【摘 要】
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生物组织材料的特性一直是生物力学、生物材料等领域研究的热门和重点问题。随着生物医学工程领域的快速发展,生物材料的特性对于研究生物组织至关重要。有研究表明,生物组织材料的图像灰度、密度和其力学性能之间有着十分密切的关系,并可应用于生物医学工程的众多研究领域中,如在生物在体、离体组织的力学性能分析,生物组织有限元建模和分析,组织损伤与康复等领域。本文着力于研究生物组织材料的力学性能与密度以及图像灰度之
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目11972243,正中神经受载致腕管综合征的生物力学机制研究国家自然科学基金资助项目11472185；
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生物组织材料的特性一直是生物力学、生物材料等领域研究的热门和重点问题。随着生物医学工程领域的快速发展,生物材料的特性对于研究生物组织至关重要。有研究表明,生物组织材料的图像灰度、密度和其力学性能之间有着十分密切的关系,并可应用于生物医学工程的众多研究领域中,如在生物在体、离体组织的力学性能分析,生物组织有限元建模和分析,组织损伤与康复等领域。本文着力于研究生物组织材料的力学性能与密度以及图像灰度之间的关系。基于本文得到的密度与图像灰度,以及力学性能与密度之间的关系,可以通过在体组织灰度的测量,获得该组织的力学性能参数,从而为人体组织在体力学性能的获取提供了快速便捷的方法。具体的研究内容包括:（1）生物组织杨氏模量和密度的关系。解剖新西兰大白兔制备兔腰椎松质骨试件,对松质骨进行表观密度测量,静态压缩实验,得到各腰椎密度、杨氏模量;记录CT标准体模杨氏模量和密度的数据,使用多种函数形式拟合得到CT标准体模杨氏模量和密度的关系公式;将兔腰椎松质骨试件密度代入关系公式,得到拟合的杨氏模量值,并将实测值和拟合值进行对比分析;（2）生物组织密度和图像灰度的关系。CT扫描新西兰大白兔和CT标准体模,获取扫描图像中CT标准体模的图像灰度,记录密度数据,使用多种函数形式拟合得到CT标准体模密度和图像灰度的关系公式;在扫描图像里读取新西兰大白兔多个组织的图像灰度,测量各组织表观密度,将各组织图像灰度代入关系公式,对比分析实测值和拟合值;（3）便携式体模的制备和应用。依据沉淀法原理制备羟基磷灰石粉末,对其进行处理得到羟基磷灰石体模;对自制体模材料进行表观密度测量,静态压缩实验,得到各材料表观密度和杨氏模量的实验数据,使用多种函数形式拟合得到自制体模杨氏模量和密度的关系公式,将实验兔各椎体松质骨的密度代入公式计算出拟合值,并进行实测值和拟合值的对比分析;对自制体模进行CT扫描和超声扫描实验,获取扫描图像灰度,记录各自制体模图像的灰度和密度数据,使用多种函数形式拟合得到自制体模密度和图像灰度的关系公式,将新西兰大白兔多个组织的图像灰度代入公式计算出拟合值,对比分析实测值和拟合值。通过对上述实验数据的处理和分析,可以得到以下结论:（1）杨氏模量和密度的关系公式整体符合实验兔的腰椎松质骨组织的实测数值;通过对比CT标准体模、自制体模杨氏模量的拟合值可以得知,二者拟合后的精度基本相同。因CT标准体模质量大,体积大,无法与被测生物组织一起进行数据采集,故可使用自制体模作为CT标准体模的替代品;（2）多种拟合方式得到的密度和CT图像灰度的关系公式与实验兔各组织密度的实测值均较为接近。对比CT标准体模、自制体模的密度拟合值可以得知,使用自制的便携式体模的精度高于使用CT标准体模的。因自制体模具有体积小,重量轻,精度高,可与被测生物组织一起进行数据采集的优点,故可利用自制体模建立的生物组织密度和CT图像灰度的关系公式,作为获取生物组织密度的有效公式;（3）多种拟合方式得到的密度和超声图像灰度的关系公式与实验兔各组织的实测值均较为接近。自制的便携式体模不仅可以用于确立生物组织密度与CT图像灰度之间的关系,也可用于确立生物组织密度与超声图像灰度之间的关系;本文给出了生物组织材料杨氏模量与密度以及图像灰度的关系公式,自制了体模,为CT、超声设备测量时,快速便捷地获取人体在体组织的力学性能参数,提供了一种解决方案。
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