智能化生物软组织实验系统的研究

报导了根据生物软组织材料的力学特性研制的由微机控制并进行数据处理的生物软物软组织材料力学测试系统。     

生物固体力学进展

生物力学是多种学科相互交叉、相互渗透所形成的一门新兴边缘学科。在我国仅有二十几年的历史。生物固体力学是生物力学的一大分支,本文就其三大方面:骨力学、软组织力学和器官力学的发展、主要成就及发展趋向、前沿研究课题作了简明的综述。     

针穿刺软组织实验与穿刺力力学建模

通过针穿刺软组织实验,得出针穿刺软组织过程中穿刺力随位移变化的数据。在分析穿刺力与位移之间关系的基础上,选取非线性弹簧模型和二阶多项式模型对穿刺力进行最小二乘法拟合,得到穿刺力的力学模型。     

软组织非线性物理建模及其参数测定

对现有虚拟手术中人体软组织建模方法进行了分析,针对目前软组织建模真实性还有待提高的问题,提出了一种新的软组织建模方法.首先,在引入体弹簧质点模型的基础上,利用生物力学方法建立了适合软组织力学仿真的模型.然后通过非线性超弹性应变能方程对弹簧力建模,并根据真实肝脏软组织物理特性的测量结果求解模型参数,得到基于物理特性的软组织模型.通过实验验证,该方法在提升虚拟手术触觉沉浸感方面具有可行性和有效性.     

计算连续介质力学

非线性连续介质力学是现代计算力学的基础课题之一,本书介绍连续介质力学的非线性理论以及在发展大位移动力分析的非线性计算公式化中的应用,书中论述了连续介质力学的基本概念,给出了两个非线性有限元动力学公式化：通用的大变形有限元动力学公式化和能有效地解小变形问题的公式化。     

光纤光栅应变传感器光力转换的非线性时变方程

基于光纤光栅应变传感的基本原理以及弹塑性力学与黏弹性力学的基本理论,建立了考虑传感器的非线性和黏弹性力学行为的光纤光栅应变传感器光-力转换的非线性时变方程.     

国内创伤骨科生物力学研究概况

对国内创伤骨科在生物力学领域内的研究概况进行了介绍.分别讨论了与骨折相关的生物力学、创伤相关的生物力学、脊柱生物力学、骨及人工骨材料的生物力学、人工关节相关的生物力学、中医正骨相关的生物力学和组织工程相关的生物力学.     

汽车操纵线性区影响机理分析

汽车操纵线性区是影响汽车操纵和安全的重要指标。研究影响汽车操纵线性区的动力学机理,给出了汽车操纵线性区评价的求解和试验方法。分析了整车操纵线性区与轮胎力学特性线性区的关系。重点分析了载荷转移对汽车线性区的影响机理。通过研究得知轮胎力学特性进入非线性区不是整车进入非线性区的必要条件;由于载荷转移导致轮胎力学特性非线性变化是整车操纵性进入非线性区的主要原因。     

计算力学中的现代数学方法的若干问题

随着现代科学技术的高速发展,计算力学面临许多新课题,大范围非线性问题已成为计算力学研究的主攻方向,现代数学方法给计算力学的研究提供了强有力的工具。简要综述了计算力学所涉及的若干现代数学领域和方法,着重介绍了非线性问题的研究现状和发展,包括各类与现代数学密切相关的算法研究、Hamilton力学与辛几何、分叉理论等,以期展示现代数学方法在计算力学中的广泛应用。这些方法正在改变着计算力学研究的面貌,它们将给这个领域带来新的景象。     

心肌组织力学行为的测试系统

为方便与准确定量地研究心肌组织主动力与被动力的性质,在综合现代实验力学中的光测、电测和步进电机控制等技术的基础上开发了两套实验测试系统。这两个系统也可用于一般生物软组织性质的研究。论述了这两套测试系统各自的工作原理,介绍了硬件和软件的组成部分和功能,以及关键部位力传感器的设计和标定。介绍了心肌力学性质测试的一般方法,初步得到了心肌组织的被动力和主动力的基本性质,和现有的理论模型进行了拟合和比较,表明这两套系统可以完成心肌组织的生物力学性质的测试。     

Nonlinear elasticity in biological gels

The mechanical properties of soft biological tissues are essential to their physiological function and cannot easily be duplicated by synthetic materials. Unlike simple polymer gels, many biological materials--including blood vessels, mesentery tissue, lung parenchyma, cornea and blood clots--stiffen as they are strained, thereby preventing large deformations that could threaten tissue integrity. The molecular structures and design principles responsible for this nonlinear elasticity are unknown. Here we report a molecular theory that accounts for strain-stiffening in a range of molecularly distinct gels formed from cytoskeletal and extracellular proteins and that reveals universal stress-strain relations at low to intermediate strains. The input to this theory is the force-extension curve for individual semi-flexible filaments and the assumptions that biological networks composed of these filaments are homogeneous, isotropic, and that they strain uniformly. This theory shows that systems of filamentous proteins arranged in an open crosslinked mesh invariably stiffen at low strains without requiring a specific architecture or multiple elements with different intrinsic stiffness.     

面部软组织三维有限元模型的建立

正建立正常人面部软组织三维有限元模型,作为进一步研究的基础,1.通过螺旋CT扫描获得头面部图像数据;2.图像数据导入图像处理软件Mimics10.0进行图像处理,阈值分割,布尔运算得到面部软组织三维几何模型;3.结合面部解剖特征,手动提取1.5mm厚度的皮肤组织,利用灰度及形态学操作提取肌肉组织,分别赋予材料属性,建立了适合生物力学分析的面部软组织有限元模型。结果:本实验应用有限元技术,在计算机上建立了一个能够反映软组织生物力学性能,包含皮肤、肌肉、脂肪的多层有限元模型;结论:本研究为面部软组织有限元模型的建立提供了切实可靠的方法,为进一步分析颌面外科手术术后面部软组织的形变提供了有力的基础。     

具有生物降解功能的生物陶瓷材料研究

研究、制备了组元和结构类似于人体硬组织的多孔生物活性陶瓷材料HA-TCP[Ca_(10)(PO_4)_6(OH)_2-Ca_3(PO_4)_2]。在完成了生物实验和动物种植实验之后,该多孔生物活性材料在临床外科上得到了应用。X光显示表明,在短时间内植入的该材料能降解成硬组织、能在手术空洞中形成新骨小梁。文章较详细地介绍了HA-TCP粉末及材料的制备过程和适宜于软组织生长的孔隙结构和临床应用效果。     

数字近景摄影测量在面部软组织测量中的应用

为利用近景摄影测量进行面部软组织三维测量和重建,首先建立了一个小型室内三维控制场,解算出数字相机的内外方位元素,同时选择了多值二次曲面进行了相机的像差校正,以提高像点坐标的量算精度。以直接线性变换为基础开发了数字近景摄影测量系统,使人体颅面软组织的三维测量精度高,方法简便实用,成本低。采用带约束条件的Delaunay三角网算法生成DEM数据,利用OpenGL和VC混合编程读取DEM数据,生成面部软组织的三维模型,实现三维模型的重建。重建的面部具有很强的直观性和真实性,为口腔正畸学提供面部软组织的诊断和研究提供了有效的方法。     

数字近景摄影测量在面部软组织测量中的应用

为利用近景摄影测量进行面部软组织三维测量和重建，首先建立了一个小型室内三维控制场，解算出数字相机的内外方位元素，同时选择了多值二次曲面进行了相机的像差校正，以提高像点坐标的量算精度。以直接线性变换为基础开发了数字近景摄影测量系统，使人体颅面软组织的三维测量精度高，方法简便实用，成本低。采用带约束条件的Delaunay三角网算法生成DEM数据，利用OpenGL和VC混合编程读取DEM数据，生成面部软组织的三维模型，实现三维模型的重建。重建的面部具有很强的直观性和真实性，为口腔正畸学提供面部软组织的诊断和研究提供了有效的方法。     

生物组织冻结相变过程的数值模拟

建立了生物组织(含正常生物组织和肿瘤)冻结过程的传热模型.生物组织作为一种多孔介质,其相变发生在一个温度范围内,且存在一个固相与液相共存的糊状过渡区.采用显热容法模拟了生物组织冻结过程中的传热和冰晶增长过程.模拟结果显示,在冻结过程中,冷刀的初始温度越低,冷刀的降温速率越快,生物组织内温度下降和冰晶增长的速率越快.结果还表明组织中液相流动会增加生物组织内传热和冰晶生长的速度.计算结果为冷刀设计和冷冻外科手术提供了理论依据.     

Force modeling for needle insertion into soft tissue based on mechanical properties and geometric parameters

The force model during needle insertion into soft tissue is important for accurate percutaneous intervention.In this paper,a force model for needle insertion into a tissue-equivalent material is presented and a series of experiments are conducted to acquire data from needle soft-tissue interaction process.In order to build a more accurate insertion force model,the interaction force between a surgical needle and soft tissue is divided into three parts：stiffness force,friction force,and cutting force.The stiffness force is modeled on the basis of contact mechanics model.The friction force model is presented using a modified Winkler＇s foundation model.The cutting force is viewed as a constant depending on a given tissue.The proposed models in the paper are established on the basis of the mechanical properties and geometric parameters of the needle and soft tissue.The experimental results illustrate that the force models are capable of predicting the needle-tissue interaction force.The force models of needle insertion can provide real-time haptic feedback for robot-assisted procedures,thereby improving the accuracy and safety of surgery.     

软组织及加速度计对骨声振动的影响

用力电类比的方法分析皮肤、肌肉等软组织及加速度计对骨声振动的影响．实验表明，加速度计的质量及加速度计与骨之间软组织的弹性系数对结果影响较大．测试频率范围应远小于加速计在软组织上的共振频率，远大于软组织的自振频率