Age- and Sex-Specific Thorax Finite Element Model Development and Simulation

Objective: The shape, size, bone density, and cortical thickness of the thoracic skeleton vary significantly with age and sex, which can affect the injury tolerance, especially in at-risk populations such as the elderly. Computational modeling has emerged as a powerful and versatile tool to assess injury risk. However, current computational models only represent certain ages and sexes in the population. The purpose of this study was to morph an existing finite element (FE) model of the thorax to depict thorax morphology for males and females of ages 30 and 70 years old (YO) and to investigate the effect on injury risk.

Methods: Age- and sex-specific FE models were developed using thin-plate spline interpolation. In order to execute the thin-plate spline interpolation, homologous landmarks on the reference, target, and FE model are required. An image segmentation and registration algorithm was used to collect homologous rib and sternum landmark data from males and females aged 0–100 years. The Generalized Procrustes Analysis was applied to the homologous landmark data to quantify age- and sex-specific isolated shape changes in the thorax. The Global Human Body Models Consortium (GHBMC) 50th percentile male occupant model was morphed to create age- and sex-specific thoracic shape change models (scaled to a 50th percentile male size). To evaluate the thoracic response, 2 loading cases (frontal hub impact and lateral impact) were simulated to assess the importance of geometric and material property changes with age and sex.

Results: Due to the geometric and material property changes with age and sex, there were observed differences in the response of the thorax in both the frontal and lateral impacts. Material property changes alone had little to no effect on the maximum thoracic force or the maximum percent compression. With age, the thorax becomes stiffer due to superior rotation of the ribs, which can result in increased bone strain that can increase the risk of fracture. For the 70-YO models, the simulations predicted a higher number of rib fractures in comparison to the 30-YO models. The male models experienced more superior rotation of the ribs in comparison to the female models, which resulted in a higher number of rib fractures for the males.

Conclusion: In this study, age- and sex-specific thoracic models were developed and the biomechanical response was studied using frontal and lateral impact simulations. The development of these age- and sex-specific FE models of the thorax will lead to an improved understanding of the complex relationship between thoracic geometry, age, sex, and injury risk.     

不同季节大气可吸入颗粒物(PM_(10))诱导小鼠原代培养神经元炎性及其级联损伤效应

为了探讨不同季节可吸入颗粒物(PM10)对神经元的损伤效应,本研究通过建立小鼠大脑皮层原代神经元体外染毒模型,考察了不同季节PM10对炎性因子诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、环氧化酶-2(COX-2)和黏附分子(ICAM-1)表达水平的影响,并探讨了与之耦联的磷酸化Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱα(p-Ca MKⅡα)、环磷腺苷效应元件结合蛋白(p-CREB)及即早基因(c-jun、c-fos)的表达情况.结果表明,PM10暴露刺激神经元炎性细胞因子释放增加,显著上调p-Ca MKⅡα和p-CREB的水平,并刺激即早基因的高表达,且以冬季PM10的效应最为明显.由此提示,PM10暴露可能通过炎症反应机制激活Ca2+-Ca MK-CREB通路,进而刺激即早基因表达引发神经毒性作用,而冬季PM10中多环芳烃类物质负荷可能是造成效应季节性差异的主要原因.     

渭干河-库车河绿洲土地生态安全物元分析评价

针对综合评价研究中存在信息不相容的问题,尝试采用物元分析法对渭干河-库车河绿洲(以下简称渭库绿洲)土地生态安全进行评价.通过构建土地生态安全的经济-环境-社会评价指标体系,建立土地生态安全评价的物元模型,揭示单个评价指标的分异信息和综合评价结果.结果表明,1)农民人均纯收入、耕地粮食单产、有效灌溉面积、土地垦殖率、农业机械总动力、城市化水平等指标出现不同等级的上升趋势,以上指标对土地生态安全水平的提升有重要贡献.但单位耕地化肥负荷、森林覆盖率、灾害指数、盐渍化程度、人口密度等指标的安全等级下降,而且盐渍化治理率和人口密度的安全状态均在较不安全等级以下,成为该绿洲土地生态安全的关键制约因素.2)1995-2010年,渭库绿洲土地生态水平等级经历了安全—较安全—安全—较安全的演变历程,但不完全符合安全与较安全的标准,水平等级不稳定.为了促进绿洲土地生态安全等级不断提升,需要转变经济发展方式,降低经济增长对土地资源的消耗,大力发展特色农业、节水农业,合理施用农药、化肥,加大环境治理力度,有效控制土壤盐渍化程度,以实现土地资源利用的可持续发展.     

琼北火山岩区农田土壤重金属和硒含量评价及来源研究

基于海南岛1:25万多目标区域地球化学调查结果,针对海南岛北部(简称“琼北”)基性火山岩地区农田土壤,按照不同成土母质类型采集土壤样品,重点分析Cu、Pb、Zn、Cd、Hg、As、Cr、Ni、Se9种元素.结合GB 15618-1995《土壤环境质量标准》和富Se土壤评价标准,运用单项污染指数法对研究区土壤环境质量进行评价,查明其Se质量比水平.结果表明,基性火山岩区农田土壤Cr、Ni超标严重,Cu次之,Zn和Cd属潜在超标因子,Pb、Hg和As整体属清洁水平,且土壤整体达富Se水平.根据研究结果,提出了农业安全生产建议.综合聚类分析和因子分析结果表明,研究区农田土壤中Cu、Cr、Ni和Se主要来源于成土母质,Cu、Cr、Ni属母质所致高背景含量,而Cd、Cu、Zn已明显受到农业活动(施肥)影响.     

基于熵权物元模型的土地利用规划环境影响跟踪动态评价

为了分析土地利用规划实施后对区域环境产生的影响的时间累积效应与分异规律,以山西省晋城市为例,综合运用熵权法与物元模型,在构建以水环境、土壤环境、大气环境与生态环境为子系统的区域自然环境质量评价指标体系的基础上进行跟踪动态评价.结果表明,自第3轮土地利用规划执行以来,总体上晋城市自然环境质量呈现正向发展的趋势,但人均水资源量、水土流失比重、单位面积化肥使用负荷、单位面积固体废弃物负荷等环境指示性指标有变差的趋势或没有因规划的实施而得到有效提升,研究成果可以为进一步进行评估、调整土地利用规划时提供科学的依据和借鉴.     

广东英德宝晶宫洞穴滴水元素季节变化与影响因素

为揭示洞穴滴水元素的季节变化特征及其影响因素,从2011年12月至2013年5月对广东英德宝晶宫洞穴内的3个滴水点滴水中的Ba、Sr、Ca、Mg元素进行为期一年半的监测,结果发现:13个滴水点滴水中的元素浓度基本上都表现出明显的季节变化特征,但不同的元素之间和不同的滴水点之间的季节变化趋势存在差异,表明不同的滴水点其不同的元素浓度变化的影响机制各有不同.2强降水对洞穴滴水的元素浓度具有稀释作用,Drip1和Drip2各元素浓度在有强降雨的5、6月都呈现低值.33个滴水点的Mg/Ca和Sr/Ca比值都具有较强的正相关关系,且都表现出旱季高,雨季低的特点.表明宝晶宫3个滴水点的Mg/Ca、Sr/Ca很可能受到降水量、岩溶水来源、上覆土壤的淋滤作用以及碳酸盐先期沉积作用等因素共同影响,并能较好地反映该地区的干湿变化.     

河水-地下水侧向交互带地球化学特征:以重庆市马鞍溪为例

河水-地下水交互带是河水与地下水相互交换和混合的区域,在河流、地下水生态和水质的保护方面具有重要作用.为了解河水-地下水侧向交互带地球化学特征,以重庆市马鞍溪为研究对象,对河水及交互带的水温、溶解氧(DO)、pH值、电导率(EC)进行自动监测,结合对水样离子浓度和交互带沉积物中元素含量的分析.结果表明,马鞍溪侧向交互带水化学类型为HCO_3-Ca·Mg型.监测期间交互带受河水入渗影响为主,交互带的缓冲作用使其温度、DO、pH值、EC等指标变异系数较河水低.随距河岸距离的增加,马鞍溪侧向交互带在物理、化学、生物综合作用下形成了迅速进入缺氧状态的氧化还原环境,以及pH值先降低后升高的酸碱环境.在其影响下,K~+、NH_4~+-N、NO_3~-、SO_4~(2-)呈下降趋势,全Mn、EC、Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)、Sr~(2+)等先上升后下降,全Fe、Al~(3+)等呈上升趋势.受河水、地下水长期交互影响,在距河岸约30 cm处的交互带沉积物中元素含量较高,形成独特的水化学梯度.据此可推断出马鞍溪侧向交互带边界可能在距河岸30~50 cm处,其中浅层交互带的边界可能在距河岸10 cm左右的位置.在河水补给地下水过程中,河水-地下水侧向交互带对净化水质有重要作用.     

空投装备缓冲气囊匹配设计与仿真计算研究

目的解决缓冲气囊的研制周期长、成本高而设计效果却不够理想的问题。方法针对这个问题,对缓冲气囊的着陆缓冲过程进行解析建模,然后通过参数的无量纲化,将缓冲气囊的解析计算模型转化成无量纲动力学模型。借助缓冲气囊参数匹配图,根据试验需求对气囊缓冲系统进行匹配设计,然后采用有限元方法对气囊缓冲系统进行建模分析。结果搭建了气囊跌落缓冲试验系统,进行了气囊跌落缓冲试验,通过试验验证了参数匹配方法的有效性,并利用试验数据对有限元仿真计算结果进行了验证,配重平台最大加速度和气囊最大压强的误差分别为1.6%和3.1%。结论有限元仿真的精度可以满足分析要求,基本反映了实际的气囊缓冲特性。     

河套平原湖泊陈普海子沉积物粒度与元素分析

通过对河套地区不同类型沉积物进行粒度和元素分析，根据区域陈普海子沉积岩芯的年代和环境代用指标结果，借助于判别分析技术，结合历史文献资料，揭示区域近300a来两个典型时段的环境变化.结果表明，约1850a受黄河河道变迁引起的洪水活动影响，陈普海子岩芯55~50cm（CP1）沉积物表现为灰黄色黏土层，其粒度参数、分布曲线与黄河岸边缓流沉积物相似，两者的中值粒径和众数数值分别为3.8，7.7μm和4.4，5.0μm，元素及其比值K/Ti、Al/Ti和K/Sr（数值分别为7.1、21.5、102.7和6.2、20.7、87.8）的得分散点分布在判别得分散点图的同一区域，与其它类型沉积物的分布区域明显分离，元素比值K/Ti、Al/Ti和K/Sr可作为湖泊沉积指示洪水活动的环境代用指标；自1995年以来，由于区域人类活动，沙荒土地大规模开垦，致使风沙活动增强，岩芯15cm以上（CP2）沉积物粒度参数、分布曲线与风积物相似，两者的中值粒径和众数数值分别为20.1，19.6 μm和41.6，45.7 μm，元素的得分散点分布在判别得分散点图的同一区域，研究结果与文献记录具有较好的一致性.     

贵州瓮安岚关磷矿元素特征及沉积环境分析

为了详细研究贵州瓮安岚关地区晚震旦世灯影期元素特征及沉积环境演化,对该区广泛发育的叠层石磷块岩进行了系统采样分析。结果表明,叠层石磷块岩中较高的Ca/(Ca+Fe)值及纹层构造的发育,指示研究区沉积期属于超咸水环境;而Sr/Ba值则说明沉积期古海水盐度发生多次改变。微量元素总量、Sr含量以及1000×(Sr/Ca)值等反映沉积期瓮安岚关一带水体深度较浅,水深变化频繁。Fe的存在形式、V/Cr及Ceanom值说明沉积期岚关地区处于一个较为氧化环境中。而Al/Ti值及Mg/Ca值则说明沉积期岚关地区降雨量较多,古气候较潮湿。