基于立体视觉的虹膜膨隆三维信息的实验方法探索

目的设计一种基于立体视觉技术的虹膜组织膨隆变形研究的实验系统,并在系统保持虹膜环状形态结构和组织活性条件下,通过测量计算出虹膜组织在模拟前后房压强差变化的情况下发生膨隆变形的三维信息。方法利用模拟瞳孔阻滞和虹膜膨隆的实验设备获得兔虹膜组织随前后房压强差增加而膨隆变形的二维图像,再利用立体视觉技术计算虹膜组织发生膨隆变形的三维信息。结果本研究得到模拟前后房压强差分别为100Pa、200Pa时虹膜膨隆的二维曲线和三维信息。结果证实随着前后房压强差增大,虹膜发生膨隆变形。虹膜膨隆的二维曲线的切线和虹膜径向之间的夹角越大,房角越小,此时发生闭角型青光眼的可能性越大。     

基于立体视觉的虹膜膨隆三维信息的实验方法探索

目的设计一种基于立体视觉技术的虹膜组织膨隆变形研究的实验系统,并在系统保持虹膜环状形态结构和组织活性条件下,通过测量计算出虹膜组织在模拟前后房压强差变化的情况下发生膨隆变形的三维信息。方法利用模拟瞳孔阻滞和虹膜膨隆的实验设备获得兔虹膜组织随前后房压强差增加而膨隆变彤的二维图像,再利用立体视觉技术计算虹膜组织发生膨隆变形的三维信息。结果本研究得到模拟前后房压强差分别为100Pa、200Pa时虹膜膨隆的二维曲线和三维信息。结果证实随着前后房压强差增大,虹膜发生膨隆变形。虹膜膨隆的二维曲线的切线和虹膜径向之间的夹角越大,房角越小,此时发生闭角型青光眼的可能性越大。     

基于整体膨隆实验的虹膜弹性模量求解方法

目的求解虹膜材料的弹性模量。方法采用自行研制的实验装置,对完整的离体兔眼虹膜试件进行0Pa到600Pa的压力加载,获取虹膜加压膨隆的数据,计算虹膜膨隆高度。然后以实测数据为基础,利用ANSYS12.0进行虹膜有限元分析,反推计算虹膜线弹性区间的弹性模量。结果虹膜在载荷为100Pa时的弹性模量为6.1kPa。结论虹膜在前后房压强差较小的情况下可以简化为线弹性材料。     

虹膜膨隆变形及房角开放度的实验研究

目的对原有实验系统进行改进,并对兔眼虹膜在不同前后房压强差产生的膨隆变形及房角开放度进行实验研究。方法在保持虹膜环状形态结构和组织活性特征的前提下,搭建模拟完全瞳孔阻滞和虹膜膨隆的实验平台,获得兔眼虹膜随前后房压强差变化时的膨隆变形二维图像;再利用立体视觉技术得到膨隆变形的三维信息,并计算出膨隆曲线上虹膜根部所在点的切线斜率和虹膜膨隆最高点的曲率半径,由此对房角开放度进行衡量。结果当前后房压强差在50～200Pa之间时,虹膜根部斜率在0.29～0.55范围内逐渐增大,曲率半径在16.13～6.67的范围内迅速减小,房角在30°～15°的范围内变化;而当前后房压强差增大到200～600Pa之间时,虹膜根部斜率在0.55～0.76的范围内逐渐增大,曲率半径在6.67～4.25的范围内逐渐减小,房角在15°～10°的范围内缓慢减小。结论本文提出了一种可行的定量研究虹膜膨隆变形及房角开放度的理论和实验方法,研究结果与临床观察及研究相一致。     

血管生物力学与力学生物学研究进展

血管生物力学主要探讨血管细胞如何感知力学刺激、力学如何影响疾病发生发展以及开发多种数理模型来分析力学因素对疾病的作用。近年来,血管生物力学领域的研究蓬勃发展,各科研团队从不同方向解析血管的力学生物学过程,以期深入了解血管生物力学因素影响各种血管疾病进程的调控机制,为心脑血管疾病的防治提供基于力学生物学的理论基础。本文基于国内外专家团队并结合本团队研究工作,对血管力学生物学领域近期的研究热点和新兴趋势进行总结探讨,为把握血管力学生物学领域热点和探索新的研究方向提供系统框架。     

轴向扭转作用下血管的力学特性和组织重建

血管由于身体活动或经历手术而经常承受轴向扭转(或扭曲)作用,然而有关血管在扭转作用下的研究却很少。本文首先总结血管经受扭转的临床症状,然后描述扭转作用下血管的力学特性以及本构模型;继而进一步讨论最新的有关扭转作用下血管重建的研究,包括生物体外器官培养实验、活体动物实验、数学模型的分析和模拟。希望这篇综述将促进今后对血管在扭转作用下力学特性和重建更多、更深入的研究。     

生物血管基质材料的抗原表达及力学特性

了解胰蛋白酶处理前后版纳微型猪近交系血管的抗原表达及力学特性，为异种移植及猪血管用于血管组织工程基质材料提供资料，取猪颈动脉，胰蛋白酶预处理猪血管前后不同时相点取标本石蜡包埋，采用组织形态学方法结合计算机图像分析，对猪血几何形态及纤维结构进行形态定量学研究，分别测定胰蛋白酶作用前后猪动脉压力直径关系，冰冻切片，用亲和免疫组化法检测α-gal抗原表达。结果表明α-gal抗原仅表达于血管内皮细胞，胰蛋白酶预处理血管后，未见α-agl抗原表达，血管内细胞包括内皮细胞，平滑肌细胞已去除，HE染色未见纤维断裂，血管无明显形变，处理前后血管顺应性相差不显著，提示经胰蛋白酶预处理的猪血管抗原性大大降低，其力学特性相差不显著，可用于血管基质材料。     

虹膜组织力学特性的实验研究

目的 模拟眼内前后房压强差，对人眼和兔眼虹膜整体加压，研究其力学特性。方法将瞳孔水密缝合，不破坏其几何形态，对虹膜整体加压。结果 首次实现了对虹膜整体力学特性的认识，人眼和兔眼虹膜力学特性相似，虹膜是典型的粘弹性物质，面积模量与前后房压强差之间基本呈线性关系，并且在相同的前后房压强差下人眼虹膜的面积模量比兔眼虹模的略小。结论 实验结果可为青光眼致盲机理解释和瞳孔阻滞力的估算提供参考；同时，经适当修正后，兔虹膜可作为人虹膜力学特性的研究样本，大大降低研究成本。     

视乳头的结构和力学特性对筛板变形的影响

目的:建立包含筛板的全眼球轴对称模型,分析视乳头的结构和力学特性对青光眼患者筛板变形的影响。方法:基于青光眼患者和正常对照组的视乳头结构参数数据,并参考文献结果,建立包含筛板的全眼球轴对称有限元模型;分析视乳头的力学特性和结构参数对筛板变形的影响。结果:眼压升高会导致筛板后移,且随着眼压的升高,筛板变形程度增大。巩膜、筛板和硬脑膜的弹性模量对筛板变形的影响程度较大;且筛板厚度、视杯深度、视杯宽度均对筛板变形有影响。青光眼患者的眼底结构参数、力学特性会使其筛板对眼压和颅压的作用更敏感。结论:有限元方法可用于筛板变形影响因素的研究,为青光眼早期诊断提供参考。     

人眼虹膜组织力学特性的实验研究

利用我们创建的将瞳孔水密缝合后，模拟眼内前后房压强差，对虹膜整体进行加压的实验方法，对人眼虹膜的力学特性进行了实验研究。结果表明：人眼虹膜是典型的粘弹性物质；面积模量与前后房压强差之间基本成线性关系。实验结果可为青光眼致盲机制解释和瞳孔阻滞力的估算提供参考。     

有限元分析中软组织力学参数的设定及验证

目的提供软组织超弹性材料参数并探讨优化方法,为有限元分析(finite element analysis,FEA)冲击研究中软组织显式求解的准确模拟提供参考。方法测定6具足底软组织标本抗压性能,以实验数据计算FEA材料参数,利用泊松比对材料参数进行优化。设置与体外实验相同工况的FEA模型进行模拟。利用实验及文献报道数据对模拟结果进行验证。结果软组织体外实验中力-位移曲线呈指数增长。FEA模拟与实验结果相比,压缩率≤45%时,结果相一致;在压缩率>45%时,材料泊松比愈接近0.5,FEA模拟的准确性越高。泊松比为0.497时,FEA模拟与体外实验结果有较强线性相关关系(R2=0.9923)。结论本研究中材料参数模拟效果良好。在较低压缩率下,计算结果与体外实验的结果相一致;在较高压缩率下,提高材料泊松比可增加FEA模拟准确性。     

Effect of tissue mechanical properties on cuff-based blood pressure measurements

This paper presents a 3D finite element upper arm model, validated by experiments as well as clinical data, used to study the error introduced in blood pressure measurements due to variability of arm tissue mechanical properties. The model consists of three separate cylindrical parts: soft tissue, bone and brachial artery. The artery volume changes under the cuff are used to represent the cuff pressure oscillations for analyzing blood pressure measurements. These oscillation trends are identical to observed clinical data. Also an upper arm simulator is designed and built for model validation. The model shows that the variation of soft tissue compressibility introduces an error up to 5% in blood pressure measurements. It is also revealed that the variation of the brachial artery and arm tissue stiffness has an insignificant effect on oscillometric blood pressure measurement method.     

基于有限元的骨组织工程支架结构力学性能优化分析

目的 分析骨组织工程支架微孔参数对支架力学性能的影响,为支架微孔结构的优化设计提供参考依据。方法 利用ANYSY软件建立支架微孔结构有限元模型,计算最大等效应力、最大总变形与孔隙率的关系,并分析比较不同孔径、孔间距结构对支架最大等效应力、最大总变形、内部应变的影响。结果 x、y轴方向孔间距的影响规律一致,随着孔间距从0.6 mm增加到2.0 mm,最大等效应力从63.1 MPa减小到46.3 MPa,最大总变形从23.8 μm减小到21.8 μm,最佳应变比从80%增大到84%;但随着z轴方向孔间距的增大,最大等效应力从38.3 MPa增大到47.8 MPa,最大总变形从20.8 μm增大到22.8 μm,最佳应变比在82%~85%波动。x,y轴方向孔径从0.1 mm增加到1.0 mm时,最大等效应力从32.4 MPa增大到78.4 MPa,最大总变形从19.9 μm增大到38.2 μm,最佳应变比从90%减小到53%;z轴方向孔径的增大会引起支架的最大等效应力从58.8 MPa减小到37.9 MPa,而最大总变形从23.3 μm增大到25.9 μm,最佳应变比从82%增大到87%。结论 支架孔隙率和最佳应变比越大,最大等效应力、最大总变形越小,支架生物性能和力学性能越好。研究结果对支架的结构设计和优化具有参考价值。     

Incorporating vessel taper and compliance properties in Navier-Stokes based blood flow models

A popular and useful technique used to model blood flow in cardiovascular simulations is to divide each blood vessel into a series of segments, each with its own lumped resistance, intertance, and compliance parameters. The values of these parameters are usually obtained through a simplification of the Navier-Stokes equations for fluid flow. However, the simplification often ignores the nonlinear and convective terms of the equations, resulting in errors in the parameter values, especially in the value found for resistance per unit length. We report a new method for the calculation of vessel resistance per unit length which takes into account the effects of vessel taper and wall compliance. It is shown that these effects can be addressed by the addition of two time-varying terms to the calculation of resistance per unit length. One term, due to vessel taper, is proportional to volumetric flow rateQ. The other term, due to vessel compliance, is proportional to ∂p/∂t. These variables are readily available in computer simulations of blood flow in lumped parameter systems. Using data for the descending aorta, the new parameter values, when averaged over a cardiac cycle, compare favorably with results in the literature.     

血管残余应力的两种求解方法及其应用

目的求解血管残余应力,为采用有限元方法研究血管应力的变化提供生物力学基础。方法采用弹性力学半逆解法得到血管的残余应力分布,与通过有限元软件ABAQUS模拟得到血管残余应力的分布进行对比,并在此基础上考虑支架置入的作用,比较残余应力对血管在体应力状态的影响。结果采用这两种方法得到的血管的3个正应力分量应力分布较为一致。残余应力的存在使血管的应力分布发生了变化,血管的最大应力由血管内壁转移到外壁处。结论在假定血管材料均质和各向同性的情况下,经典弹性力学半逆解法与有限元方法得到的残余应力结果有着较好的一致性;考虑残余应力的血管在体的应力分布与不考虑血管残余应力时有较大差异,血管内壁处应力降低明显。考虑血管的残余应力有助于更好地了解置入支架后血管真实的应力状态,从而为支架的优化设计提供参考。     

基于非线性材料股骨颈骨折固定方式

目的对股骨颈骨折内固定治疗方法中的螺钉固定角度、螺钉数量和螺钉组合方式进行合理选择,以达到最佳的复位稳定性。方法以DICOM数据为基础,建立基于Lindon分型方式的包含不同角度、数量和组合方式的股骨颈骨折内固定三维有限元模型,并依据材料属性参数与CT图片灰度值之间的关系为模型赋予非线性的材料性质,模拟生理载荷条件对模型进行加载。结果临床常见骨折面角度所对应的最佳单钉固定角度为65°和70°;在手术条件允许的情况下,螺钉数量越多,固定效果越好;3钉呈倒三角放置略优于3钉呈正三角放置,3钉呈正三角放置优于2钉,而2钉平放与2钉斜放的优劣取决于骨折面角度。结论骨折面角度对固定的效果有重要影响,股骨颈骨折内固定三维模型的加载仿真过程能够为股骨颈骨折内固定方式的研究提供一种可行途径。     

数值模拟不同充气压力对支架术后颈动脉力学环境的影响

目的研究支架介入在不同充气压力下对病变血管壁力学环境的影响。方法使用高分辨率磁共振成像(MRI)获得含有脂质斑块和钙化斑块的颈动脉模型,通过有限元软件构建体内血管-支架两者之间相互作用的力学模型,数值模拟分析不同充气压力(909、1 212和1 515 kPa)作用下血管壁及斑块的Von Mises应力分布。结果随着充气压力的增大,血管壁与支架接触内表面的Von Mises应力逐渐增大。在高充气压力作用下支架撑开后,脂质斑块区域会产生严重的应力集中现象;而在不同充气压力作用下,钙化斑块区域Von Mises应力分布差异很小。结论较大充气压力作用下支架撑开后将给血管壁和脂质斑块带来较大伤害,可能会引发支架后期失效。研究结果可为支架术充气压力的选择以及支架植入后斑块稳定性的预估提供临床参考。     

基于有限元模拟的支架扩张、血流动力学及支架疲劳分析

目的利用有限元方法研究支架在狭窄血管内的扩张性能、支架内血流动力学状况和支架的疲劳寿命。方法采用ANSYS模拟支架在狭窄血管内的扩张过程,提取扩张后相关节点数据,建立血流动力学分析模型,并建立与之对应的简化模型,模拟分析支架内血流动力学状况。分别基于Goodman图表和累计损伤法,对支架的疲劳寿命进行评估。结果 (1)支架上绝大部分部位发生塑性变形,主要应力发生在镂空孔的角点。(2)支架附近流动紊乱,血流流入端的桥接支柱附近应力最高。(3)Goodman图表法表明该支架是安全的,累计损伤法表面支架在血流流入端桥接支柱所在的第2个横截面上累计损伤最大。结论有限元方法能有效地应用于支架扩张、支架内血流动力学以及支架的疲劳模拟仿真。     

前交叉韧带力学特性差异对膝关节有限元仿真结果的影响

目的研究不同前交叉韧带力学特性对膝关节有限元模拟结果产生的影响。方法基于医学图像数据重建包含主要解剖结构在内的膝关节三维有限元模型,并考虑韧带的横观各向同性特性;用同一种韧带本构方程对3种不同前交叉韧带应力应变力学实验曲线进行参数拟合,对比不同的前交叉韧带力学参数对膝关节运动学和生物力学性能的影响。结果不同的前交叉韧带力学特性会得到不同的膝关节位移结果,前交叉韧带内的应力及应变大小有很大变化,但分布的趋势基本相同。结论选取不同前交叉韧带力学特性曲线会影响膝关节有限元分析的仿真结果,今后在关节组织力学性能的设置、模型的构建及验证中要足够重视。     

Non-linear elastic properties of the lingual and facial tissues assessed by indentation technique. Application to the biomechanics of speech production

This paper aims at characterizing the mechanical behavior of two human anatomical structures, namely the tongue and the cheek. For this, an indentation experiment was provided, by measuring the mechanical response of tongue and cheek tissues removed from the fresh cadaver of a 74 year old woman. Non-linear relationships were observed between the force applied to the tissues and the corresponding displacements. To infer the mechanical constitutive laws from these measurements, a finite element (FE) analysis was provided. This analysis aimed at simulating the indentation experiment. An optimization process was used to determine the FE constitutive laws that provided the non-linear force/displacements observed during the indentation experiments. The tongue constitutive law was used for simulations provided by a 3D FE biomechanical model of the human tongue. This dynamical model was designed to study speech production. Given a set of tongue muscular commands, which levels correspond to the force classically measured during speech production, the FE model successfully simulated the main tongue movements observed during speech data.