病变中，以骨质疏松最为常见，并对个体的健康状况产生极大的影响。骨质疏松会使患者产生低骨量和骨组织微结构破坏，导致骨质脆性增加和易于骨折的全身性骨代谢性疾病。当患者在日常生活中摔伤时，极易造成骨折，而骨质疏松性骨折又被称为“人生最后一次骨折”，因为骨质疏松性骨折死亡率高，骨坏死率及不愈合率高、致畸致残率高。因此在本文中针对性地对骨质疏松病变进行研究，合理评估骨质疏松对骨骼力学性能的影响，能够为临床上骨质疏松病变的治疗提供参考数据。本文将研究不同程度的骨质疏松对骨骼力学性能的影响，并给出定性与定量结论。利用有限元方法来模拟骨质疏松病变。常使用的方法是降低骨骼单元密度和随机删除骨骼单元。在本研究中采用更加符合实际情况的随机单元删除法。利用ABAQUS二次开发编写脚本实现此功能。1.2.2ABAQUS二次开发ABAQUS软件为用户提供了定制化仿真的方法，即ABAQUS二次开发，这使得用户可以进行个性化的有限元前处理、分析和后处理，以满足特定需求。ABAQUS二次开发有以下几种方式：（1）通过用户子程序改变ABAQUS计算过程和分析结果。（2）编辑环境语言改变ABAQUS中的默认设置。（3）编辑内核脚本进行有限元建模和前处理操作。（4）利用图形用户工具包和脚本创建新的用户界面和用户交互。本研究主要使用第3种方式，利用内核脚本对模型进行前处理操作。1.2.3Python语言Python由荷兰数学和计算机科学研究学会的GuidovanRossum于1990年代初设计，作为一门叫做ABC语言的替代品。Python提供了高效的高级数据结构，还能简单有效地面向对象编程。Python语法和动态类型，以及解释型语言的本质，使它成为多数平台上写脚本和快速开发应用的编程语言，随着版本的不断更新和语言新功能的添加，逐渐被用于独立的、大型项目的开发。Python解释器易于扩展，可以使用C或C++（或者其他可以通过C调用的语言）扩展新的功能和数据类型。Python也可用于可定制化软件中的扩展程序语言。Python丰富的标准库，提供了适用于各个主要系统平台的源码或机器码。1.2.4ABAQUS脚本与pythonABAQUS软件二次开发环境提供的脚本接口(ABAQUSScriptingInterface)是对Python的继承和扩展，其主体框架都是由Python构成。脚本中的类和函数包含了ABAQUS有限元分析过程中前处理、分析和后处理的所有功能。脚本接口中的每个对象中都拥有相应的数据成员(data)和函数(function)，对象中的函数专门用来处理对象的数据成员。这些函数就被称为相应对象的方法，而用来生成对象的方法又被称为构造函数(constructor)。在ABAQUS脚本接口中，包含了大约500个对象类型。整个对象体系的关系比较复杂，通常被分为进程对象(session)、模型数据库对象(mdb)和输出数据库对象(odb)三大类。其中session对象包括定义视图、远程队列、用户自定义视图等对象，mdb对象包含计算模型对象和作业对象，odb对象包含计算模型对象和计算结果数据对象。在ABAQUS/CAE中前后处理时，对话框中所有的设置都是由ABAQUS/CAE从内核发出与之对应的命令，这些命令都是基于Python语言编写的，首先将它们传至内核(Kernel)，然后由内核对这些命令进行逐行解释，同时建模分析。通过脚本接口，用户可以通过图形用户界面直接和内核通信。1.2.5骨骼病变模拟在ABAQUS平台下编写脚本实现模型的随机单元删除，流程图如下：图1.1骨质疏松模拟算法流程图通过此脚本，可以实现对孤立网格模型某集合（病变区域）进行0%到100%之间任意比例的单元删除。在本研究中分别生成了骨质疏松程度为0%、5%、10%、15%、20%的骨质疏松模型，以20%为例展示单元删除效果，如下图所示：图1.2不同程度的骨质疏松模型，从5%到30%1.3计算结果1.3.1骨质疏松模型的载荷位移曲线计算各模型发生骨质疏松病变后的力学性能参数。实验条件与骨强度计算方案一致，固定股骨下端，向股骨头时间竖直向下的载荷，载荷缓慢线性增大直至股骨发生断裂。记录实验数据，绘制各模型的载荷位移曲线如下：绘制骨质疏松程度和极限承载力的散点图，观察两者之间关系。图1.4骨质疏松程度与承载力散点图通过观察图像，认为骨质疏松程度和极限承载力之间是近似线性关系，即股骨的骨质疏松程度越高，其骨强度越小，这与临床结论是相符的。1.3.2回归分析在统计学中，回归分析（regressionanalysis)指的是确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法。回归分析按照涉及的变量的多少，分为一元回归和多元回归分析；按照因变量的多少，可分为简单回归分析和多重回归分析；按照自变量和因变量之间的关系类型，可分为线性回归分析和非线性回归分析。线性回归（LinearRegression）是最为人熟知的建模技术之一。通常是人们在学习预测模型时首选的技术之一。在这种技术中，因变量是连续的，自变量可以是连续的也可以是离散的，回归线的性质是线性的。通过观察求解得到的骨质疏松程度和骨强度数据，认为两者线性相关。设骨质疏松程度为，骨强度为，则两者之间具有以下关系：其中为与无关的常数，为随机误差。式为一元线性正态回归模型，其回归方程为：其中称为回归常数，称为回归系数，是未知的，需要利用样本值来进行估计，在估计中最常使用的方法是最小二乘法。最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和