损伤特征（精选八篇）
损伤特征 篇1
电磁轨道发射以其初速大、射程远、毁伤能力强、效费比高和安全性高等优点引起世界各军事强国的广泛研究。纵观轨道发射的研究史,电枢与轨道间良好的滑动电接触一直是其关键技术之一[1]。美国海军的轨道炮试验[2]研究发现,经过多发发射实验后,作为导轨材料的GlidCop AL-25(一种铜基复合材料)表面出现局部损伤坑度最大可达3mm,这种损伤称为刨削,形成的坑常称为刨削坑或刨槽。刨削的出现降低系统发射效率、缩短轨道寿命,减小射弹方向精度。
为了提高导轨的发射性能和发射寿命,必须克服导轨表面上出现的刨削损伤。过去,研究员们多关注通过电气化手段和材料更换取尝试消除导轨损伤,这些方法至今都没有完全消除轨道上出现的刨削损伤[3,4]。本文对实验室内小口径轨道发射后轨道进行检测分析,总结了刨削产生的特征,为下一步刨削机理的研究确定方向。(图1)
1 刨削检测
试验显示,使用7075铝合金和铜合金作为电枢和轨道材料时,在经历单发或多发轨道发射试验后,所用的导轨就会出现剧烈的磨损和刨削坑(刨槽)。对几组试验后出现刨削损伤的轨道进行了宏观形貌和微观取样分析。
对轨道前部的观察可以看出:随着电枢的前进(速度越来越大),导轨的磨损经历了一个从无到有、逐渐加重的过程,导轨表现为从黄色逐减转变为白色,并伴随有少量电弧烧蚀留下的黑色弧道痕,图2为电枢滑动初期既轨道前部的磨损图。
在单发和多发试验后,轨道表面上都遗留下一层白色铝沉积物,而且厚度变化不大。对轨道上遗留的沉积物进行微观检测,可以发现沉积物是由多层含气孔的薄膜组成,如图3(a)。通过EDS成分分析,观察到这些多层含孔薄膜不仅包含Al、Cu元素还存在C、O和一些杂志元素,如图3(b)。沉积物的结构和成分说明电枢划过时,接触界面产生较大热量使得电枢表面脱落的铝、表面铜材料和空气共同发生反应,电枢高速滑过后膜层快速冷却,部分空气来不及排除便陷入复合膜层中形成气孔,每次发射沉积物都进行再热熔、再冷却的过程,从而形成了含C、O具有多层含气孔膜结构的轨道沉积物。
电枢经过一段距离的加速过程,在导轨上留下大小不一的类似刨削产生的变形坑,定义为刨削坑或刨槽。较典型形状为液滴型,尖端朝向炮尾,圆端部(弧形尾边)朝向炮口,见图4。
轨道刨槽大都长度在1~3cm,深度1~2mm。刨削初始部位较尖锐,粗糙的机械划痕作用明显,随着深度和宽度增大,槽内表面含颗粒凹凸不平但表面尖锐划伤痕迹逐渐消失,呈现出熔融具有鲜艳光泽的表面状态。刨槽的弧形尾边都具有一层堆积卷边,卷边具有常规熔融物堆积形成的凸缘和一般粗糙和撕刮的外形。
单发后引起的轨道刨槽内表面尽显亮色,而前后轨道较暗,说明前后轨道存在微观电弧放电现象,而刨槽内部则没有。因此可以推测刨削发生处枢轨接触力比其前后部位都大,这种陡增的接触力可能是因为枢轨更加紧配合引起的,轨道或电枢的瞬时膨胀或瞬时横向位移都将引起这种接触力陡增的现象。
对刨槽样本进行能谱(EDS)分析可以得到各个刨削坑内的物质都由C、O、Al、Cu、Zn等组成。而扫描电镜(SEM)显示每个刨槽具有相同的微观结构,说明各个刨削坑的形成机理是一致的。图5为以刨槽样本的SEM图,图中可以看出刨削坑内出现了3种典型形貌:(1)撕裂棱(箭头指示部位);(2)金属再结晶(十字部位);(3)电枢运动留下的划痕。撕裂棱的出现说明在电枢的高速冲击作用下,基体金属已无法承受电枢的冲击力,从而被电枢剪切带走部分表面材料;再结晶形貌的出现则说明电枢和导轨表面的温度非常高,局部有金属熔化;而电枢运动留下的划痕则是导致导轨表面高温的原因之一。对刨槽底部进行电镜透射扫描,还观察到了刨削表面下层的铜基发生了形变孪晶[5]。
2 刨削特征总结
经过对试验后轨道损伤的检测分析,可以归纳处刨削形成的两大基本特征:
2.1 高速冲击特性
刨槽表面微观出现的撕裂棱现象说明轨道受到电枢高速冲击作用,基体金属已无法承受电枢的冲击力;而形变孪晶是铜冲击变形的典型特征,进一步说明刨削形成过程中轨道基体受到了巨大的瞬态冲击力作用,从而验证刨削是一种冲击行为。
而单次发射后刨槽前后端出现少许烧蚀现象,而刨槽内却鲜艳光亮说明枢轨接触力在刨削时经历了一个陡增和陡降的过程。这种界面力的变化启示轨道(或者电枢)出现了局部横向位移,从而为电枢与轨道发生冲击作用提供了可能。
2.2 界面热熔特性
试验后,轨道表面上都遗留下一层铝沉积物,沉积物含C、O并具有多层含孔薄膜结构的特性揭示接触界面生成了大量热,每次发射过程中轨道表面沉积铝、轨道表面铜和空气共同发生热熔化学反应和冷却的过程。
而具有鲜艳光泽的热熔刨槽表面就足可以说明热熔效应同样在刨削过程中产生一定影响。微观检测中的再结晶形貌的出现进一步说明电枢和导轨表面的温度非常高,局部有金属熔化。
界面热主要包含电流传导的焦耳热和滑动摩擦消耗的摩擦热,两者在不同时期占产热的不同比例,界面热效应是影响滑动电接触性能和各种轨道表面损伤的重要因素。
3 小结
采用试验检测方法研究了轨道刨削损伤的基本特征。通过对试验后轨道的宏观和微观形貌上的检测,观察到:
(1)轨道上含Al、Cu、C、O等元素的具有多层含气孔膜层结构的铝熔积薄膜;(2)单次发射后形成的轨道刨槽(无后续发射的影响)内表面鲜艳光泽具有熔融外貌,而前后轨道处则发生少量烧蚀呈黑色外貌,且刨槽具有类似飞溅的卷边;(3)刨槽内表面也含有(1)中所述多种元素,具有再结晶、撕裂棱和孪晶结构。
从而总结出电枢与轨道的刨削过程具有冲击和热熔两大特征。所得出的刨削特征将用于直到下一步刨削机理的研究,并为消除轨道刨削损伤和提高轨道发射性能打下基础。
摘要：轨道刨削是超高速滑动下轨道表面的一种损伤形式。刨削的出现降低系统发射效率、缩短轨道寿命,减小射弹方向精度。对实验室内轨道发射后的轨道进行宏观形貌和微观检测分析,观察到刨槽内表面具有光泽的熔融外貌,而前后外表面出现少许烧蚀等现象。从以上观察结果总结得到刨削产生的特征,为下一步刨削机理和抑制手段的研究确定方向。
关键词：轨道,刨削,特征,检测
参考文献
[1]吕庆敖,雷彬,李治源,等.电磁轨道炮军事应用综述[J].火炮发射与控制学报.2009(1):92-96.
[2]I.R.McNab,M.T.Crawford,S.S.Satapathy,et al..IAT ArmatureDevelopment[J].IEEE Trans.Plas.2011.39(1):442-451.
[3]Trevor Watt,and Doyle T.Motes.The Effects of Surface Coatings on theOnset of Rail Gouging[J].IEEE Trans.Plas.2010.39(1):168-173.
[4]T.J.Watt,D.L.Bourell.Sliding Instabilities and HypervelocityGouging[J].IEEE Trans.Plas.2011.39(1):162-167.
损伤特征 篇2
激光等离子体效应对硅表面损伤特征的影响
摘要：硅材料作为光电探测器的基础材料,研究其在强激光辐照下的损伤问题在激光探测、国防领域很有意义.对高强度纳秒激光作用下硅表面的损伤形貌特征进行了研究,结果表明:激光等离子体的热效应及冲击波效应,使激光作用区域内的物质迅速向外飞溅,形成点坑,并在点坑周围形成辐射状冷却物；散射光与入射激光干涉产生形成周期性分布的热应力使得硅材料表面张力发生变化,冷却后会在坑底表面产生周期性结构；从激光等离子体的光谱中可以发现N,O和si的特征光谱,在重复激光脉冲作用下会在硅表面上覆盖一层导致色变的SiOx和SiNx复合薄膜,是激光等离子体的.喷射产物. 作者： 范卫星[1] 韩敬华[2] 李海波[3] 杨李茗[3] 冯国英[2] 高翔[2] 刘岩岩[2] 包凌东[2] 黄永忠[2] Author： FAN Wei-xing[1] HAN Jing-hua[2] LI Hai-bo[3] YANG Li-ming[3] FENG Guo-ying[2] GAO Xiang[2] LIU Yan-yan[2] BAO Ling-dong[2] HUANG Yong-zhong[2] 作者单位： 四川大学电子信息学院,四川成都610064;奥普镀膜技术(广州)有限公司,广东广州510730四川大学电子信息学院,四川成都,610064成都精密光学工程研究中心,四川成都,610041 期 刊： 光谱学与光谱分析 ISTICEISCIPKU Journal： Spectroscopy and Spectral Analysis 年，卷(期)： , 31(12) 分类号： O539 关键词： 激光等离子体 多晶硅 激光诱导损伤 周期性结构 机标分类号： TP2 TN7 机标关键词： 激光等离子体 体效应 硅表面 损伤特征 Silicon Surface Laser Plasma 激光作用 周期性结构 硅材料 强激光辐照 光电探测器 冲击波效应 作用区域 形貌特征 特征光谱 脉冲作用 冷却 激光探测 激光干涉 基础材料 基金项目： 国家自然科学基金重大项目，国家自然学基金委员会-中国工程物理研究院联合基金，四川大学青年教师科研启动基金 激光等离子体效应对硅表面损伤特征的影响[期刊论文] 光谱学与光谱分析 --2011, 31(12)范卫星 韩敬华 李海波 杨李茗 冯国英 高翔 刘岩岩 包凌东 黄永忠硅材料作为光电探测器的基础材料,研究其在强激光辐照下的损伤问题在激光探测、国防领域很有意义.对高强度纳秒激光作用下硅表面的损伤形貌特征进行了研究,结果表明:激光等离子体的热效应及冲击波效应,使激光作用区域内的...损伤特征 篇3
关键词：户外；登山；损伤；特征
随着登山运动的不断普及，越来越多的人在户外健身运动方式中选择登山运动，适当的登山运动不但能够活动筋骨，还能愉悦心情，释放压力。然而登山运动中不可避免的损伤是大众最不愿看见的，轻则影响正常工作和学习，重则可导致伤残，给人们的生命安全带去威胁。为了减少和避免登山运动中损伤带给大家的损失，一定要了解登山运动损伤的特征，以在损伤发生后，能够正确处理。
一、登山运动损伤的类型
登山运动作为一种人们在户外进行的体育运动项目，由于受大自然等不同因素的影响，在运动中容易出现一些意外损伤，不利于登山运动的发展。登山运动中损伤根据其类型主要分为两大类，即急性运动损伤、慢性运动损伤。
急性运动损伤：急性运动损伤是指在登山运动中所造成的损伤症状明显，显而易见，急性运动损伤主要包括两大类，一种是开放性运动损伤，即指损伤后皮肤或者粘膜的完整性遭到破坏，手上组织有裂口；另一种是闭合性损伤，其与开放性运动损伤的症状恰恰相反，在损伤后，粘膜仍然保持完整性，受伤组织并无裂口。
慢性运动损伤：慢性运动损伤是指损伤后初期症状不明显，长时间累积或恢复不彻底而造成的功能退行性变化。例如，一部分人崴脚一次后，会出现频繁性崴脚，这是因为伤者在第一次崴脚后，损伤部位没有即使治疗或没有得到彻底恢复，从而造成累积性损伤，也就出现了频繁崴脚的情况。
此外，在登山运动中，还会出现因自然因素导致的一些损伤，例如，在夏季进行登山运动时，由于气温过高或紫外线太强，会对运动者造成运动性昏厥或中暑、日照性皮炎等损伤。
二、登山运动损伤的原因
（一）受自然环境因素的影响
自然环境因素是指大自然的一切可预见和不可预见的环境因素。由于登山运动是一种寄托于自然环境中的户外运动，致使人们在进行登山运动的时候也会受自然环境因素的影响而造成运动损伤。常见的受自然环境影响的损伤有，因山路的崎岖、地面凹凸不平导致登山者身体突然平衡、侧滑或摔跤而带来的运动损伤，例如身体某处擦伤，关节受损或骨折等，也有因树木茂密或其他原因而导致的刮伤、划伤等。
（二）受天气因素的影响
由于登山者对于登山运动的极度喜爱，部分登山者会每隔一段时间进行运动，初春或是雨后是登山者选择登山运动非常喜欢的时间。在这个时间段，春雨后带来的泥土的芬芳和空气的清新足以让登山者愉悦心情，同时，由于山路原本比较陡立，又加之雨后地面比较湿滑，在此时间段登山也最容易导致运动损伤，轻则擦伤，重则骨折。
（三）受自身因素的影响
登山者运动损伤受自身因素的影响，主要表现在三个方面，一个是登山者对于登山运动的认识不够，缺乏安全意识，对登山途中容易出现的危险也不够了解，在遇到突发事件时，容易慌乱，不知所措，同时，一些登山者认为登山运动是一次游山玩水的旅途，把该项运动看的过于轻松，没有丝毫的安全意识；其次，登山者缺乏专业的学问和技能，很多登山者根本不了解地理人文方面的知识，导致在登山途中会出现迷失方向等问题，同时，心理素质不高，从而导致一些运动损伤的发生。
三、登山运动损伤的应对和预防
要减少户外登山运动带来的运动损伤对人体的伤害，既要学会对常见运动损伤的处理方法，也要注重对运动损伤的预防。
（一）选择熟悉的场所进行登山运动
许多登山者为了寻求刺激，又或是对与祖国大好河山的好奇，往往会选择一些没有去过的登山场所进行运动，一方面强身健体，另一方面满足自身对于美好事物的追究，然而这种陌生场所是造成运动损伤最严重、次数最多的地方，因为登山者对于陌生环境不曾了解，对周围事物和路途不熟悉。在登山运动中，登山者最好选择熟悉的场所进行登山运动，可以减少运动损伤的次数，从而避免运动损伤所带来的危害；其次，如果在运动中受伤，一定要采取正确的处理方法进行处理，后者向周围的路人求救。
（二）提高登山者自身的素质
提高登山者自身的素质主要表现在两个方面，一个是自身心理素质的提升，一个是自身专业知识的提升。心理素质的提升主要是指登山者要有一定的安全防范意识和正确面对运动损伤的问题，当损伤出现时，不紧张，不激动，保持平稳的状态，只有这样，才能保持大脑清楚，从而正确的处理运动损伤；专业知识是指登山者要对登山运动有一定的了解，不但要明白登山运动的好处，还要注重其容易出现的问题，只有足够的了解才能在登山途中减少一些意外的发生。
（三）加强对天气、地理等因素的关注
因为天气、地理因素所导致的运动损伤举不胜数，登山者要时常关注天气预报和地理环境等因素，做到未雨绸缪。例如，在登山前两天就要关注天气的变化，刮风下雨或是雨水未干的情况取消登山运动；对一些不熟悉的登山环境要提前做好“侦查”活动，提前对自然环境和人文环境作一了解。
（四）尽可能的选择集体性登山运动
登山者在登山运动时，最好选择团体性运动，也就是几个人或几十人一起进行登山运动。这样的运动形式，能集众人智慧加以运用，在遇到危险或发生运动损伤时，能确保得到有效的应对措施。
结束语：综上所述，登山运动作为大众喜闻乐见的一种户外运动，对人们修身养性、强身健体有着至关重要的作用，同时，也是人们释放压力，欣赏祖国大好河山的主要途径之一，在登山运动中要切实保障登山者的人身安全，减少运动损伤对人身的危害，以确保人们登山运动的有效进行。
参考文献：
[1]张营营.辽宁省户外运动参与者的参与情况和运动损伤的调查与分析[D].沈阳体育学院，2014.
[2]郑重，刘铮.北京大学体育社团——山鹰社研究[J].体育文化导刊，2011，09：113-115.
改善跑步鞋穿着损伤特征的研究进展 篇4
现代跑步鞋诞生于19世纪70年代, 其标志特征是足跟控制、足弓支撑和前足弹性[1]。穿着跑步鞋会提高跑步者的运动表现:1964年东京奥运会, 奥运冠军Abele Bikilac穿着爱世克斯公司设计的跑步鞋打破了自己上届罗马奥运会的赤脚跑马拉松记录, 意味着穿鞋后平均1 km提高了7 s[2], 共提高了3 min 5 s。这种运动表现上的变化, 伴随着跑步运动的流行迅速得到人们的青睐, 今天人们认为穿着跑步鞋是必须的, 因而人们对跑步鞋的狂热追求从未停止。
然而跑步鞋对人体运动损伤的影响却是普遍存在的。虽然跑步鞋技术日趋先进, 但每年有60%的跑步者被测出运动损伤。每年平均有30%～75%的休闲健身跑步者至少损伤一次[3]。虽然有越来越多的资金和技术投入到鞋的设计, 但人均跑步伤害发生率并未减少[4]。尽管如此, 人们基于提高跑步成绩等因素仍然会选择穿用跑步鞋。
因而有关跑步鞋的研究一直是国内外生物力学及相关学科研究的热点。但是, 目前与跑步鞋相关的研究大多集中于穿着跑步鞋对人体各部位的生物力学影响及运动损伤的特征, 对于如何改善跑步鞋的设计, 提高跑步鞋的穿用本体感觉, 改变触地模式以减少其对人体的运动损伤的研究却很少。本文从生物力学角度分析了穿着引起运动损伤的原因, 介绍了目前改善跑步鞋穿着损伤特征的研究进展。
1 穿着跑步鞋产生损伤的生物力学分析
1.1 足触地模式及足冲击力的变化
自现代运动鞋发明以来, 人们依赖跑步鞋现代设计, 其高减震缓冲性能也使得后足触地方式变得容易, 如Kerr, Hasegawa和Larson等人的研究统计, 在公路赛跑步中足触地方式百分比变化范围显示, 74.9%的精英半程马拉松选手[5], 至81%休闲10 km跑步者[6], 甚至超过90%的休闲跑步者在全程马拉松跑步中使用后足触地方式[7]。当然, 后足触地模式是受包括步速、步幅、地面硬度和跑步表面的倾斜度等多种因素影响的[8,9]。
Lieberman和Davis等人对美国习惯穿鞋跑步者和非洲长期裸足跑步者其“后触”跑和“前触”跑进行力的分布对比分析[6]。在这项研究中, 共有63名受试者参与了测试, 男性占70%和女性占30%, 其中33名是未成年跑步者, 剩下的30名是成年跑步者, 以3.5 m/s的速度奔跑。他们发现了同一个受试者相似的地面垂直反作用力 (“后触”跑和“前触”跑都近似2.4 BW, 如图1-a, b) 。然而, 与“前触”跑不同, 穿鞋和不穿鞋的“后触”跑都产生两个冲击力峰值, 即触地的第一个峰值 (2.3 BW) 在负荷变化期的初始触地即刻, 随着冲击力峰值的出现而形成。重力承接之后是第2个峰值 (2.4 BW) , 发生在支撑中期。然而, 不穿鞋的趾一踵一趾的“前触”跑形式只有一个平滑的单一峰值 (如图1-c前、后足触地的不同峰值表现) , 不会产生两次近2.4倍体重的冲击力。
1.2 本体感觉限制, 旋前肌的旋转力改变
现代跑步鞋完全将足包裹起来, 仅足底就包括大底、中底和鞋垫等多层构件, 并用各种高缓冲、高弹性和耐摩擦等多种材料构成, 目的是用这些材料和结构使足在触地后地面反作用力被迅速分散转化或缓冲, 但同时也限制了人的足底本体感觉, 削弱了人本体的肌肉预激活和协调调节能力。
Robbins和Stacoffa研究表明[10,11]:现代跑鞋较大、呈喇叭形, 足跟控制系统和僵硬的足弓支撑, 使跑步中脚踝扭伤的风险性增加, 这可能是由于很多的现代跑鞋有僵硬的鞋底和足弓支撑部位。这会潜在地促使足内肌功能减弱和足弓力量的减小。已有研究称[12], 这些因素导致了对于足底筋膜的过度需求和促使足旋转过大, 这会导致或拖延足底筋膜炎的康复。
1.3 膝、踝关节及跖趾关节的受力变化
跖趾关节属椭圆形关节, 由各跖骨小头与各趾的近节趾骨的中间底构成。关节囊松弛, 上面较薄, 下面较厚, 在跖侧及两侧有韧带加强。能绕额状轴做足跖屈、足背伸, 绕矢状轴做少量的五趾骨外展、内收运动[13]。在已有的穿鞋跑步步态分析中, 既没有足弓弯屈也没有跖趾关节的弯屈, 也常将人体跖趾关节的弯屈忽略, 视整个脚为一刚体[14]。
现代跑鞋伴有更大程度限制了膝关节屈曲、踝关节跖屈和跖趾关节的弯屈, 当脚接触地面时, 踝、膝和髋的角度 (腿部几何) 影响了腿部刚度[15,16], 当跑速加快时, 冲击能量也加大, 引起肌肉活化水平增加, 使关节组织的硬度增加[17], 由于相对于关节的地面作用力发生了改变, 在抵消地面反作用力时, 这也影响了肌肉—肌腱长度和所需要的肌肉活动水平, 并会改变关节冲击力, 增加运动损伤风险。
2 改善跑步鞋穿着损伤特征的研究进展
2.1 赤脚鞋或极简鞋 (Barefoot or Minimalist shoe) 对足触地方式的变革
2004年一篇名为“天生会跑”的文章在《自然杂志》发表, 指出人类几百万年前的进化都是赤脚跑步状态。由此引发了2009年最畅销同名书籍, 声称著名的墨西哥北部的人们拥有惊人的长距离奔跑能力, 部分原因是他们只穿着极少支撑度的凉鞋[18]。几个月后, 《自然杂志》第二篇文章介绍了习惯性赤脚跑步的生物力学[1], 并指出赤脚鞋或极简鞋 (Minimalist shoe) 的科学依据。因而, 有关赤脚鞋或极简鞋研究成为近年来国内外生物力学界及相关学科关注的热点。
极简鞋相较于传统鞋有一些显著地不同, 主要表现在传统鞋外形较大, 高跟和坚硬的足弓支撑, 使足触地方式多为后足着地。而极简鞋模仿足的形制, 更贴合脚形, 突显足的本体感觉, 减少足弓支撑, 追求足的自然状态, 回归前足主动着地的步态。Lieberman等[19]将33名健康跑步者分为穿极简鞋的实验组和穿传统跑鞋的对照组, 经过12周的训练后, 解剖横截面面积和肌肉量分析表明两组受试者趾短屈肌肌肉都变大分别为21%和11%, 但是只有穿极简鞋组的小趾展肌的面积和体积显著增加18%和22%, 并且足弓纵向弧线的刚度显著增加 (60%) 。这就启示我们在运动鞋设计时应充分应用足部运动生物力学, 发挥人体自然足的功能, 提高力量和稳定性。
2.2 经典鞋子模拟裸足结构对人体的影响
Divert研究指出:鞋子的重量每增加100 g, 在跑步中其消耗的能量增加0.9%～1.2%, 较重的鞋子在人体运动中增加了氧气消耗的成本[20]。这就支持了人们追求超轻鞋子设计原理。目前, 世界一线运动品牌已推出几款极简鞋。但是, 2012年Kram和其同事发现, 对于相等质量的条件下, 穿着轻便有前脚掌缓冲平面的跑鞋比赤脚跑步者将少消耗3%～4%的氧气[21]。正如模拟裸足的Nike free系列跑鞋, 其前掌鞋底结构柔韧系数较高, 后掌鞋底结构宽大且弹性较好, 跑鞋的大底有较深的缓冲结构, 典型的全掌落地鞋底让足部更自然地受力, 自然地随鞋底摩擦、缓冲和移动, 充分的前掌弹性增加了跖趾关节及五趾的触地面积, 将压力充分分散。实验测试显示[22], 穿这样的鞋跑步时, 显著屈肌力量增加了20%, 而跖趾关节良好接触较普通跑鞋减少了7%的关节位移, 提高了运动表现的同时, 还预防了足部疾病的发生。
Earth Kalso系列鞋使用相同的“负跟技术功能”, 即脚趾高于脚跟3.7度, 促进人体自然足弓支撑和模仿人足的缓冲设计可以吸收每步的地面冲击力 (其设计说明如此) 。Emery等人通过实验证明:通过关节的小肌肉群在提高运动表现的重要作用[23]。Nigg通过制作弹簧模型验证 (如图2) , 足部许多位置的变化, 对于小的力量许多小肌肉群能够快速提供关节稳定性, 虽然我们不能选择特定的肌肉去稳定关节, 这样锻炼小而快的肌肉能够提高关节的整体稳定性, 可以用大的和小的弹簧近似的模拟这些强大的小肌肉群的动力学模型[24]。大的和小的弹簧 (模拟肌肉) 在连接处模拟关节在受力 (内力) 时的效果, 该模拟是在验证小的肌肉群比大肌肉群在关节处受力时有更快的反应。
2.3 国内运动鞋研发技术已具备核心竞争力
在国内, 研究员和鞋类研发者也重点关注了运动鞋的核心技术, 如回归自然、模拟裸足和能量回归等理念。国内一线品牌的实验室, 如李宁和美国DRD设计事务所创立的李宁体育设计研发中心, 安踏与中国皮革与制鞋研究院及大学研究所成立运动科学实验室, 鸿星尔克与中国科学院合作对运动鞋的抗菌功能研发和技术监测等。
宋雅伟, 王占星, 苏杨专业著作《鞋类生物力学原理与应用》[25], 详细介绍了足部解剖、步态、足底压力和下肢肌电等基础理论, 并针对各专业运动鞋分门别类展示了具体的设计与应用, 为研发新品运动鞋提供了可靠的技术支持。
刘宇[15,26], 魏勇[14,16]和傅维杰[27]等, 在综述国内外研究运动科学领域下肢刚度、不同落地方式下肢冲击力、软组织振动与运动损伤关系的研究进展基础上, 通过美国运动科学实验室研制的感知测试量表, 测试了两款不同品牌羽毛球专用鞋舒适度, 结果显示, 亚洲研发款鞋子在总体舒适度和动态测试量表主观强度及喜爱程度中都有更优表现。并自行设计实验测试了羽毛球鞋和篮球鞋等不同运动鞋对人体运动表现及运动损伤的影响, 为运动鞋的功能需求和创新设计提供科学依据。说明国内自主研发设计运动鞋的软硬件水平和实力都已突飞猛进, 具备核心竞争力。
3 改善跑步鞋穿着损伤特征的研究取得积极成果
3.1 研究方法和研究手段取得进步
3.1.1 输入信号频率分析得到重视
输入信号的频率, 作用于人脚的每个力都可以用幅度和频率进行说明。这些过去研究中往往被忽视的信号频率得到重视, 许多运动鞋性能和运动损伤的相关问题都已通过输入信号的频率及幅度分析得以解决。
3.1.2 生物力学脚模的建立
数学建模的方法应用于鞋类的研究, 使得运动系统的复杂的变化情况得到预测。这种方法提高了人们对负荷、运动表现和运动损伤的理解。某些特定的鞋结构产生一定的积极和消极的性能影响, 用数学建模的方法查明这些影响因素, 有利于更加科学的建立鞋的基本结构, 更好地适应人体结构。
3.1.3 统计方法的科学运用
运动损伤与运动学、动力学各种变量之间的统计学相关性的研究, 从控制系统的角度, 作用于人体肌肉-骨骼结构的力, 不仅产生机械变化而且产生的生化组成和感官反馈变化。这些变化的定量分析 (例如通过功能性的生物指标) 使人们更好地认识运动相关的肌肉骨骼等组织的变化和损伤的发生机制。对特定运动损伤产生、发展的内力、外力与人体组织功能的影响的理解取得实质性的进展。
3.2 研究思路更加系统
高校相关院所、科研机构和鞋企研发部门, 都不断探索研制更符合运动人体生物力学机制、减少运动损伤的跑步鞋。当前改善跑步鞋运动损伤的研究思路主要表现在:通过改善鞋底结构, 减少前后足落差, 使足弓处于自然状态, 舒展跖趾关节及脚趾的触地面积, 从而发挥足弓的自然应力, 提高足部关节及肌肉力量, 从而提高人体运动的稳定性, 减小足部损伤的几率;以运动生物力学为理论指导, 研发新型鞋材, 使鞋底硬度符合足底不同部位的应力改善, 合理分散压强峰值, 减少局部高压, 减少能量损耗, 模拟自然裸足状态, 提高穿用有效性和安全性。
4 总结与展望
跑步鞋是与人们接触最为普遍、最为直接和最为亲密的生活必需品及运动装备之一。绝大部分跑步者认为穿着跑步鞋可以提高运动表现, 但过度的后跟控制系统和僵硬足弓支撑设计, 改变了足触地模式, 使过大的地面冲击力和足部压强峰值对人体足、踝、膝甚至背部都增加了运动损伤风险。
目前有关穿着跑步鞋对人体下肢运动链的影响及运动损伤的特征已成为研究的焦点, 对改善跑步鞋穿着损伤特征研究在鞋类研究中处于领先地位, 其先进的科学仪器设备量化鞋类生产技术指标为新功能运动鞋的研发, 提供了重要证据支持, 在学术界以及在较大的鞋类研究公司许多相应的成果被用于制鞋业。但限于目前实验室的研究水平和人们对跑步中人体下肢劲度、下肢运动链复杂的系列变化缺乏相关的知识, 该领域的研究仍需进一步深入。
虽然, 国际运动鞋激烈的竞争市场, 促使一线知名运动品牌不断抛出新的卖点, 但有些设计并没有足够的科学依据的支撑。鉴于国际马拉松和全球跑步运动的蓬勃发展, 对跑步鞋提出了更高的要求, 今后的研究方向应该更多关注:不同的内、外力对运动损伤的影响程度;个体穿着不同的鞋不同的跑步落地方式对损伤的影响;人体适应鞋类对损伤发展的影响;适应不同个体需求的智能化跑鞋的研发。最后, 在减少运动穿着损伤程度的同时, 关注对身体其他部位的影响, 致力于研发安全的、智能的促进人体健康的跑步鞋。
摘要：从生物力学角度介绍了穿着跑步鞋引起运动损伤的原因, 介绍了目前改善跑步鞋穿着损伤特征的研究进展, 探讨了今后跑步鞋的研发方向。
损伤特征 篇5
1研究对象
从合肥工业大学、安徽体育运动职业技术学院两所合肥市高校体育学院中随机抽取2013级~2015级男生80名,女生70名,共计150名.对其2014—2015年度第一学期运动损伤发生情况进行问卷调查。
2研究结果与分析
2.1不同性别的体育专业学生运动损伤的状况
由表1数据可知:男女生在进行体育运动锻炼时,其运动损伤程度存有较为明显的差异。其中,男生的损伤程度主要为轻度损伤,比率占总体的52.8%。同样的,女生的受伤情况也是以轻度损伤为主,但是比率占总体67.7%,相对于男生该程度损伤的比率要高出许多;而在中度损伤方面,男生的比率为32.5%,而女生为26.1%,说明由于在动态的跑、跳、投运动过程当中,男生往往要进行更为激烈的对抗。所以在大部分时间里,当男、女生在分别出现运动损伤的情况时,男生的受伤程度较之女生往往要略微严重。最后在重度损伤方面,男女生的比率均较低,表明在大部分情况下,重度损伤的发生率还是比较低的。但男生(14.7%%)比女生(6.2%)的发病率可能性要高出近一倍,说明在同样条件下,较之女生,男生往往更容易出现较为严重的运动损伤。
2.2各个年级运动损伤的情况
通过表2明显可以发现,综合四个不同年级的运动损伤人均发生次数,其大致规律是:随着年级的上升,运动损伤出现的次数、频率在不断地下降,具体表现为从大一时期的人均2.77次,到大二的人均2.16次,之后是大三人均1.61次,到最后临近毕业时期的大四为人均1.43次。不难看出,大一新生刚入学的第一年是运动损伤发生的高峰期,其人均发生次数接近3次,而到了大二,大三时期有一个较为明显的下降。这说明体育专业的学生在通过不断地学习之后,在运动过程当中的自我保护意识逐渐增强,同时在经历过多次受伤之后也渐渐地学会如何更好的避免运动损伤的发生。
2.3运动损伤发生的部位特点
体育专业的学生在体育运动过程当中,最容易出现损伤的部位是踝关节(42.8%),且大多损伤类型表现为扭伤;其次是指关节(35.0%),其损伤类型主要为挫伤;而且在高校体育开展的最普及的篮球运动当中,最容易出现的损伤就是扭伤和挫伤,这与该项目的特点也有着密切的联系。之后,面部(26.1%)的损伤也占有很大一部分比重,主要表现在篮球运动中擦伤或者撞伤。膝关节(26.7%)、肩关节(21.1%)和肘关节(14.4%)的损伤也分别与足球、羽毛球、网球这些体育运动项目的特点有关;足球的拼抢经常会成为膝关节受伤的罪魁祸首,而羽毛球的扣杀,网球的发球也会导致学生的肩关节和肘关节受到不同程度的损害。最后,作为发生率较为一般的胸部(13.3%)、背部(5.0%)、腰部(7.2%)、腕关节(9.4%),也偶尔会出现在体育专业学生们的身上。综合以上,不难发现,运动损伤发生的部位多为人体各个关节,所以在平时的运动过程当中应注意防护关节,做出适当的保护措施。
2.4学生运动损伤后采取处理措施情况的调查分析
在运动损伤发生后的第一时间,不同的学生在根据伤情的轻重和时段的特点等客观因素,也会采取不同的处理措施,这其中包含正确合理的做法,当然也有对学生身体产生巨大隐患的方式。笔者发现,在伤后仍然能够继续参与体育运动的前提下,“揉捏或冲洗伤处,短暂休息后继续进行运动”这一做法有着高达53.9%的比率。其次“回宿舍休息,自己处理患处”则占据了33.7%的比率,而且采取该种做法时,大多是因为无法再正常进行活动。最后,较为正确的做法,即“停止运动,并前往校医院处理”只有12.8%的比例。这个数字表现出,在体育专业的大学生当中,超过一半的学生当发生运动损伤情况时,并没有引起他们的高度重视,而在大部分情况下采取不卫生的、不科学的、不合理的处理措施。这种现状普遍存在于各个高校当中,对学生的身体健康和体育教学进度有着极为恶劣的影响,并不利于体育专业学生们的科学有效的学习和锻炼。
3结语
体育专业学生在运动损伤方面表现出明显的性别差异,即男生的损伤程度一般比女生严重,且运动损伤发生率比女生要高。运动损伤的发生率也有明显的年级特征,即表现为普遍高年级的同学比低年级的同学出现运动损伤的可能性要低。建议组织体育专业高年级的同学对低年级的同学进行有关方面的指导与培训,尤其针对大一刚入学的男同学。在运动损伤发生后,体育专业学生大都采取较为不合理的处理方法,缺乏正确、科学、安全的处理措施,这使得出现很多损伤难以痊愈的情况,也是导致体育专业学生运动损伤发生率居高不下的重要原因。
摘要：为了解和研究合肥市高校体育专业学生运动损伤发生现状以及损伤后的处理措施,该文运用问卷调查法和访谈法,对合肥市两所高校体育专业大学生的运动损伤状况进行调研,并对一些体育专业学生进行访谈,尝试研究并找出体育类大学生出现运动损伤的性别特征、年级特征以及部位特征等,希望为体育类大学生预防运动损伤提供合理的理论建议。
关键词：体育专业,运动损伤,性别,年级,部位
参考文献
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损伤特征 篇6
1 资料与方法
1.1 一般资料
本次研究对象选自我院收治的HFMD合并神经系统损伤的92例患儿设为观察组, 男69例, 女23例, 年龄2.9个月～5.2岁, 其中3岁以下的患儿79例, 占84.8%。将同期收治的HFMD未合并神经系统损伤的患儿100例设为对照组, 回顾性分析两组临床资料。
1.2 诊断标准及方法
观察组均符合《手足口病诊疗指南2010年版》、《肠道病毒 (EV71) 感染诊疗指南》 (2008年版卫生部制订) 相关临床诊断标准, 经PCR核酸扩增实验检测EV71为阳性者43例, 占46.7%。影像学检查、脑电图检查、实验室 (脑脊液) 检查等均提示合并神经系统损伤, 具有神经系统明显症状和体征。
1.3 统计学分析
采用SPSS13.0统计学软件, 组间计量数据采用 (χ—±s) 表示, 计量资料行t检验, 计数资料行χ2检验, P<0.05差异有统计学意义。
2 结果
2.1 神经系统损伤特征
视乳头水肿4例, 精神萎靡或嗜睡23例, 共济失调2例, 惊跳或激惹43例, 病理反射阳性17例, 肢体抖动、震颤64例, 脑膜刺激征阳性15例, 谵妄2例, 肢体肌张力减低7例, 昏迷1例, 前囟门饱满紧张14例。
2.2 实验室检查
对10例有明显神经系统损伤的患儿行实验室脑脊液检查, WBC69×109～227×109均有增多表现, 脑脊液完全正常3例, 外观微浊2例, 压力增高6例, 蛋白质有增高 (>0.4 g/L) 表现4例, 氯化物和糖均正常。行头部CT或MRI检查的患儿7例, 其中有脑水肿合并发生3例, 脑干受损1例, 正常3例, 脑白质弥漫性受损1例。行脑电图检查18例, 重度异常5例, 中度异常9例, 轻度异常4例, 多以弥漫性慢波为主要表现, 部分患儿可有棘波、尖波等。
2.3 高危因素分析
观察组发病年龄、动脉血压、空腹血糖、血WBC计数、发热情况与对照组比较差异有统计学意义 (P<0.05) , 为高危因素。性别、皮疹、肌酸激酶同工酶升高状况比较两组无明显差异 (P>0.05) 。见表1。
注:*与对照组比较有统计学意义 (P<0.05) 。
3 讨论
儿科疾病中, HFMD较为常见, 多数患儿病情呈较轻程度, 具有良好预后, 但在我国部分地区, 近年发生的小儿 (重症) HFMD多为EV71型感染, 此病毒存在一定的嗜神经性危害, 合并心肌炎者较少见, 但合并神经系统损伤者却占较高比率[3]。结合特殊检查进行研究, HFMD合并神经系统的损伤临床特点表现在:最常见和最初的临床表现为激惹、肢体抖动、精神萎靡, 特别是肢体抖动存在一定特异性;损伤部位主要为脑、脊髓灰质、脑干损伤、弥漫性损伤;与神经系统损伤合并发生的临床表现 (具体包括程度不等的脑膜炎表现、抽搐、意识障碍、弛缓性肢体运动障碍、高颅压表现) 等[4]。部分小儿病程迅速进展, 通常在神经精神症状出现12h已达至第3期, 对生命体征构成威胁;患儿中的极少数易有神经源性肺水肿合并, 具有较高病死率。本次研究中, 有1例<2岁的患儿在病程第2、3d有肢体抖动、高热, 随即嗜睡等意识障碍, 后血压显著增高, 出现昏迷和抽搐, 且在神经系统出现症状后8～11h内有急性肺水肿发生, 经人工辅助呼吸、气管插管等紧急抢救后治愈[5]。
患儿中部分在神经系统损伤合并并发症时病情发展较为迅速, 具有极差的预后效果。故在早期对危重病例诊断后, 应在早期即采取有效措施行积极、及时的干预, 依据本次研究结果, 与临床救治教训和经验结合, 对影响本病病情进展和治疗预后有密切关联的影响因素进行分析, 具体表现在: (1) 年龄:患儿发病时年龄越小, 越易发展至重症病例, <2岁精神萎靡、持续高热或行胸部X线片检查时, 肺部有渗出表现者, 需行高度关注, 尽早机械通气; (2) 血压水平变化:HFMD在早期多有血压水平升高合并症状, 其机制可能与脑干生命中枢的相关调节功能已受到不同程度的影响相关, 血压持续升高较为明显者提示病情较为危重, 疾病后期血压出现下降, 末梢循环衰竭; (3) 中性粒细胞和血WBC计数比例:HFMD的发生为病毒感染引起, 多数患儿血常规呈正常表现, 但病情危重者机体为应激状态, 增多了周围血WBC释放量, 中性粒细胞比例也出现相应升高[6]。 (4) 血糖:对重症病例早期诊断中, 空腹血糖升高为较为重要的线索, 多提示患儿交感神经兴奋、中枢神经系统受累、肾上腺分泌呈增多表现, 故需将血糖、血常规、血压设为必查项目, 以辅助诊断。 (5) 发病时间:按初次发现患儿有神经系统体征和症状合并发生与起病间的时间进行计算, 多于发病第2～4天即合并有神经系统症状和体征, 在一周后未再出现相关损伤[7]。故需早期发病及时治疗, 以改善预后。 (6) 发热:持续高热为重要的危重病情外在表现因素, 但体温不升的患儿也应引起重视。
综上所述, 针对手足口病合并神经系统损伤的患儿进行分析, 与无相关损伤的同类型疾病的患儿比较, 总结出临床特征, 并分析影响病程的高危因素, 行针对性的预防和治疗, 是改善疾病预后的关键。
摘要：目的 探讨手足口病与神经系统损伤合并发症的高危因素及临床特征。方法 选择我院2010年2月至2011年2月收治的HFMD合并神经系统损伤的患儿92例, 对引发病变发生的高危因素及临床特征进行分析 (观察组) , 并选择同期收治的HFMD未合并神经系统损伤的100例 (对照组) , 就两组临床资料行回顾性分析。结果 视乳头水肿4例, 精神萎靡或嗜睡23例, 共济失调2例, 惊跳或激惹43例, 病理反射阳性17例, 肢体抖动、震颤64例, 脑膜刺激征阳性15例, 谵妄2例, 肢体肌张力减低7例, 昏迷1例, 前囟门饱满紧张14例。对10例有明显神经系统损伤的患儿行实验室脑脊液检查, WBC (69～227) ×109均有增多表现, 脑脊液完全正常3例, 外观微浊2例, 压力增高6例, 蛋白质有增高 (>0.4 g/L) 表现4例, 氯化物和糖均正常。行头部CT或MRI检查的患儿7例, 其中有脑水肿合并发生3例, 脑干受损1例, 正常3例, 脑白质弥漫性受损1例。行脑电图检查18例, 重度异常5例, 中度异常9例, 轻度异常4例, 多以弥漫性慢波为主要表现, 部分患儿可有棘波、尖波等。观察组发病年龄、动脉血压、空腹血糖、血WBC计数、发热情况与对照组比较差异有统计学意义 (P<0.05) , 为高危因素。性别、皮疹、肌酸激酶同工酶升高状况比较两组无明显差异 (P>0.05) 。结论 针对手足口病合并神经系统损伤的患儿进行分析, 与无相关损伤的同类型疾病的患儿比较, 总结出临床特征, 并分析影响病程的高危因素, 行针对性的预防和治疗, 是改善疾病预后的关键。
关键词：手足口病,神经系统损伤,临床特征,高危因素
参考文献
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损伤特征 篇7
为识别复合材料的损伤类型, 声发射技术被用来检测材料损伤过程中的声发射信号。声发射技术作为一种高效的无损检测技术, 具有实时监测性好、检测覆盖面广和应用面宽等优点, 已经被广泛应用于多领域的损伤检测中。声发射是指材料在受到外力或内力作用产生变形或断裂时, 内部的应变能以弹性波的形式迅速释放出来的现象[1]。声发射检测技术是对材料内部微观结构的缺陷及受外载荷产生的损伤和破坏进行检测, 能够较好地反映声发射源在载荷作用下的动态响应特性。Freeman[2]利用声发射能量参数与幅度分布参数描述复合材料中纤维断裂和基体变形的声发射源特征;Ramirez-Jimenez[3]研究了识别玻璃/聚酯复合材料断裂模式的频率分析方法, 结果表明频率为100kHz的损伤信号是由于纤维与基质间的脱落, 在200~300kHz范围内的信号与纤维滑移和纤维拔出相关, 出现在所有测试中的更高频率的信号与纤维破坏有关。
声发射信号是一种时变非平稳信号, 具有不可预知性、突发瞬态性、声发射源信号多样性及干扰噪声多样性等特点[1]。在将信号从时域转换到频域过程中, 许多有用信息会平均化或丢失, 而采用具有良好时-频分析能力的小波变换方法可解决此问题。Ni和Iwamoto[4]的研究表明, 运用小波变换时-频分析法, 可清晰得出纤维断裂的显微失效模式与断裂机制, 如每种失效模式的顺序及其相互影响。Suzuki[5]用快速傅里叶变换、短时傅里叶变换和小波分析等方法对复合材料微观损伤模式的声发射信号进行研究, 发现小波分析能够提供更多的声发射信号特征信息。
识别损伤类型有多种途径, 本实验旨在运用小波变换分析方法来分析镁碳质耐火材料受压损伤声发射信号的特征, 结合能量系数法以判别不同微观损伤机制, 并为研究镁碳质耐火材料的微观性能作出贡献。
1 实验
1.1 材料及试验样本
本实验所研究的是镁碳质耐火材料, 其组分与性能如表1所示。所用试件以烧结镁砂为骨料, 镁砂细粉、石墨和金属铝粉为基质材料, 酚醛树脂作为结合剂。制作试件时, 按照一定比例量取各种所需原材料, 加入到混碾机中搅拌混合。混合均匀之后, 通过压力成型机加压成型, 成型压力为150MPa, 最后将成型试件放入恒温鼓风干燥箱中烘烤, 温度设置为110℃, 烘烤时间为24h, 试件尺寸为50mm×50mm×125mm。
1.2 试验过程
研究所采用的试验机为CMT5105压力试验机 (深圳新三思材料检测有限公司) , 最大载荷为100kN, 可控制恒速率加载, 设置为625N/s。试验过程中, 声发射数据与波形采集由声发射软件AEWin与数据采集系统PCI-2 (Physical acoustic corporation, PAC) 完成。图1为试验过程及声发射采集原理。声发射传感器型号为WA-ALPHA, AD16 (PAC) , 其谐振频率为420kHz, 可操作频率范围是200~600kHz。AE信号由传感器采集经增益为40dB的前置放大器处理, 存储于数据采集系统中。采集设置中门槛值为40dB以避免背景噪声的干扰, 并在传感器与试件接触表面涂上一层均匀凡士林耦合剂以改善信号在试件与传感器之间的传播与接收。
2 小波变换
2.1 小波变换原理
小波是通过对基本小波进行尺度伸缩和平移得到的[6]。基本小波是具有特殊性质的实值函数, 其振荡快速衰减, 且在数学上满足积分为零的条件, 即:
其频谱满足式 (2) :
即基本小波在频域也具有好的衰减性质。函数ψ (t) 称为母小波或满足式 (1) 、式 (2) 的基本小波。设f (t) ∈L2 (R) , 则函数f (t) 关于一个小波基ψ (t) 的连续小波变换定义为:
式中:a为伸缩因子, b为平移因子。
在信号处理中, 需把连续小波及其小波变换离散化才有意义, 即可得到离散小波变换。通常使用二进制离散, 即a=2j, b=2j·k, 对应的离散小波变换函数为:
式中:k是一个与时域相关的常数, c是一个与信号无关的常数, DWT表示一维离散小波变换。信号经离散小波变换之后, 得到近似信号与细节信号, 近似信号代表信号中的低频成分, 细节信号代表高频成分。近似信号继续分解, 以得到最优分解效果。最后, 信号可分解为一个包含不同分解层的细节与近似成分的树结构:
式中:Di (t) 表示细节信号, Aj (t) 表示第j层的近似信号, j为分解尺度。图2为三尺度小波分解树结构图。
在小波变换过程中, 信号的频率根据分解尺度被分解为不同频率段, 其中, 近似信号的频率范围为:
细节信号的频率范围为:
式中:fs是采样频率, j表示分解尺度。
2.2 小波分解能量系数
AE信号经小波分解为不同层次的成分后, 各成分在一个特定的频率范围内, 信号在不同频率段中的信息可以通过能量系数来表示, 定义为:
式中:EjDf (t) 表示分解尺度j上的高频信号分量的能量, EJAf (t) 表示分解尺度J上的低频信号分量的能量。信号总能量为:
本研究中, 通过不同分量的能量与信号总能量的比值来寻找信号的能量分布特征, 该系数表示为:
式中:RjD为信号在j尺度上高频成分的能量系数;RJA为信号在J尺度上低频成分的能量系数。
3 结果与讨论
试验中, 在均匀压力载荷作用下, 材料损伤的AE信号被采集到。图3列举了加载过程中典型的连续型与突发型AE信号S1与S2的原始波形。
选用Daubechies小波基 (db8小波基) , 分解尺度J=7对信号进行分解。图4 (a) 、 (b) 显示了AE信号S1和S2的7层小波分解各分量, 横坐标为采样点数, 纵坐标表示幅值。
FFT变换用于信号的频率特征分析。图5为图4中信号S1与S2各分量的功率谱, 其横坐标为频率, 单位是kHz, 纵坐标为幅值的平方。
由图5可知, 各分量的频率范围呈现递增形式 (a7, d7, …, d1) , 8个分量的频率范围可由式 (6) 和式 (7) 计算, 再由式 (8) 、式 (9) 、式 (10) 分别计算各分量的能量与信号总能量的比值。图6分别显示了2个AE信号的能量系数图, 图中横坐标为第7层低频分量与7个高频分量, 纵坐标表示能量系数, 以直方图显示。
从图6可得出, 信号S1与S2在相同分解尺度上的能量系数不同, 同一信号不同分解尺度的能量系数大小亦不同。经计算, 信号S1中d4 (31~62.5kHz) 频率段所占信号能量系数最大, 约60%;信号S2中d2 (125~250kHz) 频率段占据信号总能量的比值最大, 约65%。镁碳质耐火材料在受外力作用时, 材料内部局部应变能迅速释放以产生声发射信号, 不同损伤类型声发射信号的频率特征不同, 且信号的频率与材料组成相的性能有关。镁碳质耐火材料为复合型材料, 其不同组成相的性能存在差异, 即弹性模量Ei及密度ρi不同, 进而导致声发射信号的固有频率fi的不同, 材料中组成相的性能与该相损伤产生的声发射信号的频率之间的联系[7]如式 (11) 所示:
从式 (11) 可得出, 声发射信号与材料组成相的性能有直接联系。在镁碳质耐火材料微观组成相中, 以镁砂细粉、石墨和金属铝粉为主的基质相的力学性能要弱于界面相的力学性能。从以上分析中可得出, 镁碳质耐火材料在受压损伤过程中, 对采集到的AE信号进行频率分析, 以频率较低的组分d4 (31~62.5kHz) 为主的信号与材料微观结构中基质相的损伤有关, 而以频率较高的组分d2 (125~250kHz) 为主的信号则与界面相的损伤相关。
4 结论
运用声发射技术获取镁碳质耐火材料受压损伤时的AE信号, 用小波变换分析采集到的AE信号的频率特征, 而用能量系数法表示不同损伤信号的频率特征。结果表明, 所采集到的AE信号中, 主要存在两种频率组分的AE信号, 分别是频率较低的31~62.5kHz与频率较高的125~250kHz两种特征频率组分的AE信号。而在材料中不同组成相的性能会导致不同频率的AE信号, 以上两种频率范围 (31~62.5kHz) 与 (125~250kHz) 分别对应于MgO-C耐火材料受压时微观结构中的基质相损伤与界面相损伤。不同损伤机制导致AE信号不同的频率特征, 而小波变换能很好地用于分析与提取AE信号的频率特征, 为研究镁碳质耐火材料的力学性能提供更好的途径。
摘要：运用声发射 (Acoustic emission, AE) 技术及基于小波变换的信号处理方法研究镁碳质 (MgO-C) 耐火材料受压损伤机制。通过AE技术检测材料受压损伤的声发射信号, 采用小波变换方法对信号进行分解, 运用小波能量系数, 结合不同损伤相的物理特性, 寻找与特定损伤机理相关的频率特征。结果显示, AE信号的能量主要集中在两种频率范围内, 说明材料此时表现出两种不同的主导性损伤机制, 为判别镁碳质耐火材料受压损伤机制提供了一种有效途径。
关键词：镁碳质耐火材料,声发射,小波变换,能量系数
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损伤特征 篇8
关键词：强直性脊柱炎,脊柱骨折,影像学表现,损伤特征
强直性脊柱炎 (Ankylosing spondylitis, AS) 一直是困扰人类健康的骨科疾病, 近些年来其发病趋势呈逐年上升趋势[1]。AS的发病机制较为复杂, 目前多认为与长期过度劳累、长期保持固定姿势以及腰椎高负荷受压等因素有关, 发病后患处可因炎症而出现疼痛、脊髓神经压迫等症状, 并可累及周边的脊柱关节和骶髂关节[2]。AS发生后, 主要病理表现为椎间盘纤维环骨化、脊柱骨性强直以及脊椎部位骨折疏松等, 其椎体骨折发生率较正常人群大幅上升[3]。因常规脊柱骨折的临床表现与AS伴有脊柱骨折的临床表现有诸多相似之处, 临床上将两者混淆的概率较高, AS伴有脊柱骨折的临床漏诊和误诊比例高达34.0%[4]。因此, 探讨强直性脊柱炎伴有脊柱骨折患者的临床影像学表现和特征对于提高该类疾病的临床诊断精度具有极为重要意义。现以我院2008年4月至2013年9月间收治的60例AS伴有脊柱骨折的患者为研究对象, 对研究结果报告如下:
1 一般资料
1.1 病例资料
根据研究需要, 选择我院2008年4月至2013年9月间收治的60例A S伴有脊柱骨折的患者作为研究对象。其中男性47例, 女性13例;年龄范围21~82岁, 年龄中位数43.5岁。41例患者有外伤史 (跌倒伤14例、轻度碰撞伤9例、车祸伤7例、按摩伤2例、弯腰搬物伤9例) , 19例无明显外伤史。AS确诊后病程分布为3周~38年, 平均约为18年左右;骨折后到我院就诊的时间为1~173d, 平均约57d。在临床表现方面, 脊髓神经完全损伤导致的完全性截瘫患者7例, 脊髓神经功能障碍19例, 椎体压痛、活动受限23例, 其它患者未见明显症状。所有患者均于入院当日或次日行MRI、MSCT以及X线平片检查, 并依据患者的具体情况采用相应的治疗措施。
1.2 纳入与排除标准
纳入标准[5]: (1) 患者的临床表现符合AS的, 且人体白细胞抗原B27检查结果为阳性, 可确诊为AS。 (2) 患者既往无腰间盘大创伤手术史、无先天性椎体畸形或脊髓神经功能异常。 (3) 无较为严重的骨质疏松性疾病, 椎体曲线及外形均均符合研究需要。 (4) 本次研究在我院医学伦理委员会批准和相关规定的指导下进行, 患者均在知情前提下参与该项研究。排除标准:凡不符合上述纳入标准中任何一条者均不纳入研究范围。
2 研究方法
2.1 影像学检查方法
M R I检查:采用我院超导磁共振成像系统 ( 型号:Philip Achieva 1.5T) , 对患者行全脊柱扫描。参数:SE序列T1WI- (TR/TE560ms/30ms) 、TSE序列T2WI- (TR/TE2000~2500ms/80ms) 、T2W SPIR压脂序列- (TR/TE2000~3000 ms/120 ms) 。扫描层间距和层厚均为3mm, 成像的像素矩阵为256×256。
MSCT检查:采用GE lightspeed VCT 64层螺旋C T。参数:扫描重建层厚度1m m, 间距0.8m m, 工作电压120kv, 电流100m A, 准直器宽0.6mm, 螺距0.2mm。
X线平片:患者采用正侧位接受检查, 全自动曝光操作。X线平片检查仪器型号为:PHILIPS digitaldiagnost DR系统。
2.2 影像学结果评定
患者行MSCT、MRI及X线平片检查后, 由我院影像科至少2位资深影像诊断师联合脊柱疾病诊断方面的专家对患者的影像学结果进行评定。主要对患者的脊柱损伤情况、损伤范围、骨折类型、骨折部位等进行评定, 并将最终协商一致的诊断结果写入诊断报告, 以供临床参考。
2.3 数据统计分析
数据采集后, 在Execl中建立数据库, 随后使用统计分析软件SPSS16.0进行描述性统计学分析。
3 结果
3.1 骨折的分类及损伤部位分布
通过归类总结, 所有患者的骨折类型主要分为压缩性骨折、剪力性骨折和应力性骨折3类。压缩性骨折17例:S12例, T115例, L16例, L22例, L32例。剪力性骨折24例:C3~C43例, C6~C712例, T11~T12 4例, C5~C65例。应力性骨折19例:C5~C64例, T10~T118例, T11~T127例。
3.2 AS伴脊柱骨折患者的影像学征象分布
如表1所示, MRI、X平片和MSCT的检出病变数分别为286、120和251。在后柱韧带和软组织断裂、椎弓根或椎弓环骨折的检出方面, MSCT和MIR均明显优于X线平片检查, 在椎体隐匿性骨折的检出方面则以MRI的检出率最高。相对而言, 在椎体压缩性骨折、横突骨折以及硬化性假关节的检出方面, 则以X线平片的检查结果中出现较多。整体而言, 椎体压缩性骨折、椎管狭窄、前纵韧带断裂、后柱韧带和软组织断裂等为AS伴脊柱骨折的主要损伤特征, 将MIR和X线平片检查结合则能够最大限度地检出患者的病变类型和病变数。
4 讨论
强直性脊柱炎因发病原因复杂, 至今临床仍缺乏较为有效的预防和治疗手段。AS的最初临床表现多为骶髂关节炎, 随着病理进程的进展, 椎旁韧带、椎间盘骨化等出现可诱使椎体形成“竹节椎”[6]。AS患者的椎体畸形、骨折疏松、韧带结构骨化等的合并出现, 可使患者椎体活动受限且伴有疼痛、神经感觉异常等。AS患者韧带结构骨化的出现, 除可导致患者出现脊柱活动受限、骨质弹性降低以及生物力学改变等负面效应以外, 并不能为患者椎体的稳定性带来任何益处[7]。相反, 随着患者骨质疏松程度和椎体病变程度的加重, AS患者较正常人而言更易发生脊柱损伤和不明原因的脊柱骨折。据临床研究结果显示, AS患者发生脊柱骨折的概率是正常人群的3.5倍左右[8], 其诱因与脊柱严重骨质疏松导致的椎体抗压与抗张能力明显下降有关。因此, AS患者在日常的护理和饮食中, 加强腰椎的活动性锻炼、牵引护理和补充钙质是很有必要的。
在椎体骨折的发生部位方面, Mitra等[9]的研究结果显示, AS患者的颈椎是骨折的高发部位, 其次是胸腰椎, 考虑与其活动频度和椎体自身的生理结构特点有关, 本次研究的结果与上述结论基本相似。在A S伴有脊柱骨折的分类方面, 目前临床分为应力性骨折、剪力性骨折以及压缩性骨折, 前2种骨折是临床上发生频率较高的类型。本次研究中, 应力性骨折和剪力性骨折分别为19例 (31.67%) 和24例 (40.0%) , 与既往研究结果一致。AS患者一旦发生骨折, 脊髓损伤是其最严重的并发症, 致死率高达17.7%, 因此, 尽可能地提前检出AS伴脊柱骨折患者的椎体损伤特征对于降低患者的死亡率具有重要的临床意义。本次研究中, 60例患者经MRI、MSCT、X线平片检出的病变数分别为286、120和251, 3种影像学的检出效果与钱邦平等[10]的研究结果基本一致。既往临床报道证实, MRI在检出AS伴脊柱骨折患者的脊髓损伤、隐匿性骨折以及后柱韧带和软组织损伤方面具有较高的精度, 本次研究结果同样显示出了MRI的临床优势。从本次研究的结果可知, MRI和MSCT对AS伴有脊柱骨折的影像学诊断能力较强, 脊柱损伤特点除以椎体骨折为主要特征以外, 椎体前/后纵韧带断裂、脊柱隐匿性骨折等损伤的出现频率也较高。为提高临床诊断的精度, 在以MRI为影像学诊断首选的同时, 结合X线平片和MSCT的检查结果进行联合诊断也较为重要。
参考文献
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