首页 > 文献资料
-
生物组织弹性测量:技术、仪器和应用
在临床上,可以通过用手触诊去感知某些组织的硬块来作出一些初步的诊断,例如乳腺癌的早期诊断.但是这种手触诊技术只能给出定性的结果,该结果依赖于操作者的经验,所以带有很大的主观性,于是能让诊断结果更加客观化的弹性成像和测量技术应运而生.弹性成像和弹性测量技术各有不同特点:弹性成像往往给出成像区域里面的弹性对比度而不必给出组织的本征参数;不同于弹性成像,弹性测量技术能给出组织弹性的本征参数例如杨氏模量等,有利于诊断某些弥漫性的组织疾病,例如肝硬化,并且跟踪组织的弹性随时间的变化情况,而且结果的比较不会受制于所使用的测量仪器.因此,伴随着各种医学成像技术,例如超声、核磁共振成像(MRI)和光学成像的广泛普及,针对活体组织的弹性测量学在近的二三十年里得到了长足的发展,诞生了很多新的测量技术和仪器,并且部分已经开始用于临床测试.可以预见,随着这些测量技术的发展和进步还将有源源不断的新的测量技术诞生,将会有越来越多的临床领域开始尝试或者大力普及通过弹性测量的方法来补充现有的一些不太完善的诊断方法,或者用来评估治疗方法的有效性.本文尝试给读者介绍一些传统和近来出现的弹性测量的技术和系统,然后简要介绍它们在诊断特定组织病变和评估治疗方法疗效方面的应用,后我们对此领域的未来研究方向和前景作一些展望.对于其中比较成熟的几种方法,我们会在这一期刊的随后几期作详细的介绍.
-
组织弹性测量之传统印压测试
与手触诊非常类似,印压测试使用比组织截面积小的压头对组织进行压缩,然后利用组织的反应力/形变测量组织的弹性特征.相对于触诊,印压测试的结果具有定量化和客观性强的优点,同时由于它对被测试组织准备没有特别的要求,可以进行无创测量,因此被大量用于各种活体组织弹性的测量,是应用广泛的组织弹性测量技术之一.传统印压测试系统一般使用印压头的位移代替组织的形变,测试强调结果而不特别强调系统本身的实用性.近年来,该领域发展了一些新的印压系统,如超声印压和水冲印压系统,这些系统不仅可以很好地完成印压测试,而且具有便携性和可微型化的特点,所以在临床应用方面具有很大的前景,我们称这些系统为新型印压系统.本期我们主要介绍传统的印压测试和系统,先简要同顾它们的发展历史,然后重点介绍印压测试分析方法,以及在弹性测量里面的典型应用,后小结全文.
-
组织弹性测量之新型印压技术简介
印压是一种常用的测量软组织弹性特征的测试方法,除了2011年第7期介绍的传统印压测试方法外,近来,还出现了一些新型的印压技术,如超声印压、光学印压、流体印压和纳米印压等.这些新型印压技术具有某些自己独特的优点,如超声印压系统便携性高,能够同时获得组织的初始厚度和形变,可以应用于多种组织的弹性测量；纳米印压能够非常小范围(微米或纳米级)地测量组织的弹性,可以分析组织的弹性分布,研究局部组织结构和弹性之间的关系.本文对这些技术及应用作一些介绍,后讨论该领域的发展方向.
-
离体软组织弹性的常用测试方法和应用
弹性是软组织-个很重要的力学参数,可用于生物力学系统的建模、分析和病灶的诊断及治疗手段有效性的评估.根据弹性力学和材料力学基本知识,可用标准测试例如压缩、拉伸、扭转和弯曲等来测量组织的弹性特征.这些测试的优点是边界条件简单,很容易直接获得组织的本征弹性参数例如杨氏模量、剪切模量或者泊松比.但是因为测试需要准备形状规则的样本,所以这些方法仅适用于离体组织的测量.结合适当的粘弹性模型,这些标准测试还可以用于测试组织的非线性粘弹性参数.因为可以方便测得组织很重要的基本弹性特征,这些离体组织样本测试方法还是被大量用于实际测量当中.这期我们将对离体组织样本的常用弹性测量方法作一些介绍,并分析这些测量方法及相关力学模型的优点和缺点,后以软骨的离体样本测试为例说明这些弹性测试方法在生物医学相关领域的应用.
-
填充剂对凝胶贴膏基质流变学特性的影响
目的:粘弹性是凝胶贴膏基质的一个基本性质,粘弹性可通过测量凝胶贴膏的流变特性来确定.通过研究不同填充剂对凝胶贴膏基质的流变学特性的影响,为筛选基质处方提供参考.方法:利用旋转流变仪测定不同填充剂基质配方的流变学性质,包括复数模量(G*),弹性模量(G’)和粘性模量(G”),研究不同填充剂对基质流变学特性的影响,同时对比不同填充剂基质的黏附性,建立用流变学筛选填充剂基质的方法.结果:不同填充剂随着质量分数的增加,G’和G”均增加,尤其是微粉硅胶,其质量分数由1％增加到5％时,G’和G”分别增加了99％和130％.结论:凝胶贴膏基质的流变学可为凝胶贴膏处方的筛选提供借鉴.
-
人、Wistar大鼠、昆明小鼠成骨细胞粘弹性的测量
目的:测量人、Wistar大鼠、昆明小鼠成骨细胞粘弹性,并对测量结果进行比较.方法:利用微管吸吮技术(Micropipette aspiration technique),测量人、Wistar大鼠、昆明小鼠成骨细胞在负压作用下的变形,把成骨细胞简化成为标准粘弹性固体,通过相应的力学计算和计算机图像处理,获得成骨细胞的粘弹性.结果:人成骨细胞的刚度远大于鼠成骨细胞的刚度,Wistar大鼠成骨细胞的刚度则大于昆明小鼠成骨细胞的刚度,但二者属于同一数量级.
-
骨性关节炎对膝关节软骨粘弹性影响实验研究
研究了正常国人新鲜尸体膝关节软骨和骨性关节炎膝关节软骨的粘弹性力学性质.对正常和病态膝关节软骨进行一维拉伸应力松弛、蠕变实验,得出了应力松弛、蠕变实验数据和曲线,以回归分析的方法处理应力松弛、蠕变实验数据,得出了归一化应力松弛函数、归一化蠕变函数表达式.以冯元桢教授的准线性理论得出了正常组和病态组膝关节软骨松弛函数表达式,并对实验结果进行了分析讨论.
-
皮肤扩张粘弹性实用分析
皮肤创伤修复中,需要移植自身扩张的皮肤.随着医学的发展,现在快速扩张法已逐渐代替常规扩张,因为这样可以大大缩短扩张时间.扩张皮肤的粘弹性分析,将从力学角度确定快速扩张是否可以取代常规扩张.以往包括应力松弛和蠕变的粘弹性分析等是用复杂的连续谱来描述,临床医学接受较为困难.本文采用反映应力松弛和蠕变的速度和程度,即斜率和终应力松弛和蠕变量作标准,易于临床上采用.并证明快速扩张粘弹性十分接近常规扩张,延长维持时间可以改变皮肤的粘弹性性质,使之与对照组接近,因此临床上可以采取缩短扩张期和延长维持期的方法来提高扩张效果.
-
基于正交频率脉冲编码激励的软组织粘弹性定量测量
高频剪切波对粘性参数的准确估计非常重要.为了提高高频剪切波的检测能力,并研究其对粘弹性参数估计的影响,本研究探讨了基于正交频率脉冲激励的超声振动计方法.通过构造具有特定频谱特性的正交频率波形,经稀疏采样之后激励组织振动,可以增强剪切波的高频分量.以新鲜猪肝为对象进行离体实验.选择二进制编码和两种正交频率编码脉冲激励组织振动,然后分别运用激光振动计和超声对不同编码激励方式产生的剪切波进行检测.激光振动计实验证明了该方法可以有效增强剪切波的高频分量,而从超声实验结果上看,与二进制编码激励方式的结果相比,当只用100～400 Hz剪切波速度拟合求解时,三码片与六码片的正交频率脉冲激励所估计得到的剪切弹性和剪切粘性的相对偏差分别为2.3％和4.1％,13.6％和11.5％;而当将所有频率剪切波速度用于拟合求解时,三码片与六码片的正交频率脉冲激励所估计得到的剪切弹性和剪切粘性的相对偏差分别为10.6％和3.5％,5.4％和11.8％.实验结果表明,正交频率编码激励方式可以降低激励峰值声强,并提高系统对高频剪切波的检测能力;另一方面,高频剪切波对粘弹性估计值具有影响,但其影响方式还不确定,需要进一步研究.
-
模拟置入骨椎间融合器行颈椎椎体间融合术稳定性分析
目的 设计研制一种异种骨颈椎融合器,并进行生物力学测试为临床提供生物力学参数.方法 取24具新鲜成年男性尸体C3-T1颈椎标本,分别对完整C3-T1(对照组)、模拟前路间盘C5、6摘除置融合器(实验1组)、模拟前路间盘C5、6、C6、7摘除置融合器(实验2组)三个实验组,进行前屈、后伸、扭转、轴向压缩和颈椎移位时融合器的大拨出力实验,还对以上各组标本进行粘弹性实验,得到各组标本前屈、后伸、轴向压缩载荷和位移,扭矩和扭转角,在恒应力和应变条件下应力、应变-时间曲线及归一化应力松驰、蠕变函数和曲线.结果 无论是置入一枚融合器或二枚融合器,各项力学性能指标与正常对照组无显著差异.结论 所设计的异种骨椎间融合器在椎体安置后其具有较好的抗压,抗弯、抗扭转、抗拔出能力,并具有较强稳定性.
-
前交叉韧带粘弹性特性的实验研究
目的 探讨前交叉韧带的力学性能和粘弹性行为与时间的变化规律,为研究人工韧带提供生物力学参数.方法 对正常国人新鲜尸体膝关节前交叉韧带进行系统的拉伸、应力松驰、蠕变实验,得出大载荷、强度极限、大应变、弹性模量等;还得出了应力松驰、蠕变实验数据和曲线,归一化应力松驰函数、蠕变函数数据和曲线,并得到7200s时的蠕变量和应力松驰量.结果 ①前交叉韧带在实验中表现出典型的松弛、蠕变现象,说明其粘弹性性质在膝关节运动中起着重要的缓冲作用.②初600s时应力应变的变化幅度较大,之后应力缓慢下降,应变缓慢上升,前交叉韧带7200s时应力松弛量1.05Mp,蠕变量为6.82%.结论 前交叉韧带具有良好的粘弹性力学性质,其粘弹性力学行为是为了适应其所在解剖部位的功能需要.
-
颅骨和硬脑膜随颅内压变化的粘弹性有限元分析
目的 颅内压对神经外科危重患者的手术时机起决定性作用,其测量方法的简单性、准确性、对患者较小创伤性都是神经外科临床和科研的重要研究方向.方法 提出一种通过测量颅骨应变可获得颅内压变化量的新思路,利用有限元软件ANSYS的粘弹性模型,对人体颅骨和硬脑膜随颅内压变化的相应应变进行了分析计算;分别建立了模拟颅腔的三维空心薄壳有限元模型,颅骨和硬脑膜的粘弹性模型;同时通过有限元软件分考虑与不考虑粘弹特性两种情况,对颅骨和硬脑膜随颅内压变化的应变进行对比.结果 考虑与不考虑粘弹性的颅骨和硬脑膜应变误差在14%左右,而颅骨和硬脑膜的粘性应变占总应变的40%.结论 通过在颅骨外表面粘贴应变片可以获得颅内压的变化量,微创颅内压应变电测法理论上可行,为进一步的临床应用提供了理论基础.
-
正常与病态股骨头软骨与半月板粘弹性实验研究
0 引言关节软骨作为粘弹性体其粘弹性研究国内外学者作了大量工作[1～5],但是动物关节软骨和人尸体正常关节软骨居多.半月板损伤在临床上多见,其损伤原因诸如膝关节受到跌打碰撞等暴力,其损伤往往是弯矩与扭矩联合作用造成.半月板损伤给患者带来很大的痛苦,轻者疼痛,行走功能发生障碍,保守治疗失败后只有切除损伤的半月板.半月板的损伤机理一直是国内外学者研究的重要课题.搞清正常与病态股骨头软骨和半月板的粘弹性力学性质对研究股骨头坏死和半月板损伤具有重要意义.鉴于此作者对正常与病态股骨软骨、正常与病态半月板进行应力松弛、蠕变实验研究,得出了一些重要结论,并对实验结果进行分析讨论.
-
人颅骨粘弹性的分数阶模型研究
利用Riemann_Liouville的分数阶微积分算子及理论,将标准的整数阶St.Venant力学模型推广至它的分数阶形式;根据Boltzmann迭加原理,应用离散化求逆Laplace变换的方法以及H_Fox函数,得出了分数阶St.Venant模型的应力松弛函数和蠕变函数的解析表达式,并分别与现有的人颅骨粘弹性实验数据相拟合.结果表明,分数阶的St.Venant模型比标准的整数阶St.Venant模型能够更有效地刻画人颅骨的粘弹性的应力～应变本构特性.
关键词： 粘弹性 分数阶St.Venant模型 分数阶微积分 应力松弛 蠕变 -
模拟后路间盘摘除植骨与置融合器术L4-S1腰椎稳定性与粘弹性实验研究
设计研制了一种钛合金腰椎融合器,并进行生物力学测试.方法是取18具新鲜成年男性L4-S1腰椎标本,处理成所需试样,分别进行前屈、后伸、左、右侧弯、左、右侧扭转、和轴向压缩实验,经统计学分析后自编程序拟合出载荷-位移曲线和扭矩-扭转角曲线.进行了粘弹性实验,方法是取18具新鲜成年男性L4-S1腰椎标本,测定完整L4-S1(正常组)、模拟后路间盘摘除植骨组(对照1组)和模拟后路间盘摘除置入融合器组(对照2组)L4-S1段腰椎的应力松弛和蠕变效应.得出了在恒应力、应变条件下应力、应变-时间曲线及数据.用回归分析的方法处理实验数据,得出了归一化应力松弛、蠕变函数及曲线,对后路间盘摘除植骨与置入纯钛融合器对脊柱稳定性的影响进行分析讨论.
-
粘弹性血管入口区域内血管壁与血液耦合运动模型及其应用
从血液流动、血管壁运动、血液-血管壁耦合运动三方面出发,建立了粘弹性血管发展流动的数学模型.导出了一组血液流动的速度分布、压力分布公式以及管壁位移公式.并结合一组狗的胸主动脉参数进行分析与讨论.结果表明:(1)入口区域内血液流动的速度分布、压力分布公式与管壁的粘弹性无关;(2)导得的管壁运动公式反映了定常、非定常、入口流动、充分发展流动等不同流动时态和形态下血流压力、速度变化对血管壁运动的影响.(3)定常、非定常状态下粘弹性血管的运动呈现一定的规律:当x/RnR<0.16时,管壁位移变化显著;当x/RnR>0.16时,管壁位移变化平稳.在相同条件下,弹性血管的位移变化幅值大于粘弹性血管.(4)粘弹性血管的运动不仅与它的径向、轴向位置有关,而且与血液对血管的作用力有关.(5)完全弹性问题可视为本文公式的特殊情况.
-
考虑粘弹性性能的密质骨损伤本构模型的研究
本研究考虑密质骨的粘弹性性能,在连续损伤力学的框架范围内研究了密质骨的本构模型,分别就细观结构强度服从均匀分布和非均匀分布两种情况进行了讨论.实验研究表明,该损伤模型是可取的.
关键词： 密质骨 骨单位(哈佛氏系统) 粘弹性 损伤本构模型 -
痰的粘弹性和触变性研究
我们应用Low-Shear 40流变仪对手术后恢复期病人痰的粘弹性、触变性等指标进行了测定与分析,得到了痰的滞后环和应力衰减曲线,发现手术后第1天至第5天痰的滞后环有明显的改善,从术后第1天痰的屈服力10.55Pa下降到第5天的4.79Pa,下降了45.4%.说明随着术后恢复时间的延长,痰的易流动性明显改善,临床病人的症状亦有相应的变化.提示在临床病人的术后恢复期应尽早加入祛痰、排痰的措施,同时可以用屈服应力指标监测痰的流变特性,以随时指导治疗.对剪切模量的频率特性的研究表明:术后第1天痰的弹性模量和耗散模量均大,其频率特性也不稳定.随着术后的恢复,弹性模量和耗散模量明显地降低.相应地,相位差的变化也趋于平稳.我们的工作为进一步开展相关的临床研究提供了新的指标和参考值.
-
生物组织粘弹性动力学分析的有限元新方法
应用线性粘弹性模型和电网络模型间的两个重要结论，以及滤波方法，推导得出一种适用于生物组织粘弹性动力学分析的有限元新方法。粘弹性材料的复杂性可简单地视为各向同性，亦可将其逐步趋于复杂而直至极端各向异性，描述生物组织力学特性的线性粘弹性模型可以是两种不同的元件和三种不同的基本模型的任意组合。多方法、多角度地证实本文推导得出了一般的、系统的和高精度的快速有限元分析法，该分析法可用于分析以线性粘弹性为模型的生物组织和工程材料的动力学响应。
-
大鼠运动力竭后中性粒细胞粘弹性研究
本文将多形核中性粒细胞模拟为一各向同性的均质粘弹性球形固体.利用球谐函数法求解大鼠运动力竭前后中性粒细胞在小变形条件下的蠕变问题.理论计算所得的大鼠运动力竭前后中性粒细胞表面位移响应与微管吸吮实验结果吻合较好.本文结果显示大鼠运动力竭后中性粒细胞弹性模量K1、K2和粘性系数μ分别比运动前增加118%,59%和71%,提示力竭性运动对中性粒细胞粘弹性有明显影响.文章还对中性粒细胞蠕变问题的时效关系作了研究.
