论文题目：机械激励和维生素D对小鼠胫骨力学性能影响
摘要：童年时期生活状况对骨骼发育和预防骨质疏松症起到关键作用,而机械激励载荷和维生素D是影响骨骼发育和预防骨质疏松的重要因素。因此研究机械激励载荷和维生素D对骨骼力学性能的影响具有重要的意义。基于不同生长期小鼠胫骨的实验及显微计算机断层扫描（Micro CT）数据,本文主要讨论作为外界激励的机械激励载荷和维生素D对生长期小鼠胫骨力学性能的影响。本文采用的实验已在英国谢菲尔德大学机械工程系完成,该实验分为机械激励和维生素D两部分:对于机械激励载荷部分,按照有无在小鼠胫骨上施加机械激励载荷以及鼠龄为8周和16周条件进行分组;对于维生素D部分,按照对小鼠采用补充或缺乏维生素D的饮食方案以及鼠龄为8周和16周条件进行分组。再在小鼠活体状态下获取鼠龄为8周和16周小鼠胫骨的Micro CT图像。为实现基于Micro CT图像的小鼠胫骨三维重建,将Micro CT图像导入Amira进行几何模型修复并输出新的图像,再使用MATLAB编写程序调用新生成的图像得到基于体素的非均质模型的ANSYS输入文件。通过批处理调用实现对小鼠胫骨在11N的轴向压缩载荷作用下的力学响应计算。相关文献中的纳米压痕实验测定的弹性模量分布验证了基于Micro CT图像灰度值建立的非均质有限元模型。机械激励载荷和维生素D对鼠龄为8周和16周的小鼠胫骨力学性能影响的分析结果表明:各组模型的第一主应变和第三主应变均主要分布在范围为0~1,000με和-3,000~0με,其中生长板处的主应变明显不同于其他区域的主应变,其主应变绝对值通常均大于4,000με;在鼠龄相同的条件下,施加机械激励载荷组的主应变绝对值小于未施加机械激励载荷组的主应变绝对值,补充维生素D组的主应变绝对值小于缺乏维生素D组的主应变绝对值,而随着鼠龄的增长各组主应变绝对值均会减少。通过本文小鼠胫骨骨骼形态参数及骨骼力学性能的分析可知:机械激励载荷和维生素D有助于改善生长期小鼠胫骨的力学性能;未施加机械激励载荷比缺乏维生素D对生长期小鼠的胫骨力学性的影响更为显著。本文的研究结果为骨质疏松的预防和治疗提供了理论研究基础。
关键词：有限元法;Micro CT;小鼠胫骨;机械激励;维生素D
学科专业：工程力学
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 胫骨力学性能的相关实验
1.2.2 基于有限元分析的胫骨力学性能研究
1.2.3 骨密度和骨骼弹性模量关联性的相关研究
1.3 本文研究内容
2 小鼠胫骨激励实验和三维重建及其后处理方法
2.1 小鼠胫骨激励实验
2.1.1 实验材料及分组
2.1.2 实验方案
2.1.3 活体状态下Micro CT图像的获取
2.2 基于Micro CT图像的小鼠胫骨三维重建
2.2.1 原始三维几何模型的获取
2.2.2 基于Micro CT图像灰度值建立其与骨密度及弹性模量的关系
2.2.3 小鼠胫骨有限元模型的建立
2.3 有限元结果后处理方法
2.3.1 基于输入文件的通用后处理定义输出文件
2.3.2 输出数据的数理统计
2.4 本章小结
3 非均质小鼠胫骨有限元模型的建立及材料不确定性研究
3.1 非均质材料弹性模量在ANSYS中的实现及其验证
3.1.1 非均质材料弹性模量在ANSYS中的实现
3.1.2 纳米压痕实验对在ANSYS中非均质材料弹性模量分布的验证
3.2 不同的骨密度与弹性模量关系式对数值结果的影响及其选择
3.2.1 文献中不同的骨密度与弹性模量关系
3.2.2 文献中不同的骨密度与弹性模量关系对应主应变空间分布
3.2.3 基于文献的骨密度与弹性模量关系选择的理由
3.3 骨密度与弹性模量关系不确定性对力学性能数值结果的影响
3.4 本章小结
4 机械激励载荷和维生素D对小鼠胫骨力学性能的影响
4.1 机械激励载荷对小鼠胫骨力学性能的影响
4.1.1 主应变云图及其抽样频率分布
4.1.2 基于归一化坐标的主应变空间分布
4.1.3 机械激励载荷影响下的骨骼形态参数与骨骼力学性能关联性分析
4.2 维生素D对小鼠胫骨力学性能的影响
4.2.1 主应变云图及其抽样频率分布
4.2.2 基于归一化坐标的主应变空间分布
4.2.3 维生素D影响下的骨骼形态参数与骨骼力学性能关联性分析
4.3 机械激励载荷及维生素D对小鼠胫骨形态参数的影响分析
4.4 本章小结
结论
参考文献
附录A 符号表
致谢