接骨螺钉的失效分析与强度测试

接骨螺钉作为一种有效的骨折内固定物,在临床上广泛使用。基于接骨螺钉的临床使用现状,分别按结构和材料归纳不同螺钉的种类,综合分析临床常见的3种螺钉失效情况(松动、断裂和腐蚀)以及影响因素,总结当前常用螺钉的测试方法,分析测试过程中的要点和难点,对改进产品设计、选择材料、开展体外检测技术等具有重要意义。对接骨螺钉测试方法的发展趋势进行展望。     

基于正交试验接骨螺钉参数的生物相容性评价

背景:当前骨科螺钉参数研究多集中于力学性能方面,缺少对其生物相容性的评估。目的:探究接骨螺钉材料属性及几何参数对生物相容性的影响规律,探求各因素及水平的最佳组合,为接骨螺钉的设计提供理论参考。方法:针对接骨螺钉5个因素的3个水平进行正交试验方案设计,因素A为螺钉直径(4.5,5.5,6.5 mm),因素B为螺纹牙型(矩形、梯形、三角形),因素C为螺钉螺距(1.75,2.25,2.75 mm),因素D为螺纹深度(0.5,1.0,1.5 mm),因素E为弹性模量(45,110,200 GPa),分别对18组不同螺钉参数下的骨-钉三维模型进行生物力学有限元分析,得出各组试验方案下的应力分布情况及2个试验指标值:皮质骨-螺钉之间的应力传递参数STPα,松质骨-螺钉之间的应力传递参数STPβ。利用权矩阵分析方法对正交试验数据进行分析进而得出影响规律及最佳组合。结果与结论:不同因素的不同水平对于生物相容性影响程度不同,其中螺钉材料属性为最主要影响因素,其次是螺纹牙型、螺距和螺纹直径并且三者影响程度相近,而螺纹深度影响最小。正交试验所得最佳组合方案为大径为6.5 mm、梯形螺纹、螺距为2.75 mm、螺纹深度为0.5 mm、弹性模量为45 GPa的接骨螺钉。     

基于3D模型并肩胛骨接骨板设计的肩胛骨测量

目的　测量肩胛骨关键部位数据,为设计类“F”形实用性肩胛骨接骨板系统提供解剖数据支持。 方法　采集50例正常成人肩胛骨CT数据,男女各25例,导入计算机建立3D模型,测量肩胛骨骨折主要固定区域数据并分析。 结果　肩胛颈CD=（10.35±0.95）mm、外侧缘DE=（72.99±6.53）mm和EF=（52.14±6.73）mm、肩胛体HJ=（36.42±2.23）mm和HK=（41.00±2.57）mm,颈-外侧缘∠CDE=（127.89±6.02）°、外侧缘扭转角∠DEF1=（167.20±3.67）°和∠DEF2=（172.46±4.76）°,各点厚度：C=（15.65±1.99） mm、D=（17.53±2.83）mm、G=（10.21±1.83）mm、H=（9.74±1.99） mm、I=（9.62±1.65） mm、J1=（10.21±1.35） mm、J2=（9.12±1.36）mm、K1=（7.22±1.99）mm、K2=（8.58±2.22） mm。其中,CD、DE、EF,∠DEF2,点D、G、H、I、J1、J2厚度,男女分组差异有统计学意义（P＜0.05）。 结论　根据测量数据,结合解剖及手术特点,可以设计合理实用的类“F”形肩胛骨锁定接骨板系统。     

基于电生理-力学复合心脏模型的右心室三维运动分析

在原有电生理心脏模型基础上,我们采用有限元方法和复合材料理论建立了一个电生理-力学复合双心室模型,并基于该模型对右心室心壁在收缩期的三维运动进行仿真分析。模型建立过程中,考虑了心肌的纤维旋向、心电兴奋产生的心肌收缩力。心室壁位移、最小主应变(E 3)等用来表征心室的运动。仿真结果与加标记磁共振成像的实验结果基本一致。另外,仿真结果还表明,虽然心基部位移最大,但最大收缩力却发生在心尖部,这个结果用一般的动物实验或人体实验是难以得到的。因此,电生理-力学复合双心室模型对于今后进一步评价心脏功能具有重要意义。     

基于有限元法的骨组织工程支架力学性能分析及改进设计

目的分析不同孔隙结构和孔隙率骨组织工程支架的力学性能,并对支架的孔隙结构进行改进设计使其性能提高。方法利用SolidWorks软件进行方形孔、球形孔和圆柱形孔3种结构55%～75%孔隙率的支架建模,计算得到各结构的表面积体积比;利用ANSYS Workbench软件进行结构受力的有限元计算,得到支架结构的应力分布和等效压缩模量;根据应力分布的特点,将方形孔的支架结构改进为长方形孔隙结构和长方体单元结构两种支架。结果随着孔隙率的增加,3种结构的表面积体积比均增大,对于相同的孔隙率,方形孔和球形孔的表面积体积比较大,圆柱形孔最小;3种结构的最大压应力总体趋势是随着孔隙率的增加而增大,对于同一孔隙率的3种结构,方形孔的最大压应力最小;3种结构的模量和孔隙率近似呈线性关系,方形孔和圆柱形孔的模量值相近;60%孔隙率的方形孔及两种改进结构应力分析表明,两种改进结构的平行于应力方向的4条棱侧壁应力可减小约15%。结论方形孔的表面积体积比和力学性能比相同孔隙率的球形孔和圆柱形孔结构要更有优势,而改进的两种结构又可以提高方形孔的力学性能,两种改进的孔隙丰富了组织工程支架的结构,研究结果为两种支架的临床应用提供力学依据。     

一种力学-生物学因素耦联的松质骨骨质疏松过程计算模型

目的是研究力学因素和生物学因素在松质骨骨质疏松过程中的作用。根据骨重建的生理过程，在基本多细胞单位（BMUs）层次建立了一个力学因素和生物学因素耦联的，带有时间历程的松质骨骨质疏松过程计算模型。通过调整模型中的力学因素和生物学因素，模拟了妇女绝经期骨量变化过程，其模拟结果与Recker等临床观测结果非常接近。可见，本研究提出的松质骨骨质疏松过程计算模型可以很好地描述松质骨的骨质疏松过程，为中老年群体防治骨质疏松提供理论基础和计算分析方法。     

仿骨小梁力学性能的多孔结构拓扑优化设计

目的基于动物骨小梁结构设计多孔植入物,阐述骨小梁结构的力学性能特点,说明使用仿骨小梁多孔结构植入物在临床治疗中的重要意义。方法基于动物骨小梁结构的各向异性力学性能,利用拓扑优化技术进行多孔结构设计。根据骨功能原理提出分区、分块重建原则,利用Micro-CT图像重建动物骨小梁模型结构;根据代表体元法对模型施加边界约束和外载荷,以求解的力学性能作为优化的目标函数,利用拓扑优化中的变密度法和均匀化方法进行多孔结构设计及优化。结果骨小梁结构具有各向异性的力学特点。求解发现,松质骨的体积分数在同一截面的边缘到中间主压力位置呈现递增趋势;泊松比无明显变化规律,均匀分布在0. 17～0. 30之间;而弹性模量和剪切模量在松质骨主压力位置明显大于其他位置;基于上述结果进行拓扑优化设计,结果显示,优化后模型的泊松比分布在0. 17～0. 30,弹性模量误差在14%以下,最小的仅为3%,剪切模量误差范围在8%以下,基本符合最初的设计目标。结论利用拓扑优化方法设计的多孔结构具有与动物松质骨相同的各向异性特点,同时减少应力集中现象,可以实现特定性能的多孔结构设计,为后续设计临床应用的多孔植入物提供一种合理有效的方法。     

基于人体关节点的三维重心计算与验证方法

目的 探究基于机器视觉确定人体重心空间位置的乘系数法和力矩合成法准确度。方法 搭建力学测量平台,分别设计静态和动态下人体三维重心测量方法,计算重心空间坐标。通过实验,分析乘系数法和力矩合成法的计算准确度。结果 在静态实验下,力矩合成法的计算结果在每个维度上都比乘系数法的准确度更高,力矩合成法计算人体三维重心在X、Y、Z方向上的误差最低分别为3.9%、4.1%、8.5%;在动态实验下,力矩合成法不论是在X或Y方向的平均误差和相对误差都比乘系数法要小,采用动作分解法来分析Z轴重心高度方向,力矩合成法最终呈现的效果更好。结论 力矩合成法的三维重心计算准确度较高,与力学测量平台的测量数据更接近。力矩合成法所计算出的三维重心基本可代替力学测量平台应用于后续进一步的研究。     

基于GVFSnake模型的图像分割方法在放射吸收法（RA）中的应用

目的:探讨GVFSnake模型在放射吸收法骨密度测定图像分割方面的价值.方法:本文将GVF Snake模型应用于目标区域分割,并与区域分割法进行对比.结果:实验表明梯度矢量流模型有较好的鲁棒性和实用性,分割结果与实际边界非常吻合.结论:GVF Snake模型为一种很实用的分割方法,能够应用在放射吸收法骨密度测定中.     

基于双目视觉的医疗器械3D数据模型获取方法研究

目的：为了高效率、低创伤地完成外科手术．计算机辅助外科手术得到了广泛应用。医疗器械3D数据模型可有效地结合病人的影像数据,指导外科医生完成顺利外科手术,从而降低手术的风险,减少对病人的伤害。方法：基于双目视觉基本原理,首先对双目摄像机进行立体标定,利用标定后获得的摄像机参数对双目立体图像进行畸变矫正和立体校正,然后为了提高后续匹配精度,对医疗器械目标进行分割后再进行立体匹配,最后将获取的匹配视差信息重投影到3D空间。获得医疗机械的3D数据。结果：采用交互式分割方法对医疗器械目标进行先分割再立体匹配,能避免遮挡造成的误匹配。大大提高匹配精度。通过实验,将基于双目视觉获取的医疗器械3D数据与实际测量获得的数据进行比较后发现,本文方法获取的医疗器械3D数据精确度较高。结论：基于双目视觉理论可以高效率、高精度地进行医疗器械3D模型还原．其模型可用于模拟手术、手术导航等实际应用。     

Establishing an Initial Electron Beam Model with Monte Carlo Simulation for a Single 6 MV X-ray Medical Linac Based on Particle Dynamics Characteristics

Objective：In this study, we try to establish an initial electron beam model by combining Monte Carlo simulation method with particle dynamic calculation （TRSV） for the single 6 MV X-ray accelerating waveguide of BJ-6 medical linac. Methods and Materials ： 1. We adapted the treatment head configuration of BJ-6 medical linac made by Beijing Medical Equipment Institute （BMEI） as the radiation system for this study. 2. Use particle dynamics calculation code called TRSV to drive out the initial electron beam parameters of the energy spectrum, the spatial intensity distribution, and the beam incidence angle. 3. Analyze the 6 MV X-ray beam characteristics of PDDc , OARc in a water phantom by using Monte Carlo simulation （ BEAMnrc, DOSXYZnrc） for a preset of the initial electron beam parameters which have been determined by TRSV, do the comparisons of the measured results of PDDm, OARm in a real water phantom, and then use the deviations of calculated and measured results to slightly modify the initial electron beam model back and forth until the deviations meet the error less than 2%. Results：The deviations between the Monte Carlo simulation results of percentage depth doses at PDDc and off-axis ratios OARc and the measured results of PDDm and OARm in a water phantom were within 2%. Conclusion：When doing the Monte Carlo simulation to determine the parameters of an initial electron beam for a particular medical linac like B J-6, modifying some parameters based on the particle dynamics calculation code would give some more reasonable and more acceptable results.     

基于咬合力中心重建力学模型的种植定向设计方法研究

种植牙植入方向的确定是关系到种植远期成功的重要因素之一。本研究提出一种基于咬合力中心重建模型的种植定向初步设计方法。利用患者的CT数据、牙颌石膏模型数据、咬合记录数据及咬合力测量数据,构建咬合力中心平衡模型,对患者种植区域咬合力进行定量化研究,完成种植植入方向的初步设计。本方法为种植定向设计提供了重要参照标准和力学理论依据,为进一步完善现有口腔种植系统外科导向模板设计提供了新思路。以1例三单位桥缺失患者和5例单冠缺失患者为试验对象,完成了种植定向设计过程及最终种植规划。实验结果显示,近远中向和颊舌向倾角偏差都小于10°～15°的平均种植方向调整量,验证了本方法的有效性和可行性。     

结合贝叶斯最优分类器的GACV模型对医学彩色细胞图像进行分割

目的:本文对GACV模型进行改进,并用改进的模型对医学彩色细胞图像进行分割。方法:本文在GACV模型基础上加入了贝叶斯最优分类器,得到了结合贝叶斯最优分类器的GACV模型,并用该模型对医学彩色细胞图像进行分割。结果:应用本文提出的模型分割3组不同特点的医学彩色细胞图像,分割结果显示,该模型能正确将细胞从不同噪声环境中分割出来。结论:结合贝叶斯最优分类器的GACV模型对弱边界,噪声以及复杂背景有很强的鲁棒性可以有效、准确的分割医学彩色细胞图像。     

基于脊柱矢状面曲线建立腰椎 L4 ~ 5 力学简化模型及其有效性验证

目的 根据人体脊柱矢状面曲线建立腰椎 L4~ 5 活动节段力学简化模型,对该模型结构进行有效性验证与分 析。 方法 采用基于飞行时间测距原理的体外测量装置获取人体脊柱矢状面曲线,基于该曲线构建腰椎 L4 ~ 5 机 械简化模型,并从关节活动度(range of motion, ROM)、椎间盘应力( intervertebral disc pressure, IDP)分布及小关节 力(facet joint force,FJF)方面对模型有效性进行验证。 结果 在 0. 2、0. 4、0. 6、0. 8、1 kN 随动载荷( follower load, FL)下模型最大 IDP 分别为 0. 23、0. 46、0. 69、0. 92、1. 15 MPa,纯扭矩下模型屈曲、后伸、侧屈及轴向扭转时 ROM 分 别为 6. 61°、4. 03°、3. 30°、2. 03°,在 FL 和扭矩共同作用下屈曲、后伸、侧屈及轴向扭转时 IDP 分别为 1. 80、1. 00、 1. 36、0. 80 MPa,后伸、侧屈及轴向旋转时 FJF 分别为 79. 60、29. 49、94. 64 N。 结论 基于人体脊柱矢状面曲线构建 的力学简化模型可用于脊柱矢状面曲线变化的脊柱力学分析。