Automatic outer surface extraction of femoral head in CT images

Computer-aided hip surgery planning and implant design applications require accurate segmentation of femoral head and proximal acetabulum. An accurate outer surface extraction of femoral head using marching cubes algorithm remains challenging due to deformed shapes and extremely narrow inter-bone regions. In this paper, we present an automatic and fast approach for segmentation of femoral head and proximal acetabulum which leads to accurate and compact representation of femoral head using marching cubes algorithm. At first, valley-emphasized images are constructed from original images so that valleys stand out in high relief. Otsu’s multiple thresholding technique is applied to seperate the images into bone and non-bone classes. Region growing method and threedimensional (3D) morphological operations are performed to fill holes in the bone. In the reclassification process, the bone regions are further segmented, and the boundaries of the bone regions are further refined based on Bayes decision rule. Finally, marching cubes algorithm is applied to reconstruct a 3D model and extract the outer surface of femoral head and proximal acetabulum. Experimental results show that this method is an accurate segmentation technique for femoral head and proximal acetabulum and it can be applied as a tool in medical practice.     

大鼠去势后对颌骨和股骨骨小梁结构的影响

目的　观察雌激素低下时骨质疏松对颌骨和股骨骨小梁结构的影响。方法　切除SD雌性大鼠双侧卵巢 8周后处死大鼠 ,取颌骨和股骨标本 ,对组织切片进行骨组织形态计量学分析。结果　去势后大鼠颌骨、股骨均呈疏松化改变 ,实验组骨小梁面积比、骨小梁平均宽度、骨小梁平均间隔宽度与对照组具有显著性差异 (P <0 .0 5 ) ,股骨的变化更为明显。结论　骨质疏松对全身骨组织和口腔骨组织的影响具有差异性 ,颌骨骨吸收小于全身骨组织的吸收。     

镓盐和雌二醇对维甲酸致骨质疏松大鼠骨代谢的影响

目的　对比研究镓盐及雌二醇对维甲酸致大鼠骨质疏松模型骨代谢的影响。方法　 3月龄SD雌性大鼠 45只 ,随机分为两组 :正常组 ( 1 3只 ) ,骨质疏松组 ( 32只 ) ,骨质疏松组按 85mg/(kg·d)维甲酸灌胃 1 5d。然后进入治疗阶段 ,实验分为四组 :正常组 ( 8只 ) ,骨质疏松组 ( 9只 ) ,正常喂养 ;氯化镓治疗组 ( 1 0只 ) ,2 5mg/(kg·d)氯化镓灌胃 ;雌激素治疗组( 8只 ) ,雌激素 0 .2 μg/kg ,3次 /周 ,腹腔注射 ,治疗两个月。 结果　模型期骨质疏松组血清AKP和TRAP活性显著增高 ,骨质疏松组平均骨小梁宽度变窄 (P <0 .0 0 1 ) ,平均骨小梁间距变大(P <0 .0 0 1 ) ,平均骨皮质厚度变薄 (P <0 .0 0 1 ) ,骨小梁百分比降低 (P <0 .0 0 1 ) ,镓盐及雌激素治疗后 ,可使显著增高的AKP和TRAP活性降低到接近正常组水平 ,平均骨皮质厚度增加 ,骨小梁百分比增大。结论　雌激素抑制骨吸收 ,促进骨形成 ,维持骨转换平衡。提示镓盐通过抑制破骨细胞的破骨能力 ,降低了骨转换率 ,抑制骨溶解 ,增加了骨量及骨的硬度。     

氯化镓对大鼠下颌骨骨结构影响的实验观察

目的　研究镓盐对维甲酸引起的大鼠下颌骨骨质疏松的影响及作用机制。方法　在维甲酸复制的大鼠骨质疏松的动物模型上 ,应用氯化镓治疗 ,以雌激素作为阳性对照 ,采用骨形态计量学和骨密度检测方法观察氯化镓对大鼠颌骨骨结构的影响。结果　镓盐治疗可引起大鼠颌骨骨密度增加 ,颌骨的平均骨小梁宽度、骨小梁百分比增加 ,骨小梁间距变小。结论　镓盐可减缓维甲酸引起的颌骨骨质疏松的发展进程     

人湿尺骨干在冲击压缩实验下的力学性能及规律

目的探讨人湿尺骨密质骨在高应变率下的力学性能及其分布规律。方法用分离式Hopkinson压杆(SHPB)技术对人湿尺骨密质骨进行了应变率在.ε=1.2×103/s条件下的冲击压缩试验。结果尺骨密质骨在高应变率下的力学性能随其纵向位置变化而呈现出中间强两端弱的分布,最强的位置约在距近端1/3处,且近端强于远端。与静态结果的比较表明,尺骨密质骨对应变率有较大的依赖性。结论在冲击压缩力作用下,尺骨的两端,尤其是远端容易骨折。     

骨康宁治疗实验性大鼠骨质疏松的影像与病理对照研究

目的探讨中药骨康宁治疗骨质疏松大鼠的效果。方法5-6月龄雌性SD大鼠,维甲酸复制骨质疏松模型后,给予中药骨康宁治疗。用影像学、骨病理组织学、形态计量学、骨生物力学等实验技术,观察骨康宁的治疗效果。结果经骨康宁治疗后,骨质疏松大鼠的平均骨小梁数、平均骨小梁宽、骨皮质指数、股骨骨密度、股骨的最大变形能力等增加,并明显高于骨质疏松组(P<0.05)。结论骨康宁对维甲酸诱导的大鼠骨质疏松有一定的治疗作用。     

充填粗糙节理直剪数值模拟宏细观分析

利用颗粒流数值计算方法对岩石充填节理直剪作用下力学性质进行研究,从细观角度分析不同法向荷载下粗糙节理面的损伤情况;探讨充填节理粗糙程度、充填物强度参数、充填物与围岩接触面强度以及充填厚度对节理剪切强度的影响,结果表明:（1）随着法向荷载的增大,上下节理面接触状态及粘结力分布规律发生转变,充填节理面粘结破坏明显增加;（2）节理粗糙度系数（JRC）对峰值剪切应力的影响较大;随JRC的增加节理峰值剪切强度增大;节理面粘结力呈类线性增长,而内摩擦角随JRC的增大而呈明显的非线性变化;（3）随节理充填物粘结强度比的增加,峰值剪切应力增大;随充填物强度比的增加,节理面粘结力出现明显的增长,而内摩擦角呈现先下降后增加的趋势;（4）当法向荷载较小时,峰值剪切应力受接触面粘结强度比的影响较大;当法向荷载较大时,其对峰值剪切应力的影响程度明显降低.节理面粘结力和内摩擦角随接触面粘结的增加分别呈现出非线性增长和下降的趋势.（5）节理剪切力学形式随充填后的增加呈现降低的趋势,然而随着厚度的不断增加,所带来的剪切力学参数变化程度逐渐减小.      

维甲酸致颌骨骨质疏松大鼠骨代谢变化及“双骨胶囊”治疗效果

目的　观察维甲酸致颌骨骨质疏松大鼠骨代谢变化和中药“双骨胶囊”的治疗效果。方法　将 6 0只 3月龄SD雌性大鼠随机分为二组 :正常组、模型组。模型组大鼠是以 85mg·kg-1·d-1维甲酸灌胃 15d复制模型 ,模型复制成功后进入治疗期。将模型组大鼠随机分为三组 :无措施组、双骨胶囊组和雌激素组。治疗 30d、6 0d后 ,取大鼠血、尿、下颌骨样本 ,观察治疗情况。结果　“双骨胶囊”治疗后 ,维甲酸所致颌骨骨质疏松大鼠的下颌骨骨小梁增宽 ,骨小梁之间间隔减少 ,骨髓腔缩小。骨小梁平均宽度增加 ,骨小梁平均间隔宽度减少。血清雌二醇水平显著升高 ,破骨细胞分泌的抗酒石酸酸性磷酸酶活性降低 ,血清骨钙素含量升高 ,尿钙增加。结论　治疗骨质疏松的药物“双骨胶囊”不仅对全身骨起作用 ,对治疗颌骨骨丢失也有一定的效果     

“双骨胶囊”治疗大鼠实验性骨质疏松的效果观察

目的　观察“双骨胶囊”治疗骨质疏松的效果。方法　 5～ 6月龄SD雌性大鼠 ,以维甲酸诱导骨质疏松模型后 ,给予含硼中药“双骨胶囊”进行治疗。用骨病理组织学、形态计量学等实验技术 ,观察“双骨胶囊”的治疗效果。结果　“双骨胶囊”治疗后 ,大鼠的平均骨小梁数 (6 1 0±0 88)、平均骨小梁宽 (75 74± 1 8 3 9)、骨小梁面积百分比 (2 4 0 1± 6 1 4)等指标增加 ,明显高于骨质疏松组 (4 3 3± 0 82 ,41 96± 1 1 6 9,1 6 1 6± 3 0 3 ;P <0 0 5 )。结论　“双骨胶囊”可增加骨量 ,对维甲酸诱导的大鼠骨质疏松有治疗作用     

人湿桡骨干的冲击压缩实验研究

目的　探讨人湿桡骨密质骨在不同应变率下的力学性能及其分布规律、对应变率的相关性和本构关系。方法　用分离式hopkinson压杆技术 (SHPB)对人湿桡骨密质骨进行了应变率分别在 ε =0 .6× 10 3 s-1和 ε =1.2× 10 3 s-1条件下的冲击压缩试验。结果　桡骨在高应变率下的力学性能随其轴向位置变化 ,呈现出中部强两端弱的分布 ,且非对称。桡骨的极限强度和压缩模量随应变率的提高而增大 ,在高应变率段尤为显著 ,而且表现出非线性粘弹性的力学行为。结论　在冲击压缩力下 ,桡骨的两端 ,尤其是远端容易骨折 ,并与时间有关。     

冷冻保存人同种主动脉瓣生物力学研究

用生物力学实验方法，研究冷冻保存对人同种主动脉瓣力学的影响以及与保存时间的相关性。结果显示：冷冻保存不影响应力松弛速度，保存15月内对应力一应变关系和破坏参数无影响。它提示冷冻保存对人同种主动脉瓣力学性质影响较小，其机理与冷冻保存可防止胶原纤维、弹性纤维和基质的损害有关。临床上应用冷冻保存15月内的同种瓣是合适的。     

皮肤组织的热力学行为表征:Ⅱ.黏弹性行为

目的检验关于胶原蛋白是皮肤黏弹性主要决定因素的假设,重点考察皮肤组织在动态载荷下的热力学性能。方法采用不同的热加载实现皮肤组织中胶原质不同程度的热变性;使用差示扫描量热仪检测胶原质的热变性及其热稳定性,并通过热损伤积分方程分析了胶原质的热稳定性;采用动态热力学分析仪表征了温度和皮肤胶原质损伤对皮肤黏弹性特性的影响。结果由于水份的流失,储存模量随温度的升高而显著增大;与此相反,功耗因子却呈现出明显的温度不敏感性。结论热损伤和热变性程度对皮肤黏弹性性能的影响与温度的影响相类似,表明在恒定的频率下胶原蛋白分子的热变性对皮肤的黏弹性行为影响很大。     

Mechanical Properties of Artificial Materials for Bone Repair

Bone defect caused by injury, infection, tumor and congenital diseases is one of the most common diseases in clinical orthopaedics. Bone grafts are necessary when self-healing is not effective during the recovery.Preparation of ideal bone substitutes with good biocompatibility and biodegradability to repair bone defects has become the focus. So far artificial materials used in hard tissue repair and reconstruction most notably are metals and their alloys, then the ceramic materials and their composite materials. From the perspective of mechanical properties, metals have some advantages, but corrosion issue and stress shielding of metal have baffled scientists through the age and have been long searched for solution. The elastic modulus of ceramic is more close to the natural bone compared to metal while the improvement of brittleness has been always the emphasis for clinical use.Therefore, development of materials of proper mechanical properties without affecting biological compatibility has become a significant subject.     

公路隧道衬砌火灾后力学行为分析

公路隧道发生火灾后,衬砌结构将发生物理与力学性能的改变,如厚度变薄和弹模降低等。首先分析混凝土构件在火灾后的损伤机理、力学特性和耐火性能,然后根据混凝土火损等级,进一步研究衬砌结构厚度与弹性模量的变化对衬砌结构体系的影响。采用荷载-结构法分析超高次公路隧道结构体系在火损后的力学行为,探寻其残余承载能力及内力与变形规律,找出特征破坏点与破坏机制。     

无砂混凝土在铁路工程中的应用研究

无砂混凝土作为一种新型的功能型建筑材料,宏观大孔对其力学性能影响显著,与传统混凝土相比无砂混凝土在强度增长、复合纤维增强及经历荷载后的破坏形式等方面体现出更多的不确定性,其配合比设计、结构特点及力学特性更接近水泥稳定碎石基层及沥青混凝土。通过现场大量试拌,当水灰比0．30、浆体体积占总体积的30％左右时28d抗压强度可满足C20等级的设计要求。     

浇注式沥青混凝土铺装破坏原因

对江阴大桥钢桥面浇注式沥青混凝土铺装使用状况进行了跟踪调查与观察,从铺装材料特性、受力状况、交通组成等方面分析了其破坏的状况及原因.结果表明,铺装材料的高温稳定性与抗疲劳性能不足、超载、重载、慢车速等因素是导致江阴大桥钢桥面铺装破坏的重要原因.     

列车荷载对板式无砟轨道力学性能的影响分析

为研究无砟轨道混凝土在客、货车作用下的劣化规律,基于损伤力学概念,引入损伤变量对混凝土室内循环加载进行试验研究. 首先,建立钢轨-扣件-轨道板-CA砂浆层-底座板-地基有限元实体模型,获取试件试验等效应力水平,通过列车车速确定加载频率,然后确定合理的荷载组合模拟工况;其次,应用MTS加载系统对混凝土试件进行循环加载测试,利用无损检测系统测试了不同加载次数下混凝土的动弹性模量以及抗折强度;最后,将动弹性模量和抗折强度作为损伤变量,根据测试结果得到不同应力水平、加载频率作用对轨道板材料力学性能劣化规律的影响. 试验结果表明:在客货车荷载作用下,动弹性模量的损伤程度在加载200万次时约为抗折强度的损伤程度的2倍;应力水平一定时,加载频率越小,混凝土动弹性模量以及抗折强度的损伤程度越大,并且在10 Hz与15 Hz频率之间较明显;加载频率一定时,应力水平越大,混凝土动弹性模量以及抗折强度的损伤越严重,应力水平为0.7的混凝土在1 000次左右的加载循环加载下发生破坏;低速的客货车荷载会加快混凝土初期损伤,较高速度的客货车荷载会加速无砟轨道结构后期损伤的发展.      

有缝隙颗粒堆积体中应力传递规律的实验研究

散体颗粒堆积体在自然界和实际工程应用中普遍存在,具有许多复杂奇异的特性,如应力链、崩塌、非线性波等.对有缝隙颗粒堆积体进行焦散线实验研究,与无缝隙情形进行对比分析,发现:缝隙的存在对应力的传递有较强的阻碍作用,使颗粒堆内部应力的传递范围明显缩小,其分布满足六次多项式规律,而不是无缝隙情形的抛物线规律;有缝隙颗粒堆内部的应力分布符合高斯分布函数,各层应力的最大值是无缝隙情形的2～3倍.     

飞机主起落架构型对道面力学响应的影响

为给飞机和跑道的优化设计提供参考和理论依据,基于弹性层状体系理论,建立了水泥混凝土跑道的三维有限元模型;选取了2组荷载水平相当、主起落架构型差异明显的飞机,对比分析了飞机主起落架构型变化对跑道全宽度位移、应变、板底拉应力以及土基响应深度的影响.模拟结果表明:当荷载相同时,主起落架上机轮总数越多,水泥混凝土道面板位移峰值、板底最大拉应力越小,起落架构型差异导致的道面板位移峰值相差13%左右,板底拉应力相差达35%;起落架间距越小,荷载作用区位移曲线越平缓,荷载作用区拉应变越小,土基响应深度越大,起落架构型变化导致的荷载作用区拉应变相差12%,土基响应深度相差14%;主起落架构型变化对距离荷载作用位置较远区域的竖向位移基本无影响.      

混凝土Ⅰ型裂缝扩展的氯离子渗透特征

为了研究荷载作用下混凝土结构裂缝扩展过程中的氯离子侵蚀问题,更加准确地描述不同扩展阶段裂缝周边的氯离子侵蚀特征,依据混凝土断裂准则,采用ANSYS参数化设计语言APDL进行二次开发,自编程序模拟了混凝土小梁Ⅰ型断裂裂缝开展过程;在断裂分析的基础上通过参数等效,采用结构-热分析方法,基于体应变-损伤变量-氯离子扩散系数一一映射关系,实现了混凝土裂缝扩展过程中各个阶段氯离子侵蚀的数值分析. 结果表明:不同裂缝扩展阶段,三点弯曲混凝土小梁裂缝周边氯离子侵蚀结果与试验结果吻合,荷载作用下混凝土裂缝尖端氯离子侵蚀呈现加剧现象,在混凝土结构耐久性寿命分析中起决定性作用;双K断裂准则和基于损伤参数的氯离子扩散模型能够模拟混凝土开裂过程氯离子侵蚀问题.