个体化下肢小腿假肢接受腔设计的生物力学评价技术研究

作为传递体重、固定假肢的部件 ,接受腔对于小腿假肢使用的舒适性和方便程度有决定性的作用。本研究建立了基于有限元应力分析的小腿假肢生物力学评价技术平台 ,实现了小腿残端 /接受腔 3D几何建模与信息交互、三维有限元自动建模及应力分析。 3D模型与信息交互的实现基于得到广泛支持的OpenGL技术 ,有限元模型的构建采用了专门针对小腿残端 /接受腔结构特点的自动建模方法 ,通过构建档案数据库系统作为整个系统的操作平台。该技术平台可与现有的CAD/CAM系统相结合 ,为接受腔的个体化设计提供生物力学定量化依据。其临床应用将改善传统的设计流程 ,提高设计效率。同时 ,它也是未来构建接受腔设计专家 /智能系统的基础。     

下颌颏部骨折内固定的三维有限元模型及边界约束的建立

通过Pro／E和ANSYS建立下颌骨颏部骨折内固定的三维有限元模型，并模拟了各种功能状态下的边界约束。使用计算机图像处理软件对CT扫描图像进行预处理，然后采用自编程序获取下颌骨解剖结构的三维坐标数据，用ANSYS建立下颌骨的三维有限元模型。采用数值化建模软件Pro／E建立小型接骨板-螺钉固定体系统的实体模型。模拟下颌骨颏部正中骨折坚强内固定治疗，建立该内固定治疗的有限元模型。通过改变各组咀嚼肌力的大小，进行了三种咬合状态的边界约束。获得了形态逼真、相似性好的下颌颏部骨折内固定后的三维有限元模型，并模拟了各功能状态下的边界约束，为后期的生物力学分析奠定了基础。     

内骨架一体化小腿假肢的生物力学研究

一体化假肢是以聚合物为材料从接受腔到假腿一体成型的新型下肢假肢，它比传统型假肢更经济、美观、轻便，具有较大的应用前景。目前的相关研究主要集中在设计与制作及少量的临床研究方面。由于一体化假肢与传统型假肢在结构上的差异，有必要对其进行应力分析。本研究的目的是开展内骨架一体化假肢的生物力学研究，本研究基于内骨架一体化小腿假肢的真实几何构型，建立三维有限元模型，计算该模型在模拟Heel OH步态时相的载荷作用下的应力分布；在保持该模型的几何形状不变的情况下，建立了三个不同壁面厚度的一体化小腿假肢的有限元模型，分析壁面厚度对一体化小腿假肢应力分布的影响；通过分别赋予模型四种不同高分子聚合物的材料力学特性值，分析不同材料的一体化假肢的应力分布特点；分别对模型施加与正常步态的五个典型时相对应的载荷，分析一体化小腿假肢在各步态时相的应力分布特点。本研究结果对一体化假肢设计有指导价值。     

以主应力作为力学激励的骨再造方程

我们在分析目前现有的骨再造理论的基础上,根据Thomas Brown的实验结果,结合有限元方法,提出以主应力作为力学激励,决定骨功能性适应重建的形态或密度变化,建立了基于主应力的骨重建方程,并通过对正畸中倾斜移动进行模拟,结果能定性地反映临床观察中牙槽骨的重建现象.     

正畸力作用下上颌尖牙生物组织应力的三维有限元分析

建立了包括牙齿、牙周膜、牙髓、牙槽骨的上颌尖牙三维有限元模型 ,对不同加力方式下牙周组织的应力分布进行对比研究。目的是用较为先进和准确的双螺旋 CT法建立尖牙的三维有限元应力分析模型 ,为正畸治疗提供更为准确的数据并为模拟尖牙在正畸力作用下移动过程的模拟初态建立更为精确的模型。     

血管内皮生长因子对尾吊大鼠后肢胫骨骨丢失的影响

目的探究血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)对废用性骨丢失的影响。方法建立尾吊大鼠的动物模型,并随机平均分为尾吊盐水组、尾吊VEGF组、对照盐水组、对照VEGF组。实验过程中,每周两次对大鼠右腓肠肌注射VEGF或者等量的生理盐水,4周后通过micro-CT对大鼠胫骨近端进行扫描,以松质骨和皮质骨骨密度(bone mineral density,BMD)、骨体积分数(BV/TV)、骨小梁数量(Tb.N)、骨小梁间距(Tb.Sp)和结构模型指数(SMI)等松质骨微结构参数以及皮质骨厚度作为评价指标,探讨VEGF对尾吊大鼠后肢胫骨骨丢失的影响。结果与对照组大鼠相比,尾吊组大鼠松质骨表观BMD、BV/TV、Tb.N以及皮质骨厚度均显著降低,Tb.Sp与SMI显著升高,尾吊会造成大鼠的骨丢失,而注射VEGF能够缓解尾吊大鼠松质骨的骨丢失。结论血供的改变可能与骨重建之间存在着一定的联系,改善血供有助于对抗废用性的骨丢失。     

变应变率下骨骼肌连续介质本构模型

目的 针对不同结构耦合肌肉主被动行为无法考虑肌肉组织连续介质力学特性的问题,提出运用被动与主动耦合在同一个本构方程的方法,构建骨骼肌连续介质超弹性主被动本构模型。方法 为标定被动本构模型参数,给出单轴拉伸实验方法 及条件,并通过理论推导,介绍利用试验数据求解被动模型参数的具体方法。为验证主动模型的有效性,以实例对模型进行验证。结果 模型预测曲线与实验输出应力拉伸比曲线具有较好的一致性,在相同应变下的情况下,被动应力和总应力最大误差仅为20、40 kPa。结论 该连续介质超弹性本构模型能较好模拟骨骼肌的主被动行为,从而有利于下一步人体肌肉的建模与仿真。     

螺旋弯曲管中血液两相流动分析

目的 经典的单相牛顿血液流动模型忽略了红细胞与血浆之间的相互作用以及血液剪切变稀性质。为了解决这些问题,采用多相的非牛顿模型研究冠状动脉模型的血流动力学参数。方法 把血液考虑为血浆和红细胞的混合体,并用螺旋弯曲血管模型模拟冠状动脉,分析冠状动脉内红细胞的运动以及红细胞体积分数的分布情况,并与单相非牛顿血液模型的模拟结果进行对比。结果 单相和多相血液模型模拟下的截面壁面剪切力平均值差别不明显,但是在两相流模拟中,螺旋弯曲管下底壁面处存在明显的红细胞聚集现象,同时还分布着较低的壁面剪切力。结论 引用多相流数值模拟得到了螺旋弯曲管中的血流动力学参数,同时发现红细胞在螺旋弯曲管下底面处聚集的现象,这很容易诱发血栓形成,与临床上所观察到的粥样硬化斑块经常出现在冠状动脉弯曲内侧是相符合的,可进一步说明动脉粥样硬化病变的发生机制。     

关节盘移位对颞下颌关节内应力分布的影响

目的 通过对不同关节盘移位的数值模拟,探究各种移位情况下颞下颌关节（temporomandibular joint,TMJ）内各结构的应力分布规律。方法 依据CT图像,建立包含下颌骨、全牙列、关节盘和关节软骨的正常TMJ三维有限元模型;参考关节盘前、后、外、内移位的临床特征,建立对应的4个模型。关节盘与关节软骨间考虑接触,用缆索元模拟下颌韧带和关节盘附着,施加正中咬合荷载。结果 前移位将导致关节盘中带产生过高的压应力,达到3.23 MPa;后、内、外移位时关节盘的整体应力水平比前移位和正常TMJ高;各种移位都使关节结节后斜面的应力值大幅度增加,但对髁突关节面的影响却不大。结论 各种移位都将导致关节盘和关节结节后斜面产生过高的应力,且后、内、外移位更为危险,更容易造成关节结构和功能的损伤。     

养老机构老年人移动体征监测系统设计

基于ZigBee定位与无线数据传输技术,设计了一种针对养老机构的老年人移动体征监测系统。该系统可实现体征（脉搏、心电、血氧）监测、人体定位与紧急情况报警。基于脉搏信号的移动采集与存储实验验证了该系统的有效性,脉搏测量范围为（50-170）次/分,测量平均误差小于3%,定位平均误差小于4 m,系统数据传输速率为250 kbps。该系统可有效实时地对养老机构中的老年人的健康与安全状况进行监护,对老年人生命安全保障具有重要意义。