[发明专利]一种评估人体不同角度侧向跌倒冲击载荷下股骨骨折风险的微观生物力学研究方法

说明书

一种评估人体不同角度侧向跌倒冲击载荷下股骨骨折风险的微观生物力学研究方法，属于生物力学领域。包括以下步骤：⑴分离股骨组织和周围软组织图像；⑵建立与实际股骨尺寸相等的三维股骨模型；⑶模拟人体不同角度侧向跌倒冲击载荷下股骨的受力；⑷分析人体不同角度侧向跌倒股骨应力、应变、刚度等力学参数以及观察应力分布、应力集中区域，在力学角度分析探讨不同角度侧向跌倒时股骨在冲击载荷下的微观力学属性的变化。本发明运用μMRI‑FEA技术手段，探究不同角度侧向跌倒股骨冲击载荷下的微观生物力学行为，对不同角度侧向跌倒姿态下股骨强度差异以及应力集中区域差异的探究和骨折机制的明确具有重要意义。

技术领域

本发明属于生物力学领域，涉及一种基于μMRI(micro-Magnetic ResonanceImaging；μMRI)评估人体不同角度侧向跌倒冲击载荷下股骨骨折风险的微观生物力学研究方法。

背景技术

我国是世界上中老年人口最多的国家，老龄化问题日益严峻。骨质疏松症是与老龄化密切相关的重大慢病，其最严重的后果是引发骨折，致死率可达50％。老年人骨折最易发生部位为髋部，65岁以上老人的髋部骨折占50％以上，90％以上由侧向跌倒引起。骨质疏松性骨折严重威胁我国居民健康和生命，成为影响国家经济和社会发展的重大公共卫生问题。临床上，如果能在人体骨骼未发生骨折时准确预测股骨骨折风险并及时给予药物治疗和日常防范措施，即可有效减少居民骨折发生率，降低其危害性。因此，研究人体不同角度侧向跌倒状况下股骨骨折机制对骨折风险评价和骨折的防治有重要意义。

骨折的本质是一个生物力学问题，由于微结构破坏导致整骨承载力下降、不足以承受外力进而破坏。股骨骨折最常出现在股骨颈、股骨头、Ward三角区、转子间部位。目前双能X线吸收测定法(Dual Energy X-ray Absorptiometry；DXA)检测BMD是临床评价骨质疏松性骨折风险的金标准，但单一BMD不能完全反映骨微结构特性及抗骨折能力。近年来，由于成像器场强的增加和射频线圈技术的改进，增加了信噪比，使股骨近端微结构的磁共振成像成为可能。显微磁共振影像(micro-Magnetic Resonance Imaging；μMRI)可以显示股骨近端微结构且没有X射线辐射，具有较大的临床应用潜力。

骨微结构是骨折强度的关键决定因素，本项目将利用μMRI骨小梁微结构成像优势，通过数字图像处理提取含有骨小梁微观结构信息的断层影像和三维数值化建模过程，利用显微有限元分析(micro-Finite Element Analysis；μFEA)，探究人体不同角度侧向跌倒冲击载荷下股骨骨折风险的微观生物力学行为，对不同角度侧向跌倒姿态下股骨强度差异以及应力集中区域差异的探究和骨折机制的明确具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种基于μMRI评估人体不同角度侧向跌倒冲击载荷下股骨骨折风险的微观生物力学研究方法，实现无创采集人体股骨μ-MRI，结合显微有限元分析(micro-Finite Element Analysis；μFEA)，探究人体不同角度侧向跌倒冲击载荷下的股骨微观生物力学行为，评估股骨在人体不同角度侧向跌倒时的骨折风险。基于显微磁共振影像(micro-Magnetic Resonance Imaging；μMRI)评估人体不同角度侧向跌倒冲击载荷下股骨骨折风险的微观生物力学研究方法包括：医学图像处理、三维重建、有限元分析计算，从而实现股骨组织和周围软组织的分离，实际股骨尺寸相等的三维股骨模型的建立，人体不同角度侧向跌倒股骨实际受力的模拟，股骨应力、应变、刚度等力学参数的分析以及应力分布、应力集中区域的观察等目的，在力学角度分析探讨侧向跌倒时股骨微观力学属性的变化。骨折问题的实质可归结于一个力学的问题，股骨因骨量减少、骨微观组织退化而不足以承受外力而断裂。本发明利用μMRI具有呈现股骨微结构的优势，运用μMRI-FEA技术手段，以15°、30°、45°、60°、75°五个角度侧向跌倒为代表，探究人体不同角度侧向跌倒股骨冲击载荷下的微观生物力学变化。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：