面向个性化椎间融合器生物力学评价的有限元建模因素影响分析

目的有限元分析已广泛应用于个性化椎间融合器生物力学的评价和优化。针对有限元建模过程中存在的耗时长、计算要求高、参数选择依赖主观经验的问题,本文研究有限元建模因素对仿真结果的影响,为提高个性化椎间融合器生物力学评价中有限元建模效率提供科学依据。方法以L3、L4节段腰椎融合器设计与优化为例,选择韧带模拟方式、模型网格大小、椎体皮质骨厚度、椎体松质骨材料赋值、椎体小关节摩擦系数、融合器与椎体连接方式六种不同建模因素作为分析对象,根据相关文献中对不同因素的处理方法,采用正交实验设计建立18个有限元模型,比较不同因素对计算结果影响。结果采用融合器上的最大von Mises应力为分析指标时,韧带模拟方法、椎体小关节摩擦系数、融合器与椎体连接方式对计算结果有显著影响;采用椎间融合器最大沉降位移为分析指标时,韧带模拟方式、融合器与椎体连接方式对计算结果有显著影响;在满足一定条件下,网格大小、皮质骨厚度、松质骨材料属性对上述两种指标的影响不显著。结论在本文所研究的腰椎融合器有限元建模的6个因素中,韧带的模拟类型、椎体小关节间摩擦系数、融合器与椎体连接方式是需要重点考虑的因素。本文提出的基于正交实验设计的评价建模因素影响的方法,可以为个性化植入介入器械有限元建模过程的参数优化选择提供参考。     

二尖瓣狭窄下游湍流强度体内多普勒超声定量研究

目的以无创的多普勒超声检测方法了解二尖瓣狭窄下游血流不同部位湍流强度特点,探讨湍流剪应力(turbulent shear stress, TSS)、相对扰动强度(relative turbulent intensity, Irel) 与狭窄病变间的相互关系,为深入研究瓣膜疾病发生发展机制与人工心瓣血流动力学提供前期基础和科学依据. 方法应用与计算机图像分析技术相结合的多普勒超声,对一组不同程度二尖瓣狭窄病人二尖瓣下游跨瓣血流不同部位湍流强度进行定量描述. 结果二尖瓣狭窄下游射流区TSS与Irel均明显低于射流周围湍流区.射流区TSS与Irel在不同狭窄程度组间差异均无显著性(p>0.05),而湍流区TSS与 Irel在不同狭窄程度组间差异均存在显著性(p<0.05),并且,T SS和Irel均与有效瓣口面积(effective orifice area, EOA)成明显负相关(r各为-0.84和-0.82).超声显示,绝大部分患者瓣尖部位病变的严重程度远高于瓣膜的其它部分. 结论二尖瓣狭窄下游射流周围湍流区湍流强度远高于射流区,狭窄病变越重,湍流强度越大,而射流区湍流强度与狭窄程度无关.TSS集中分布于湍流区与瓣膜病变的空间对应关系提示,TSS是导致瓣膜病变进行性加重不容忽视的重要因素,其具体作用机制有待进一步研究加以阐明.此外,生物心瓣(bioprosthetic heart valve, BHV)的衰败很可能还与其下游长期存在的TSS有关,值得深入研究.     

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。     

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。     

壁面厚度对一体化小腿假肢应力分布的影响

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。如同传统假肢 ,应力分析对于一体化假肢的构型设计和优化具有重要的意义。由于假肢中的应力大小及分布与其所用材料的力学特性密切相关。本文的工作是基于一实验用内骨架一体化小腿假肢的真实几何构型 ,考虑残端软组织和骨 ,建立一体化小腿假肢的三维有限元模型 ;在保持假肢的几何形状不变的前提下 ,建立三个不同壁面厚度的一体化小腿假肢的三维模型 ,应用有限元分析方法 ,计算这些模型在模拟 Heel Off步态时相的载荷作用下的应力分布 ,分析壁面厚度对一体化小腿假肢应力分布的影响 ,为一体化小腿假肢壁面厚度的设计标准提供参考。结果表明 ,可以通过适当增加壁面厚度来减小一体化假肢的应力及软组织表面的压力。     

瓣后血流湍流剪应力在体无创测量技术

本文提出并实现了基于彩色超声多普勒速度图像分析的瓣后血流湍流剪应力的在体无创测量的数值方法及软件。首先通过图像处理和图像分析得到待测位点至少5个心动周期的速度曲线，然后在每个周期获取该位点N(N≥5)个时刻的瞬时速度信息，由此计算该位点的速度扰动并进一步计算法向雷诺应力和湍流剪应力。软件包括图像捕获、图像预处理、交互式速度获取以及湍流剪应力计算等功能，并使用了多媒体数据库对数据和图像进行管理。实际应用表明，该方法和软件是一种方便可行的在体无创测量瓣后血流湍流剪应力的手段，可为一些瓣膜疾病的诊断和人工心瓣的性能评估提供有效的血液动力学依据。     

脊髓损伤恒河猴后肢步态数据处理方法的设计

目的基于Matlab建立一套适用于非人灵长类动物的步态数据处理方法。方法通过VICON系统在3只恒河猴脊髓损伤术后6周进行后肢步态分析测试,获取运动学数据。通过Excel Link将Matlab与Microsoft Excel相结合,实现对运动学原始数据的筛选和提取,并在Matlab环境下进行计算。结果通过计算得到步长、步高以及膝关节和踝关节角度等运动学参数。在0.2km/h、0.5 km/h、0.8 km/h速度下,步长(F=2.869,P=0.088)和步高(F=1.148,P=0.344)均值无显著性差异(P>0.05),表明数据模型可重复。通过计算得到的角度-时间曲线图反映了关节功能和运动变化规律。系统初步实现了足部步态轨迹的描绘,还实现了步态运动的二维/三维轨迹图的生成。结论该系统使得实验原始数据的处理不依赖于VICON系统,计算得到的参数和轨迹描绘可基本满足非人灵长类动物后肢行为学评价的需求。     

Kinect人体运动捕捉误差及其空间分布

目的 针对微软发布的体感捕捉设备Kinect开展精度测试实验,检测系统定位的位置误差及其空间分布,为基于Kinect体感交互的生物医学工程应用提供参考.方法 本实验利用Kinect和高精度运动捕捉设备NDI Optotrak同时进行人体运动捕捉,并采用Kinect和NDI进行测量,结果取相对位移值进行比较.以NDI的测量数据作为真实数据的有效近似,评估Kinect的测量精度.结果 本实验最终测得Kinect识别精度误差为（0.0 283±0.0 186）m,均方根误差为0.0 303 m,水平角度识别范围为51.49＆#176;.结论 Kinect的精度和稳定性在cm级,可应用于康复训练、手术室设备控制等生物医学工程领域,但对于精度要求更高的领域,如智能手术机器人的控制等,其精度和稳定性还有待提高.     

二尖瓣狭窄手术前后下游湍流剪应力的多普勒超声研究

目的 :明确二尖瓣狭窄患者瓣膜病变及其下游湍流剪应力 （turbulentshear stress,TSS）与手术时机和预后之间的关系 ,为选择合适的诊治手段和最佳手术时机提供科学依据。方法 :应用多普勒超声与计算机图像分析技术 ,以正常人为对照 ,对一组接受经皮球囊二尖瓣狭窄扩张术或闭式二尖瓣分离术患者术前后与随访期间瓣膜下游TSS进行检测 ,同期对另一组非手术患者进行 TSS随访观测。结果 :术后 TSS较术前显著改善 （P<0 .0 5 ） ,而与正常对照相比仍有明显差距 （P<0 .0 5 ）。手术患者两次随访前后 TSS等指标的增加值均显著低于非手术患者 （P<0 .0 5 ）。结论 :对于中、重度二尖瓣狭窄患者 ,球囊扩张术或闭式分离术不能达到根治目的 ,但在一定程度上起到了减缓病情加重的作用。从远期疗效的角度上 ,考虑到术后残留狭窄下游 TSS仍将导致瓣膜病变进行性加重 ,建议推广超声心动图普查 ,有助于早期发现该病 ,同时可以考虑将手术时机选择在瓣膜病变早期、瓣叶和瓣下结构尚无明显损害时 ,以彻底解除瓣口狭窄、消除 TSS。     

一种适宜于口腔、骨等结构应力分析的有限元辅助建模及结果分析软件的开发和应用

通用的有限元结构分析软件的前后处理功能对于结构形状规则,材料种类少的研究对象已3［W适用,但对于直接应用于牙齿、关节等具有较复杂结构的研究对象来说,却具有较大的工作量和一定的难度。目前处理这类问题,或者是简化模型以减低工作量（但往往会导致单元类型、形状、和节点数的不合理,降低计算精度）;或者是手工仔细建模（但工作量极大,效率低、出错率高,导致研究成本和周期的大幅增加）;或者是采用一些软件的自动剖分网格功能,但目前尚不成熟。为此,本文自行开发了一套有限元分析前、后处理辅助软件。其中,节点位置由手工…