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椎体结构及其生长过程模拟
目前,关于骨自优化,或称自适应的定量描述,只有线性的骨再造速率方程,用它与有限元相结合去预测骨结构,仅限于在实测骨的外部几何形状基础上,预测其内部组织结构.至于骨的外部几何形状的模拟预测未见报道.本文的目的是利用骨自优化理论完成椎体的外部几何形状、内部组织结构及生长过程的模拟.采用了一种新的高阶非线性骨再造速率方程与有限元相结合,引入工程拓扑优化思想,从不确定的外形出发进行模拟;并且实测了人第三腰椎椎体冠状面的外部几何形状及内部组织结构.预测的结果在外部几何形状和内部组织结构上与实测相一致.外形上老年期比年轻期椎体具有更向内凹的腰鼓形,小梁骨主要沿主应力即垂直方向排列,只不过,老年期更疏松.是否可以说,采用这种自优化方程与有限元相结合,引入拓扑优化思想,不但能模拟预测骨的外部几何形状和内部组织结构,而且可以模拟其生长过程.尤其值得强调的是实现了外部几何形状的模拟,只有这样才能得以实现生长过程的模拟预测.
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膝内翻引起胫骨平台内侧骨质增生的模拟
本研究首先采用非线性骨再造速率方程和有限元方法相结合,引入拓扑优化思想,从不确定外形出发,模拟了正常力学环境下的胫骨上端外部形状和内部结构.然后以得到的正常力学环境下的胫骨上端外部形状和内部结构为初始模型,根据骨质增生形成的过程,提出膝内翻时胫骨平台上所受压力的分布随内翻角度的变化以及骨质增生过程中平台上受力分布和骨刺上压力分布改变的假设.模拟了膝内翻引起胫骨平台内侧的骨质增生.在模拟的过程中,总结出了一种符合骨质增生生理过程的模拟方法.
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仿骨小梁力学性能的多孔结构拓扑优化设计
目的 基于动物骨小梁结构设计多孔植入物,阐述骨小梁结构的力学性能特点,说明使用仿骨小梁多孔结构植入物在临床治疗中的重要意义.方法 基于动物骨小梁结构的各向异性力学性能,利用拓扑优化技术进行多孔结构设计.根据骨功能原理提出分区、分块重建原则,利用Micro-CT图像重建动物骨小梁模型结构;根据代表体元法对模型施加边界约束和外载荷,以求解的力学性能作为优化的目标函数,利用拓扑优化中的变密度法和均匀化方法进行多孔结构设计及优化.结果 骨小梁结构具有各向异性的力学特点.求解发现,松质骨的体积分数在同一截面的边缘到中间主压力位置呈现递增趋势;泊松比无明显变化规律,均匀分布在0.17 ～0.30之间;而弹性模量和剪切模量在松质骨主压力位置明显大于其他位置;基于上述结果进行拓扑优化设计,结果显示,优化后模型的泊松比分布在0.17 ～0.30,弹性模量误差在14％以下,小的仅为3％,剪切模量误差范围在8％以下,基本符合初的设计目标.结论 利用拓扑优化方法设计的多孔结构具有与动物松质骨相同的各向异性特点,同时减少应力集中现象,可以实现特定性能的多孔结构设计,为后续设计临床应用的多孔植入物提供一种合理有效的方法.
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下颌角缺损修复钛板构型的拓扑优化
目的 为下颌骨缺损修复植入体的构型设计提供优化方法和基本构型.方法 使用基于密度法的拓扑优化算法,针对下颌角缺损的修复体钛板进行拓扑优化计算.结果 通过比较和分析体积分数F和惩罚因子p对优化构型的影响,终选择F =0.65和p=3.5作为优化的参数组合.用此参数组合对下颌角缺损修复体进行优化计算,认为3孔构型是其基本优化构型.同时发现,对同一构型,磨牙咬合较前牙咬合对植人体应力分布影响更显著.结论 获得了一套适用于下颌骨修复植入体构型优化的参数和方法,得到了优化后的钛板基本构型,可为临床下颌缺损修复体的设计提供借鉴.
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椎体结构生长过程模拟
本文的目的是利用骨自优化理论完成椎体的外形、内部结构及生长过程的模拟.采用了一种新的自优化方程与有限元相结合的方法,引入工程拓扑优化思想,从不确定的外形出发进行模拟;实测了人椎体冠状面的外形及内部结构.预测的结果在外形和内部结构上与实测相一致.外形上老年比年轻时的椎体具有更向内凹的腰鼓型,小梁骨主要沿主应力即垂直方向排列,只不过,老年时更疏松.
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桡骨远端骨折锁定钢板的拓扑优化及有限元分析
[目的]对桡骨远端骨折锁定钢板进行刚度大化设计,运用有限元方法对重设计的钢板进行生物力学评价.[方法]运用三维建模软件和有限元分析软件完成个体化钢板的原型设计并进行初始分析,基于计算结果进一步对优化原型进行拓扑优化设计;通过有限元分析计算和对比常规钢板、优化原型钢板和优化钢板的体积、不同工况下的内固定刚度以及应力分布情况.[结果]所获得的优化钢板在体积上与常规锁定钢板相当,在轴向压缩刚度和扭转刚度方面均优于常规钢板,而在两种工况条件下优化钢板的应力峰值均低于常规钢板,应力分布更为均匀.[结论]对于桡骨远端骨折的个体化治疗,锁定钢板的拓扑优化能够为骨折的内固定提供可靠的方案.
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拓扑优化技术在医用金属植入物方面的研究进展
随着临床上应用的金属植入物的不断增多,对植人物本身的结构要求也随之增高.3D打印技术飞速发展和医工交互的深入也使复杂结构的制造成为可能.在此基础上,基于有限元分析技术的结构拓扑优化逐步发展并极大地改善了植入物的生物力学性能.该综述介绍了应用拓扑优化技术进行植入物结构设计的理念和案例,并以颌面外科、骨科等研究为主线,对拓扑优化技术在医用植入物方面的研究和应用现状进行归纳总结.拓扑优化在骨科领域的应用广泛,分别在关节假体、创伤内固定物以及脊柱植人物的结构设计中取得了理论和实践的双重进步.本文后针对植入物的拓扑优化设计,展望未来医用金属植入物的研究趋势.
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基于Wolff法则的连续体拓扑优化方法及其在生物力学中的应用
将骨骼重建过程看作是一个优化过程,通过有限元分析模拟骨骼重建后的物质分布.用构造张量来描述松质骨的多孔性和弹性的各向异性,用构造张量的不变量表示设计域内物质点的有效体积分数或相对密度.对应地,算法中引人参考应变区间替代骨骼的应变死区,它对终物质分布的影响非常明显.算例包括:椎体冠状面的模拟、二维股骨头和三维股骨头的内部物质分布的预测.通过和其他文献的结果比较,验证了该方法的正确性及可行性.
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基于P2P拓扑优化的个人数字图书馆激励机制
在分析P2P技术及个人数字图书馆内涵的基础上,提出一种抑制搭便车行为的激励机制TOIM,基于非结构化P2P网络拓扑,通过邻居选择、删除、数量评测以及置换机制将信誉值较高的个人数字图书馆推到网络中心,使信誉值较低的个人数字图书馆逐渐趋于网络边缘.仿真实验结果表明该机制在一定程度上促进了PDLs之间的共建共享.
