[發明專利]一種考慮應力狀態的骨結構預測方法

在審

• 申請號: 201810440840.8
• 申請日: 2018-05-10
• 公開（公告）號: CN108595885A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 馬宗民;王珍;李淑嫻;裘洪梅;鄒凡
• 申請（專利權）人: 大連大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連智高專利事務所(特殊普通合伙) 21235
• 代理人: 蓋小靜

一種考慮應力狀態的骨結構預測方法，包括：步驟一：確定要進行預測的骨結構的拓撲范圍，并根據力學原理抽象出力學邊界條件和載荷；步驟二：對步驟一確定的骨結構進行建模；步驟三：對建立的骨結構模型進行有限元網格劃分，得到骨結構有限元網格模型；步驟四：定義骨結構的初始表觀密度，計算骨的材料性能參數彈性模量，并對每個單元定義材料屬性；步驟五：對骨結構有限元網格模型加載力學邊界條件和載荷；步驟六：對骨結構進行有限元分析求解；本申請使骨結構預測既能體現出骨作為一種有生命器官的骨功能適應性原理，又能體現出把骨作為一種工程材料的自適應優化設計。

技術領域

本發明涉及一種骨結構的預測方法，具體說是一種考慮應力狀態的骨結構預測方法。

背景技術

骨結構預測(也稱為骨重建數值模擬)是研究骨重建理論的重要方法，為臨床上預測骨密度變化或假體優化設計提供理論依據，也有助于各種骨代謝疾病的研究和新的骨代謝疾病治療方案的提出。骨結構預測方程是“需要就生長，不需要就吸收”的骨功能適應性原理的數值實現算法。從工程觀點看，是把骨骼作為一種工程材料的自適應優化設計。因此，骨功能適應性原理也稱為骨結構自優化理論。

骨結構預測控制方程一般為：式中ρ為骨的表觀密度，用來表征骨內部結構特性。B為骨重建速率。S為力學激勵，用來表征力學效應的幅度，可以取為應變、應變能密度或米塞斯等效應力。K為骨重建平衡態的力學激勵。雷周激欣等采用應變能密度、米塞斯等效應力、米塞斯等效應變3種不同力學激勵對股骨近端骨結構進行了預測。(參見：雷周激欣,王冬梅,王春慧,等.不同力學激勵對骨重建數值模擬的影響[J].醫用生物力學,2015,30(4):299-303.)根據力學原理，同一種材料應力狀態不同時，材料失效破壞的形式不同。不同形式的材料失效，要適用相對應的強度理論。不同的強度理論，當量應力的計算公式是不同的。

當前骨結構預測方法存在的問題和缺點是力學激勵無論采用應變能密度、米塞斯等效應力，還是米塞斯等效應變等均未考慮在骨結構預測過程中應力狀態的變化，在整個計算過程中采用固定公式計算力學刺激。當采用相當應力作為力學激勵進行骨結構預測時，相當應力的計算公式應隨著應力狀態的變化進行改變。當前的骨結構預測算法從力學原理來看是存在缺陷的。

發明內容

由于現有的骨結構預測方法未考慮應力狀態對力學激勵的影響，本發明的目的是提供一個考慮應力狀態的骨結構預測方法，使骨結構預測既能體現出骨作為一種有生命器官的骨功能適應性原理，又能體現出把骨骼作為一種工程材料的自適應優化設計。

為了實現上述目的，本發明方案的技術要點是：一種考慮應力狀態的骨結構預測方法，包括：

步驟一：確定要進行預測的骨結構的拓撲范圍，并根據力學原理抽象出力學邊界條件和載荷；

步驟二：對步驟一確定的骨結構進行建模，建模可采用CAD軟件或有限元分析軟件完成；

步驟三：對步驟二建立的骨結構模型進行有限元網格劃分，得到骨結構有限元網格模型；

步驟四：定義骨結構的初始表觀密度，并根據彈性模量與表觀密度的關系式計算骨的材料性能參數彈性模量，泊松比取為0.3，并對每個單元定義材料屬性；

E＝Cρ^γ------------------------------------------(1)

式中E為彈性模量，ρ為骨的表觀密度，單位體積骨的質量，用來表征骨內部結構特性。C、γ為常數。

步驟五：對骨結構有限元網格模型加載力學邊界條件和載荷；

步驟六：對骨結構進行有限元分析求解；

步驟七：提取骨結構有限元模型各單元的主應力；

步驟八：根據各單元的主應力判斷各單元的應力狀態；