摘要
随着计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等成像技术的发展，计算生物力学也取得了显著进步，这些技术能够构建出高精度的硬组织和软组织生物模型。然而，大多数此类生物模型都被视为连续的均匀固体，这限制了它们再现活体组织内部结构的能力。微有限元分析利用微CT数据，在亚毫米尺度上解决了骨骼模型的这一局限，但其应用仍受到扫描仪可用性、计算成本以及工作流程复杂性的制约。本研究提出了一种方法论框架，称为内在生物保真度，作为生物保真度的补充概念，用于描述生物模型在再现组织内部形态和形态测量方面的程度。本文介绍了一种基于ScanIP?对MRI生成的DICOM数据进行分割、SolidWorks?进行实体建模，再通过ANSYS? Workbench进行有限元分析的可重复工作流程，该流程可从股骨远端松质骨中提取宏观尺度的骨小梁结构，并将其整合到膝关节生物模型中。在具有正交各向异性材料特性的等效双足站立载荷条件下，进行了两项数值分析：一项仅考虑外部生物保真度（案例1），另一项则在骨小梁结构中引入宏观尺度的内在生物保真度（案例2）。引入内在生物保真度后，各区域的冯·米塞斯应力峰值发生了显著重新分布。骨小梁的应力峰值从2.66 MPa上升至12.10 MPa（提升了4.5倍），而皮质骨的应力峰值则从56.25 MPa下降至45.97 MPa（下降了18.3%），不过两种组织的体积平均应力基本保持不变，这说明内在生物保真度主要影响局部应力集中情况，而非整体应力状态。主应力数据进一步显示，案例1中骨小梁区域处于低应力、以压缩为主的状态，而在案例2中则出现了相当大的局部拉应力和压应力共存的情况。所提出的方法为利用常规的MRI数据和商业FEA软件实现骨骼内部结构的宏观尺度整合提供了可行的路径，同时引入内在生物保真度这一概念，有助于教学以及系统地记录计算生物模型的保真度。
