用于基于CT颅骨重塑模拟的有限元–Komarova框架

《Scientific Reports》：A finite element–Komarova framework for CT-based cranial bone remodeling simulation

　　

摘要

骨重塑是一种动态的生物学过程，其中骨吸收与骨形成受机械刺激调控。对该过程进行计算建模需要将结构力学与生物驱动适应规律相耦合。本研究提出了一种闭环计算框架，通过将基于微CT的异质有限元分析与Komarova破骨细胞-成骨细胞重塑模型相结合，模拟短尾猫（Lynx rufus）颅骨在双侧咬合载荷下的适应性骨重塑。微CT数据通过亨氏单位（HU）-密度关系和密度-弹性关系转换为异质弹性属性，生成了一个包含约1295万个四面体单元并划分为500个材料分箱的三维有限元模型。有限元分析获得的应变能密度（SED）通过Komarova重塑方程调控破骨细胞和成骨细胞的活动。重塑模拟共进行了13个迭代周期，对应约130个模拟天。结果显示，平均杨氏模量从4,721 MPa渐进增加至6,811 MPa，同时最大应变能密度从6.93 MPa下降至4.83 MPa，表明在规定的载荷条件下，模型预测结构呈现刚硬化响应。此外，针对六个模型、数值和载荷参数的单次迭代敏感性分析表明，重塑响应对所考察的各参数单独变化相对不敏感，平均模量增量的变化一般低于基线的2%。所提出的框架通过材料分箱聚合策略和隐式数值积分方案，展示了稳定的大规模有限元-生物学耦合以及高效的计算性能。总体而言，本研究展示了一条可扩展的力学生物学建模流程，用于研究解剖学复杂结构中预测的颅面重塑响应。主要局限性包括仅涉及颞肌的简化肌肉载荷条件以及缺乏直接实验验证；解决这些局限性是未来工作的重要方向。