基于新型实验与图像结构张量分析的骨小梁各向异性弹性特性精准评估

　　本研究提出基于数字图像相关（DIC）技术的创新弹性模量测量方法，结合微CT（micro-CT/FEM）与临床CT（CT/FEM）有限元模拟，开发基于平均截距长度（MIL）和灰度结构张量（GST）的结构张量分析框架，实现了对骨小梁各向异性弹性性能的精准评估，为临床骨科诊断和个性化植入物设计提供重要技术支撑。

　　

亮点

(1) 提出一种基于数字图像相关（DIC）技术的新型弹性模量测量方法，通过对多孔组织进行特殊表面处理，实现了同一标本在多向加载条件下各向异性特性的精准测定。

结论

本研究通过实验和数值模拟对骨小梁的各向异性模量进行了系统评估。通过对比微CT/FEM模型，分析了CT/FEM模型的局限性。针对临床应用的现实需求，提出了一种基于CT图像的弹性模量预测新方法，该方法可推广至其他多孔材料的各向异性力学行为评估。主要结论如下：

(1) 新型弹性模量测量方法结合数字图像相关（DIC）技术和特异性表面处理方案，成功实现了对同一骨小梁标本在不同加载方向（0°、45°和90°）下的弹性模量精准测量，有效消除了样本间变异性的干扰。

(2) 微CT/FEM模型能够高精度预测骨小梁的弹性模量，其与实验结果的误差小于10%，且能准确捕捉力学各向异性特征（轴向模量约为横向模量的2.5倍）。

(3) 临床CT/FEM模型虽可较准确预测轴向模量（误差约15%），但对横向和剪切模量的预测存在显著偏差（误差超过50%），这是由于低分辨率图像无法还原真实的微观结构所致。

(4) 基于平均截距长度（MIL）和灰度结构张量（GST）的结构张量解析模型，仅需单一方向的弹性模量实验数据即可预测全方向模量。其中GST方法在临床CT图像上表现出优异性能，其预测结果与微CT/FEM模型高度一致（R²>0.9）。

(5) 提出的GST-based分析方法为临床低分辨率影像条件下的骨小梁各向异性力学行为评估提供了高效可靠的解决方案，该方法具备推广至其他多孔材料应用的潜力。