股骨材料屬性有限元模擬及生物力學(xué)分析.pdf

1、有限元方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于研究生物組織結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。有限元網(wǎng)格由CT數(shù)據(jù)生成之后，給每個(gè)單元分配材料屬性便成為了建立個(gè)性化有限元模型的基本步驟，而且材料屬性分配將對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。CT圖像經(jīng)過(guò)校驗(yàn)可以提供骨骼幾何形狀和密度信息，又由于CT數(shù)據(jù)集和由它生成的網(wǎng)格模型在空間上是對(duì)應(yīng)的。因此，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)乃惴梢詫?shí)現(xiàn)每個(gè)網(wǎng)格單元材料屬性的賦值。
　　這一領(lǐng)域的大部分研究都集中在各向同性材料屬性的分配，因?yàn)檫@種算法比較簡(jiǎn)單。

2、然而，骨材料一般情況下被認(rèn)為是各向異性而非各向同性的。因此，本論文的目的是通過(guò)數(shù)值積分的方法給每個(gè)網(wǎng)格單元賦予材料屬性實(shí)現(xiàn)非均勻性的模擬，再合理定義主材料方向?qū)崿F(xiàn)各向異性模擬，然后比較兩種材料模型在六種載荷狀況下的力學(xué)分析結(jié)果的差別。我們選擇四個(gè)感興趣區(qū)域分別進(jìn)行等效應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移的比較?？傮w來(lái)說(shuō)，本論文包括以下內(nèi)容：
　　首先介紹CT數(shù)據(jù)和有限元網(wǎng)格數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備情況。由于初始的CT數(shù)據(jù)是DICOM格式，比較復(fù)雜，我們首先將它轉(zhuǎn)化為

3、VTK格式。除此之外，我們還介紹了有限元網(wǎng)格生成過(guò)程，包括CT圖像處理、三維重建和網(wǎng)格劃分等。
　　通過(guò)編寫(xiě)程序讀取CT數(shù)據(jù)和有限元網(wǎng)格數(shù)據(jù)，然后給每個(gè)網(wǎng)格單元分配一種材料屬性，這種材料屬性是來(lái)源于單元處的骨組織密度。這一過(guò)程就實(shí)現(xiàn)了材料屬性非均勻特性的有限元模擬。
　　根據(jù)股骨干處的皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)以及股骨頸處的松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，松質(zhì)骨的材料主方向依據(jù)小梁骨結(jié)構(gòu)定義，皮質(zhì)骨的材料主方向依據(jù)哈弗系統(tǒng)的方向定義。
　　為了全面地了解