本文關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)軟骨生物力學(xué)特性的超聲測(cè)量方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：關(guān)節(jié)軟骨是一種高度特異性的組織,耐受不同載荷且磨損極小,能維持幾十年的磨損壽命。同時(shí),關(guān)節(jié)軟骨又因自身修復(fù)能力極弱,成為人體最容易發(fā)生病變的部位之一。骨關(guān)節(jié)炎是最常見(jiàn)的關(guān)節(jié)退行性疾病,病變軟骨在厚度、彈性、表面摩擦系數(shù)等方面都有顯著變化。檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)這些生物力學(xué)參數(shù)的變化對(duì)于骨關(guān)節(jié)炎等關(guān)節(jié)疾病的診斷與治療有著重大的意義。另外,利用組織工程培養(yǎng)的體外軟骨進(jìn)行關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)已經(jīng)成為關(guān)節(jié)疾病治療的一個(gè)重要手段。但體外培養(yǎng)的軟骨組織需要具有一定的機(jī)械完整性以承受植入過(guò)程中的沖擊載荷。因此,為組織培養(yǎng)過(guò)程的質(zhì)量控制提供生物力學(xué)性能的無(wú)損檢測(cè)手段成為醫(yī)學(xué)工程人員孜孜以求的目標(biāo)。超聲檢測(cè)技術(shù)因其無(wú)害性成為組織檢測(cè)的重要手段之一。面向軟骨組織檢測(cè)的超聲彈性成像和超聲印壓技術(shù)已經(jīng)有諸多文獻(xiàn)報(bào)道；對(duì)于軟骨組織物理模型的研究也由單一固相模型發(fā)展到固、液、離子等三相模型。超聲檢測(cè)與軟骨物理模型間的內(nèi)在聯(lián)系卻鮮見(jiàn)報(bào)道。無(wú)論是用于疾病早期診斷,還是面向組織培養(yǎng)質(zhì)量評(píng)估,超聲組織定征技術(shù)對(duì)力學(xué)性能改變的識(shí)別能力都依賴于聲場(chǎng)在軟骨組織中傳播模型的精確程度。以簡(jiǎn)單的超聲回波為例,軟骨組織上表面回波的畸變和混疊則是單一固相模型和三相模型都無(wú)法解釋的。本文從分析關(guān)節(jié)軟骨的分層結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特性入手,通過(guò)構(gòu)建關(guān)節(jié)軟骨的分層力學(xué)模型,解決了軟骨分層結(jié)構(gòu)中的聲場(chǎng)分布與超聲傳播的仿真問(wèn)題,進(jìn)而研發(fā)了基于超聲反射波的非接觸式測(cè)量技術(shù),提出了基于水沖印壓技術(shù)的軟骨粘彈性定征方法。論文的相關(guān)工作為評(píng)估關(guān)節(jié)軟骨的病理學(xué)變化以及軟骨組織工程過(guò)程監(jiān)控提供了一種有價(jià)值的技術(shù)手段。論文的主要內(nèi)容如下：第一章首先介紹了關(guān)節(jié)軟骨疾病的臨床診斷以及軟骨組織培養(yǎng)過(guò)程中的質(zhì)量評(píng)估等現(xiàn)實(shí)需求,進(jìn)而簡(jiǎn)要介紹了科研人員對(duì)于軟骨物理模型的認(rèn)知過(guò)程；從有害性和破壞性的角度,分離體、微創(chuàng)和無(wú)創(chuàng)三個(gè)方面介紹了關(guān)節(jié)軟骨組織力學(xué)特性測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀；介紹了超聲組織定征領(lǐng)域幾個(gè)代表性技術(shù)的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)；最后,對(duì)本文的主要工作和研究意義進(jìn)行了概述。第二章分析了關(guān)節(jié)軟骨的結(jié)構(gòu)與組成,并以此為基礎(chǔ)建立了關(guān)節(jié)軟骨的分層力學(xué)模型。模型將一塊微小區(qū)域的關(guān)節(jié)軟骨映射到一個(gè)球表面,以球坐標(biāo)系為基礎(chǔ)構(gòu)建淺表層、過(guò)渡層和輻射層的勁度系數(shù)矩陣與粘彈性模型。通過(guò)圍限壓縮實(shí)驗(yàn)和有限元仿真分析,證實(shí)了分層力學(xué)模型解釋軟骨應(yīng)力松弛現(xiàn)象的適用性。第三章研究了分層力學(xué)模型與聲學(xué)參量之間的關(guān)系,并通過(guò)關(guān)節(jié)軟骨映射球的坐標(biāo)體系建立了基于多元高斯疊加法的聲場(chǎng)仿真數(shù)學(xué)模型。提出了分層力學(xué)模型下的關(guān)節(jié)軟骨中的超聲信號(hào)仿真方法。通過(guò)使用25MHz和50MHz的點(diǎn)聚焦探頭對(duì)軟骨回波信號(hào)的實(shí)際測(cè)量,證實(shí)了淺表層與過(guò)渡層力學(xué)特性的不連續(xù)性,也解釋了關(guān)節(jié)軟骨超聲回波信號(hào)的混疊現(xiàn)象。第四章提供了一種通過(guò)脈沖V(z,t)數(shù)據(jù)測(cè)量軟骨聲速和評(píng)估組織力學(xué)特性的新思路,并通過(guò)模擬軟骨退化過(guò)程與測(cè)量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該方法的有效性。利用小角度點(diǎn)聚焦超聲換能器測(cè)量關(guān)節(jié)軟骨第一回波的脈沖V(z, t)數(shù)據(jù),通過(guò)一個(gè)已知材料特性的參考信號(hào)消去了超聲測(cè)量系統(tǒng)的傳遞函數(shù),從而獲得了軟骨上表面的二維反射系數(shù)譜；提出一種面向軟骨分層結(jié)構(gòu)的混疊回波分離方法,通過(guò)較低頻率的超聲換能器得到了淺表層的獨(dú)立回波,進(jìn)而獲得了淺表層和過(guò)渡層的聲速參量和超聲整體彈性模量(US-Ha:Ultrasound Derived Aggregate Modulus)。設(shè)計(jì)并開(kāi)展了非接觸式超聲測(cè)量實(shí)驗(yàn),利用胰蛋白酶EDTA消化液浸泡模擬軟骨退化過(guò)程。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),本文方法測(cè)得的超聲整體彈性模量與對(duì)比印壓試驗(yàn)測(cè)得的楊氏模量有較強(qiáng)的相關(guān)性(n=16,r0.895,p0.003,對(duì)每次測(cè)量結(jié)果實(shí)施Pearson相關(guān)性檢驗(yàn))；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法所測(cè)得的聲速及超聲整體彈性模量有潛力成為一項(xiàng)指標(biāo)表征關(guān)節(jié)軟骨的病理學(xué)變化。第五章詳細(xì)介紹了本文所研發(fā)的超聲水沖印壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與關(guān)鍵功能。通過(guò)流-固單向耦合有限元仿真實(shí)驗(yàn),分析了水柱半徑、水壓、軟骨厚度、軟骨楊氏模量以及泊松比對(duì)于透明軟骨形變的影響,確立了基于水壓和整體受力的楊氏模量測(cè)算模型；研發(fā)了一種適用于軟骨分層力學(xué)模型的超聲形變估計(jì)方法,通過(guò)變長(zhǎng)計(jì)算和相關(guān)判據(jù)分析,求取混疊信號(hào)間的渡越時(shí)間和獲取水-淺表層界面回波的準(zhǔn)確延時(shí)時(shí)間,解決了由于軟骨淺表層回波混疊造成的傳統(tǒng)互相關(guān)算法形變估計(jì)不準(zhǔn)確的問(wèn)題。嘗試了一種利用有限元迭代分析測(cè)算軟骨粘彈性參數(shù)的新方法,將形變與時(shí)間的關(guān)系曲線作為有限元分析的目標(biāo)曲線,通過(guò)APDL實(shí)現(xiàn)迭代仿真分析過(guò)程,實(shí)驗(yàn)證實(shí)迭代計(jì)算后的楊氏模量值比超聲水沖印壓直接測(cè)算值更加接近傳統(tǒng)力學(xué)印壓實(shí)驗(yàn)的測(cè)算值。第六章總結(jié)了論文的主要工作,介紹了課題研究的不足之處以及對(duì)進(jìn)一步研究的相關(guān)設(shè)想和展望。
【關(guān)鍵詞】：關(guān)節(jié)軟骨 組織定征 水沖印壓 二維反射系數(shù)譜 粘彈性 聲速 超聲整體彈性模量
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：R684;R318.01
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 符號(hào)清單及術(shù)語(yǔ)表10-14
• 1 緒論14-28
• 1.1 研究背景及意義14-16
• 1.2 關(guān)節(jié)軟骨物理模型的研究進(jìn)展16-18
• 1.3 關(guān)節(jié)軟骨組織力學(xué)特性測(cè)量技術(shù)18-23
• 1.3.1 離體軟骨彈性測(cè)量技術(shù)18-19
• 1.3.2 在體軟骨微創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)19-21
• 1.3.3 關(guān)節(jié)軟骨無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)21-23
• 1.4 超聲組織定征技術(shù)的研究現(xiàn)狀23-26
• 1.4.1 超聲彈性成像技術(shù)23-24
• 1.4.2 超聲印壓組織定征技術(shù)24
• 1.4.3 非線性超聲參量測(cè)量技術(shù)24-25
• 1.4.4 生物組織中超聲傳播理論的研究25-26
• 1.5 論文的主要工作及意義26-28
• 2 關(guān)節(jié)軟骨的分層力學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)分析28-49
• 2.1 關(guān)節(jié)軟骨的結(jié)構(gòu)與組成28-31
• 2.2 關(guān)節(jié)軟骨的分層結(jié)構(gòu)建模31-40
• 2.2.1 關(guān)節(jié)軟骨各層中的勁度矩陣32-36
• 2.2.2 關(guān)節(jié)軟骨各層中的粘彈性模型36-40
• 2.3 力學(xué)實(shí)驗(yàn)與分層模型下的仿真分析40-48
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)材料制備41
• 2.3.2 圍限壓縮實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析41-44
• 2.3.3 有限元仿真分析44-48
• 2.4 本章小結(jié)48-49
• 3 軟骨分層結(jié)構(gòu)中的超聲傳播分析與仿真49-62
• 3.1 單層結(jié)構(gòu)模型存在的問(wèn)題49-50
• 3.2 分層模型下的聲場(chǎng)分布仿真50-56
• 3.3 軟骨中的超聲信號(hào)仿真方法56-61
• 3.4 本章小結(jié)61-62
• 4 基于超聲反射波的非接觸式組織定征方法62-88
• 4.1 超聲聚集技術(shù)測(cè)量軟骨聲速62-67
• 4.1.1 聲聚焦測(cè)量聲速的理論基礎(chǔ)62-65
• 4.1.2 聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果65-67
• 4.2 基于V(z, t)數(shù)據(jù)的軟骨彈性定征技術(shù)67-70
• 4.2.1 二維反射系數(shù)譜理論及應(yīng)用67-69
• 4.2.2 參考樣品的選擇與使用69-70
• 4.3 基于反卷積的混疊回波分離方法70-73
• 4.3.1 淺表層聲參數(shù)分布函數(shù)的反卷積求解71-72
• 4.3.2 軟骨分層結(jié)構(gòu)中的混疊回波分離方法72-73
• 4.4 非接觸式測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究73-87
• 4.4.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程73-74
• 4.4.2 材料準(zhǔn)備74-76
• 4.4.3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)76-78
• 4.4.4 結(jié)果與討論78-87
• 4.5 本章小結(jié)87-88
• 5 基于超聲水沖印壓的軟骨組織定征方法88-111
• 5.1 超聲印壓技術(shù)測(cè)量組織力學(xué)特性88-89
• 5.2 基于水沖印壓技術(shù)的軟骨力學(xué)特性的測(cè)量89-103
• 5.2.1 水沖印壓系統(tǒng)的搭建89-92
• 5.2.2 水沖印壓實(shí)驗(yàn)的有限元仿真92-99
• 5.2.3 水沖印壓實(shí)驗(yàn)中形變的計(jì)算方法99-103
• 5.3 超聲水沖印壓實(shí)驗(yàn)研究103-110
• 5.3.1 材料制備103-104
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程104-105
• 5.3.3 結(jié)果與討論105-110
• 5.4 本章小結(jié)110-111
• 6 總結(jié)與展望111-114
• 6.1 總結(jié)與創(chuàng)新111-113
• 6.2 不足與展望113-114
• 參考文獻(xiàn)114-127
• 作者攻讀博士學(xué)位期間的成果127

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中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 王龍韜;滾壓載荷下軟骨傳質(zhì)行為的研究[D];天津理工大學(xué);2015年

2 寇博;核磁共振T2-star-mapping成像軟骨定量分析在膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎診斷中的臨床應(yīng)用研究[D];寧夏醫(yī)科大學(xué);2015年

3 劉紅杰;健步通絡(luò)熏蒸液對(duì)兔膝骨性關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨影響的實(shí)驗(yàn)研究[D];甘肅中醫(yī)藥大學(xué)(原名：甘肅中醫(yī)學(xué)院);2015年

4 李翱翔;溫度敏感性瞬時(shí)受體通道M4在人類(lèi)膝關(guān)節(jié)軟骨退變中的表達(dá)及意義[D];山西醫(yī)科大學(xué);2015年

5 梁青福;關(guān)節(jié)軟骨下骨缺損植入不同填充物對(duì)關(guān)節(jié)軟骨早期組織形態(tài)的影響[D];新疆醫(yī)科大學(xué);2016年

6 崔濤;天然豬骨關(guān)節(jié)軟骨生物摩擦學(xué)性能研究[D];南京理工大學(xué);2009年

7 李小東;自體富含血小板血漿回注對(duì)兔關(guān)節(jié)軟骨影響的實(shí)驗(yàn)研究[D];河北醫(yī)科大學(xué);2010年

8 易存國(guó);關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射糖皮質(zhì)激素對(duì)關(guān)節(jié)軟骨損害的實(shí)驗(yàn)研究[D];天津醫(yī)科大學(xué);2005年

9 陳金棟;關(guān)節(jié)內(nèi)出血對(duì)關(guān)節(jié)軟骨影響的實(shí)驗(yàn)研究[D];河北醫(yī)科大學(xué);2004年

10 王超;雙氧水對(duì)關(guān)節(jié)軟骨損害的實(shí)驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2012年

  本文關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)軟骨生物力學(xué)特性的超聲測(cè)量方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：259542