[发明专利]一种适用于周期动载荷的骨结构预测方法

说明书

本发明公开了一种适用于周期动载荷的骨结构预测方法，包括：步骤一确定要进行预测的骨结构的拓扑范围；步骤二建模；步骤三有限元网格划分；步骤四计算骨的材料性能参数弹性模量，并对每个单元定义材料属性；步骤五：对骨结构有限元模型加载力学边界条件和载荷；步骤六：对骨结构进行有限元分析求解；步骤七：提取骨结构有限元模型各单元的主应力、米塞斯应力；步骤八：根据各单元的应力值，计算疲劳寿命循环次数；步骤九：计算各单元的力学激励；步骤十：应用骨重建控制方程计算下一步的表观密度：本申请使骨结构预测既能体现出骨作为一种有生命器官的骨功能适应性原理，又能体现出骨主要承受周期动载荷这一特点。

技术领域

本发明涉及一种骨结构的预测方法，具体是一种适用于周期动载荷的骨结构预测方法。

背景技术

骨结构预测(也称为骨重建数值模拟)是研究骨重建理论的重要方法，为临床上预测骨密度变化或假体优化设计提供理论依据，也有助于各种骨代谢疾病的研究和新的骨代谢疾病治疗方案的提出。骨结构预测方程是“需要就生长，不需要就吸收”的骨功能适应性原理的数值实现算法。从工程观点看，是把骨骼作为一种工程材料的自适应优化设计。因此，骨功能适应性原理也称为骨结构自优化理论。

骨结构预测控制方程一般为：式中ρ为骨的表观密度，单位体积骨的质量，用来表征骨内部结构特性。B为骨重建速率。S为力学激励，用来表征力学效应的幅度，可以取为应变、应力、应变能密度等。K为骨重建平衡态的力学激励。雷周激欣等采用应变能密度、米塞斯等效应力、米塞斯等效应变3种不同力学激励对股骨近端骨结构进行了预测。(参见：雷周激欣,王冬梅,王春慧,等.不同力学激励对骨重建数值模拟的影响[J].医用生物力学,2015,30(4):299-303.)骨承受的载荷非常复杂，主要是日常活动以及运动引起的动载荷。正常情况下，人的运动等活动均是有规律的。因此，骨承受的主要载荷是规律性的周期动载荷。根据力学理论，材料在动载荷作用下主要失效形式是疲劳。当应力水平高于材料的持久疲劳极限时，每一水平的应力都有相应的疲劳寿命(循环次数)，每一应力循环都将使材料受到损伤。因此，损伤是承受周期动载荷骨的力学效应的适当衡量形式。当前，骨结构预测方法存在的问题和缺点是力学激励不论采用应变能密度、米塞斯应力，还是米塞斯应变等衡量力学效应的表征量均未考虑承受周期动载荷骨结构疲劳形式的失效。骨疲劳损伤是临床上一种常见的骨损伤方式。因此，当前的骨结构预测算法从力学原理来看是存在一些缺陷的。

发明内容

由于现有的骨结构预测方法未充分考虑骨主要承受周期动载荷这一特点，本发明的目的是提供一个适用于周期动载荷的骨结构预测方法，使骨结构预测既能体现出骨作为一种有生命器官的骨功能适应性原理，又能体现出骨主要承受周期动载荷这一特点。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种适用于周期动载荷的骨结构预测方法，包括：

步骤一：确定要进行预测的骨结构的几何拓扑范围，并根据力学原理抽象出力学边界条件和载荷；

步骤二：对步骤一确定的骨结构进行建模，建模可采用CAD软件或有限元分析软件完成；

步骤三：对步骤二得到的骨结构模型进行有限元网格划分，得到骨结构有限元网格模型；

步骤四：定义骨结构的初始表观密度，并根据弹性模量与表观密度的关系式计算骨的材料性能参数弹性模量，泊松比取为0.3，并对每个单元定义材料属性；

E＝Cρ^γ-------------------(1)

式中E为弹性模量，ρ为骨的表观密度，单位体积骨的质量，用来表征骨内部结构特性。C、γ为常数。

步骤五：对骨结构有限元模型加载力学边界条件和载荷；

步骤六：对骨结构进行有限元分析求解；

步骤七：提取骨结构有限元模型各单元的主应力、米塞斯应力等各种应力，包括但不限于；