红外幅射应力定量分析方法及其在断裂力学上的应用研究

本文研究了用红外热象系统做热幅射应力定量分析的方法、技术及应用.阐述了其物理基础、实施条件、系统结构及应用软件功能.建立了用以确定Ⅰ型裂纹应力强度因子及远场应力的基本方程。用紧凑拉伸试件实测的 K_Ⅰ值具有较好精度,并同时获得裂尖前沿各特征区的界限及范围大小,为断裂力学研究提供了一种有效的实验分析方法。

富有活力的生物力学新分支学科——浅谈工效生物力学

随着科学技术的进步和社会需要的发展,一门充满活力的新兴边缘学科——人类工效学在我国得到了迅速的发展。1988年12月国家教委、科委正式批准了中国人类工效学会的建立,标志着这门新学科在我国真正确立了。人类工效学,在欧洲一般称为Ergonomics,它是由两个希腊词根组成的:Ergo意为工作效率、Nomics意为"法则"。在美国则常称为:Human Factors,1950年美国成立了世界上第一个国家级人类工效学学会。其后,美国、西德、法国、苏联、日本等国都相继成立了全国性的学会,1959年国际人类工效学协会(International Ergonomics Association简称IEA)正式成立。此后国际人类工效学学术会议频频举行,至今已开了11届,学术研究活动十分活跃。

工效生物力学与效应研究的现状与展望

工效生物力学与效应研究的现状与展望丁祖泉（同济大学生物医学工程研究所上海２０００９２）在人类工效学所研究的人、机、环境这三大要素中，“人”无疑是最基本的要素。而人的整个活动主要是通过人体的运动系统来实现的。该系统主要由骨、关节和肌肉等软组织三大部分组...

天鹅型记忆接骨器治疗肱骨骨折和骨不连的三维有限元分析

目的 :研究天鹅型记忆接骨器 (SMC)治疗骨折和骨不连及其产生的动态记忆应力促进骨愈合的生物力学基础。 方法 :利用计算机仿真三维有限元技术 ,对 SMC固定肱骨的生物力学行为进行模拟 ,接骨器有限元模型共划分了 3 487个单元 ,节点数为 5 397,单元采用 2 0节点四面体三维砖块单元 ;肱骨有限元模型共划分 5 783个单元 ,节点数为 986 3,单元采用 10节点四面体三维单元。结果 :接骨器固定肱骨后其内表面受拉力 ,外表面受压力 ,变形最大的加压部第一结构主应力最大值分别为 2 2 4.5 MPa和 - 34MPa,远小于其极限应力与疲劳极限 ;其维持轴向的动态记忆持骨力为 12 5 .0 5 N,纵向动态记忆加压力 196 N;被固定肱骨应力分布均匀 ,各节点所受应力主要为正应力。结论 :SMC有良好的耐疲劳与重复使用性 ,其固定后产生的动态记忆加压应力场 ,有利于固定肱骨的稳定并促进骨愈合。

HPLC定量分析冬虫夏草的主要核苷类有效成分

目的:探讨冬虫夏草主要核苷类成分的定量分析方法。方法:采用微量提取及HPLC-UV分析法。结果:建立了冬虫夏草核苷类物质的微量提取方法,在优化的HPLC-UV色谱条件下,鸟嘌呤、胸腺嘧啶、腺嘌呤、腺苷和虫草素等5种冬虫夏草主要核苷类物质的标准品分离完全。精密度、稳定性和回收率实验表明,用HPLC-UV方法即可定量分析冬虫夏草的核苷类有效成分。用该方法检测到这5种核苷类物质含量在冬虫夏草子座部分与其虫体部分之间以及冬虫夏草居群间存在显著差异。结论:冬虫夏草主要核苷类成分的有效定量分析方法的建立对冬虫夏草的品质评价及质量控制具有重要的现实意义,也为进一步研究影响冬虫夏草品质的因素并建立品质评价体系奠定了基础。

肱骨三维模型的构建及其生物力学意义

目的肱骨骨折治疗方法多样,但是常遗留严重的并发症如骨不连等,介绍肱骨三维模型的构建并探讨其相关的生物力学意义,以期为肱骨骨折、骨不连的治疗提供新思路。方法选择湿肱骨标本行CT成像得到肱骨每层横截面图像,采用大型有限元分析软件ANSYS5.6建立肱骨三维模型。结果所构建肱骨三维模型,逼真反映肱骨真实解剖形态及生物力学行为,同时与CT切片图像对比以判断其精确性。结论肱骨三维有限元模型的构建,可以为肱骨正常力学行为以及骨折后内固定的力学基础研究提供精确模型。

人体足主要骨-韧带结构三维有限元模型的建立及分析

目的:建立正常人体足主要骨-韧带结构的三维有限元模型,为足部生物力学研究提供数字平台。材料和方法:获取正常青壮年男性的左足螺旋CT扫描图像,应用逆向工程原理,通过处理序列螺旋CT图片建立足部骨结构的三维几何模型,并对其进行有限元网格划分。足部关节软骨、韧带、肌腱和足底软组织通过解剖和文献数据模拟。同时,对7具新鲜尸体标本足作生物力学测试,分析计算有限元模型及生物力学测试中足部骨骼的应力、位移变化情况。结果:建立了包括170426个节点、118342个单元的关节、骨、软骨、韧带和足底软组织在内的正常人体左足骨骼及韧带结构的三维有限元模型,较客观地反映了人体足的解剖结构和力学特性。与新鲜尸体标本的生物力学测试结果比较,位移变化有相同趋势。结论:运用逆向工程原理可有效构建人体足的三维几何模型,在此基础上基于解剖和离体标本实验结果构建其生物力学有限元模型,可用于足部生物力学变化规律的可视化分析。

弓齿形状记忆接骨器记忆生物力学计算及实验研究

目的:探讨弓齿形状记忆接骨器的生物力学特性,为临床应用提供记忆生物力学依据。方法:采用莫尔原理计算弓齿形状记忆接骨器在骨折断面及周围所产生的应力并构建应力场;同时应用实验力学方法对弓齿形状记忆接骨器载荷形变进行测定。结果:生物力学计算求得弓齿形状记忆接骨器受力P和位移δ之间的关系为:P=13.69δ,实验测定发现弓齿形状记忆接骨器的受力与位移之间呈线性关系。结论:在弓齿形状记忆接骨器材料的弹性范围内,弓齿形状记忆接骨器的受力与位移之间呈线性关系,计算结果与测定结果相当一致。

锁定加压钢板固定骶骨不稳定骨折的三维有限元分析

目的探讨锁定加压钢板治疗骶骨不稳定骨折的生物力学性能,提供科学依据。方法应用三维有限元方法模拟骶骨Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ区伴同侧耻骨上下支骨折的不稳定骨折,分别应用骶髂螺丝钉、骶骨棒、锁定加压钢板固定骶骨骨折,采用螺丝钉固定耻骨上支骨折,对模型腰5(L_5)椎体施以500 N的轴向应力,计算固定后骶骨及耻骨上支处的位移,并将加载下的骨应力分布同正常骨盆加载下骨的应力分布进行比较。结果三种固定中,骶髂螺丝钉的固定效果最佳,锁定加压钢板的固定效果同骶骨棒相似,三种方法固定后加载下应力分布均同正常骨盆相似。结论采用锁定加压钢板治疗骶骨不稳定骨折是一种可行的方法,尤其适用于伴有髂骨翼骨折的骶骨不稳定骨折或骶骨Ⅱ或Ⅲ区粉碎性骨折。

桡骨远端解剖型记忆聚合器的记忆生物力学研究

目的研究桡骨远端解剖型记忆聚合器(anatomicdistalradiusNi-tinolmemoryconnector,DRMC)的记忆生物力学特性,为临床治疗提供记忆生物力学基础。方法20根湿桡骨尸体标本分别制作桡骨远端骨折模型,以DRMC及普通钢板(commonplate,CP)固定,采用生物力学测试及电测方法进行测试。结果DRMC环抱支产生的最大轴向环抱力为:12.82MPa,DRMC组与CP组相比,虽然屈服载荷相近,但是应变值明显小于CP组;CP组的屈服扭矩高于DRMC组(P<0.05),前者为(1.8±1.3)N·m后者为(1.4±1.1)N·m,两者之比为11.3,比较接近。结论DRMC固定桡骨远端骨折的记忆生物力学特性是:轴向环抱持骨有利于稳定,纵向加压及记忆效应的存在,可显著降低应力遮挡率,有利于促进骨折的愈合。

有限元分析LISS-DF治疗股骨远端骨折近端螺钉单双皮质不同组合固定方式的应力分布

背景:如何确定LISS-DF近端螺钉单双皮质合理搭配的固定方式,以便达到骨折两端螺钉固定强度的相对平衡,降低锁定钢板、螺钉和骨皮质之间的剪切应力,避免螺钉的应力集中,产生更有效的治疗结果是避免内固定失败的关键。目的:对LISS-DF钢板治疗股骨远端骨折近端螺钉单双皮质不同组合的固定方式进行有限元分析及力学评价。方法:在ANSYS9.0软件中建立LISS-DF钢板固定股骨远端骨折(AO/OTA33-A3型)的实体模型和有限元模型。在近端螺钉单、双皮质不同组合固定方式下,通过模拟生理应力做轴向加压、扭转实验,同时评估近端螺钉的应力变化。结果与结论:在16种不同组合方式中,当近端螺钉组合为1,3单2,4双皮质固定时,近端4枚螺钉的应力均值最小为24.21975N,同时剪切应力均值亦为最小,位移变化与其他组合固定方式相当且均较小。提示近端螺钉靠近骨折端处双皮质固定,其余螺钉依次单双皮质交替固定时,LISS-DF系统应力分散,抗拔出和抗扭转效果好,从而减少钢板螺钉早期的松动脱落。

冲击载荷作用下骨盆三维有限元分析及其生物力学意义

目的:探讨骨盆受到冲击载荷作用的力学行为特征,为临床分析及判断骨盆骨折类型、力学分布、冲击载荷影响提供力学基础。方法:采用计算机仿真模拟方法,将所构建骨盆三维实体模型导入三维有限元分析软件AN-SYS7.0,计算单侧髂前上棘和单侧髂骨正后方部位冲击载荷作用下骨盆的力学行为表现,冲击载荷为0～8000N,峰值8000N,时间自0～40ms,分析主应力值、应力分布情况以及主应力方向上骨盆单元的位移。结果:冲击载荷作用于单侧髂前上棘时,0～10ms主要的应力沿髂后上棘到髂前上棘分布,在冲击后期10ms以后,骶髂关节、髋臼和耻骨支都会产生较大的应力分布;作用于单侧髂骨正后方部位时,0～20ms主要的应力沿髂骨纵行传导,应力分布并没有在冲击峰值10ms时达到最大,而是从20ms之后,应力开始向骶髂关节、双侧耻骨支、坐骨支以及髋臼等部位传导并可见到明显的应力分布。结论:分析冲击载荷作用下骨盆各部位应力分布以及骨盆各个单元在应力作用下的位移变化,有助于临床上进行骨盆损伤内固定力点的选择以及进一步明确骨盆内在应力值分布。

桡骨三维模型的建立及其生物力学意义

目的介绍桡骨三维有限元模型的建立并探讨其相关的生物力学意义,为进一步研究和构建理想的桡骨模型提供新思路。方法选择湿桡骨标本1根行CT成像得到桡骨每层横截面图像,采用大型有限元分析软件ANSYS5.6建立桡骨三维模型,采用三维十结点四面体实体单元进行网格划分及计算。结果所构建桡骨三维模型,共划分为76089个结点、49111个单元,客观反映桡骨真实解剖形态及生物力学行为,同时与CT切片图相对比以判断其精确性。结论桡骨三维有限元模型的构建,可以为桡骨正常力学行为以及骨折后内固定的力学基础研究提供精确模型。

静载荷作用下骨盆三维有限元分析及其生物力学意义

目的:探讨骨盆受到静力载荷作用后的力学行为特征,为临床分析及判断骨盆力学分布、静载荷影响提供力学基础。方法:实验于2002-01/2004-04在第二军医大学长海医院骨科实验室和同济大学生命科学与技术学院生物力学实验室完成。采用计算机仿真模拟方法,将所构建骨盆三维实体模型导入三维有限元分析软件ANSYS7.0,分别计算单侧髂前上棘和单侧髂骨正后方静载荷作用下骨盆的力学行为表现,静载荷为8000N,分析主应力值、应力分布情况以及主应力方向上骨盆单元的位移。结果:单侧髂前上棘侧方加载下,应力沿着受力点与骶髂关节连线方向传导,没有应力沿着髋臼或者耻骨、坐骨传导;单侧髂骨后方静载荷加载时,应力沿着髂骨纵行方向、髂骨与骶髂关节部位连线方向、同侧耻骨上支传导。结论:分析静载荷作用下骨盆各部位应力分布以及骨盆各个单元在应力作用下的位移变化,有助于临床上进行骨盆损伤内固定力点的选择以及进一步明确骨盆内在应力值分布。

骨盆及髋臼三维有限元模型材料属性设定及其生物力学意义

目的:寻求骨盆及髋臼三维有限元模型构建中有限元模型材料属性设定的方法,并探讨相关的生物力学意义。方法:实验于2002-01/2004-04在第二军医大学长海医院骨科实验室和同济大学生命科学与技术学院生物力学实验室完成。通过计算骨盆及髋臼三维CT扫描层面上不同CT值,采用经典理论公式分析骨密度及骨骼弹性模量,最终确定有限元模型材料属性。结果:对于有限元模型材料属性,当Hu≤816时,ρα=1.9×10-3Hu+0.105,当Hu≥816时ρα=7.69×10-4Hu+1.028;而模型弹性模量则由E=3790ε0.06ρ3骨盆和髋臼三维有限元模型具体数值。结论:通过计算模型密度和弹性模量,进一步确定单元材料属性,对于建立接近实际的骨盆和髋臼三维有限元具有重要的意义。

压敏胶片法在记忆生物力学实验中的新应用

目的:寻求记忆生物力学实验的新途径,探讨压敏胶片的生物力学特性及其在记忆生物力学实验中的应用。方法:利用生物力学实验装置,对待测试压敏胶片施加不同压力,得到不同颜色,分析比较颜色的灰度值,找出应力与颜色灰度值之间的关系。结果:对所得20组实验结果进行分析得到应力与颜色灰度值之间的关系,同时采用曲线拟和及最小二乘法得出应力与灰度值的对应关系式:yi=83.38816xi2-39244.89748xi+5199277.493。结论:压敏胶片法能够将动态的压力转化成静态的颜色灰度,在记忆生物力学实验中,选择合适的压敏胶片及工作环境,压敏胶片法将不失为一种较为理想的新方法。

数字标记点质心跟踪法在骨盆位移测量中的应用

目的：评价数字标记点质心跟踪法在骨盆位移测量中的可靠性。方法：选择健康成人尸体骨盆标本6例,保留主要的韧带和关节囊,骨盆关键部位粘贴标记点;双足站立位,0~500 N垂直分级载荷下,CCD采集骨盆形变图像;基于Image J软件,采用数字标记点质心跟踪法测量冠状面上S1椎体的垂直位移及矢状面上骶骨相对于髂骨的角位移。结果：骨盆形变前后标记点图像具有良好的相关性,相关系数达到0.983;相对误差达到1.11‰。双足站立位,骨盆垂直载荷-位移曲线基本呈线性变化;侧位观察,骶骨相对于髂骨呈现屈曲运动,其载荷-角位移曲线呈非线性变化。500 N垂直载荷下,S1椎体垂直位移为（0.835 6±0.283 0）mm,骶骨相对于髂骨的角位移为（0.584±0.221）°。结论：基于Image J软件数字标记点质心跟踪法用于测试骨盆的位移,其测试方法简单、测试精度高,在生物力学上可以得到很广泛的应用。

数字散斑相关方法用于牙冠形状的三维测量

本文介绍了数字散斑相关方法用于牙冠形状的三维测量的过程。对于一个后牙牙冠的三维形状测量，我们首先测量该牙冠的五个面：颊面、舌面、近远中面、面，然后根据各测量面座标轴的相对位置关系，将五组局部数据转换到同一座标系中实现该牙冠的三维重建，并通过计算机绘图进行三维显示。该测量方法所获取的牙冠形状的三维数据为修复体CAD／CAM的实现奠定了数据基楚。本文还就该测量方法的特点、系统精度、三维重建中的数据结合方式、系统量程、可靠性等方面进行了讨论。

桡骨远端解剖型镍钛记忆合金接骨器治疗桡骨远端骨折的生物力学特性

目的寻求桡骨远端解剖型镍钛记忆合金接骨器(anatomicinferiorextremityofradiusNi-tinolmemoryconnector,AIER-NTMC)治疗桡骨远端骨折的生物力学特性。方法采用虚功原理及莫尔方法,计算AIER-NTMC固定桡骨远端骨折时在骨折断面及周围所产生的应力并构建应力场。结果桡骨远端AIER-NTMC环抱支受力和环抱支端点处位移δ之间的关系:当接骨器产生8%的弹性变形时,由几何条件δ=4.17mm,P=24N,产生的压强为2.00～2.67MPa。结论AIER-NTMC在骨折线周围的应力分布合理,轴向持骨有利早期骨折端的固定,加压支纵向加压可明显降低骨折线吸收后的应力遮挡率。

肱骨骨折的三维有限元分析与内固定植入物的选择

目的探讨三维建模及有限元分析对肱骨骨折治疗的临床意义,为肱骨骨折治疗轴向加载提供一定理论依据。方法以肱骨横截面CT图像为基础,建立肱骨模型,利用ANSYS5.6软件进行计算,选取三维十结点四面体单元,共划分2729个结点、49041个单元,分析骨折断面与轴线成30°,45°,90°及X、Y、Z3方向固定时肱骨轴向受压的应力分布及大小。结果肱骨断面与非断面处应力差异较大,断面处应力较集中,且以断面为中心呈非严格对称分布,应力较大区域分布在距骨折部位10mm左右,是其它应力区的两三倍。结论肱骨骨折治疗中应视不同情况估算所需载荷大小以选择合适内固定植入物。