基于影像的股骨近端非线性有限元建模及其在骨折风险预测中的应用

随着人口老龄化日益显著，髋部骨折，通常由于跌倒引发，已经成为一个严重的公共健康问题而备受关注。准确评价患者的髋部骨折风险能够鉴别高风险人群，以便于采取相应的预防治疗措施。因此，根据临床已知信息更好地预测与股骨强度相关的髋部骨折风险，是一个非常重要的应用基础研究课题。本项研究通过基于micro-CT扫描的显微有限元计算获得股骨内部骨组织的正交各向异性材料属性分布；建立基于临床QCT影像的个体化非线性有限元模型来预测股骨近端强度，包括骨组织的非线性弹塑性本构关系、各向异性和非均匀性，以及合适的骨失效准则，以期提高股骨强度预测精度；进行离体股骨的实验研究，以确定失效准则和验证有限元模型；弄清股骨强度和骨矿化密度、材料分布、三维几何形态、人体测量学指标之间的关系，提出最能反映骨折风险的一系列指标，有望用于临床提高骨折风险预测的准确性，架起力学与生物医学等多学科交叉研究、防治骨质疏松及骨折的桥梁。

随着人口老龄化日益显著，髋部骨折，通常由于跌倒引发，已成为一个严重的公共健康问题而备受关注。准确评价患者的髋部骨折风险能够鉴别高风险人群，以便于采取相应的预防治疗措施。因此，根据临床已知信息更好地预测与股骨强度相关的髋部骨折风险，是一个非常重要的应用基础研究课题。. 本项研究从宏观层次深入到细观层次，基于当前国际先进的技术手段和研究平台，通过micro-CT扫描获得了离体股骨内部皮质骨和松质骨的显微结构形态及其分布规律；通过基于micro-CT扫描的显微有限元计算获得了股骨内部骨组织的正交各向异性材料属性分布规律，对细观水平下股骨近端结构特征与力学性能的区域差异性有了更为深入的认识；建立了一种新的基于CT影像的股骨近端三维几何形态参数测量方法，并比较了年龄变化对于三维几何形态参数的影响；基于临床QCT影像建立了个体化股骨近端非线性有限元模型预测股骨强度，包括骨组织的非线性弹塑性本构关系、各向异性和非均匀性；量化了股骨强度和骨矿化密度、材料分布、三维几何形态、人体测量学指标之间的关系，提取出了一系列独立的参数来反映髋部骨折风险。. 采用生物力学方法评价了全髋关节置换中生物型和骨水泥型假体对股骨的影响；建立了基于影像的股骨近端动态非线性有限元模型，预测了股骨近端骨折位置和载荷，为进一步研究骨折机理，以及确定股骨近端最易发生骨折的载荷方向提供一定的理论依据；建立了基于micro-CT影像的离体大鼠股骨皮质骨力学性能评价方法；建立了基于ANSYS软件二次开发的骨重建过程模拟平台，提出了松质骨在不同力学环境和激素水平下功能适应性的统一模型，与有限元分析相结合，预测了不同材料的股骨假体植入后股骨的功能适应性行为和承载情况的变化；模拟了正常和外翻情况下的三维胫骨近端内部结构，是进一步研究人工膝关节置换后胫骨假体周围骨重建行为，及绝经期妇女骨丢失情况的基础。. 本项研究已发表论文24篇（其中SCI收录11篇，此外EI收录8篇），培养博士后2名，研究生8名。本项研究是与髋部有关的力学计算和医学研究的基础，有望用于临床提高骨折风险预测的准确性，对于弄清髋部骨折机理，和中老年人预防骨折，选择合理的锻炼方式起指导作用。