基于PIV技术的人体上呼吸道流场测量实验装置的构建

目的针对人体上呼吸道气流运动形成涡结构、流动分流、二次流等特点,研制基于粒子图像测速（particle image velocimetry, PIV）技术的人体上呼吸道流场测量实验装置,为开展人体上呼吸道流场特性实验研究提供平台。方法 基于完整人体上呼吸道医学扫描图像制备透明的实物模型,通过选择合适的气路系统,结合二维PIV系统搭建整套实验装置,并利用该装置对人体上呼吸道流场速度进行初步实验,将实验结果和数值仿真结果进行对比。结果呼吸流量为30 L/min稳态呼吸模式下,实验装置测得的气流在口腔上部有涡结构的形成,口腔下部贴近舌苔上部及口腔中部的气流速度较高,其他部位气流速度较低,与数值仿真结果较为一致。结论 基于PIV技术的人体上呼吸道流场测量实验装置合理可行,运行可靠,可用于人体上呼吸道内气流组织形式和涡量分布等测量,并能够实现对数值仿真的验证。     

人体上呼吸道中气流涡结构特征数值仿真研究

目的研究上呼吸道内涡结构特征及其演化形式,深入认识上呼吸道内气流运动特性,对于分析气溶胶在人体上呼吸道内的扩散、转捩以及沉积模式具有重要作用。方法应用大涡模拟的方法,对人体在低强度呼吸条件下上呼吸道内的气流涡结构及其运动特性进行了数值仿真研究,讨论了人体口喉模型以及气管支气管内的涡结构演化过程和涡结构特征。结果气流在咽部、喉部形成两次射流,导致气流在咽部和喉部出现两个主要的涡量增长区,咽喉部位形成扁平涡,在靠近气管中心偏向前壁的位置出现一个"类壁弯涡",气管内出现了以接近对称的反向旋转涡对;G0气管末端的涡量由壁面向中心处扩展,并随着流动向G1支气管内延伸,各级支气管中涡量并不是对称分布的。结论涡结构特征及其演化形式是上呼吸道内气流运动的显著特点,气道结构特点是引起不同尺度涡结构演化的主导因素。     

上气道及部分支气管生物力学模型的数值研究

目的建立上气道、气管及部分支气管的生物力学模型,研究不同呼吸模式对气道内气流特性以及气道阻力的影响。方法根据CT扫描资料,建立包括鼻腔、口腔、咽、喉、气管和部分支气管在内的具有真实解剖结构形态的三维有限元呼吸道模型,针对现实中几种典型情况,数值模拟流经鼻、口的气流不同比例情况下气道内的气流特性。结果当仅有少量气流经由口腔吸入时,呼吸道内气流的分布规律以及各部位气道阻力的大小与完全经由鼻腔呼吸的情况相似。当口腔吸入或呼出大量气体,气流主要经由口腔与外界进行交换时,呼吸道内气流场、压力场和剪应力场分布规律明显不同,主要区别体现在鼻腔、口腔气道内。结论建立上气道与气管、支气管生物力学模型,可以从整体上了解呼吸过程中整个上气道至部分支气管中气流的分布情况,为了解与上气道结构相关疾病的发病机制建立数值研究平台。     

上气道内流动现象与压力分布模拟

目的用计算流体力学模拟的方法和体外模型实验的手段,研究呼吸时真实结构的上气道内的流动状态和压力分布,同时验证数值模拟模型的准确性。方法首先基于磁共振图像,借助Mimics软件重建上气道三维结构。在此真实几何结构基础上,建立上呼吸道内流动的有限元分析模型,以及制作相应的实体模型。模拟并测量呼吸流量为200、400和600 m L/s时的情况,并将数值模型预测的壁面压力分布与实测结果比较。结果如果气道内气流流量相同,吸气时气道两端的压差比呼气时大,即吸气时气道阻力比呼气时大。不同点压力分布的数值计算结果与实体模型测量结果一致。数值模拟结果表明,吸气时气道悬雍垂以及会厌后的舌后区域流动速度较高,悬雍垂下舌后区有涡旋产生。呼气时矢状位鼻咽顶端靠近后壁处,冠状位鼻咽、会厌下口咽处均有涡旋产生。结论数值模型可以准确地模拟上气道的流动状态和压力分布,直观地反映上气道内流动特点。作为非侵入式的工具,气道模型和数值模拟可以在探索阻塞性睡眠呼吸暂停(obstructive sleep apnea,OSA)的发病机制和有效治疗方法的过程中发挥重要作用。     

单侧上颌骨 全切除术后上呼吸道气 流动力学特征

目的通过计算机数值模拟方法,研究单侧上颌骨全切除术后患者的上呼吸道吸气相气流动力学特征。方法基于3例单侧上颌骨肿瘤患者术后的CT图像,三维重建患者的上呼吸道结构,利用计算流体力学方法对气流流动进行数值模拟。结果获取患者术后上呼吸道吸气相气流流动趋势,气流在缺损侧鼻腔发生流动分离,在整个缺损腔形成低速大尺度漩涡。结论 3例单侧上颌骨全切除术后患者的上呼吸道气流整体流动模式大体一致,说明这类患者呼吸模式具有共性。单侧上颌骨全切除术造成上呼吸道结构改变,扰乱了上呼吸道气流流动模式,影响了患者的上呼吸道生理功能。单侧上颌骨全切除术后患者的上呼吸道气流数值模拟有助于解释患者出现的鼻腔干燥、结痂、分泌物堆积等症状和体征。     

流固耦合作用下真实人体上呼吸道气溶胶扩散沉积的仿真与实验

通过构建真实人体上呼吸道三维规范模型,运用大涡模拟数值方法和Lagrangian随机轨道模型,对考虑流固耦合作用时循环呼吸模式下上呼吸道内气溶胶的扩散沉积进行数值仿真,分析气流涡结构演化对气溶胶扩散的影响,并通过实验对气溶胶在人体上呼吸道的沉积率进行测量,验证仿真方法的正确性。结果表明:循环吸气时,0.3 μm气溶胶颗粒比6.5 μm气溶胶颗粒更容易通过上呼吸道而进入更深层次的支气管;循环呼气时,部分进入上呼吸道的颗粒在呼出气流夹带下,在气道中折返、回旋、沉积,而有些则从口腔中呼出;0.3和6.5 μm气溶胶颗粒在咽、喉以及气管内沉积较多,而在口腔内沉积较少;6.5 μm气溶胶颗粒在上呼吸道不同部位的沉积率明显高于0.3 μm气溶胶;流固耦合作用时咽部、喉部的壁面形变可缓冲气流冲击,气溶胶颗粒在咽喉部位的沉积率有所下降;大粒径气溶胶颗粒沉积受惯性碰撞影响较大,而小粒径气溶胶颗粒沉积受湍流扩散及涡流夹带的影响较大。     

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上气道流体动力学模型的建立

 背景：对阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上呼吸道内气体流动情况进行分析有助于进一步了解上呼吸道解剖结构与功能间的相互关系,从而认识阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的发病机制。 目的：建立阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上气道三维形态及流体动力学模型,为研究阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上气道气流动力学特征,探讨其发病机制奠定基础。 方法：对1名男性中度阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者的上气道行CT扫描,将以DICOM格式存储的扫描数据导入Mimics 10.01软件中进行处理,得到上气道三维模型。通过ANSYS ICEM CFD14.0对三维模型进行网格划分后,用 ANSYS 14.0-Fluid Dynamics对上呼吸道内部流场进行数值模拟,获得上气道气流场相关信息。 结果与结论：建立了完整的上气道三维形态及流体动力学模型,共得到上气道网格数为1 751 940个单元,节点数为303 981个节点,上呼吸道内最大流速为11.087 m/s位于咽腔狭窄区域腭咽下界处。上气道流体动力学模型符合人体的生物力学特点,为以后进一步研究阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者上呼吸道气流动力学特征奠定了基础。     

急性呼吸窘迫综合征患者下呼吸道内气流运动特性

目的应用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术对急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)患者不同程度呼吸窘迫状态时下呼吸道内气流运动特性进行模拟研究。方法基于CT影像数据建立真实健康人体下呼吸道三维模型。采用标准k-ε湍流模型对下呼吸道内的气体流动进行数值模拟,分析下呼吸道内气流的速度、流量、压力以及壁面剪切应力等参数分布特点。结果拟合下呼吸道空气流动阻力与呼吸强度的函数关系;得到下呼吸道内空气流速、压力、壁面剪切应力的分布特点以及空气流量在各肺及各叶支气管的分配情况。结论通过CFD模拟分析可以获得更为详细的下呼吸道流场相关数据,为ARDS患者的临床治疗提供理论依据。     

真实人体口喉模型内气流喷射诱导涡结构演化

目的 研究咽喉部位射流所诱导的涡结构特征及其演化,加深对咽喉部位气流喷射运动特性以及咽喉部位疾病防治的认识。方法 运用CT扫描和三维重建技术,构建真实人体口喉三维模型,运用大涡模拟数值仿真方法对模型内的涡结构演化过程进行精细模拟。结果 吸气过程中,气流在口腔中部形成多个涡管结构,气流在声门部位形成强烈射流;呼气过程中,气流在咽喉部位产生较为复杂的涡结构。结论 吸气过程中,气流在咽部发生湍流转捩,气管前壁处出现了类似于马蹄形状的“马蹄涡”;呼气过程中,咽喉后壁处射流受到阻碍,形成了“拱状涡”。     

真实人体上呼吸道规范模型流场PIV实验研究

目的研究上呼吸道模型内气流组织形式,深入认识上呼吸道内气流运动特性,为分析气溶胶在人体上呼吸道内的扩散、转捩以及沉积模式提供科学依据。方法采用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对真实人体上呼吸道模型内流场进行了实验研究,并针对口腔、咽腔和气管等不同位置对气流状态进行了分析。结果气流在舌苔上部和口腔中部速度较高,到咽部时,由于截面积的变小而导致气流速度增大,在声门处气流速度达到最大(10.24 m/s),且在气管内呈前高后低分布;而在涡量分布方面,气流在声门部位产生强烈的喷射,致使气管内部速度梯度增加,在声门的前后壁面形成两个涡量集中区,并导致气管前壁面的涡量值要明显高于后壁面。结论 PIV是研究人体上呼吸道内气流组织形式的一种有效方法,对于探索有毒气溶胶对人体的危害和吸入药物气溶胶的治疗效果以及研究呼吸系统的发病机理有着重要的意义。     

基于有限元分析的3D打印脊柱侧弯矫形器局部优化设计

目的 对计算机辅助设计的3D打印脊柱侧弯矫形器进行优化设计,从而使其实现具有良好力学强度和模型轻量化等优点。方法 利用手持式三维扫描仪对志愿者躯干体廓进行扫描,构建志愿者体表模型;根据三点力原理、牵引及免荷原理,对志愿者体表模型进行修型,设计出压力区和释放区,初步设计出脊柱侧弯矫形器模型;采用正交试验方法 对32种不同尺寸的镂空组合进行局部优化对比研究,根据优化结果 ,对脊柱侧弯矫形器模型进行镂空处理和生物力学分析,对比镂空设计的3D打印脊柱侧弯矫形器的应力分布,验证矫形器模型的优化效果。结果 采用半径为9 mm的圆孔和间距23 mm的局部镂空优化设计（局部减重约40%）,可得到质量更轻、透气性更好和足够强度的3D打印脊柱侧弯矫形器。结论 基于有限元生物力学分析,采用非压力区域的局部圆孔镂空优化设计,可以实现3D打印脊柱侧弯矫形器的打印材料减少、透气性增加等优点,最终可提高患者的穿戴舒适度和依从性。     

离体脊柱生物力学测试的加载方法研究进展

离体脊柱标本三维运动载荷-位移特性的描述是脊柱生物力学研究的基础,如何准确地模拟在体脊柱的载荷与运动情况是脊柱生物力学研究的难点。国内外学者从测试理论与测试工具上都进行了大量的研究。目前脊柱三维运动测试按照控制方法主要分为载荷控制、位移控制和混合控制。基于不同的控制方法,测试工具也在不断的发展与完善之中。总结目前国内外研制的脊柱离体加载装置的工作原理,并分析其主要优缺点,为离体脊柱生物力学加载装置研究提供参考。     

针对3D打印材料孔洞应力集中计算的映射算法

目的利用映射算法以较小计算成本获得3D打印材料孔洞应力集中分布情况,为3D打印材料疲劳寿命预测及结构优化设计的有限元分析提供新方法。方法提取单个孔洞应力集中影响范围内的节点及应力,并计算出各节点的应力集中系数。以寻找最近点的方式将无孔洞模型相应节点的应力值乘以不同的应力集中系数来体现孔洞的应力集中。若多节点映射到同一节点,则乘以多个应力集中系数的平均值;对距离边界较近的点,则乘以边界影响系数。结果材料内部孔洞的映射结果与实际计算结果误差小于8%;而对于自由边界孔洞聚集的情况,误差小于15%。结论映射算法能够有效表征3D打印材料孔洞的应力集中,以较小的成本获得含孔洞缺陷模型的应力分布。该算法为临床植入体优化设计及疲劳分析提供有限元结果。     

3D打印表面多孔钛根形种植体的生物力学研究

目的探讨个性化表面多孔钛根形种植体的生物力学性能,为多孔根形种植体的设计及临床植入提供理论依据。方法根据CT数据,运用3-matic软件设计表面多孔个性化根形种植体模型,并将其与下颌骨模型进行配准、网格划分和赋予材料学参数,负载200 N分析种植体最大应力及其周围骨的应力、应变。选择合适的临床病例微创拔牙后即刻植入种植体,并进行临床评价。结果表面多孔个性化根形种植体的峰值应力主要集中在种植体实体结构和多孔结构的接触界面上,且实体、多孔结构最大应力分别为137.710、37.008 MPa,均小于其屈服强度。3D打印多孔根形种植体拔牙后即刻植入后初期稳定性良好,创伤小,力学传导与天然牙类似,简化了手术流程,缩短了治疗时间,患者满意度较高。结论 3D打印表面多孔根形种植体为拔牙后即刻种植开辟一种新的方法。     

胆囊三维建模与运动功能分析

目的 考虑在健康和病理情况下的胆囊特性,研究胆囊壁生物力学和胆汁流体力学特性,以及胆囊运动功能 与胆结石成因的关系。 方法 利用 CT 影像数据构建胆囊三维结构模型,建立有限元模型模拟胆囊运动和胆汁流 动过程,分析不同的流固耦合条件下胆囊的运动模式以及对胆结石形成的影响。 结果 在相同边界条件下,结石 性胆汁流速(1. 1 cm/ s)比正常胆汁流速(2. 3 cm/ s)低;胆囊运动功能异常与否不会改变胆汁的流型,而胆汁成分 改变使得流型更加曲折。 运动功能较弱的胆囊整体所受最大应力为 1. 079 kPa、最大形变为 0. 931 mm,均远小于健 康胆囊相对应的最大应力(4. 318 kPa)和最大形变(3. 725 mm)。 在受力方面,胆汁成分异常并未对胆囊造成太大 影响。 结论 胆囊运动功能和生物力学特性密切相关。 胆囊受损或衰退后,其收缩量会大幅减少,胆汁流动不畅, 更易导致结石产生。 胆囊的三维模型和运动功能分析可为胆结石手术治疗提供必要的理论基础和技术手段。     

基于3D打印多孔支架和植入体的结构设计研究进展

支架或植入体的弹性模量过高会产生应力遮挡效应,引发骨吸收以及后期支架或植入体松动等问题。多孔支架和植入体可以根据需要调整其孔隙率和弹性模量,从而减小应力遮挡,同时多孔结构有利于骨组织的长入,利于骨整合。分别介绍3D打印多孔支架和植入体3种基本结构(均匀多孔结构、类骨小梁结构和功能梯度结构)的设计方法,以及基于计算机辅助设计、隐式曲面、图像、拓扑优化的设计方法,为解决应力遮挡问题和设计3D打印多孔支架和植入体提供参考建议。     

基于对应点匹配的断层图像三维插值方法

用于放疗计划的ＣＴ和ＭＲＩ图像断导蝗距离通常大于断层内部像素间的距离,三维剂量场的计算等工作通常需要等间隔分布的三维图像数据。目前常用的断层间直接线性值的方法分引起图像边界模糊,针对这个问题,本文提出了一种基于相邻两个断层图像对应点匹配的插值新方法,首先在相邻断层间建立起点与点的对应关系,然后再利用这些对应点插值出新的图像数据。模拟结果表明,客中方法能有效地消除直接线性插值带来的图像边界模糊的问题     

一种刚度可调的前置式足下垂矫形器研制

目的 针对足下垂步态患者,设计一种刚度可调的前置式踝足矫形器(ankle foot orthosis,AFO),实现对患者踝关节病态跖屈的最佳限制以恢复踝关节自然步态的目的.方法 通过自制实验装置测得10名18～55岁肌肉无力导致足下垂男性患者畸形矫正所需的最小矫治力矩,应用于AFO材料选择.通过力学拉伸实验,研究不同...     

上颌骨复杂缺损 3D 打印精准重建支架的生物力学研究

目的 提出一种用于修复上颌骨大面积骨缺损的 3D 打印植入体设计、优化、制造的个性化方案。 方法 基 于患者 CBCT 和口腔扫描数据信息,首先进行植入体优化设计;采用有限元分析方法对植入体的结构迭代优化与材 料选择。 模拟植入体在口腔内的受力情况,得到植入体所受应力大小、传导方向与分布,据此对植入体结构进行优 化。 比较同种构型植入体在钛合金、钽金属、聚醚醚酮( polyetheretherketone, PEEK)3 种不同材料下的最大等效应 力、颌骨最大等效应力和钛钉总位移,确定植入体的打印材料。 采用 3D 打印技术打印植入体,临床进行面部重塑 和咬合重建。 结果 经过结构迭代优化得出植入体的最佳构型,并确定选择钛合金材料。 将 3D 打印植入体应用 于临床,完成了咬合重建。 结论 本研究描述的个性化方案具备临床可行性,适用于不同分类的上颌骨缺损病例。 设计出的植入体尺寸精确、力学性能良好,不仅能恢复患者的颌面部外形,还满足了临床对颌骨缺损修复后咬合重 建的需求。