不同运动强度对骨质疏松影响的数值模拟

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1、不同运动强度对骨质疏松影响的数值模拟作者：朱东，闫华，朱伟民，赵双龙【摘要】探讨数值模拟不同运动强度对因废用引起的骨质疏松的影响。依据骨的功能适应性和力学调控系统理论，遵循骨重建的生理过程，建立了一个带有时间历程的描述松质骨骨质疏松过程的计算模型，用C语言编制程序。得到了不同运动负荷对因废用引起的骨质疏松（孔隙率）的影响曲线。结果表明：较大的运动强度可以减缓因废用引起的骨质疏松。这对于运动防治骨质疏松有一定的参考价值。【关键词】基本多细胞单位；孔隙率；运动强度；骨质疏松；松质骨；模拟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随着社会的发展,世界已进入了老龄化社会,骨质疏松症(osteoporosis,OP)的发生率也逐年增加，已成为威胁中老年人身体健康的疾病之一。运动疗法是一种非药物、非侵入性、无毒副作用的治疗骨质疏松症的方法，已成为骨力学研究和骨质疏松研究的一个新的课题。骨再造（包括骨建

6、造和骨重建）贯穿人的一生，对其进行模拟是骨生物力学的一个研究热点。很多研究者已经用计算模型来验证数学规律控制骨的力学适应性的假设［1］，骨再造是生物学和力学因素耦合共同作用下发生的，因此只有综合考虑这两方面的耦联关系才有可能正确反映骨再造的过程。2材料和方法2.1材料10　　我们选择一个取自股骨近端的松质骨体积单元作为施加载荷的模型，见图1(a)，在此骨单元的上下两侧作用着均布变化力。图1(b)是从图1(a)的体积单元中选取的具有代表性的横截面，里面分布着一些不规则的骨小梁，其中一些激活的基本多细胞单位(BMU)正在活动，有的

7、进行骨吸收，有的进行骨填充,方框中显示的半圆形缺损是激活的BMU正在骨小梁表面进行骨重建，在松质骨中，骨小梁表面BMU吸收和填充的截面形状一般认为是沟状或槽状［2］，见图2。2.2方法　　松质骨的骨质疏松模型是从现在已知的骨重建动态生理过程出发，细致描述BMU的破骨、成骨过程，融入合理的力学因素形成一个计算模型。　2.2.1孔隙率P、表观密度ρ和弹性模量E孔隙是松质骨内部结构的重要特征之一。孔隙率是骨组织含有孔隙多少的描述量，孔隙率越大，表明骨质疏松越严重，松质骨孔隙率约在0.7～0.9之间。表观密度ρ是BMU体积中所含骨矿物

8、的质量，约为0.05～0.59g/cm3，表观密度与孔隙率之间的关系:ρ=(1-P)×ρ0(1)其中，ρ0取为2.0g/cm3。10弹性模量E（MPa）是表示骨力学性能的一个重要指标，表示材料抵抗弹性变形能力的大小，孔隙率越大，表观密度和弹性模量就越小。我们通过表观密度与弹性