The deterioration of the musculoskeletal system is a serious health concern for long-term space missions. The accumulated information over the past decades of space flights showed that microgravity impacts significantly the musculoskeletal system with muscle atrophy and bone loss. Until now, it has been difficult to make reasonable predictions of the bone loss for prolonged space missions due to the lack of in-space experimental data and weak understanding of the mechanobiological bone mechanisms. On earth, the healthy musculoskeletal degradation is mainly age related with osteoporosis and delayed fracture healing. A better understanding of the bone mechanobiological functions could help us improve our model predictions of the musculoskeletal health system during long-term space missions. We develop a numerical model able to predict the bone loss at the mesoscopic scale (bone trabecula) in microgravity. The model is able to correlate the calculated bone degradation mechanism with data available in the literature showing the effective bone density loss measured experimentally. An optimization algorithm is used for an average bone microstructure distribution and long-term prediction. Extrapolation is made to link the local bone loss at the structural scale with the corresponding effective bone strength. The first part of the paper details the extraction of the bone microstructure using micro-CT images and numerical model development. Next, the degradation and optimization schemes are detailed. Finally, some results are presented for long-term degradation.

中文翻译：

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基于微CT图像预测患者微重力下骨密度损失的新型数值模型

肌肉骨骼系统的恶化是长期太空任务的严重健康问题。在过去几十年的太空飞行中积累的信息表明，微重力会严重影响具有肌肉萎缩和骨质流失的肌肉骨骼系统。到目前为止，由于缺乏太空实验数据以及对机械生物学的骨骼机制了解不足，因此很难对长时间太空任务的骨损失做出合理的预测。在地球上，健康的肌肉骨骼退化主要与骨质疏松症和骨折愈合延迟有关。更好地了解骨骼力学生物学功能可以帮助我们改善长期太空任务中肌肉骨骼健康系统的模型预测。我们建立了一个数值模型，能够预测微重力下介观尺度（骨小梁）的骨质流失。该模型能够将计算出的骨降解机制与文献中提供的数据相关联，这些数据显示了通过实验测量的有效骨密度损失。优化算法用于平均骨微结构分布和长期预测。外推法将结构规模的局部骨丢失与相应的有效骨强度联系起来。本文的第一部分详细介绍了使用微CT图像和数值模型开发来提取骨微结构。接下来，详细说明降级和优化方案。最后，给出了长期降解的一些结果。该模型能够将计算出的骨降解机制与文献中提供的数据相关联，这些数据显示了通过实验测量的有效骨密度损失。优化算法用于平均骨微结构分布和长期预测。进行推断以将结构规模的局部骨丢失与相应的有效骨强度联系起来。本文的第一部分详细介绍了使用微CT图像和数值模型开发来提取骨微结构。接下来，详细说明降级和优化方案。最后，给出了长期降解的一些结果。该模型能够将计算出的骨降解机制与文献中提供的数据相关联，这些数据显示了通过实验测量的有效骨密度损失。优化算法用于平均骨微结构分布和长期预测。进行推断以将结构规模的局部骨丢失与相应的有效骨强度联系起来。本文的第一部分详细介绍了使用微CT图像和数值模型开发来提取骨微结构。接下来，详细说明降级和优化方案。最后，给出了长期降解的一些结果。优化算法用于平均骨微结构分布和长期预测。外推法将结构规模的局部骨丢失与相应的有效骨强度联系起来。本文的第一部分详细介绍了使用微CT图像和数值模型开发来提取骨微结构。接下来，详细说明降级和优化方案。最后，给出了长期降解的一些结果。优化算法用于平均骨微结构分布和长期预测。进行推断以将结构规模的局部骨丢失与相应的有效骨强度联系起来。本文的第一部分详细介绍了使用微CT图像和数值模型开发来提取骨微结构。接下来，详细说明降级和优化方案。最后，给出了长期降解的一些结果。详细介绍了降级和优化方案。最后，给出了长期降解的一些结果。详细介绍了降级和优化方案。最后，给出了长期降解的一些结果。