不同運(yùn)動強(qiáng)度對骨質(zhì)疏松影響的數(shù)值模擬

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1、不同運(yùn)動強(qiáng)度對骨質(zhì)疏松影響的數(shù)值模擬作者：朱東，閆華，朱偉民，趙雙龍【摘要】探討數(shù)值模擬不同運(yùn)動強(qiáng)度對因廢用引起的骨質(zhì)疏松的影響。依據(jù)骨的功能適應(yīng)性和力學(xué)調(diào)控系統(tǒng)理論，遵循骨重建的生理過程，建立了一個(gè)帶有時(shí)間歷程的描述松質(zhì)骨骨質(zhì)疏松過程的計(jì)算模型，用C語言編制程序。得到了不同運(yùn)動負(fù)荷對因廢用引起的骨質(zhì)疏松（孔隙率）的影響曲線。結(jié)果表明：較大的運(yùn)動強(qiáng)度可以減緩因廢用引起的骨質(zhì)疏松。這對于運(yùn)動防治骨質(zhì)疏松有一定的參考價(jià)值?！娟P(guān)鍵詞】基本多細(xì)胞單位；孔隙率；運(yùn)動強(qiáng)度；骨質(zhì)疏松；松質(zhì)骨；模擬ComputerSimulationonth

2、eInfluenceofDifferentExerciseIntensityonOsteoporosisZHUDong1，YANHua2，ZHUWeimin1，ZHAOShuanglong1(1.TheFirstHospital，JilinUniversity，Changchun130025，China;2.JilinCommunicationsPolytechnicCollege，Changchun10130022；3.TheMechanicalDepartmentofJilinUniversity,Changchun,13

3、0022)Abstract：Theinfluenceofcomputersimulationofdifferentexerciseintensityofosteoporosiscausedbydisuse.WeestablishedacancellousmodelofosteoporosisbonewithtimehistorybasedonbonefunctionaladaptationandFrost′smechanicaltheoryandphysiologicalprocessofboneremodelingwaspr

4、ogrammedbyClanguage.Itproducedthecurveofosteoporosisinfluencecausedbydisuseunderdifferentexerciseloadconditions.Theresultsshowthatporositycanbereducedwithgreaterexerciseintensityandslowosteoporosisofdisuse.Theseresultsarevaluableforthepreventionandtreatmentofosteopo

5、rosisbyexercise.Keywords：Basicmulticellularunit；Porosity；Differentexerciseintensity；Osteoporosis；Cancellous；Computersimulation1引言10隨著社會的發(fā)展,世界已進(jìn)入了老齡化社會,骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)的發(fā)生率也逐年增加，已成為威脅中老年人身體健康的疾病之一。運(yùn)動療法是一種非藥物、非侵入性、無毒副作用的治療骨質(zhì)疏松癥的方法，已成為骨力學(xué)研究和骨質(zhì)疏松研究的一個(gè)新的課題。骨再造（包括骨建

6、造和骨重建）貫穿人的一生，對其進(jìn)行模擬是骨生物力學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。很多研究者已經(jīng)用計(jì)算模型來驗(yàn)證數(shù)學(xué)規(guī)律控制骨的力學(xué)適應(yīng)性的假設(shè)［1］，骨再造是生物學(xué)和力學(xué)因素耦合共同作用下發(fā)生的，因此只有綜合考慮這兩方面的耦聯(lián)關(guān)系才有可能正確反映骨再造的過程。2材料和方法2.1材料10　　我們選擇一個(gè)取自股骨近端的松質(zhì)骨體積單元作為施加載荷的模型，見圖1(a)，在此骨單元的上下兩側(cè)作用著均布變化力。圖1(b)是從圖1(a)的體積單元中選取的具有代表性的橫截面，里面分布著一些不規(guī)則的骨小梁，其中一些激活的基本多細(xì)胞單位(BMU)正在活動，有的

7、進(jìn)行骨吸收，有的進(jìn)行骨填充,方框中顯示的半圓形缺損是激活的BMU正在骨小梁表面進(jìn)行骨重建，在松質(zhì)骨中，骨小梁表面BMU吸收和填充的截面形狀一般認(rèn)為是溝狀或槽狀［2］，見圖2。2.2方法　　松質(zhì)骨的骨質(zhì)疏松模型是從現(xiàn)在已知的骨重建動態(tài)生理過程出發(fā)，細(xì)致描述BMU的破骨、成骨過程，融入合理的力學(xué)因素形成一個(gè)計(jì)算模型?！?.2.1孔隙率P、表觀密度ρ和彈性模量E孔隙是松質(zhì)骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要特征之一。孔隙率是骨組織含有孔隙多少的描述量，孔隙率越大，表明骨質(zhì)疏松越嚴(yán)重，松質(zhì)骨孔隙率約在0.7～0.9之間。表觀密度ρ是BMU體積中所含骨礦物

8、的質(zhì)量，約為0.05～0.59g/cm3，表觀密度與孔隙率之間的關(guān)系:ρ=(1-P)×ρ0(1)其中，ρ0取為2.0g/cm3。10彈性模量E（MPa）是表示骨力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，表示材料抵抗彈性變形能力的大小，孔隙率越大，表觀密度和彈性模量就越小。我們通過表觀密度與彈性