松质骨微结构的图像分析与特性研究

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1、-Two-dimensionalImageAnalysisandPropertyInvestigationsofCancellousBoneMicrostructureAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofMasterofEngineeringByCHENGXuemeiSupervisedbyProfessorLIUJinchengMajor:InstrumentScience

2、andTechnologyCollegeofOpto-ElectronicEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2011---重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要松质骨基质以其优良的成骨诱导能力，常常作为骨组织工程支架材料获得了广泛的应用。近年来，由于与年龄相关的骨折、假肢松弛、以及骨重建等科学和临床问题的推动，松质骨力学性能的实验研究和理论分析已成为骨力学的研究焦点之一。已有研究表明，松质骨可作为固-液耦合的两相多孔介质；松质骨中流体组分的扩散和流

3、动，使得松质骨呈现出一种强烈的表观粘弹性行为以及能量耗散性质；松质骨微结构的变化显著影响其力学性能。可见，为了模拟体内生理条件下松质骨的微动力学环境，松质骨的微结构特征应引起更多的关注。描述松质骨微结构的指标较多，其中最重要的是孔隙率和渗透率。然而，迄今为止，松质骨微结构孔隙率、渗透率的测量方法的研究少见文献报道，松质骨微结构变化对其力学性能的影响机制也未有定论。为此，本文采用二维图像分析方法，研究松质骨（新鲜猪胫骨后肢松质骨）微结构孔隙率沿不同方向的分布规律；将松质骨简化为一种流-固耦合的两相多孔介质，根据D

4、arcy定律设计松质骨渗透率测量装置、并开展松质骨微结构渗透特性实验研究；结合已发表的文献数据，分析微结构形式、解剖部位、年龄引起的松质骨微结构变化对其力学性能的影响。取得的主要研究结果和结论如下：①松质骨微结构孔隙率在胫骨轴向沿靠近密质骨的方向逐渐减小，在垂直于胫骨轴向方向基本不变；松质骨可看作是横观各向同性材料；如果切片数足够多，采用二维图像分析方法，能较为准确地测试出松质骨微结构孔隙率沿不同方向的分布规律。②根据Darcy定律设计的松质骨微结构渗透率测量装置，经进一步改进和完善，可望为松质骨渗透特性的研究

5、提供了一种简便、实用的测量手段。③松质骨微结构的变化显著影响其力学性能：松质骨的弹性模量与“杆-杆微结构模型（Modelofrod-rodstructure）”中孔洞的周长有关，孔洞周长越大，弹性模量越小；儿童骺部及骺端远板层的松质骨的强度、弹性模量均大于骺端近板层的松质骨；青年组股骨头松质骨试件的弹性模量、能量吸收、屈服强度、极限强度和极限应变等六项指标均明显高于老年组。④本文所建立的方法、取得的结果，有助于全面了解松质骨复杂的微结构特征，有助于逼真地模拟人体内生理条件下松质骨的微动力学环境，有助于推动与年龄

6、相关的骨折、假肢松弛、以及骨重建等骨组织工程技术的发展。关键词：松质骨；微结构；图像分析；孔隙率；渗透率---I---重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTCancellousbonematrixhasbeenextensivelyusedasthestentingmaterialof tissue-engineeringboneduetoitsexcellentosteogenicproperty.Recently,promotedby thescientificandclinicalproblemss

7、uchasage-relatedfracture,relaxationofartificial limbandboneremodelling,theexperimentalresearchesandnumericalanalysisonthe mechanicalpropertyofcancellousbonehavebecomemoreandmoreimportant.Ithas beenproposedthatcancellousboneisabletoserveassolid-liquidcoupling

8、,biphasoc porousmedia,whiletheviscoelasticbehaviorandenergydissipationpropertyin cancellousbonewerecausetoagreatextentbytheporeliquidflowanddiffusion; Additionally,thechangeofmicrostructureofcan