骨生物力学研究
关于我们的骨生物力学研究
逐步压缩松质骨
微压缩与三维微计算机断层扫描相结合，可以以非破坏性的方式可视化故障的发生和传播. 我们发现，与经典的连续测试相比，逐步压缩是一种有效的图像引导故障评估方法，具有高精度和准确性. 然而, 因为这项技术是用泡沫铝和鲸鱼椎骨来验证的, 该技术在人类小梁骨上的可重复性尚不清楚. 也, 目前尚不清楚用于制造这些圆柱体的取芯技术是否足以获得人类骨质疏松症的骨样本. 在未来, 一旦这些问题解决了, 我们希望解决骨“质量”这个有争议的话题, i.e. 骨骼结构, 损伤积累, 骨矿化比单独的骨密度更能预测结构能力. 测试样本力学性能的大标准偏差支持密度不是影响骨力学性能的唯一因素的观点. 我们期望这些发现能提高我们对密度测量的相对重要性的理解, 形态, 负重因素在自发性脊柱骨折病因学中的作用. 最终, 这种更好的理解可能会导致更成功的方法来预防与年龄有关的骨折.
我们已经证明，单独从微CT成像的BV/TV比从DXA成像获得的矿物质含量测量能更好地描述材料的强度. 这部分是由于微CT成像的分辨率更高，除了非均匀矿化组织的密度测量外，还能提供微结构信息. 另外, 我们已经生成了人类股骨近端强度/密度/形态测量剖面，用于植入物设计和老年人髋部骨折冲击负荷研究等应用.
相关的出版物: 1 , 3 , 5
大鼠骨的本构性
我们已经生成了描述压缩的关系, 基于BV/TV的大鼠骨拉伸和扭转特性研究, 弹道导弹防御, 或表观密度来解释大鼠骨骼在密度和常见骨骼病理范围内的力学特性.
相关的出版物: 16 , 17 , 18 , 29
一种评估骨扭转性能的新系统
我们设计了一种新型的非均匀材料扭转测试系统, 采用渐进式扭转和同步延时μCT成像.
这种方法使人们能够执行适当的连续和/或增量逐步扭转测试，以便获得感兴趣的骨结构的破坏模式的机械和视觉洞察力. 此外, 进一步研究了骨小梁微观结构对鲸鱼松质骨整体扭转性能的贡献, 强调具有最小极性惯性矩的子区域作为整个试件扭转行为的预测因子的重要性.
骨扭转性能计算的改进
扭转力学测试捕获扭转刚度，它是扭转常数(k)和扭转剪切模量(G)的乘积。. 扭转常数, 代表几何刚度, is identical to the polar moment of inertia (J) for a beam with circular cross-section; although for a structure with irregular cross-section such as bone, 没有计算k的解析方程. So, 为了从扭转试验中计算剪切模量, 应该做出一组假设，这些假设将直接影响要生成的模型的质量. 这些假设可以概括为材料的各向同性和非均质性以及横向和纵向的几何变化.
传统的方法是认为骨是一种弹性的、各向同性的、均匀的材料. 虽然这个简化的模型允许使用简单的公式来近似材料的性质, 它在计算中引入了错误. 然而, 骨具有复杂的层次结构和各向异性组成，并解释了骨作为各向异性材料的材料特性差异, 我们应该考虑21个独立的弹性常数. 赖利和伯斯坦认为，长骨可以被建模为横向各向同性材料. 对不同人骨和牛骨标本的评价表明，正交各向异性模型在三个径向上具有不同的材料性能, 圆周方向和纵向方向)可以充分描述长骨的材料特性. 我们的方法假设皮质骨是一种形状固有的正交异性材料, 首先由Cowin等人提出. 基于Saint Venant的弹性扭转方程, 描述了直角各向异性对称对称坐标系与啮齿动物长骨长轴重合的情况. 这种方法允许我们使用已知的各向同性解决方案来评估具有形状固有正交异性的骨的扭转特性, 假设横截面的内外边界曲线属于同一曲线族.
近几十年来，整个骨骼的几何模型也得到了发展. 早期的模型认为骨头是一个实心圆柱体，在长度上具有恒定的圆形横截面. 改进截面建模, 坚实的椭圆, 已提出空心圆形和空心椭圆形式，其面积和扭转常数与中轴或相同或对侧骨的最小横截面相似. 在这些模型中, 与实际轴中截面面积和扭转常数相近的空心椭圆截面是最常用的模型. 而对长骨的几何建模过于简化会导致对计算出的剪切模量值的高估, 使用基于有限元分析的方法来评估骨横截面几何特性的优点必须在复杂性的背景下进行权衡, 分析形状和大小一致的骨头所花费的时间和成本.
几何建模的另一个方面是考虑骨横截面的纵向变化. 对人类长骨的研究揭示了长骨的面积和扭转常数的显著变化, 哪些因素会影响这些结构的正确建模. Levenston等人. 用一个多棱柱模型来解决这个问题，其中每个棱柱代表具有相似a和k的骨骼的相应横截面. 他们比较了五种不同的单棱镜(空心圆形)的预测值, 空心椭圆)和多棱柱形(空心圆形), 空心椭圆和真骨截面)模型，k和A值由有限元模型得到. 采用多棱镜法而不处理截面几何，可使计算模量误差减少一半, 从而强调了这一概念的重要性. 由于当时非侵入性高分辨率成像方式尚未广泛应用, Levenston等人. 提出了一种折衷的解决方案，使用具有五个真实骨横截面的多棱柱模型，能够将模量误差降低到3%.
建立了与扭转分析相关的局限性, 根据研究人员在这个项目之前所做的工作, 我们提出了一种相对简单的方法来评估长骨的扭转特性，使用常用的高分辨率成像模式(如微计算机断层扫描)的数据. 为了首先验证所提出方法的有效性, 我们使用一种已知材料特性的塑料，通过快速成型制造了三根大鼠股骨. 然后我们采用了Ekeland等人提出的常用方法. Levenston等人. (5多棱镜模型)除了本文介绍的方法(主要基于S.C. 排除结构的影响，计算材料的剪切模量. 结果表明，Ekeland等人提出的常规模型. 与塑料制造商提供的结果相比，导致剪切模量高估96%. Levenston等人. 模型导致剪切模量低估7%, 然而，在本研究中提出的方法导致6%的剪切模量高估. 而研究中使用的塑料是一种各向同性材料, 最重要的目标是使用已知机械性能的材料制造大鼠股骨，然后对其进行扭转. 在这方面, 本文建立的方法用扭转数据进行了验证，而不是有限元估计.
验证了本研究提出的分析方法, 我们的目的是推导大鼠骨的扭转特性与基于微CT的骨体积分数或在正常和病理骨密度范围内的表观密度之间的关系. 我们的研究结果表明，以剪切模量或剪切强度为因变量，骨体积分数或表观密度为自变量的回归模型描述了正常和病理大鼠皮质骨扭转特性的至少81%的变化. 从卵巢切除和部分肾脏切除的动物身上提取的病理骨的结合增强了骨密度的范围，并提供了描述正常和病理骨的关系. 在所有情况下, 去卵巢动物的骨骼具有最高的皮质厚度, 密度和骨体积分数, 因此具有最高的抗扭强度. 这种趋势可以解释为一种代偿效应(骨膜扩张)，以对抗卵巢切除术后小梁骨结构和力学的不利变化. 此外, 部分切除肾脏的动物骨骼密度较低, 骨体积分数及强度分布范围, 对照动物的骨骼填补了两种疾病模型之间的空白. 据我们所知, 大鼠股骨的扭转特性与骨体积分数或表观密度的关系尚未见报道.
相关的出版物
人类: 8 , 15 , 19 , 20
动物: 4 , 10