人体骨骼生物力学测试研究综述

骨骼是由矿物质和胶原蛋白等成分构成的多尺度层级结构,其在生理载荷作用下的自适应特性造就了骨骼复杂的非均匀性、各项异性等特性。为适应机械、生物力学、医学、航空航天、法医等多领域中骨骼生物力学特性的表征,需要利用多种不同的材料力学测试方法,准确地获取骨骼的材料本构参数。全面介绍了骨骼试样的保存、制备、测试及材料本构参数识别方法,分析了各种力学测试方法的特点及其对骨骼试样的要求。还介绍了新测试技术在骨骼力学特性表征方面的应用,基于三点弯曲测试方法提出了一套人体骨骼的材料参数获取流程。可为骨骼生物力学特性的系统表征提供理论和方法参考。

高温临氢环境材料原位力学测试系统及其在高温合金中的应用

该文设计并制造了一种高温临氢环境力学试验装置,可实现最高600℃以及2 MPa纯氢或混氢环境下材料的拉伸测试。该装置创新氢气环境箱设计,并配备真空及气体置换系统,可实现既定试验温度下高纯气体的压力控制。通过采用直线位移传感器,实现了对材料变形量的准确稳定测量。利用该装置评价了GH4169高温合金在不同温度临氢环境下的拉伸性能,结果表明,氢环境会对材料产生明显的脆化作用,主要体现在降低材料的延伸率及断面收缩率。利用扫描电子显微技术,对GH4169在不同温度临氢环境下的断裂模式及机制进行分析发现,GH4169在200℃下的氢致损伤更为严重,主要是因为氢原子在高温下的扩散速度较快,更易在晶界上聚集并诱发氢致沿晶断裂,进而使得材料塑性显著降低。

赵官煤矿10煤巷道地质力学测试与分析

在采矿工程中,原岩应力分布状态以及岩体的物理力学性质是评估围岩稳定性、预测顶板活动规律以及分析巷道变形趋势的关键参数。赵官煤矿作为一个典型的采矿作业区,其地质条件的复杂性要求必须进行详尽的地质力学评估。通过这一评估,可以精准地获取矿井内不同区域的地质力学特性,包括岩石的强度、变形模量、泊松比等关键力学参数。这些参数的准确性对于优化采区和巷道的布置方案、提高采矿效率、降低生产成本以及科学防治顶板垮落和水害事故等具有重要意义。本文通过应力解除法、单轴压缩、三轴压缩、巴西劈裂等物理实验和钻孔窥视的方法对原岩应力、岩石物理力学参数以及松动圈分别进行了测试,得到相应的结果确保了矿井安全生产和可持续发展。

麦垛山煤矿巷道围岩地质力学测试试验

为进一步优化麦垛山矿井巷道围岩支护方案,对麦垛山矿井巷道的地应力和巷道围岩强度进行原位测试,利用钻孔窥视法观测巷道围岩结构,揭露煤矿巷道围岩结构形态,选取合适测点测试水压致裂地应力,采用钻孔触探法测试围岩强度;分析麦垛山矿井6煤所处的围岩地质力学分布特征和力学参数。测试结果表明:麦垛山矿井最大水平主应力平均值为15.2 MPa,最小水平主应力平均值为8.17 MPa,垂直主应力平均值为13.94 MPa,试验区地应力场为中等应力值地区;区域巷帮6号煤平均强度为28.16 MPa,煤质较坚硬,在巷道围岩10 m范围内,由浅及深分别为粉砂岩、粗砂岩和粉砂岩;岩体强度依次增大,在4.9 m处岩体强度提升95.41 MPa。

巷道破碎围岩地质力学测试分析及支护设计研究

针对山西煤炭运销集团首阳煤业围岩地质结构复杂、巷道围岩破碎,存在围岩难控制的问题。基于该矿巷道工程概况,对巷道破碎围岩进行了地质力学测试,测试结果表明:该区域受构造影响较大,应力场复杂,属于中等偏高应力值区,巷道顶板岩层相对较坚硬,但巷道两帮煤体硬度差,易出现破碎。基于此设计了巷道支护方案,并利用数值模拟分析法分析了各支护方案下的巷道围岩应力及位移情况,得出支护方案2控制围岩变形效果更好,应用该支护方案后该巷道最大顶板下沉量为23 mm,巷道两帮最大移近量为54 mm,有效控制了巷道变形,取得了较好的应用效果。

动力学测试平台在高速铁路联调联试中的应用

新建高速铁路线路开通运营前的联调联试,是采用高速综合检测列车对轨道、接触网、通信信号等各类基础设施进行测试,并依据测试结果对缺陷进行整改,直至各系统以及整体满足高速运行及动态验收要求的全过程。动车组动力学专业在联调联试中,通过连续测量测力轮对以及不同位置的振动加速度传感器,实时获取不同速度级下的轮轨力及振动加速度信号,在去除零点漂移和滤波后,计算得到各项平稳性及稳定性指标。脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、平稳性指标等动力学参数均关系到动车组运行安全、轮轨系统磨耗以及乘坐舒适度,因此,动力学测试保证着联调联试全过程的安全底线。介绍高速铁路联调联试中所使用的动力学测试平台及其未来无人值守方向的发展趋势,分析可知旋转遥测技术是未来轮轨力测试的首选方案。依托动力学测试平台在钢轨缺陷诊断及联调联试过程中保障安全的实例,充分证明采用动力学指标阈值对各类短波不平顺及钢轨波磨进行判断准确有效,具有较高的工程应用价值。

脊柱侧弯板棍系统的体外生物力学测试

目的 测试脊柱侧弯板棍系统 (PRSS)内固定后脊柱标本的刚度及其钉钩的拔出力 ,并根据与完整脊柱刚度的比较来评估根据该内固定系统临床应用的可靠性。方法 选择 12节段猪脊柱标本 12具 ,测定其前屈、后伸、侧屈及旋转时的刚度 ;再切除前方的椎间盘和后方的小关节使脊柱失稳 ,重复各向运动刚度测试 ;然后使用PRSS在失稳脊柱标本上进行内固定 ,再重复各向运动刚度测试。通过自身对照比较了解PRSS内固定后脊柱的刚度 ;选择单节段猪胸椎标本 6个及腰椎标本 7个 ,分别拧入PRSS钉钩后进行拔出力测试。结果 在猪脊柱标本前屈、后伸、旋转及侧屈活动的刚度测试中 ,与完整脊柱的刚度相比 ,失稳脊柱各向运动的刚度均明显减小 (P <0 .0 5 ) ,而PRSS内固定后脊柱各向运动的刚度均明显高于完整脊柱 (P <0 .0 5 )。在猪脊椎标本上 ,PRSS胸椎钉钩的拔出力为 (5 46 .0 4± 142 .94)N ,腰椎钉钩的拔出力为 (90 8.5 0± 2 13.0 9)N ,胸椎钉钩的拔出力明显小于腰椎钉钩的拔出力 (P <0 .0 5 )。结论 PRSS内固定术后脊柱的刚度高于完整脊柱 ,其钉钩可提供一定的提拉力。

我国巷道围岩地质力学测试技术新进展

介绍了我国新近开发的、与煤巷锚杆支护相配套的快速地质力学测试系统 ,涉及测量方法、测量仪器及数据处理方法 ,以及该套系统在潞安矿区的应用情况。

新型3D打印多孔钛人工椎体在猪脊柱模型置换前后的生物力学测试研究

目的通过对新型3D打印多孔钛人工椎体在猪脊柱模型置换前后的生物力学测试比较研究,评价该新型3D打印人工椎体的活动范围情况和即刻的生物力学稳定性。方法选取18具新鲜相近的猪脊柱标本（L1-L6）,根据L3椎体置换前后,分为置换前组和置换后组。分别测试前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转的位移角度变化。结果在0~8N.m逐级加载中,置换后组运动节段在前屈、后伸、左右侧屈各向量的位移角度变化明显小于置换前组,差异有统计学意义（〈0.05）,而在轴位旋转位上,两者无显著性差异（〉0.05）。结论新型3D打印人工椎体的设计具有合理性和创新性,在猪脊柱模型L3椎体置换后,即刻可获得良好的生物力学稳定性。

骨痂力学测试在胫腓骨骨折支架外固定术后骨折愈合评价中的应用价值

目的:探讨骨痂力学测试在胫腓骨骨折支架外固定术后骨折愈合评价中的应用价值。方法:回顾性分析74例采用Taylor空间支架外固定治疗的胫腓骨骨折患者的病例资料,根据术后评价骨折愈合的方法不同将其分为骨痂力学测试组38例和传统方法组36例。骨痂力学测试组术后12周开始进行骨痂力学测试判断骨折愈合情况,每4周测试1次;传统方法组术后定期复查,根据骨折临床愈合标准、影像学检查结果及医师经验判断骨折愈合情况。比较2组患者带外固定支架时间及并发症发生情况。结果:2组患者均获得随访,随访时间7~12个月,中位数8个月。骨痂力学测试组患者带外固定支架时间短于传统方法组[(175.30±5.60)d,(346.90±21.64)d,t=-8.670,P=0.000]。2组患者均无骨折不愈合、再骨折等并发症发生。结论:在胫腓骨骨折支架外固定术后,应用骨痂力学测试评价骨折愈合情况,可以缩短患者佩戴外固定支架的时间,安全性好。

牵引斜扳整脊法治疗腰椎间盘突出症的力学测试

目的 :探讨牵引法、斜扳法治疗腰椎间盘突出症的力学依据。方法 :取无退化病变之新鲜尸体标本 ,用水银压力传感器 ,拉力电传感器和 SG-1型静态电阻应变仪 ,模拟牵引、牵抖、斜扳疗法下 ,分别测试椎间隙压力和前后纵韧带张力。结果 :牵引下 L4-5 S1椎间隙负压最大 ,前纵韧带张力大 ,后纵韧带处松弛状态 ,棘突旁加压或牵抖后 ,椎间负压加大 ,后纵韧带张力增强。斜扳法椎间盘负压无改变 ,但后纵韧带张力加大 ,论证了圆筒枢纽学说之骨盆圆筒牵引力作用线理论 ,和牵引法、斜扳法、牵抖法的适应症和应用注意事项。

氮化纯钛颈椎植骨融合器的研制及生物力学测试

目的:根据国人颈椎特点设计研制了一种经氮化处理的纯钛植骨融合器,并进行生物力学测试。方法:取12具新鲜成年男性颈椎标本,分别处理成包含单、双运动功能单位的试样,模拟前路植骨及植人融合器,进行前屈、后伸、侧弯、扭转四个方面的测试,比较本融合器植人后与完整颈椎及单纯椎间植骨的稳定性,经统计学分析后自编程序拟合出载荷—位移曲线和扭矩一扭转角曲线。同时进行疲劳强度和强度破坏试验。结果:融合器植人后颈椎在各方向运动中的稳定性均明显强于单纯椎间植骨,也较完整颈椎运动功能单位稳定。结论:纯钛颈椎植骨融合器适用于前路间盘摘除减压手术的椎间固定融合,尤其是多节段病变的病例。

复位固定器治疗桡骨远端骨折的在体力学测试

目的研究穿针复位固定器治疗桡骨远端骨折过程中牵引力的变化规律。方法利用自行设计的测力锁针器替代复位固定器远端2枚锁针器,对6例复位固定器治疗的不稳定桡骨远端骨折患者前臂的牵引力进行临床在体连续测试。分别于术后第1、5、14、21、28、35、42、49 d,记录静态牵引力值及握拳活动时牵引力增加值。结果测得静态牵引力值最大9.93 kg,最小2.26 kg,平均(4.93±1.79)kg;握拳活动时牵引力最大增加10.40 kg,最小增加0.13 kg,平均(3.17±2.42)kg。结论前臂肌肉张力及肌肉收缩活动可产生较大的轴向压应力,是桡骨远端不稳定骨折的不利因素。

基于原子力显微镜的微纳结构力学测试系统

原子力显微镜是微纳米尺度科学研究中的一个精密仪器,从原理和应用,设备的软件、硬件的扩展都具有很大的发展空间。随微纳机电系统的应用,非常迫切需要开发基于原子力显微镜的力学相关测试系统。在此情况下,着重开发部分相关力学测试软件和系统硬件的扩展。基于原子力显微镜中的一个最基本的力—位移曲线功能,开发力学测试软件,实施单点、多点的力曲线测量,疲劳度测量和单线扫描四个测试功能,系统在硬件上增添微动平台,具有较大的横向位移,保证微纳结构尺寸的测试。相关测试表明,该软件具有较好的一致性和使用性,能方便地进行力学量的提取。

四种脊柱固定器的生物力学测试与临床应用

目的 通过生物力学测试和临床应用,对四种脊柱内固定器进行评价。方法 取24具新鲜猪的胸腰椎脊柱标本,制作最严重前中后柱损伤模型,比较四种不同椎弓根内固定器械在轴向压缩、弯曲和扭转实验的生物力学稳定性及握持能力。178例病例采用统一的半椎板切除,对侧椎板内侧皮质切除扩大椎管,潜行脊髓前方推挤骨片减压,随机分组安装Dick钉、AF钉和池氏钉内固定,一期植骨融合术。术前、术后均摄X片及CT片,分别测量病椎的前缘高度、后缘高度、后凸角度、椎管内径。结果 池氏椎弓螺钉抗拔出力,抗侧屈及抗扭转能力较Dick钉、AF钉、RF钉均强(P<0.05)。临床应用178例,其中Dick钉内固定50例,AF钉53例,池氏钉65例。池氏钉后凸矫正率为92.0±20.5％,前缘矫正率为81.3±10.7％后缘矫正率为69.7±8.3％,椎管内径改善率为89.4±15.1％。经统计学处理较Dick、AF均有显著差异。(P<0.05)。结论 新型脊柱内固定器(池氏钉)不失为一种较为理想的内固定器械。半椎板切除,对侧椎板内侧皮质切除椎管扩大,潜行脊髓前方减压,不破坏椎弓根和小关节突,保留大部分后柱结构,是一种较为理想的手术方式。

游泳出发技术生物力学测试系统的研制与应用

游泳出发技术生物力学测试系统,不仅能提供运动员出发技术的相关指标,而且能对不同出发技术效果进行综合诊断与评价。该系统由3部分组成:1)动力学测试系统,数据采集使用KISTLER9287C三维测力台,分别对X、Y、Z三个不同方向的力的数据进行采集;2)运动学测试系统,使用高速摄像机对运动员出发技术进行拍摄与解析;3)同步系统,用与测力台数据采集同步的声、光两种信号,对运动员出发和高速摄像机进行同步启动,为技术分析提供同步参考点。该测试系统不仅能够发现游泳运动员出发技术的运动学现象,还能够对运动员出发过程的用力过程进行揭示,并准确评价水下滑行阶段与途中游的衔接效果。

一种高速列车空气动力学测试方案的设计

针对测试列车表面空气压力分布时用到带共模输出的小灵敏度气压传感器提出一种测试方案。首先消除信号共模输出,再进行信号放大,去除共模信号的影响;其次提升信号基准,保证测试信号的双向性;然后引入线路气压信号,消除线路气压趋势;最终测出列车表面相对气压分布情况。给出测试方案硬件设计思路及软件设计流程,并通过实车在线测试验证,取得较好效果。

喙突移位手术治疗肩锁关节全脱位的生物力学测试和治疗机理分析

目的：评价和验证喙突移位手术（Ｄｅｗａｒ－Ｂａｒｉｎｇｔｏｎ手术）治疗肩锁关节脱位的效果。方法：总结３２例肩锁关节全脱位患者的临床治疗效果。并在力学试验机上进行家兔肌肉牵伸时生物力学测试。结果：临床治疗３２例，随访１～１５年（平均６．８年），效果优２４例（７５％），良８例（２５％），无神经血管损伤等并发症发生。结论：喙突移位手术是治疗肩锁关节脱位的一种安全、简单、可靠、合理的手术方法。

改进型逆行旋入钉的生物力学测试

背景:目前,对于肱骨骨折主要以顺行旋入式髓内钉和传统带锁髓内钉治疗为主,但是该方法容易引起患者肩袖损伤等。相关研究结果显示,逆行髓内钉能够解决上述问题。目的:分析改进型逆行旋入钉的生物力学测试结果,为临床上进一步推广使用提供依据。方法:1根据人体肱骨解剖特点,对肱骨标本进行生物力学测试。2选取西安交通大学医学院附属红会医院骨外科2013年12月至2015年1月收治的80例肱骨骨折患者,采用随机数字方法将患者分为改进后旋入钉组和原型钉组,各40例,分别植入改进型钉和原型钉。结果和结论:1改进后旋入钉抗轴向压缩、抗拉伸、抗扭转、抗弯曲性能显著优于原型钉(P<0.05)。2改进后旋入钉组患者临床疗效优良率显著高于原型钉组。两组患者植入后均未出现感染,金属断裂和内固定松动等并发症。提示和传统旋入钉相比,改进型逆行旋入钉优势较多,生物力学设计更合理,且操作也更加简单,患者治疗后并发症发生率较低,适合临床应用。

材料力学测试与有限元分析技术在注塑机拉杆结构分析中的应用

拉杆是注塑机提供合模力的重要构件。这里用有限元法对拉杆进行了有限元分析,并对拉杆的关键部位进行了材料力学测试,表明拉杆螺纹处的应力集中现象比较明显,并在此部位容易形成裂纹。测试和计算结果可为注塑机拉杆结构的改进设计提供参考。