骨小梁髋假体柄植入的应力分析

目的:分析髋关节置换中实心钛合金假体与骨小梁假体柄植入的应力。方法:基于Mimics软件逆向建立股骨模型,并使用Geomagic软件对股骨模型进行优化,再通过SolidWorks软件将模型实体化。将截骨后的股骨与金属股骨柄进行装配,并将装配好的模型导入ABAQUS中进行有限元计算。将股骨上部分为内侧近端点(小转子区)、外侧近端(大转子区)、股骨干近端点(茎突中段周围)、远端区域(茎突末端周围和远端)4个区域(处于不同整合状态),计算步态、爬楼梯载荷下植入实心钛合金假体和骨小梁假体前后的股骨应力以及区域未整合时的界面应力,并通过应力椭球分析骨界面的变形类型。结果:在小转子区,步态和爬楼梯载荷下骨小梁假体相比实心钛合金假体应力屏蔽率分别降低了20.5%和14.7%。实心钛合金假体存在不同整合状态时,步态与爬楼梯载荷下界面拉应力最大分别为10.842、12.900 MPa,剪应力最大分别为7.050、6.805 MPa;而骨小梁假体存在不同整合状态时,步态与爬楼梯载荷下界面拉应力最大分别为3.858、4.389 MPa,剪应力最大分别为4.156、3.854 MPa。2种不同载荷下,界面内侧剪应力椭球开口朝向两侧,骨界面发生拉伸变形;界面外侧剪应力椭球上下开口,发生压缩变形。结论:全髋关节置换术后,骨小梁假体的整体性能优于实心钛合金假体,且假体-骨界面未整合边缘易发生应力集中以及变形,引发进一步失效。

膝关节置换术后长期胫骨近端力学性能的预测

目的分析膝关节单髁置换术(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)和全膝置换术(total knee arthroplasty,TKA)后长期胫骨近端力学性能的变化,探究UKA和TKA的失效原因。方法建立健康、UKA、TKA胫骨近端有限元模型,利用Wolff骨重建理论结合有限元法预测胫骨近端的密度分布和应力分布。结果UKA外侧踝平均应力基本不变,但呈增大趋势,平均密度增加2%,内侧踝平均密度减小13%,平均应力均减少11%。TKA外侧踝平均密度减少1.5%,平均应力减少14%,内侧踝平均密度减少1.4%,平均应力减少19%,假体末端平均密度增加10%,平均应力增加15%。结论UKA、TKA假体的植入会造成应力遮挡现象,可能是产生术后假体松动的主要原因。TKA假体末端应力增大,可能导致TKA失效。UKA非置换侧平均应力随着骨重建的进行不断增大,可能导致UKA中远期对侧骨关节炎恶化。研究结果可以为降低UKA、TKA并发症发生概率提供数据支持。

一种脚踏式膝、踝关节康复训练装置的研制

目的:设计一种脚踏式膝、踝关节康复训练装置,以对下肢受损的患者进行膝关节单一自由度和踝关节两自由度康复训练。方法:该装置基于骑行方式设计,主要由双向踏板结构、轨道凹槽结构、机架、外壳以及动力输出结构5个部分组成,可实现被动、主动2种康复训练模式。采用ADAMS软件对该装置进行运动学仿真和动力学仿真,采用ANSYS软件对该装置的零部件进行有限元仿真,分析该装置运行的可行性。结果:仿真结果显示,该装置可实现踝关节内翻/外翻、跖屈/背伸训练及膝关节屈伸训练,其中踝关节内翻/外翻、跖屈/背伸训练角度分别为43°/30°、15°/16°,膝关节训练角度为61°~101°。结论:该装置可训练下肢受损患者膝、踝关节运动的协调性,提高其膝、踝关节的稳定性。

模拟骨小梁假体界面微动的实验装置设计与有限元分析

目的:设计一种模拟骨小梁假体界面微动的实验装置(以下简称“微动装置”),并进行有限元分析。方法:微动装置由带有螺纹的旋入圆筒、柔性铰、微动杆、骨小梁假体、连接杆和固定柱组成。采用SolidWorks软件构建微动装置模型,并将其导入ABAQUS软件中建立有限元模型,对股骨施加轴向位移载荷,分析微动装置中柔性铰的位置、假体与股骨之间的间隙和连接杆的长度对微动的影响。结果:微动装置产生的界面微动随柔性铰距旋入圆筒下端距离的增大而增大;假体与股骨之间的间隙≥20μm时,间隙对界面微动不产生影响;界面微动随着连接杆长度的增大而增大。结论:微动装置可以准确模拟出不同的骨-骨小梁假体界面的微动,可为研究不同界面微动对骨整合的影响提供实验装置。

基于传染性疾病预防扩散的新模式--防控巡检消杀机器人研发项目可行性研究

伴随着人们对传播性疾病预防工作的进一步认识和了解,以甲流为代表的新型传染类疾病的预防和遏止已经相对驾轻就熟,人们在不影响公共场合人员生产、生活及保证公共场所的防疫消杀工作质量和需求不减的情况下,提高效率,降低成本。研发了一款新传播类疾病智能防控巡检消杀机器人,用以辅助人员进行日常公共场所传播类疾病防控工作,减轻人员防控消杀工作压力,从而节约人力和物力资源。此机器人的推广一方面避免了防控消杀工作人员因为工作而产生交叉感染的情况,另一方面避免了公共场所进行防控消杀时对人员的生产生活造成干扰,同时降低相关工作成本,满足在公共场所对传播类疾病进行高效预防消杀的市场需求。

神效散促进骨折愈合的红外光谱分析

通过傅里叶变换红外光谱(fourier transform infra-red,FTIR)分析了神效散巴布剂的主要成分三七总皂苷对皮质骨骨折愈合过程的促进作用。采用FTIR对6只6月龄体质量为2~2.5 kg的雌性新西兰大白兔进行化学成分测定。其中,构建夹板固定组的3只大白兔桡骨骨折模型,采用传统夹板绑缚;对神效散组的3只大白兔在骨折区域外敷神效散巴布剂。分别在术后第4周和6周每组处死1只,取桡骨骨痂测量FTIR。通过计算各组光谱中主要特征带的面积,并分析夹板固定组4周、神效散组4周及6周的基质矿物质比率、碳酸盐替代等参数。研究表明:夹板固定组4周,兔骨还在经历羟基磷灰石增加阶段,而神效散组4周,兔骨折愈合过程已基本完成,且随药物作用时间的增加,骨痂中仍有新的羟基磷灰石生成。

GEO卫星信号相关处理关键技术研究及DiFX自相关实现

相关处理是甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)技术中信号处理过程的核心,地球静止轨道卫星与射电源信号的相关处理有很大不同。介绍了VLBI信号相关处理的流程、实验系统组成及卫星观测与射电源观测在实施过程中的区别。搭建了一套由天线系统和信号处理系统组成的VLBI观测系统。对中星12号卫星进行了试观测,基于DiFX(distributed FX-style software correlator)软件对采集信号进行自相关处理。数据处理结果表明该VLBI数据接收系统和信号采集系统是正确的,具有一定的实用价值。

不同载荷环境对去势大鼠骨组织形态计量学的影响(英文)

背景:采用动态无损伤加载系统对去势大鼠骨组织形态计量学研究的文献报道较少。目的:观察不同强度力学加载对去势大鼠骨组织形态计量学参数的影响。设计、时间及地点:对比观察骨形态计量学指标,于2007-04/08在吉林大学生物医学工程研究室完成。材料:9月龄雌性SD大鼠35只,随机分为假手术组、去势对照组、去势加载1N组、去势加载2N组、去势加载4N组,每组7只。方法:将去势对照组和去势加载组大鼠双侧背部卵巢切除,假手术组背部切口除去少量脂肪后,闭合伤口。大鼠去势1周后,去势加载组采用自行研制的动态无损加载系统对大鼠胫骨两端开始加载,加载载荷分为1,2,4N,15min/d,加载4周。主要观察指标:胫骨近端骨组织形态计量学参数的变化。结果:去势加载组骨小梁面积、骨小梁数量、骨小梁厚度均高于去势对照组(P<0.05,P<0.01),去势加载4N组和去势加载2N组大鼠骨小梁面积、骨小梁厚度高于去势对照组(P<0.001);去势加载4N组骨小梁分离度较去势对照组下降(P<0.05),随着加载载荷的增加,骨小梁面积、骨小梁数量、骨小梁厚度有增加并接近假手术组的趋势,骨小梁分离度有下降趋势。假手术组单荧光标记表面、双荧光标记表面均低于去势对照组。随着加载载荷的增加,单荧光标记表面、双荧光标记表面、双标间距、骨矿化沉积率均有增加趋势;去势加载2N组和去势加载4N组骨矿化沉积率均明显高于去势对照组(P<0.05)。结论:在1～4N范围内,随着加载载荷的增加,去势大鼠各个骨形态计量学参数都有优化的趋势,骨组织微观结构有较大的改善,骨量丢失减少,骨质疏松进程减慢。

夹板外固定与散巴布剂对桡骨骨折模型兔骨愈合的影响

背景:目前临床治疗长骨骨折的主要手段是石膏或夹板外固定及接骨板或者髓内钉等内固定,同时也可服用加速骨折愈合的药物或者在患处外敷药物。目的:探讨夹板外固定联合散巴布剂对于桡骨骨干骨折的恢复是否有改善作用。方法:取18只新西兰大白兔,制作左侧桡骨完全性骨折模型,分成3组,未干预组不进行任何干预,夹板固定组用夹板外固定处理,散巴布剂组使用夹板外固定处理并辅助散巴布剂药物外敷(每天换药一次),每组6只。术后2,4,6周,取骨痂位置制备样品,应用原子力显微镜检测骨痂粗糙度和颗粒度。结果与结论:①夹板固定组、散巴布剂组可以明显观察到骨痂的粗糙表面和明显的颗粒结构,这些矿物颗粒附着在胶原纤维上,呈现出鱼鳞状,其中散巴布剂组的胶原结构远远小于夹板固定组;②随着愈合时间的增长,骨痂矿物颗粒尺寸逐渐减小,散巴布剂组同期骨矿化颗粒尺寸较夹板固定组小47.5%-69.6%;同时随着愈合时间的推移骨痂粗糙度逐渐降低,散巴布剂组术后2周的骨痂粗糙度较夹板固定组小约69%,术后6周两组骨痂粗糙度趋于近似;③结果表明散巴布剂对骨折愈合具有促进作用。

景观色彩优化方法

指出了色彩是观景者接触园林时最敏感的元素,园林色彩质量直接影响游者的愉悦感和心情,不当的色彩搭配甚至会直接或间接影响人们身心健康。基于孟塞尔色彩调和理论,结合园林景观色彩设计,提出了用于调节园林植物色彩配比以及选取适宜色调的植物的定量指导方法。旨在用以改善视觉环境,避免因景观色彩设计不当而造成的视觉刺激,损害观景者健康。且运用此方法对实景进行了优化示意,并将优化前后对比做问卷调查,对调查结果进行了统计学分析。调查结果表明:此方法符合大众审美且能更科学的做到色彩和谐,希望为景观色彩设计的发展提供一点参考。

人工软骨支架层间的力学性能

背景:软骨组织工程修复是一个修复软骨缺损的重要方法,软骨组织工程丝素蛋白/Ⅱ型胶原支架具有良好的生物相容性,这种黏弹性材料兼有固体的特性和液体特性,其层间的微观力学性能与细胞培育密切相关。目的:掌握支架宏观载荷与层间微观作用力之间的关系,控制宏观载荷数值,使支架内部达到最适合细胞增殖的载荷状态。方法:设计丝素蛋白/Ⅱ型胶原空白支架的压缩应力松弛实验,使用实验数据拟合黏弹性本构方程后构建支架有限元模型,对实验过程仿真计算,获取支架层间的力学状态。结果与结论:①支架的各层受力分布在1.185-3.305N,各层受力均随时间的增长而逐步减小,并最终收敛;②支架每一层的位移随着层数的增加而增加,这说明从支架底层的位移开始叠加每一层的位移量,最终导致位移量随着支架层数的上升而递增;③支架各层间的应变数值在1.82×10^-2-4.47×10^-2区间内,这个区间可以直接体现组织培养过程中对种子细胞最佳的压缩状态;④当支架宏观发生10%应变时,各层的应变值分布在2%-7%这一数值范围;当支架宏观发生5%应变时,各层应变值分布在1%-2%;当支架宏观发生20%应变时,各层应变值分布在8%-18%;通过对比得出:4%-7%为细胞增殖的最优应变量。

基于VGOS系统的UT1初步观测与计算

为满足国家世界时UT1测量需求,中国科学院近年来研制了我国首套VGOS(VLBI2010global observation system)系统,该系统参考VLBI 2010规范建成西安数据相关分析中心和三亚、吉林、喀什3个13m台站。各站分别配备宽带接收、记录终端和高稳定的氢原子钟。系统于2016年底完成建设,具备观测能力。中国科学院国家授时中心于2017年8月开展了射电源卫星交替观测。利用射电源数据估算UT1并与IERS C14 08系列进行对比。UT1估计值偏离IERS结果为0.2ms左右,此结果表明系统具备UT1测量能力。

预紧力作用下钛合金人工假体界面骨小梁形态参数测量与统计分析

背景:钛合金人工假体植入后会产生应力遮挡,破坏该区域内骨组织的力学微环境,影响正常骨重建进程。采用过盈配合方式产生预紧力植入人工假体重建该区域内的力学微环境,达到保证术后中远期骨重建进程,具有重要的理论意义与临床应用价值。目的:分析预紧力对多孔钛合金人工假体骨整合的促进作用。方法:将14只雄性新西兰大白兔分为2组,实验组在右侧后腿股骨髁外侧以过盈配合方式植入1颗3D打印钛合金人工假体,对照组自由饲养,每组7只。术后12周取术侧股骨,进行micro-CT扫描及三维重建,测量假体区域骨密度与骨小梁组织形态学参数。动物实验方案已获天津市医药科学研究所动物伦理委员会批准,批准文号:IMPS-EAEP-Z-2019108-01。结果与结论:①实验组骨密度明显低于对照组(P<0.05);②实验组骨体积分数、平均骨小梁厚度及单位长度内平均骨小梁数量少于对照组(P<0.05),骨表面积比与骨小梁分离度大于对照组(P<0.05),两组骨小梁各向异性比较差异无显著性意义(P>0.05);③结果表明,预紧力可促进多孔钛合金人工假体的骨整合,但长入骨组织的结构特征与健康骨相比仍然较差,在术后中远期可能具有较高的骨折风险。

通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析神效散巴布剂(主要成分为三七总皂苷与血竭素)对皮质骨骨折愈合过程的促进作用

目的通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析神效散巴布剂(主要成分为三七总皂苷与血竭素)对皮质骨骨折愈合过程的促进作用。方法选取6只6月龄体重2~2.5 kg的雌性日本大耳白兔,分为两组:自然愈合组和神效散组。对所有大白兔进行骨折手术,使用传统夹板绑缚。神效散组在骨折区域外敷神效散巴布剂。在术后第2、4、6周每组分别处死1只大白兔。

全髋关节置换术对股骨近端骨重建的影响

目的采用Wolff骨重建理论分析全髋关节置换(total hip arthroplasty,THA)对股骨近端骨重建进程的影响。方法根据骨重建控制方程,利用Python语言编写骨重建程序。在ABAQUS软件中分别建立术前股骨模型与术后股骨及假体有限元模型。对比THA手术前后骨重建进程,分析假体植入对THA术后中远期股骨力学性能的影响。结果假体植入后,股骨近端应力持续降低,受力点由股骨头转移到假体,出现明显的应力遮挡现象。应力遮挡区域内骨丢失现象严重。股骨干皮质骨变薄,应力遮挡有所缓解。假体底端内侧受挤压,应力显著高于外侧,此处骨质分布不均。结论THA术后股骨近端内侧出现明显的应力遮挡,导致骨丢失,造成假体松动;假体底端两侧应力水平存在差异,引起骨质分布不均,导致假体与股骨配合不紧密,造成术后患者大腿中段的疼痛。

ABAQUS二次开发在骨重建仿真中的应用

本研究的目的是利用ABAQUS二次开发环境,将基于应变能密度准则的骨自优化理论,编写成骨重建仿真算法。可以提取仿真模拟的密度分布数据作为场变量以云纹图的形式显示出来。通过计算骨组织密度的变化趋势分析骨重建过程。建立二维悬臂梁模型,进行200步迭代计算。结果显示密度分布呈现出桁架结构,验证了基于ABAQUS二次开发环境的骨重建算法的正确性。进一步建立股骨近端模型,模拟其正常站立的受力情况。根据有限元分析得到的骨密度分布可以反映出股骨内部骨组织的主要结构特征。本研究基于Python语法设计骨重建迭代算法,可以方便提取并输出密度及其他力学参数作为场变量。

低强度脉冲超声对骨陷窝-骨小管系统的微观影响研究

目的:研究低强度脉冲超声(low-intensity pulsed ultrasound,LIPUS)对骨陷窝-骨小管系统(lacunar-canalicular system,LCS)的微观影响。方法:选取骨组织中的3个连续的骨细胞,采用SolidWorks软件建立LCS模型,再将LCS模型导入有限元分析软件COMSOL中。在LCS模型顶部进行LIPUS照射,分析不同条件下LCS模型的声场和热场分布。结果:超声照射LCS模型后,距离超声入射面越远,声场声压越小,且模型内部的声压分布具有左右对称性;LCS模型内部的声场声压会随着激励声压的增强而增大;越接近超声聚焦区域,温度等值线越密集。结论:该研究揭示了微观角度下LCS内声场和热场的分布规律,为LIPUS实验和治疗提供了理论参考。

膝上截肢假体植入界面的应力分析

目的:对膝上截肢假体植入后的骨-假体界面不同的骨整合状态进行有限元模拟,分析界面的应力变化,以判断临床中假体是否松动。方法:依据一名健康男性志愿者的CT二维影像扫描数据,采用Mimics软件建立三维逆向截肢后股骨模型,使用SolidWorks软件建立假体模型。将装配好的模型导入Abaqus软件,将骨-假体界面分为7个区域,模拟计算不同区域未骨整合时(开裂)的界面应力。结果:当骨-假体界面存在未骨整合区域时,压应力最大增大172%,剪应力最大增大230%,且未骨整合区域与骨整合区域交界处出现应力集中的现象。结论:膝上截肢假体植入界面未骨整合时会显著增大界面的压应力和剪应力,界面局部应力过大可引起界面开裂,进一步演化可导致假体植入失效。

基于贴壁细胞应变场优化的硅胶小室研制

细胞的生物力学研究正成为热点。目前,贴壁细胞拉压应变加载装置已在实验室中应用,但贴壁细胞应变加载的有效率存在缺陷。通过优化硅胶小室底面的厚度,通过有限元分析获得小室底面M形曲面的截面,通过制造模具和硅胶成型,研制了新型硅胶小室。结果表明:对于新型小室预期在1%,5%和10%应变场,应变均匀有效面积达到95%,93%和92%,较传统硅胶小室平板基底的应变场有效率分别提高了11.7%,65.9%和178.06%。优化后的硅胶小室厚度变化符合动态加载中柔性基底膜的均匀性要求,增大了贴壁细胞在应变载荷中的有效均匀面积,提高了应变加载的准确率,具有很高的实用价值。