关节软骨内胶原纤维各向异性的红外光谱学显微成像研究

福尔马林溶液对于固化关节软骨组织、防止在长时间测量过程中组织的分解退化起到很好的作用,但对福尔马林溶液浸泡后软骨组织的结构变化(固化)过程及其胶原纤维各向异性的改变却鲜有研究。采用傅里叶变换红外光谱显微成像技术与偏振技术相结合的方法,通过关节软骨内胶原纤维(蛋白)的红外光谱特征吸收峰(Amide Ⅰ,Amide Ⅱ带)的吸光度随福尔马林溶液浸泡时间及偏光角度的变化来研究福尔马林溶液对软骨组织结构即胶原纤维各向异性的影响,并利用与各向异性方程拟合得到的决定系数(R2)对胶原蛋白纤维各向异性程度进行表征。研究发现,关节软骨Amide Ⅰ和Amide Ⅱ带的各向异性随着福尔马林浸泡时间的增长而愈加明显(Amide Ⅰ带变化尤为明显),说明福尔马林溶液中甲醛分子诱发了胶原蛋白分子新的交联,最终获得较好的固化效果,有利于关节软骨的各向异性分析。本研究将为今后关节软骨样本的制备、储存及各向异性研究提供参考。     

1.5T关节超导核磁共振成像主磁体电磁机械特性分析

本文设计了用于关节成像的1.5T超导核磁共振成像(MRI)主磁体的电磁结构与机械支撑结构.首先计算了主磁体成像区域及磁体周围的电磁场分布.在此基础上,采用电磁-结构耦合方法计算了主磁体与支撑结构中的应力、应变分布情况.同时分析了不同的支撑材料对磁体应力/应变的影响.给出了1.5T超导MRI主磁体支撑结构的设计标准.     

1.5 T关节磁共振成像超导磁体的设计、制作与测试

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是当今世界上最先进的医学影像技术之一,现阶段MRI技术正朝着成像质量更清晰、功能更强大、效率更高、个体化更强的趋势发展.与全身MRI设备相比,专科型MRI设备具有体积小、重量轻、成本低、病人舒适度高、成像质量高、功能更强等优点.但是关节专用超导MRI系统需要长度方向上被严格限制的超导磁体在160 mm直径球域(diameter sphere volume,DSV)内产生高均匀度的磁场.本文综合考虑了超导线用量、中心磁感应强度和成像区磁场不均匀度等因素,使用0-1规划和遗传算法相结合的方法设计了一种非屏蔽型1.5 T关节MRI超导磁体,该磁体的室温孔径为280 mm,总长度为520 mm,液氦量为30 L,载流区最大磁场为5.48 T,5高斯线范围为径向3.2 m、轴向2.6 m,160 mm DSV的磁场不均匀度设计值为22 ppm,考虑加工误差及冷缩因素,磁体加工完成并经过被动匀场后的预估值为60 ppm.经过绕制、固化、组装、焊接等工序,该磁体已制作完成.经过3次锻炼后成功励磁到1.5 T,经过被动匀场后160 mm DSV的磁场不均匀度达到50 ppm,各项指标均达到设计目标.     

骨科植入物金属材料生物摩擦腐蚀研究进展

骨科植入物的生物摩擦腐蚀耦合行为对人工假体使用寿命有重要影响.本文作者概述了生物摩擦腐蚀耦合行为研究的试验方案和主要分类,其中按照摩擦方式不同,可将其分为磨粒磨损腐蚀、微动腐蚀、滑动(摩擦)腐蚀、模拟器仿真(摩擦)腐蚀等类型,分析了影响该行为的主要因素,包括摩擦、电化学、材料和溶液因素等.通过调研国内外文献,综述了钛合金、钴铬钼合金和不锈钢三种主要金属材料在微动腐蚀、滑动摩擦腐蚀和模拟器摩擦腐蚀三类损伤模式下的研究现状.接着介绍了钝化膜去除、磨屑颗粒产生和金属离子释放过程,以及摩擦腐蚀耦合损伤机理.最后总结未来应在假体真实工作环境模拟和再现、有机物(如白蛋白)等人体体液中特有物质对植入物耦合行为影响和其他假体如人工椎间盘生物摩擦腐蚀等三个方面开展深入研究.     

存在关节力矩输出死区及外部干扰的漂浮基空间机械臂积分滑模神经网络自适应控制

探讨了载体位置和姿态都不受控时,漂浮基空间机械臂在带有关节力矩输出死区及外部干扰情况下轨迹跟踪的控制算法设计问题。死区与外部干扰影响系统的跟踪精度与稳定性。为此引入积分型切换函数,减少外部干扰引起的稳态误差,并利用径向基函数神经网络逼近动力学方程的未知部分,设计了一种积分滑模神经网络控制方案。控制算法的优点是,在死区斜率与边界参数不确定及最优逼近误差上确界未知的条件下,可以利用最优逼近误差、死区及干扰的补偿项来消除影响。李亚普诺夫稳定性分析证明了闭环系统的稳定性,且轨迹跟踪误差将收敛到0的某个小邻域内。仿真算例证实了该控制算法的有效性,实现了空间机械臂的轨迹跟踪控制。     

关节软骨光透明的拉曼光谱研究

为探讨原位条件下关节软骨及下骨组织成分含量变化等深层次微观信息,采用拉曼光谱技术结合组织光透明技术来研究软骨组织的光透明效果。选用甘油、碘海醇作为光透明剂,对在不同光透明剂浓度和浸渍时间下的犬膝关节股骨端软骨样本进行拉曼光谱采集。通过计算磷酸基团(920~960 cm-1 ) 和酰胺Ⅰ带(1 595~1 700 cm-1)的积分强度,获得拉曼强度比(磷酸基团/酰胺Ⅰ),探索在不同浸渍时间(10~60 min)、不同浓度下(甘油40%,60%,80%和100%,碘海醇50,150,250和350 mg·mL-1)组织光透明的规律,即寻找合适的透明浓度和透明时间。结果显示：相比于无透明剂情形,两种透明剂均使该强度比信号增强。在同一时间范围内,甘油和碘海醇分别在60%和150 mg·mL-1 浓度下能获得较好的透明效果;而在不同浓度下,甘油的透明效果均在20 min最强,而碘海醇的透明效果一般是在50 min后开始增强。在光透明剂的作用下激发光透过软骨可以直接探测到软骨下骨的拉曼光谱信息,这为研究骨关节炎深层次病因提供了方法和思路。     

牛膝关节软骨的摩擦行为研究

采用UMT．2型微观多功能测试系统，在试验环境为牛血清，法向加载应力0．8MPa，加载时间从5s到60min变化条件下分别测定了牛膝关节软骨在静态加载和滑行时的法向位移以及滑行时的摩擦系数．结果表明：上、下软骨间的法向位移与加载时间呈非线性增加；滑行时法向位移影响软骨间摩擦系数，启动摩擦系数高于平坦滑行过程中的摩擦系数；滑行速率对软骨摩擦系数的影响较小，加载时间越长，法向位移越大，所对应的启动摩擦系数越大；加载时法向位移和滑行时启动摩擦系数具有类似的变化趋势．     

人工关节滑液的摩擦学性能及摩擦化学研究

采用小牛血清和0.9%NaCl生理盐水配制了关节滑液,在四球摩擦磨损试验机上考察了其摩擦学性能,并用X射线光电子能谱仪分析了磨斑表面膜的元素组成和化学状态.结果表明:生理盐水的减摩抗磨性能较差,而小牛血清具有优异的减摩抗磨性能;滑液的减摩抗磨性能随小牛血清体积分数增加而逐步提高;滑液具有优良减摩抗磨性能的原因在于,血清在摩擦过程中发生摩擦化学反应,生成由蛋白质吸附膜、CaCO3沉积膜以及FePO4化学反应膜等组成的边界润滑膜.     

人体落地冲击力冲量的分析和计算

本文根据人体落地受伤是受冲击力的大小、冲击作用时间长短以及冲击力矩(如扭伤)等因素所致的事实出发,将人体着地瞬间看作撞击过程,以冲击力的冲量和冲量矩作为人体和各关节所承受的冲击作用的度量.利用多刚体系统动力学理论及计算方法给出了计算总撞击冲量及关节内冲量、冲量矩的算法;编制了相应的计算程序.以垂直落地为例所作的计算与已有结果一致.     

关节混合空间控制下的冗余绳驱并联机器人绳力分布特性分析

绳驱并联机器人是由绳索代替刚性杆件的一类特殊机器人,其中绳索具有只能承受拉力而不能承受压力的特点,冗余绳驱并联机器人的绳力分配问题是一个难点.在关节混合空间控制中,将冗余的绳索组合采用绳力控制,而其余绳索进行绳长控制.因为不同的绳索组合可能导致不同的控制效果,本研究旨在解决关节混合空间控制条件下,力控绳索组合的选择问题.以二冗余绳驱并联机器人为例,通过向量空间基变换方法,实现了冗余绳驱系统绳力在拉力索张力空间的表达.基于拉力索张力空间,计算了绳力控制绳索组合的对称最大误差带,用于找到合适的绳索组合用于力控.使用多体动力学仿真手段,对关节混合空间的控制效果和对称最大误差带解析解计算方法的正确性进行了模拟验证.在同时考虑绳长和绳力控制误差的条件下,发现当选择不合适的绳索组合时,绳力误差会被显著放大,说明了本文针对绳力分布特性分析的意义.本文提出的对称最大误差带概念同时也为关节混合空间控制策略下的绳力控制器设计提供指导.