锯齿状

锯齿状（精选12篇）

锯齿状 篇1

锯齿状病变是一组具有锯齿状 (波浪状或星状) 结构的异质性上皮病变, 包括增生性息肉 (hyperplastic polyp, HP) 、广基 (无蒂) 锯齿状腺瘤/息肉 (sessile ser- rated adenoma/polyp, SSA/P) 、传统型锯齿状腺瘤 (tra- ditional serrated adenoma, TSA) 。 新近统计发现, 结直肠癌 (colorectal cancer, CRC) 中60%的来自普通腺瘤, 35%来自“增生性息肉-锯齿状腺瘤-癌”这条锯齿状通路[1], 特别是锯齿状病变的CpG岛甲基化表型 (CpG island methylator phenotyp, CIMP) 。 锯齿状通路涉及一系列异常的表观遗传学修饰[2]。 这些异常修饰中以DNA甲基化最常见。DNA异常甲基化分为A型和C型, 前者与年龄因素有关, 年龄越大, 甲基化频率越高, 后者与肿瘤相关, 通过引起相关基因表达下调或沉默, 促进肿瘤的发生发展[3]。

MGMT为DNA损伤修复基因, 定位于人类染色体10q26, 全长170 kb, 由5个外显子, 4个内含子组成。 启动子富含GC碱基, 顺式作用元件有CpG岛中的6个Spl位点、2个糖皮质激素反应元件 (GRE) , AP-I元件等。 cDNA长约769 bp, 编码207个氨基酸组成的蛋白质。 MGMT序列具有相对稳定性, 从结肠杆菌到哺乳动物均含有结构一致的“-异亮氨酸-脯氨酸-半胱氨酸-组氨酸-精氨酸-缬氨酸-” (IPCHRV) 活性基序列, 活性位点在145位半胱氨酸残基上[4]。 本研究通过MethyLight方法, 一方面分析锯齿状病变中MGMT基因启动子区CpG岛甲基化状态和免疫组化中MGMT蛋白的表达情况, 在基因层面和蛋白层面对MGMT进行初步探究, 另一方面分析锯齿状病变中MGMT基因启动子区CpG岛甲基化状态和年龄相关因素情况, 在甲基化和年龄上对MGMT进行初步探究。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1标本收集北京军区总医院2007~2013年病理诊断为各类结直肠息肉和腺瘤切片4810例, 从中筛选出腺体具有锯齿状特征的息肉及腺瘤, 进行组织学诊断及分类。 由3名病理医师按WHO (2010) 消化系统肿瘤分类及文献标准[5,6,7,8,9]4~5轮回顾性阅片。 从中筛选出225例锯齿状病变 (96例HP、61例SSA/P和68例TSA) 作为实验组, 并以54例管状腺瘤 (tubular adenoma, TA) 、42例正常结直肠黏膜组织和69例CRC作为对照。

1.1.2主要试剂和仪器DNA提取试剂盒购自德国QIAGEN公司, 甲基化修饰试剂盒为美国ZYMO公司产品, 核酸蛋白质浓度测量仪B-500购自上海创萌生物科技有限公司, 甲基化阳性/阴性对照为美国ZYMO公司产品, qPCR反应试剂ROX购自TaKaRa公司, Mix购自上海辉睿生物科技有限公司, MGMT抗体购自中杉金桥公司 (1∶500稀释) , 内参基因 β-肌动蛋白 (β-actin) 引物和探针参照文献[10]设计, 甲基化引物和探针由上海辉睿生物科技有限公司合成。 Mx3000P定量PCR扩增仪为美国Stratagene公司产品。

1.2方法

1.2.1甲基化引物和探针设计MGMT基因序列参照GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov) , GenBank Ac- cession:NC_000010。 甲基化引物和探针由BeaconDesigner7.9软件设计, 设计标准:引物扩增片段大小在80~150 bp范围, 引物长度17~25 bp, GC含量在40%~70%, 两条引物的Tm值尽量接近。避免引物内部或之间形成3 bp以上的互补序列。探针长度20~30 bp, 探针的Tm值比引物高5~10℃, 探针内标或探针与引物之间避免形成3 bp以上的互补序列, 对其进行BLAST检查, 引物和探针符合要求, 并由上海辉睿生物科技有限公司合成。 见表1。

1.2.2 DNA提取采用QIAamp DNA FFPE Tissue Kit试剂盒提取组织DNA, 将含有DNA组织的蜡块连切5张10 μm的厚蜡膜, 严格按照试剂盒说明步骤进行操作。 并测定其纯度和浓度备用。

1.2.3甲基化修饰采用EZ DNA Methylation-GoldTM Kit (D5005) 试剂盒, 严格按照试剂盒说明步骤进行操作。 经此步后, DNA序列中未甲基化的胞嘧啶 (C) 转变为尿嘧啶 (U) 。

1.2.4 MethyLight PCR反应体系 (20 μL) :2×Taq PCR Master Mix 10 μL;修饰后的DNA模板2 μL;上、 下游引物各1 μL (10 pmol) ;探针FAM 0.4 μL (10 pmol) ; ROX 0.3 μL。 反应条件:94℃预变性5 min;94℃ 30 s, 56℃ 45 s, 72℃ 45 s, 共50个循环;72℃延伸5 min, 4℃冷却5 min。 每例标本设两个复孔, 经亚硫酸氢盐修饰的Human Methylated & Non-methylated DNA Set作为阳性、阴性对照, 水为空白对照。

1.2.5测序法验证扩增序列PCR扩增产物送北京金唯智生物科技有限公司测序, 由于扩增序列 (94 bp) 过小, 连接到质粒作为载体后, 用通用引物的方法测序, 结果如图1所示, 测序目的片段和Beacon De- signer 7.9软件设计序列吻合。

1.2.6免疫组织化学染色所有标本常规石蜡包埋, 4μm厚连续切片, 60℃温箱烘烤90 min。采用EnVision二步法, 实验过程严格按照试剂盒说明书进行, 高温高压抗原修复, DAB显色, 磷酸盐缓冲液 (PBS) 代替一抗为阴性对照, 已知阳性的结肠腺体组织为阳性对照。

1.2.7结果判断标准MethyLight结果判断标准[11]:同时扩增目的基因 (MGMT) 和内参基因 (β-actin) , 根据标准曲线得到两者的原始拷贝数, 计算标准甲基化指数 (normalized index of methylation, NIM) 其定义为:NIM=[ (MGMT sample/MGMT positive) β-actin sample/β-actin positive) ]×100, 其中MGMT sample指样本中甲基化MGMT基因的拷贝数, MGMT positive指阳性对照中甲基化MGMT基因的拷贝数, β-actin sample和β-actin positve与上述相同。NIM≥4为甲基化, NIM<4为非甲基化。免疫组化判断标准[12]:MGMT阳性定位于细胞核;标记指数计算方法:每张切片低倍镜下选择组织结构良好、比较清晰的5个阳性细胞最为密集的区域, 每个区域在高倍镜下, 计数100个细胞中的阳性细胞指数 (不包括间质细胞和其他非肿瘤细胞) , 计算阳性细胞数平均值的百分率。标记指数计分:Ⅰ级10%~25%为1分, Ⅱ级>25%~50%为2分, Ⅲ级>50%~75%为3分, Ⅳ级>75%~100%为4分。染色强度计分:Ⅰ级淡黄色为1分, Ⅱ级棕黄色为2分, Ⅲ级棕褐色为3分。每张切片两种评分之乘积为该切片最后的表达强度:0分为 (-) , 1~3分为 (+) , 4~6分为 (++) , ≥7分为 (+++) 。

1.3统计学方法

所有数据采用SPSS 19.0统计软件, 正态分布计量资料以均数±标准差 (±s) 表示。甲基化结果运用χ2及Fisher确切概率法, 免疫组化结果使用多组有序秩和检验, 两组间比较运用Bonferroni检验, 甲基化和蛋白表达相关性及甲基化和年龄相关性运用Pearson相关法进行统计学处理, 以P<0.05为差异有统计学意义。

2结果

2.1临床资料特征

225例锯齿状病变中HP 96例、SSA/P 61例、TSA 68例, 分别占锯齿状病变的42.67% 、27.11% 和30.22%, 96例HP中, 男63例, 女33例, 男性多见, 年龄31~88岁, 平均 (56.052±12.448) 岁;61例SSA/P中, 男43例, 女18例, 男性多见, 年龄23~84岁, 平均 (56.665± 14.976) 岁;68例TSA中, 男46例, 女22例, 男性多见, 年龄30~85岁, 平均 (59.470±12.506) 岁。

2.2 MGMT基因标准曲线分析

将阳性对照按10的倍数稀释成1~1×10-67个浓度梯度制作标准曲线 (其拷贝数为103~109/mL) , 各浓度梯度反应均做复孔。 MethyLight的线性范围为104~ 108拷贝/mL, R2为0.942。

2.3 MGMT基因启动子CpG岛甲基化状态

MGMT基因启动子CpG岛甲基化阳性表达率在正常组、TA组、HP组、SSA/P组、TSA组和CRC组分别为0.00% (0/42) 、46.30% (25/54) 、26.04% (25/96) 、 60.66% (37/61) 、76.47% (52/68) 和68.12% (47/69) , 各组差异有高度统计学意义 (χ2= 112.790, P = 0.000) 。 正常组与SSA/P、TSA、TA、CRC组之间差异有统计学意义 (P < 0.05) , HP组与SSA/P、TSA、CRC组之间差异有统计学意义 (P < 0.05) , 其余各组差异无统计学意义 (P > 0.05) 。 见表2、图2 (见封三) 。

注:与正常组比较, ▲P < 0.05;与HP组比较, △P < 0.05;HP:增生性息肉;TA:管状腺瘤;SSA/P:广基 (无蒂) 锯齿状腺瘤/息肉;TSA:传统型锯齿状腺瘤;CRC:结直肠癌

2.4 MGMT蛋白阳性表达率

MGMT蛋白阳性表达率在正常组、TA组、HP组、 SSA/P组、TSA组和CRC组分别为100.00% (24/24) 、 80.00% (16/20) 、98.08% (51/52) 、78.05% (32/41) 、69.57% (16/23) 和70.83% (17/24) , 差异有高度统计学意义 (χ2= 26.641, P = 0.000) 。 正常组与HP、SSA/P、TSA、 TA、CRC组之间差异有统计学意义 (P < 0.05) , HP组与SSA/P组、TSA组、TA组和CRC组之间差异有统计学意义 (P < 0.05) , 其余各组差异无统计学意义 (P > 0.05) 。 见表3、图3。

2.5 MGMT基因甲基化与MGMT蛋白相关性分析

经统计学分析显示, TA、SSA/P、TSA、CRC三组中MGMT甲基化与MGMT蛋白表达结果差异有统计学意义 (P < 0.05) , 且相关性为负相关, 相关系数分别为r = -0.500、-0.361、-0.437、-0.412;HP中MGMT甲基化与MGMT蛋白表达结果差异无统计学意义 (P>0.05) , 但相关性为负相关, 相关系数为r = -0.220。 见表4。

2.6 MGMT基因甲基化与年龄相关性分析

经统计学分析显示, TA、HP、SSA/P、TSA四组中MGMT基因甲基化与年龄差异均无统计学意义 (P > 0.05) 。 MGMT基因甲基化与年龄相关性为正相关, 与TA、 HP、SSA/P、TSA相关系数分别为0.042、0.009、0.087、 0.138。 见表5。

注:与正常组比较, ▲P < 0.05;与HP组比较, △P < 0.05;HP:增生性息肉;TA:管状腺瘤;SSA/P:广基 (无蒂) 锯齿状腺瘤/息肉;TSA:传统型锯齿状腺瘤;CRC:结直肠癌

3讨论

CRC是最常见的恶性消化道肿瘤之一, 全球CRC每年新发病例数达123万, 死亡约为发病率的1/2。近年研究表明, CRC发病率目前仍呈持续增长态势, 其原因之一就是对结直肠锯齿状病变认识不足[2, 13]。2010年WHO消化系统肿瘤病理学和遗传学分类中对锯齿状病变的分类比以往更为详细[9], HP在锯齿状病变中最常见, 占所有病变的75%以上, 根据组织学上的微小差别分为微泡性增生性息肉 (microvesicular hyperplastic polyp, MVHP) 、富于杯状细胞的增生性息肉 (goblet-cell rich hyperplastic polyp, GCHP) 、寡黏液型增生性息肉 (mucin-poor type, MPHP) [14]。SSA/P占锯齿状病变的15%~25%, 根据细胞异型性分为伴/不伴有细胞异性增生型[14-16]。TSA不常见占锯齿状病变的1%左右, 特征为具有整体复杂结构域纤维状生长方式, 常显示细胞异型特点, 与TA及伴细胞异型的SSA不同[14, 17]。TSA一般与高MSI癌无关, 可能与低MSI有关[6]。近年来从分子遗传学角度对锯齿状病变进行研究发现, 结直肠锯齿状病变通路是一个多因素、多阶段、多基因连续累积发生的过程, 在此演变过程中有众多CRC相关基因参与。锯齿状通路分为:①无蒂 (广基) 锯齿通路:以SSA/P和MVHP为代表, 癌变机制为BRAF突变, 引起错配修复基因h-MLH-1甲基化和高水平CpG岛甲基化现象, 导致腺体不同程度异型性增生直至癌变。②传统锯齿状通路:包括TSA和GCHP, 癌变机制为K-RAS基因突变, 引起DNA修复基因MGMT甲基化和低高水平CpG岛甲基化现象等。MGMT基因甲基化后, 引起一些基因沉默, 导致腺体异型性增加, 进一步发展为癌。锯齿状通路中有众多异常基因甲基化, 若能深入研究并加以利用, 不仅可以用于CRC的早期诊断、高危人群的监测、癌变风险评估等, 还可为CRC靶向治疗药物提供理论依据支持[1, 18]。

在本实验基因层面研究中发现正常黏膜组织、 TA、HP、SSA/P和TSA中均有MGMT基因启动子CpG岛甲基化, 实验组锯齿状病变HP、SSA/P和TSA甲基化率为26.04% (25/96) 、60.66% (37/61) 和76.47% (52/ 68) , 对照组正常黏膜组织、TA和CRC的甲基化率为0.00% (0/42) 、46.30% (25/54) 和68.12% (47/69) 。 Dhir等[18]在18例TA中检测到甲基化率为47.1%, 29例不伴异型性的SSA/P中检测到甲基化率为29.63%, 19例伴有异型性的SSA/P中检测到甲基化率为52.63%, 在9例HP中检测到甲基化率为14.29%, 本研究中对照组的TA和实验组的SSA/P的甲基化率与以上研究结果基本符合, 但实验组HP的甲基化率明显高于Dhir等[18]研究, 这可能与样本量、样本来源、引物在CpG岛的位置不同等因素引起系统误差有关。 本研究对照组与实验组组间比较过程中, 对照组正常黏膜组织与实验组SSA/P (P = 0.000) 和TSA (P = 0.000) 有显著性差异, 与实验组HP (P = 0.230) 差异性不显著; 对照组CRC与实验组HP (P = 0.000) , 与实验组SSA/P (P = 0.375) 和TSA (P = 0.275) 差异性不显著;对照组TA与实验组HP (P = 0.012) 和TSA (P = 0.001) 有显著性差异, 与实验组SSA/P (P = 0.123) 差异性不显著;实验组组组间比较过程中, HP和SSA/P (P = 0.000) , HP和TSA (P = 0.000) 组间有显著性差异, SSA/P和TSA (P = 0.053) 组间差异性不显著。 在本实验蛋白层面运用免疫组化方法研究中发现实验组HP、SSA/P和TSA蛋白表达阳性率为98.08% (51/52) 、78.05% (32/41) 和69.57% (16/23) , 对照组正常黏膜组织、TA和CRC中蛋白表达阳性率为100% (24/24) 、80.00% (16/20) 和70.83% (17/24) 。 与Sawyer等[19]对39例SA运用免疫组化方法发现MGMT阳性表达率为18% (7/39) 相比, 在本实验中, SSA/P蛋白阳性表达率[78.05% (32/41) ] 和TSA蛋白阳性表达率[69.57% (16/23) ] 明显高于Sawyer等[9]研究, 具体原因可能与甲基化引物设计、样本来源、样本量大小等因素有关。本研究对照组与实验组组间比较过程中, 对照组正常黏膜组织与实验组HP (P = 0.001) 、SSA/P (P = 0.000) 和TSA (P = 0.000) 有显著性差异;对照组CRC与实验组HP (P = 0.001) 有显著性差异, 但SSA/P (P = 0.515) 和TSA (P = 1.000) 差异性不显著;对照组TA与实验组HP (P = 0.029) 有显著性差异, 但与实验组SSA/P (P = 1.000) 和TSA (P = 0.434) 差异性均不显著;实验组与实验组组间比较过程中, HP和TSA (P = 0.001) , HP和SSA/P (P = 0.006) 中组间有显著性差异, 但在SSA/P和TSA (P = 0.452) 中组间差异性均不显著。 在本实验MGMT基因甲基化与蛋白表达相关性研究中, 发现在实验组HP、SSA/P和TSA中分别呈弱相关 (P = 0.117, r = - 0.220) 、弱相关 (P = 0.020, r = -0.361) 及中等程度相关 (P = 0.037, r = -0.437) , 对照组正常黏膜组织、TA和CRC中, 正常黏膜组织运用Pearson法无法计算相关性, TA中呈中等程度相关 (P = 0.025, r = -0.500) , CRC中呈中等程度相关 (P = 0.046, r = -0.412) 。 通过数据可以看出, 在实验组中HP、SSA/P和TSA基因甲基化和蛋白表达有显著性差异, 相关性分别为弱相关、弱相关和中等程度相关;在对照组中TA和CRC基因甲基化和蛋白表达有显著性差异, 相关性都为中等程度相关。通过基因层面和蛋白层面及两者相关性的探究, 推测在锯齿状病变通路中MGMT基因启动子甲基化有诱导MGMT蛋白表达下调, 在锯齿状通路的发生发展中起重要作用。在年龄相关性甲基化研究方面, 在基因目的序列 (-107~-200) 这部分的位点上实验组HP (P = 0.931, r = 0.009) 、SSA/P (P = 0.763, r = 0.042) 和TSA (P = 0.263, r = 0.138) 及对照组TA (P = 0.763, r = 0.042) 中差异性均不显著 (P > 0.05) , 且相关性为弱正相关。

注:HP:增生性息肉;SSA/P:广基 (无蒂) 锯齿状腺瘤/息肉;TSA:传统型锯齿状腺瘤

注:HP:增生性息肉;SSA/P:广基 (无蒂) 锯齿状腺瘤/息肉;TSA:传统型锯齿状腺瘤;TA:管状腺瘤

综上所述, MGMT基因启动子CpG岛甲基化可能导致MGMT蛋白表达下调, 与锯齿状病变的发生、 发展密切相关, 在无蒂 (广基) 锯齿通路和传统锯齿状通路中起重要推动作用, 是CRC发生重要的分子事件。

锯齿状 篇2

其实很简单!

普通的制作方法(字体有粗糙的边)

效果图(干净光滑)

有两种方法告诉大家

第一：给图像加外发光

1、双击所在图层

2、选择外发光

3、调整发光颜色为白色

4、确定导出就可以

第二：给图像加描边

1、选择描边

2、调整描边颜色为白色，大小为1

播放器出现锯齿等 篇3

Q我最近用奇艺影音播放器播放视频，但是在播放的过程中，发现所有的播放画面都出现锯齿现象，这个配置以前在XP下看视频好好的，现在为什么变成这个样子？

A 视频出现锯齿的问题，是因为系统默认开启的“桌面组合”功能在作怪，只要将其关闭，就可以解决问题。右击“我的电脑”，依次点击“属性/高级系统设置/高级/性能选项”，可以看到“启动桌面组合”一项默认是勾选状态，只需取消这一勾选即可（如图）。

在WinRAR中查找文件

Q因为我的电脑里许多文件都是通过RAR格式打包的，所以平时我比较习惯把WinRAR当成资源管理器用，这样查看文件时就不必再把它们重新解压缩，但是用久了我发现WinRAR没办法像资源管理器那样通过关键字查找文件。请问我该怎样让自己快速查找出相应的文件后又能直接访问这些压缩包呢？

A在WinRAR的主界面中，只需点击“查找文件/要查找的字符串”，再输入关键字即可在本压缩包内搜索相应的关键字了，如果用户想在全硬盘中搜索文件，那么只需再勾选“在文件中查找”和“在压缩文件中查找”两项，WinRAR就能自动查找储存在硬盘中所有包含关键字的文件了。

新建系统管理员后无法休眠

Q我的Windows XP系统一直都是用默认的Administrator作为登录账号，后来朋友说这样做并不安全，所以我新建了一个系统管理员，但是当我使用这个新管理员账号准备让电脑休眠时，却总是弹出“能源策略管理器无法保留休眠文件”的对话框，请问这是怎么回事？

A这是因为你以前使用Administrator用户为电脑休眠时，让休眠文件hiberfil.sys处于只读状态导致的。用户只需在资源管理器中依次打开“工具/文件夹选项/查看”选项卡，将“隐藏受保护的系统文件（推荐）”项取消，再勾选“显示所有文件和文件夹”，在C盘根目录下找到hiberfil.sys并右键选择“属性”，将“只读”项取消即可。

关闭系统搜索框记忆功能

QWindows 7资源管理器的右上角搜索框一直是我比较常用的功能，但是我发现每次搜索完毕后，下次鼠标点击搜索框的时候，以前曾经输入过的搜索关键词便会显示出来。由于我是和其他人共用一台电脑，有时不想让对方知道我搜索了什么，请问该怎么屏蔽这个记忆功能？

运动图像的锯齿消除算法研究 篇4

传统的视频源大多数采用的都是隔行扫描,随着高清数字视频的发展,采用逐行扫描的液晶屏导致传统模拟信号的隔行扫描方式引起的爬行、画面闪烁和图像高速运动时产生的边缘模糊及锯齿等现象越来越突出。

锯齿效应是隔行扫描转换为逐行扫描的一个普遍现象。隔行到逐行的转变过程中,奇偶行被隔一场抽掉一行奇场或偶场,把被抽掉奇数行的偶数场插入被抽掉偶数行的奇数场,两场合二为一。之后由于画面的运动,后一场与前一场存在差别,两场合二为一帧形成了错位,运动画面的锯齿就这样产生了,画面运动的越剧烈,错位就越大,锯齿现象就越明显[1]。

针对隔行扫描到逐行扫描的转换中,锯齿现象十分明显的运动图像,研究采用基于角度提取的场内插值算法,进行锯齿现象的消除。

1 算法设计

由于运动图像与静止图像采用非线性算法思想,根据现有的算法对静止图像和运动图像采用不同的去隔行方法,可以得到更好的去锯齿的效果。算法原理如图1所示。

2 算法描述

现有的去隔行算法,对静止图像有组合帧法,即将隔行扫描的奇偶两场信号直接拼接,并以两倍场频输出;对运动图像常见的非运动补偿算法和运动补偿滤波算法。本文根据实验及分析结果提出了一种基于角度提取的场 内插值算法。在去隔行之前要进行运动检测,运动自适应去隔行算法对图像的运动检测十分敏感,不正确的运动检测会对处理后的图像质量造成较大的负面影响,所以运动检测也是本文要考虑的重要内容[2,3,3]。

2.1 运动检测

不正确的运动检测大致会出现两种结果,即假运动和运动丢失。假运动就是错误的把图像的静止部分判断为运动部分,运动丢失是没有检测到图像的运动部分。这两种情况都会严重影响到后面图像的去锯齿效果。因此,运动检测要尽量减少误判现象的发生。

利用4场的像素亮度差值获得运动信息。图2表示出4场中需要的像素点。

f-2,f -1,f,f +1分别代表前两场、前一场、当前场和后一场,P为要进行运动检测的待插值像素点。

定义两类绝对像素误差

D1={|zln-1-zln+1|,|zn-1-zn+1|,|zrn-1-zrn|} (1)

D2={|xln-2-xln|,|xn-2-xn|,|xrn-2-xrn|,

|yln-2-yln|,|yn-2-yn|,|yrn-2-yrn|} (2)

检测输入为

d= D1∪D2 (3)

计算得到的d和预先设定好的门限T进行比较,输出检测结果,“1”表示运动点,“0”表示静止点。

此方法得出的运动检测结果可能存在误差,所以需进一步进行检测。

将帧间差值用在当前场的垂直边缘区域作为运动检测的输入,其他区域采用场间差值作为运动检测输入,可以避免误判运动区域和静止区域。

$\text{Δ}f{}_1=\left|z{}_{n-1}-z{}_{n+1}\right|(4)$

$\text{Δ}f{}_2=\left|z{}_{n-1}-(x{}_n+y{}_n)/2\right|(5)$

$\text{Δ}f{}_3=\left|z{}_{n+1}-(x{}_n+y{}_n)/2\right|(6)$

式中:Δf1表示帧间差值;Δf2和Δf3表示场间差值。待差值点P的运动估量为

$\text{Δ}p=\max (\text{Δ}f{}_1,\left|x{}_n-y{}_n\right|\cdot \max (\text{Δ}f{}_2,\text{Δ}f{}_3))(7)$

利用运动估量Δp在空间域进行扩展,再用非线性二值函数得出运动检测结果[3,3,4,5]。

2.2 基于角度提取的场内插值去锯齿算法

目前常见的去隔行算法有运动补偿算法和非运动补偿算法两类。其中非运动补偿中场内插值算法又最为常用,如帧内行平均法和ELA算法。帧内行平均法算法思想是用同一场的上下两行求平均值的方法来计算插值,达到去隔行的目的。此方法实现起来较为方便,但是对画面清晰度损伤较大,会导致锯齿状沿的产生。而ELA算法,利用沿的方向相关性对图像进行去隔行,此方法可以去除图像的锯齿状沿,但在画面细节显示上略显不足。运动补偿滤波算法,要求必须对运动轨迹进行准确估算,硬件实现代价太高[6,7]。

本文针对消除隔行产生的运动图像锯齿现象为目的,提出一种基于角度提取的场内插值算法。

设待插像素点为p(i,j),上下各行的相关像素点分别为j-1行的c0,c1,c2,j+1行的d0,d1,d2,j-3行的a0,a1,…,a6,以及j+3行的b0,b1,…,b6。如图3所示。

1) 以每45°为一个角度方向,寻找与待插像素点对应的相关像素点。见公式(8)。

$\phi {}_{p{}_{\theta }}=\{\begin{array}{l}a{}_0(i+3,j-3),\theta \approx 45°\\ c{}_0(i+2,j-1),\theta \approx 45°\\ a{}_3(i,j-3),\theta =90°\\ c{}_1(i,j-1),\theta =90°\\ a{}_6(i-3,j-3),\theta \approx 135°\\ c{}_2(i-1,j-1),\theta \approx 135°\\ b{}_6(i-3,j+3),\theta \approx 225°\\ d{}_2(i-1,j+1),\theta \approx 225°\\ b{}_3(i,j+3),\theta =270°\\ d{}_1(i,j+1),\theta =270°\\ b{}_0(i+3,j+3),\theta \approx 315°\\ d{}_0(i+1,j+1),\theta \approx 315°\end{array}(8)$

2) 对各角度的门限函数有如下定义

相邻2行:$\{\begin{array}{cc}{\rm T}h{}_{-f{}_{45}}=|c{}_0-d{}_2|& \\ {\rm T}h{}_{-f{}_{90}}=|c{}_1-d{}_1|& \\ {\rm T}h{}_{-f{}_{135}}=|c{}_2-d{}_0|& \end{array}(9)$

隔行(j-3):$\{\begin{array}{cc}{\rm T}h{}_{-g{}_{45}}=|a{}_0-d{}_2|& \\ {\rm T}h{}_{-g{}_{90}}=|a{}_3-d{}_1|& \\ {\rm T}h{}_{-g{}_{135}}=|a{}_6-d{}_0|& \end{array}(10)$

隔行(j+3):$\{\begin{array}{cc}{\rm T}h{}_{-h{}_{45}}=|c{}_0-b{}_6|& \\ {\rm T}h{}_{-h{}_{90}}=|c{}_1-b{}_3|& \\ {\rm T}h{}_{-h{}_{135}}=|c{}_2-b{}_0|& \end{array}(11)$

3) 选择最优的方向角

对于相邻行,有

Th-fmin=min(Th-f45,Th-f90,Th-f135) (12)

$p{}_{\theta }{}_{(i,j)}=\{\begin{array}{l}\frac{c{}_0+d{}_2}{2}‚\text{若}{\rm T}h{}_{-f{}_{45}}={\rm T}h{}_{-f{}_{\min }}\\ \frac{c{}_1+d{}_1}{2}‚\text{若}{\rm T}h{}_{-f{}_{90}}={\rm T}h{}_{-f{}_{\min }}\\ \frac{c{}_2+d{}_0}{2}‚\text{若}{\rm T}h{}_{-f{}_{135}}={\rm T}h{}_{-f{}_{\min }}\end{array}(13)$

同样的方法应用于隔行,进行45°,90°,135°的角度提取。待插像素点p(i,j)与相邻行与隔行的相邻像素点一共可以6个方向角,测试相关加权平均系数,加权平均系数越大,相关度越小,反之,相关度越大。选取6个角度中相关度最大的方向进行插值。

4) 对待插像素的像素值进行滤波,如果待插像素相邻的方向一致,则不进行操作,否则修改已插值的相邻像素采用中值滤波。

基于角度提取的场内插值法,选取待插像素点45°,90°,135°,225°,270°,315°方向的相邻行和隔行相关像素点,通过选择最优方向角,计算加权平均系数,对相关度大的方向相邻系数进行插值,可以减少噪声的引入。最后对整体已插值的像素点再进行帧内行平均。此算法可以有效消除边缘锯齿现象[8,9]。

3 实例仿真

整个去隔行系统在ISE6.3集成环境下进行了仿真,选用仿真器件为Xilinx公司的2v1000fg256-4,仿真工具ModelSim SE 7.0[10],仿真后对比原始图像与本文算法的峰值信噪比PSNR和均方误差MSE,其定义为

${\rm M}SE=\frac{1}{{\rm M}\times {\rm N}}{\displaystyle \sum _{j=0}^{{\rm N}-1}{\displaystyle \sum _{i=0}^{{\rm M}-1}[}}{\rm P}{}_{\text{s}\text{r}\text{c}}(i,j)-{\rm P}{}_{\text{d}\text{e}}(i,j)]{}^2(14)$

${\rm P}S{\rm N}R=10\cdot \lg \left(\frac{255\times 255}{{\rm M}SE}\right)(15)$

式中:M×N表示原图像分辨力;Psrc(i,j)为原图像在点(i,j)的亮度值;Pde(i,j)是去隔行后的图像在点(i,j)的亮度值。

采用由奇偶场重叠组成的25帧测试序列Table tennis和Basketball进行算法的测试。用本文所提出的算法得到的去隔行后的50帧逐行图像序列连续播放,测试效果良好。实验结果如图4、图5以及表1所示。

图4和图5的原始图像分别是测试序列中第23帧和第35帧图像。从仿真实验数据结果(表1)对比,应用了本文算法的两个测试序列PSNR都得到提高,其中Basketball序列提高了1.83 dB,Table tennis序列提高了2.04 dB。Basketball序列的MSE降低了近17.76个单位,Table tennis序列的MSE降低了18.36个单位。

与其他传统算法如LA算法、ELA算法、EELA算法[11]、FFMC算法[12]比较,可以看出运动补偿算法FFMC算法优于非运动补偿算法LA算法、ELA算法和EELA算法。边缘自适应算法EELA算法和ELA算法优于非边缘自适应算法LA算法。而本文算法与FFMC算法结果相近,但FFMC算法为运动补偿算法,带宽要求高,硬件开销大,而本算法采用的是场内插值,硬件成本低,易于实现。所以此算法确实对运动图像的锯齿消除有很好的效果,根据图像对比可以看出:算法在边缘的锯齿处理上有较好效果,但是在细节处理上不够清晰,有待改善。

4 结论

算法的研究依托于中航华东光电现代显示技术国家重点实验室省部共建培育基地开放性课题“运动视频图像锯齿的消除”,提出基于角度提取的场内插值算法,利用场内插值的优势,并结合待插像素相邻行和隔行相关像素点的夹角相关度,提取相关度大的角度点进行插值。实验结果表明该算法可有效消除运动图像的锯齿现象,优于同类算法。

摘要：针对隔行扫描到逐行扫描转换中出现的运动图像锯齿现象,提出适用于去锯齿的运动检测和基于角度提取的场内插值算法。利用相邻4场运动差值进行运动检测,并结合待插像素相邻行和隔行相关像素点的夹角进行加权平均,提取相关度大的角度点进行场内插值。实验结果表明,算法有效提高了峰值性噪比,也有效降低了均方差,实际图像去锯齿效果良好。

一起面部锯齿伤的法医学鉴定 篇5

【中图分类号】d919．

4【文献标识码】b

【文章编号】1007—9297(2007)01-00s8-0

2在两院两部颁布的《人体轻伤鉴定标准》(试行)

(以下简称《标准》中，对面部损伤的法医学损伤程度

鉴定已有相应条款作了具体而明确的规定，在法医

临

床检案中基本上能做到有章可循、有条可依。根据

《标准》可以看出。面部损伤程度的鉴定原则主要依

据损伤对面部容貌的毁损程度和对面部器官功能的丧失程度。单纯颜面部创伤的损伤程度鉴定主要依

据其对容貌的毁损程度．包括创口的长度和创伤愈

合后遗留的疤痕及色素改变的大小(长度和面积)。

笔者在法医临床检案中遇到一起颜面部特殊损伤

(条状锯齿创)的法医学损伤鉴定，在用《标准》中的具体条款去评定损伤程度时出现了争议，现将详细

情况予以报告。

案 例

某年1o月5日，本辖区的某宾馆客房内发生一

起持械抢劫案件，犯罪分子抢走现金2 000余元，西

门子手机1部．并将被害人致伤。致伤工具为手、足

和一把刀背带锯齿的长砍刀。

法医临床学检验：被鉴定人某某，男，39岁。发

育、营养正常，神清合作。主要损伤有：(1)左眼周青

紫、肿胀；(2)右颧部见一处沿颧骨方向水平走行的长6．2 cm呈条状、间断创伤．此创伤由8个大小为

0．6 cm x 0．2 cm呈方型的小创口组成，排列呈条状，相邻小创口之间距均为0．2 gm，各小创口的创缘平

整，创壁光滑，创腔为外大内小，创底达颧骨骨膜；

(3)右侧肩背部见皮肤淤血斑；(4)双手腕部见皮肤

淤血斑；(5)双膝前见皮肤淤血斑。

讨论

本案件中持械抢劫事实成立。立抢劫案件勿容

置疑，对被害人(既被鉴定人)右颧部创伤的致伤物

(刀背带锯齿的砍刀)的认定也无异议，但在对被害

人作损伤程度鉴定时，就其右颧部创伤是否构成轻

伤出现了两种不同的意见。一种意见认为被鉴定人

右颧部的损伤粗看是一条创伤，但它实由8个小创

口构成。应按多个创口计算，其累计长度(8 gm x 0．6

gm=4．8 cm)达不到构成轻伤的标准。故其损伤程度

应评定为轻微伤；另一种意见认为被鉴定人右颧部的损伤虽然由多个小创口构成，但是：(1)此多个小

创口是由犯罪分子用刀背带锯齿的砍刀背侧敲击被

害人右颧部时一次性同时形成，即一次性创伤；(2)此多个小创15排列呈一条状，从审美学的角度观察，由于各创15间距太小(仅0．2 cm)，给人的感觉就是

一处创伤，即使是创15愈合后也是如此；(3)从创伤

愈合机制来看，虽然各创15较小，但各创创底已达颧

骨骨膜，此小创15对皮肤、皮下及肌肉组织的损害相

对较重，在各创15的愈合过程中会导致疤痕形成，最

终影响容貌；(4)由于各创口间距太小，若按一处创

伤计算，其长度为8 cm ×0．6 cm+7 cm×0．2 cm=

6．2 cm，远大于《标准》中规定的3．5 cm。若按多处创

口计算，其长度为8 cm×0．6 cm=4．8 cm，与5 cm也

仅差0．2 cm。由于侦办案件的需要，要求法医及时做

出损伤程度的鉴定结论，笔者当时(伤后第2天)在对本案的损伤鉴定中采纳了后一种意见，认为被害

人所受损伤构成轻伤。25天后，笔者再次检查被害

· s9 ·

人时，见其右颧部的锯齿创伤已愈合脱痂，可见较明

显的条状疤痕，长度为5．8 cm，局部皮肤色素有减

退，原来单独存在的八个小创口已融合成一处条状

疤痕，难以在疤痕问区分正常皮肤与疤痕组织。

对本案的损伤程度鉴定若在25天后做出，应不

会有什么异议，但由于鉴定时机与侦办案件的需要

往往发生矛盾，此时法医更应综合分析，慎重处理。

笔者认为法医在套用《标准》中的条款作损伤鉴定操

作有争议时，应该遵循《标准》的“总则”精神，结合医

学知识(本案例中对创伤的愈合要有科学而合理的预见性)，全面分析，综合评定，而不能机械、呆板地

套用《标准》中的条款。

锯齿状 篇6

关键词：极低温锯齿流变 特性 影响因素 机理

中图分类号：O74 文献标识码：A 文章编号：1007—3973（2012）009—96—02

当晶体在恒定形变速率下变形时，应力—应变曲线上的应力经常会有跳跃性的变化，这种现象被称作锯齿流变。它是由位错运动过程中产生的各种效果综合引起的。当有形变孪生，多晶型转变和裂纹形成时，在较宽的温度范围内都可以观察到锯齿流变。

多年以来，在对极低温下固体的塑性和强度所进行的大量的研究中，发现了纯金属和合金在单晶和多晶状态的另外一种锯齿流变——极低温锯齿流变，即固体在极低温下发生变形时，应力出现锯齿状变化。这种现象是固体在极低温下所特有的。第一次发现极低温锯齿流变在20世纪50年代，研究者在研究纯铜和铝合金等金属材料时分别观察到了极低温锯齿流变现象。大量实验表明，对在极低温下变形的晶体材料来说，锯齿流变现象是很常见的。大多数的材料在极低温下都会有锯齿流变，包括不同晶格类型的纯金属，合金，钢铁和复合材料。一般来说，极低温锯齿流变可由位错运动时产生的各种变化（如：位错的运动，增殖，位错与另一位错或杂质的相互作用）所引起，也可能由发生形变的所处的特定物理状态（如：样品的低导热性和低比热，样品与极低温冷却介质进行热交换）所导致。但具体的机制如何，现在还不够明确。

最近几十年来，对极低温锯齿流变的研究越来越深入，对它的特性与机理也有了更深的认识。现在关于引起极低温锯齿流变现象的原因有两个基本假说：位错动力学和热效应。第一个假说是，极低温锯齿流变与位错塞积群动力学的极低温特性有关。另一个假说是基于极低温锯齿流变具有热力不稳定性的表现的观点：由于大面积剪切的出现，热释放（局部的或全部的）导致滑移带或整个样品受热，样品的比热和导热性在经过形变后是很低的。现在有许多实验数据都能够验证这两种假设。锯齿流变过程同时包括这两个机制也是有可能的，也有实验事实可以验证可以这一点。现在的理论通常仅能解释个别的实验事实，并不能够解释极低温锯齿流变的各种表现形式。要想对极低温锯齿流变有进一步的深入研究，还需要大量的实验数据。

随着人类对未知领域的探索和研究不断深入，尤其是在核能、极地探险、外太空开发等新兴研究领域中，各种金属材料和设备在极低温或是超极低温工作环境下使用的情况也越来越多，而随温度的降低而出现的锯齿流变将会对材料和设备产生影响，甚至导致材料的失效和设备的损坏，产生严重的后果，所以对金属材料在极低温下的变形研究显得越来越重要。近年来关于金属和合金的极低温锯齿流变现象引起了全世界的广泛关注，欧美等发达国家也对极低温锯齿流变展开了深入的研究。本文简单介绍了国外有关极低温锯齿流变现象的有关研究现状，以期对国内有关该方面的研究和应用提供一个参考。

1 温度峰值和电阻跳跃现象

现有研究表明在材料产生极低温锯齿流变过程中存在温度峰值和电阻跳跃两种较为重要的现象。

在发现极低温锯齿流变现象之后不久，研究者就发现在样品中产生极低温锯齿流变过程中伴随有温度峰值的出现。目前已经在许多有色合金和钢铁材料的极低温锯齿流变过程中发现了温度峰值现象，如2024铝合金、6061铝合金和310S不锈钢等。其中在4.2K时，2024铝合金发生锯齿流变过程中，应力的下降与温度的升高相对应。且下降的幅度与温升的幅度成正比关系。6061铝合金中也具有类似这种现象。研究还发现采用冷却能力强的环境介质会导致应力跳跃的频率升高，但应力振幅会有所减少。而对铬钢的相关实验研究表明，在产生极低温锯齿流变的速率范围内，较小的速率下，锯齿出现的频率越高，温度峰值频率也越高。

除了出现温度峰值现象外，金属和合金发在产生极低温锯齿流变时，其电阻也会产生一系列的变化。对纯度99.5%的多晶铝的研究表明，在发生锯齿流变时，应力 跳跃时，电阻R也会发出跳跃。而应力没有跳跃时，电阻单调的上升。对钛合金Ti–Al–Zr–Nb的研究也表明，4.2K时，在屈服应力附近，跳跃振幅 和电阻的改变 R是很小的。随着形变增加， 和 R也增加，跳跃频率也增加。在锯齿流变区域，一个应力跳跃对应于电阻的一次跳跃。

2 影响极低温锯齿流变的因素

表1总结了各种因素对金属与合金极低温锯齿流变现象影响，限于篇幅，这里只作了一个提要式的总结。

3 极低温锯齿流变的机理的主要假设和观点

有关产生极低温锯齿流变的原因较为复杂，目前学术界还没有较为统一的理论解释，都还停留在有待大量试验数据证实的假说的阶段，而且随着研究的深入，不断有新的假说出现，下面就目前为止几个较为主要的假说做一个简单的介绍。

3.1 热力不稳定性

有关研究者通过对铝合金样品的锯齿流变期间的热量的测量，在上世纪60年代提出了极低温锯齿流变由塑性流动的热力不稳定性引起的假说。该假说认为热力不稳定的原因是样品在短时间内所释放的热急剧增加，导致材料中热软化程度比变形硬化程度更强。而根据样品的绝热保温的不稳定性得到的公式是， 比热容C和导热性系数随着温度的降低而降低就支持这种观点，温度峰值现象也支持这种观点。

很多学者都持热力不稳定性的观点，认为当样品放热时，形变应力减少会引起材料的突然软化。但是，更详细的实验和理论研究表明，在温度低于15K时，形变应力与温度依赖关系与热激活过程的完全不同。存在有反常的温度依赖关系的区域，在这个温度区域内形变应力随着温度的增加而增加。这是由位错运动的各种机制的综合效果引起的。因此，热力不稳定的全部理论假说，并未被实验所一一证实。此外，对于单个应力跳跃的精确测量表明温度峰值与应力的初始降落并没有关系，这也与热力不稳定假说不一致。

3.2 位错塞积群动力学

这个假说将应力跳跃与可运动的位错的剧烈堆积形成塞积群理论相联系起来。有文献以应力—应变曲线的第三阶段的理论为基础，详细研究了位错塞积群的情况。在晶体中塑性变形包含有大量的断开的位错，这是fcc晶体的特性。在单个位错的横向滑移之前，断开的位错要收缩成一条线需要大量的激活能。由于热扰动随着温度的降低而减小，随着温度的降低而增加的应力 将引起塑性变形的大量发生。然而测量到的 值不够大，所以应假设有一个给定的位错位于n个位错的塞积群处的前端。在这种情况下应力对位错塞积群的前端起作用，在积群中包含相当于n 的n个位错和相当于n b的力。将断裂位错缩小成一条线所需的力是（bG/8 ）— ，其中G是剪切系数， 是堆垛层错的能量，当力相等时横向滑移就开始： = （bG/8 ）— 和 = （0.056 — ）， 存在于液氦温度， 、G、b值已知，n对铜、铝和铅来说大约是25。所以，接近极限剪切强度的应力（11/10—1/20）G，将在塞积群前增大。这可能导致位错的自发运动（可能是增殖），在变形曲线上看起来像是跳跃。因为塞积群在一个跳跃中无法产生可观察到的变形，所以肯定是很多在样品中随机分布的塞积群同时起作用。这种机理是在晶体的极低温锯齿流变中出现的位错堆积的假说上建立起来的。目前没有在极低温下观察到位错塞积群的实验数据。不过在室温下，在bcc型钨和铬中发现了位错塞积群，在fcc型黄铜中和不锈钢中也发现了塞积群。

对不锈钢和某些合金的实验表明，刃型位错而不是螺形位错的运动导致变形的发生，在发生变形时观察到了锯齿流变。刃型位错能形成塞积群，塞积群的雪崩式变化又会引起应力跳跃。在不锈钢钢316LN的变形期间观察到了 '—马氏体的成核现象。只有在均匀变形的截面才产生马氏体，所以马氏体转变 → '在锯齿状部分停止。由于 '—马氏体的形核被终止于螺旋形位错的移动和交叉处，这便表明锯齿流变是由刃型位错的滑移产生的。这可能意味着局部加热在锯齿形滑动的产生中不能发挥主要作用。而且，可能的温度上升将使螺旋形位错的运动对锯齿流变产生影响并阻碍锯齿流变的发生。

3.3 其它假说

此外也有研究人员提出几何不稳定性和唯象理论。

在很多研究中都观察到，在变形的样品中跳跃的数量跟宏观瓶颈的数量相等。在大块样品变形期间，它的形状的改变会增加不稳定性。例如，拉伸减小样品的横截面积S。变形应力 =P∕S便会增大。 的增大引起变形速率的增大，并使S进一步减小。整个过程将会雪崩式的发生。几何不稳定性发生在某些材料中，但这几个不稳定条件并不是对所有材料都成立 。

而根据它的外在表现，有研究发现极低温锯齿流变与力学的自激活松弛振荡类似。在此基础上提出了一种唯像的理论。该假说认为在力学系统中松弛振荡出现的必要条件是出现一个对作用力不敏感的截面。对于塑性变形，这相当于变形应力 对变形速率 即ds/d 的依赖性很小。如果变形速率 0处于临界值 和 之间，那么当临界应力 cr突然达到塑性变形速率时 0会增加到 ，这会引起系统卸载负荷△ ，并且 会沿着cd边减小，并锐降到d点，这点的值与a相等。这个过程周期性的重复。在临界高速率 和临界低速率 两者之间变形是锯齿状的。很多金属和合金（例如铅和铝）的变形应力的速率依赖关系的研究表明，随着温度的降低，速率敏感性减弱并在液氦温度消失。

4 结论

当设备极低温下工作时，随着温度的降低会出现锯齿流变现象。这时就必须要考虑结构性材料在变形特征上的改变。为了确定锯齿流变的特性，多年来对结构性材料进行了大量的研究。已经提出过一些抑制宏观锯齿流变的方法，但它们会降低材料的结构强度。

在经过大量恒速下、极低温下的塑性变形的研究，发现了极低温锯齿流变。这是由位错动力学、变形和位错塞积群的消除、在极低温下变形材料的特定的热性质和从样品去除热的特殊条件的极低温异常引起的。锯齿跳跃是一个复杂的现象虽然有很多实验结果能解释一些基本特性，但是在锯齿流变现象中还是有很多特性是不清楚的。已提出的众多的理论假设不能完全解释锯齿流变的多种多样的表现。希望在以后的对极低温锯齿流变研究中能够发现从本质上可以解释它的机理。

参考文献：

[1] Pustovalov V V，Didenko D A. Proc. Intern. Conf. on Strength of Metals and Alloys[J].Jpn. Inst.Metals，1968（9）：453.

[2] Fisher J C， Johnston W G， et al. Dislocations and the Mechanical Properties of Crystals[M].Wiley，1957：179.

[3] Blewitt T H， Coltman R R， et al. Low‐Temperature Deformation of Copper Single Crystals[J].J.Appl.Phys.1957（28）：651.

[4] Basinski Z S. The Instability of Plastic Flow of Metals at Very Low Temperatures[J].Proc. Phys.Soc.，1957，A 240，229.

[5] Basinski Z S. The Instability of Plastic Flow of Metals at Very Low Temperatures.II[J].Proc. Phys.Soc.，1960，13：354.

[6] Ogata T， Ishikava K， et al. Temperature rise during the tensile test in superfluid helium [J].Cryogenics，1985，25（8）：444.

[7] Dunin—Barkovski L N. Author’s Abstract of Candidate’s Dissertation in Physical and Mathematical Sciences [M].IFTT RA，Chernogolovka，1999.

[8] Lebedkin M A， Bobrov V S. Solid State Phenomena[J].1994，35—36：411.

[9] Obst B. Handbook of Applied Superconductivity[M].IOP Publishing Ltd.，1988：968.

[10] Obst B， Pattanayak D. Advances in Cryogenic Engineering Materials[M].Plenum，1981，28：57.

[11] Komnik S N，Demirski V V. Study of the instability boundaries of plastic flow in Cu + 14 at.% Al single crystals at low temperatures[J].Crystal Research and Technology，1984，19：863.

[12] Komnik S N， Demirski V V， et al. Low temperature instability of plastic flow of alloys[J].Czech.J.Phys.，1985，B 35：230.

内固定治疗齿状突骨折 篇7

1 资料与方法

1.1 临床资料

23 例患者中,男17 例,女6 例;年龄14～45 岁,平均37.3 岁。齿状突骨折15 例,齿状突骨折合并寰枢椎不稳8 例。其中车祸伤16 例,高坠伤2 例,煤矿砸伤4 例,摔伤1 例。陈旧性骨折3 例,新鲜骨折20 例。齿状突骨折按Anderson分型,Ⅱ型17 例,Ⅲ型6 例。临床表现:局部疼痛,颈部活动受限及不同程度的脊髓损伤。术前对13 例上颈椎不稳合并脊髓损伤的患者进行Frankel分级,齿状突骨折C级1 例,D级2 例,E级3 例;齿状突骨折伴寰枢椎不稳C级2 例,D级2 例,E级3 例。

1.2 影像学诊断

23 例患者术前常规行颈椎张口位及侧位X线检查,主要测量寰齿前间距(atlantodental interval,ADI),判断齿状突与寰椎两侧块是否对称,评估颈椎的损伤情况和内固定的进针点,判定寰枢椎不稳及其轴下不稳。经CT及3D重建,了解骨折、椎管情况、寰枢椎弓根形态、径线,进一步骨折分型,确定C2椎体下缘至齿状突尖长度、齿状突腰部矢状与冠状横径,以便术中判定螺钉位置与长度。MRI检查了解横韧带断裂的部位和程度、脊髓形态及脊髓信号改变情况。所有患者检查时均以颈托制动并由专人固定头颈部。

1.3 治疗方法

所有创伤性齿状突骨折患者在术前均先行颅骨牵引治疗,保持头颈部略过伸位,牵引重量3～5 kg,维持1～2周。根据复位情况调整牵引方向,定期复查X线以了解复位情况并调整牵引重量,同时观察患者的生命体征及脊髓、神经定位体征变化。有脊髓、神经损伤表现者予脱水、消肿、止血及激素对症治疗。根据不同的损伤部位、损伤类型、复位情况、颈脊髓是否受压以及影像学资料对上颈椎稳定性的全面评估来决定手术方式。本组病例中,对无移位的Ⅱ型及Ⅲ型横韧带完整的骨折合并寰枢椎脱位,经牵引后复位满意者,可行前路齿状突螺钉内固定术;陈旧性齿状突骨折合并难复性寰枢椎脱位,可行后路寰枢椎椎弓根内固定术。患者术后颈围保护1～3个月。

2 结 果

2.1 影像学结果

1 例患者齿状突不连,1 例患者C3～4椎间盘突出,8 例患者横韧带受损,ADI 4～9 mm,平均5.4 mm。2 例患者MRI检查见脊髓不同程度受压、脊髓信号改变等。

2.2 临床疗效

本组23 例患者随访3～24个月,平均16个月,X线片复查示复位良好。8 例行后路寰枢椎椎弓根固定者术后3个月植骨融合。有神经症状者均得到不同程度的改善,术后13 例上颈椎不稳合并脊髓损伤的患者Frankel分级情况见表1。根据临床表现、自我感觉、功能恢复程度及影像学结果进行评定,优16 例,良3 例,可2 例,差2 例,优良率82.4%。

2.3 并发症

本组23 例患者,在行后路寰枢椎椎弓根固定时,椎动脉损伤1 例,术中予骨蜡填塞止血,术后未出现小脑梗死等中枢神经症状。窦枢关节外侧静脉窦破裂1 例,术中予明胶海绵压迫止血。出院后以门诊复查的方式随访时,未出现内固定松动、移位、脱出及断裂现象。典型病例影像学资料见图1～6。

3 讨 论

3.1 齿状突的解剖结构

齿状突可视为寰椎的椎体,其根部较细。齿状突也是构成寰枕枢复合结构的一部分[1],后者是人体内最复杂的关节组合,具有三维空间六个自由度的运动。其稳定性的维持除了骨性结构外,主要取决于横韧带和翼状韧带的完整性。

3.2 ADI判定寰枢不稳

ADI是指寰椎前弓后缘与齿突前缘的距离,临床上通过颈椎标准侧位X线片来测量,成人ADI一般为3～3.5 mm。成人ADI为3～5 mm提示寰椎横韧带部分撕裂伤;移位大于5 表明横韧带大部分已断裂,包括翼状韧带已被拉伸并有部分断裂;移位大于10 mm提示所有的韧带断裂。本组8 例患者横韧带受损,同时合并齿状突骨折,ADI 4～9 mm,平均5.4 mm。

3.3 前路螺钉内固定用于治疗齿状突骨折引起的上颈椎不稳

齿状突螺钉内固定术用于治疗无移位的Ⅱ型齿状突骨折,部分Ⅲ型骨折横韧带完整的齿状突骨折合并寰枢椎脱位[1]。但对于骨折线走向后上向前下者,或骨折不能完全复位者,或大于3个月的陈旧性骨折,还是应行后路融合术。术中显露C2椎体前部,带螺纹导针经导向器在X线的引导下,由C2椎体下缘与矢状面平行进入齿状突上端骨质,测量深度攻丝后选直径3.5～4.0 mm AO中空螺钉或4.5 mm中空Herbert螺钉,进针深度一般以36 mm为宜[2]。1枚带螺纹导针,只要位置良好,尖端穿过齿突尖1 mm,就可以达到防止旋转的作用[3]。此法与寰枢关节融合相比,骨愈合率高,旋转功能恢复好[1],但操作要求精细,需在X线引导下穿钉。该方法不但可以保留寰枢关节功能,而且手术创伤小,术后患者痛苦较小,被认为是治疗齿状突骨折较为理想的方法,能达到“生理性重建”。本组齿状突骨折病例中15 例采用单枚螺钉固定,1 例因同时伴有C3～4椎间盘突出行C3～4间盘切除减压、Cage植入、钛板内固定。通过术后随访6～17个月(平均13.4个月),15 例患者均获得骨性愈合。

3.4 寰枢椎椎弓根固定术主要用于治疗寰枢关节不稳的患者

从生物力学角度看,寰枢椎融合更为合理、有效,对颈部旋转功能限制相对较小。寰椎椎弓根固定术技术操作难度大,为了防止造成椎动脉沟内的椎动脉损伤,术中要求寰椎后弓的暴露范围由寰椎后结节向两侧的显露范围在15 mm以内[4]。由于寰椎后弓的上缘为椎动脉,进针点距寰椎后弓的上缘必须至少保持3 mm的距离,而寰椎侧块有一定的内斜角度,加之寰椎椎弓根螺钉的进针点位于椎弓中点的稍外侧,故螺钉需要10°的内斜角度,矢状面上螺钉上斜5°。枢椎进钉点一般选择在C2侧块中点或偏外1 mm处,进钉角度呈向头侧倾斜20°～30°和向内倾斜20°～35°[57]。从解剖角度来讲,螺钉固定应做到宁上勿下,宁内勿外,因为枢椎椎弓根上宽下窄,中间最薄,外侧与椎动、静脉紧邻,内侧与脊髓间有较大缓冲空间。相对来说枢椎椎弓根螺钉的进针点易于显露,可直视下完成枢椎椎弓根螺钉的固定。术中注意寰椎和枢椎固定螺钉的内斜角度要尽量保持一致,以免出现旋转畸形[8]。对于部分不完全复位的,可通过固定棒的预弯,利用杠杆原理进行提拉复位。手术适应证[9]:a)寰枢椎不稳伴有不可缓解的枕颈部疼痛,脊髓神经根刺激和压迫症状;b)齿状突骨折不愈合或伴有不愈合倾向,或骨折前移大于4 mm,后移大于2 mm,年龄超过65 岁,诊断及治疗延误7 d以上的Ⅱ型齿状突骨折不愈合率明显增加;c)寰枢椎脱位、寰齿间距大于5 mm,影像学检查证实寰枢横韧带撕裂者。本组病例中8 例齿状突骨折行寰枢椎椎弓根固定术。通过3～24个月(平均16个月)随访,固定融合效果满意。

综上所述,在齿状突骨折治疗时,手术方式和内固定的选择要根据损伤和病变情况以及技术水平来决定,同时既要熟悉上颈椎的局部解剖和生物力学特性,又要严格掌握适应证,要充分注意到韧带的重建,这样才能安全、有效地重建上颈椎的稳定性。

摘要：目的 探讨齿状突骨折内固定术的手术要点和适应证。方法 对2005年6月至2009年12月23例行手术治疗的齿状突骨折患者的临床资料进行回顾性分析,其中男17例,女6例,年龄1445岁,平均37.3岁。15例患者采用前路螺钉内固定术,8例患者行寰枢椎椎弓根内固定术。结果 经324个月随访,X线片复查示骨折复位良好,未出现上颈椎不稳或复位丢失现象,术后3个月植骨融合。有神经症状者均获得不同程度的改善,术后随访满意。结论 齿状突骨折内固定术能使上颈椎获得即刻稳定,临床效果好。

关键词：齿状突骨折,上颈椎不稳,内固定器

参考文献

[1]Robert NN,Holtzman PC,Mccormick JC,et al.Spinal Instability[M].Berlin:Springer-Verlag,1993:255.

[2]杨双石,刘景发,翟文亮,等.齿状突骨折直接螺丝钉固定方法的实验研究[J].骨与关节损伤杂志,1996,11(4):227-230.

[3]胡勇,徐荣明,马维虎,等.AOSF技术治疗型和浅型齿状突骨折疗效分析[J].实用骨科杂志,2008,14(5):257-261.

[4]郭世绂.临床骨科解剖学[M].天津:天津科技出版社,1998:6.

[5]谭军,贾连顺,侯黎升,等.C2椎弓根拉力螺钉选择性治疗Hangman骨折[J].中华骨科杂志,2002,22(11):653-656.

[6]史学军,刘长胜,冯刚,等.应用椎弓根拉力螺钉选择治疗Hangman骨折[J].中华骨科杂志,2002,22(11):653-656.

[7]Taller S,Suchomel P,Lukas R,et al.CT-guided in-ternal fixation of a hangman′s fracture[J].Eur SpineJ,2000,9(5):393-397.

[8]党耕町,王超,阎明,等.后路寰枢椎侧块钉板固定植骨融合术的临床初探[J].中国脊柱脊髓杂志,2003,13(1):7-10.

基于锯齿波图象的高考压轴题赏析 篇8

2008～2011年江苏省高考物理卷压轴题均为非常规的周期性变化和运动问题, 物理过程比较复杂, 绝大多数考生难以正确构建物理图景, 求解受阻, 得分率很低.笔者研究发现, 连续四年的这几道压轴题有一共同特点:题中已知条件提供的图象或者是题中研究对象相关物理量间的关系图象呈现为锯齿波形状.让我们一起来赏析这几道试题.

1.“速度-位移”锯齿图象

【例1】 (2008年江苏省高考题) 如图1所示, 间距为l的两条足够长的平行金属导轨与水平面的夹角为θ, 导轨光滑且电阻忽略不计.场强为B的条形匀强磁场方向与导轨平面垂直, 磁场区域的宽度为d1, 间距为d2.两根质量均为m、有效电阻均为R的导体棒a和b放在导轨上, 并与导轨垂直, 设重力加速度为g.若a进入第2个磁场区域时, b恰好离开第1个磁场区域;此后a离开第2个磁场区域时, b 又恰好进入第2个磁场区域.且a、b在任意一个磁场区域或无磁场区域的运动时间均相等.求a穿出第k个磁场区域时的速率v.

解析:本题从电路结构来说, 两根棒与轨道组成闭合电路, 在磁场中的棒切割磁感应线产生感应电动势, 相当于电源, 在磁场外的棒作为外电阻.由于两根棒始终是一根棒在磁场中, 一根棒在磁场外, 因此, 可以作这样的简化:如图2所示, 导体棒b与两条轨道相连接 (b固定不动) , 导体棒a以速度v1离开磁场区域1, 以速度v2进入磁场区域2, 然后又以速度v1离开磁场区域2, 再以速度v2进入磁场区域3, ……导体棒a在无磁场区和有磁场区运动时间相同.

导体棒a在无磁场区, 以初速度v1做加速度为a1=gsinθ的匀加速运动, 位移为d2;导体棒a在磁场区, 以初速度v2做加速度为$a{}_2=\frac{B{}^{2}l{}^{2}v}{2mR}-g\sin \theta$的变速运动, 速度逐渐减小, 加速度亦逐渐减小, 位移为d1;以磁场区1的下边界为记录位移的起点, 沿导轨向下为x正方向, 导体棒的速度v随位移x变化的规律如图3所示.

现根据题给条件计算速度v1和v2.

将导体棒a在磁场外和磁场内的运动时间均记为T, 在无磁场区域有:

$v{}_2-v{}_1=g\sin \theta \cdot {\rm T}‚d{}_2=\frac{v{}_1+v{}_2}{2}\cdot {\rm T}$

在有磁场区域, 对a棒由牛顿第二定律:$mg\sin \theta -B{\rm I}L=m\cdot \frac{\text{Δ}v}{\text{Δ}t}$, 其中${\rm I}=\frac{Blv}{2R}$, 则有:

∑Δv=∑$\left[g\text{s}\text{i}\text{n}\theta -\frac{B{}^{2}l{}^{2}v}{2mR}\right]\text{Δ}t$

解得:$v{}_1-v{}_2=g\sin \theta \cdot {\rm T}-\frac{B{}^{2}l{}^2}{2mR}\cdot d{}_1$

$\begin{array}{l}\text{解}\text{以}\text{上}\text{各}\text{式}\text{可}\text{得}:v{}_1=\frac{4mgRd{}_2}{B{}^{2}l{}^{2}d{}_1}\sin \theta -\frac{B{}^{2}l{}^{2}d{}_1}{8mR}\\ v{}_2=\sqrt{\left(\frac{4mgRd{}_2}{B{}^{2}l{}^{2}d{}_1}\sin \theta -\frac{B{}^{2}l{}^{2}d{}_1}{8mR}\right){}^2+2g\text{s}\text{i}\text{n}\theta \cdot d{}_2}.\end{array}$

2.“速度-时间”锯齿图象

【例2】 (2009年江苏省高考题) 如图4所示, 两平行的光滑金属导轨安装在一光滑绝缘斜面上, 导轨间距为l、足够长且电阻忽略不计, 导轨平面的倾角为α, 条形匀强磁场的宽度为b, 磁感应强度大小为B、方向与导轨平面垂直.长度为2b的绝缘杆将导体棒和正方形的单匝线框连接在一起组成“”形装置, 总质量为m, 置于导轨上.导体棒中通以大小恒为I的电流 (由外接恒流源产生, 图中未画出) .线框的边长为b (b <l) , 电阻为R, 下边与磁场区域上边界重合.将装置由静止释放, 导体棒恰好运动到磁场区域下边界处返回, 导体棒在整个运动过程中始终与导轨垂直, 重力加速度为g.求:经过足够长时间后, 线框上边与磁场区域下边界的最大距离A.

解析:本题中“”形装置 (以下简称连接体) 由静止释放后将沿着轨道上下振动, 开始的一段时间振动幅度越来越小, 最后做等幅振动.

取刚释放时线框的下边界所对应的斜面上的点为坐标原点 (以下涉及的坐标均指线框下边界的坐标) , 沿导轨向下为x轴正方向.

第一个周期, 连接体下行过程:

①坐标x=0到x=2b=s1, 连接体向下做变加速运动, 速度由零增加到v1.

②从坐标x=2b到x=3b, 连接体向下做匀加速运动, 加速度a2=gsinα, 速度由v1增加到u1.

③从坐标x=3b到x=4b, 位移为l1=b, 连接体做匀减速运动, 加速度$a{}_3=\frac{B{\rm I}l}{m}-g\sin \alpha$, 速度由u1减小到零.

连接体上行过程:

④从坐标x=4b到x=3b, 连接体向上做初速度为零加速度为a3的匀加速运动, 速度由零增加到u1.

⑤从坐标x=3b到x=2b, 连接体向上做初速度为u1加速度为a2的匀减速运动, 速度由u1减到v1.

⑥从坐标x=2b到x=2b-s2, 连接体向上做初速度为v1的变减速运动, 速度由v1减到零.

连接体运动的v-t图象如图5所示.从图5很容易看出s2<s1=2b, 比较过程①速度由零变到v1与过程⑥速度由v1变到零, 因加速度a与v 的函数关系的不同, 图线弯曲方向相反, 因而v-t图与坐标轴间围成的面积 (位移) 不同.

第一个周期, 连接体下行距离s1+b+l1 , 上行距离l1+b+s2, 因s2<s1, 故上行距离小于下行距离.即经一个周期, 连接体整体向下平移了一段距离.

对第二个周期可作类似讨论, v-t图的变化情况与第一个周期相似, 但图象的纵横向幅度都比第一个周期小, 线框整体又向下平移了一段距离.

当n趋于无穷大时, sn→0, ln→l, 最终线框上边界达到的最高点为磁场的下边界 (即线框最终不再进入磁场区域) , 此后连接体做等幅振动.线框的 (下边界) 坐标在x=2b至x=2b+A之间变化.

下面来计算经过足够长时间后, 线框上边界与磁场区域下边界的最大距离A.

连接体下行的第一阶段, 做初速度为零、加速度为a=gsinα的匀加速运动, 位移为$b‚v{}_{\text{m}}=\sqrt{2gb\cdot \sin \alpha }$,

连接体下行的第二阶段, 做初速度为vm加速度为$a^{\prime }=\frac{B{\rm I}l}{m}-g\sin \alpha$的匀减速运动, 末速度为零, 位移为A-b.线框下行的全过程由动能定理, mgsinα·A-BIl (A-b) =0, 解得连接体的振幅为$A=\frac{B{\rm I}lb}{B{\rm I}l-mg\text{s}\text{i}\text{n}\alpha }$, 其中, 导体棒在磁场中的运动距离为$l=A-b=\frac{mgb\text{s}\text{i}\text{n}\alpha }{B{\rm I}l-mg\text{s}\text{i}\text{n}\alpha }$, 连接体的等幅振动的v-t图象如图6所示.

3.“电压-时间”锯齿图象

【例3】 (2011年江苏省高考题) 某种加速器的理想模型如图7所示:两块相距很近的平行小极板中间各开有一小孔a、b, 两极板间电压uab的变化图象如图8所示, 电压的最大值为U0、周期为T0, 在两极板外有垂直纸面向里的匀强磁场.若将一质量为m0、电荷量为q的带正电的粒子从板内a孔处静止释放, 经电场加速后进入磁场, 在磁场中运动时间T0后恰能再次从a 孔进入电场加速.现该粒子的质量增加了$\frac{1}{100}m{}_0$ (粒子在两极板间的运动时间不计, 两极板外无电场, 不考虑粒子所受的重力) .若在t=0时刻将该粒子从板内a孔处静止释放, 求其第2次加速后从b孔射出时的动能.

解析:本题的加速器可看作是一回旋加速器的变形, 只是把常规的回旋加速器中两个D形盒合并为完整的磁场区, 相应地把原来的磁场中的半圆周运动变成了完整的圆周运动.

t=0时由a处释放的粒子将由a向b做第1次加速运动, 然后沿逆时针方向在磁场中回旋, 加速电压为u1=U0, 如果粒子的质量为m0, 则粒子在磁场中的回旋周期与电场变化周期相等, 即T=T0, 粒子第2次进入电场, 加速电压仍然为最大值, 即u2=U0.对照图8来说就是第1次加速为图象上的A1点, 第2次加速为图象上的A2点.

现在的问题是粒子质量突然变为1.01 m0, 使得粒子在磁场中的回旋周期与电场的变化周期不再相等, 因而加速过程存在相移.

质量为m0的粒子在磁场中做匀速圆周运动, 根据$Bqv=\frac{mv{}^2}{r}‚{\rm T}{}_0=\frac{2\text{π}r}{v}$, 解得:${\rm T}{}_0=\frac{2\text{π}m{}_0}{qB}$.当粒子的质量增加了$\frac{1}{100}m{}_0$, 其周期增加$\text{Δ}{\rm T}=\frac{1}{100}{\rm T}{}_0.$

根据图8可知, 粒子第1次的加速为B1 (A1) 点, 电压u1=U0, 粒子第2次的加速为B2点, 根据△A2CI∽△B2DI, 有$\frac{B{}_{2}D}{A{}_{2}C}=\frac{D{\rm I}}{C{\rm I}}$, 即$\frac{u{}_2}{U{}_0}=\frac{0.25{\rm T}{}_0-0.01{\rm T}{}_0}{0.25{\rm T}{}_0}$, 解得:$u{}_2=\frac{24}{25}U{}_0.$

故粒子射出时的动能$E{}_{\text{k}2}=qu{}_1+qu{}_2=\frac{49}{25}qU{}_0.$

在本小题中, 粒子经第1次、第2次加速后还会有连续多次的加速过程, 考虑到相移的存在, 各次加速时刻对应图8中的点B1、B2、B3、B4…, 不难计算, 能连续加速的次数为${\rm N}=\frac{0.25{\rm T}{}_0}{0.01{\rm T}{}_0}=25$, 如果将磁场中运动过程略去并将各次加速的点集中到uab-t图的1/4周期内, 则如图9所示.类似上述关于u2的分析方法, 可以得到各次加速电压分别为:$u{}_1=U{}_0‚u{}_2=\frac{24}{25}U{}_0,u{}_3=\frac{23}{25}U{}_0‚\cdots ‚u{}_{25}=\frac{1}{25}U{}_0$.因此, 粒子经加速能获得的最大动能为:Ek=q (u1+u2+……+u25) , 解得:Ek=13qU0.

4.扭转后的“速度-时间”锯齿图象

【例4】 (2010年江苏省高考题) 制备纳米薄膜装置的工作电极可简化为真空中间距为d的两平行极板, 如图10所示, 加在极板A、B间的电压UAB做周期性变化, 其正向电压为U0, 反向电压为-kU0 (k>1) , 电压变化的周期为2τ.在t=0时, 极板B附近的一个电子, 质量为m、电荷量为e, 受电场作用由静止开始运动.若整个运动过程中, 电子未碰到极板A, 且不考虑重力作用.若电子在0～200τ时间内未碰到极板B, 求此运动过程中电子速度v随时间t变化的关系.

解析:本题与常见的带电粒子在交变电场中运动模型的最大差异是交变电压的正负半周幅值不对称, 这给问题的求解带来很大挑战, 我们可以作出带电粒子运动的速度v 随时间t变化的图象如图11所示.这是一条被扭转后的锯齿波.

下面根据运动的合成与分解的思路来给出带电粒子的速度随时间变化的函数关系.

题中给的交变电压可以看作是由图12中的两个电压U1、U2所合成, 相应的带电粒子的运动可以看成是由对称方波电压U1作用下的运动v1和在恒定电压U2作用下的匀加速度运动v2的合成, 如图13所示.

与电压U1对应的加速度大小为$a{}_1=\frac{(k+1)eU{}_0}{2md}$;

与电压U2对应的加速度大小为$a{}_2=\frac{(k-1)eU{}_0}{2md}.$

(1) 当0≤t-2nτ<τ时, 电子正方向运动速度大小为v1=a1 (t-2nτ) , 反方向运动的速度为v2=-a2t, 合速度为$v=v{}_1+v{}_2=[t-(k+1)n\tau ]\frac{eU{}_0}{md}.$

(2) 当0≤t- (2n+1) τ<τ时, 电子正方向运动速度大小为v1=a1τ-a1[t- (2n+1) τ], 反方向运动的速度为v2=-a2t, 合速度为$v=v{}_1+v{}_2=[(n+1)(k+1)\tau -kt]\frac{eU{}_0}{md}.$

在结束本文时还要说明的是, 以上所讨论的涉及锯齿形物理图象的高考压轴题, 显然与《机械振动》这一模块的基础知识联系紧密.从现行教材模块的划分情况来看, 机械振动属于选修3-4模块, 有相当多的考生并没有选学这一模块, 因而, 此类高考压轴题对选学不同模块的考生来说是有失公平的.笔者认为, 从学生的应试以及完整的力学知识构建角度来说, 即使不选3-4模块的学校, 在适当的时机给学生补充一下机械振动的基础知识和研究方法还是很有必要的.

锯齿形膛线在火炮上的应用 篇9

膛线是指在火炮身管内表面上制成的与身管轴线成一定倾斜角的若干条螺旋形的凸起和凹槽。其作用是使弹丸在出炮口时具有一定的旋转速度，以保证弹丸出炮口后飞行的稳定性。

国外曾采用弹丸带凸起的导转、弹丸底部带膨胀装置的导转、多角形炮膛导转、压力导转及渐紧膛线导转等火炮膛线对弹丸的导转方式，这些导转方式进一步发展就成为目前制式火炮所广泛采用的矩形膛线导转方式，即在弹丸上加制铜制的弹带，射击时在火药气体压力的作用下，弹带切入膛线而弹丸得到旋转运动。这种导转方式的优点是工艺性较好，缺点是根部圆角小，射击过程中产生应力集中现象，且导转侧受力面积小，引起膛线磨损。

大量的射击试验表明，身管寿命终止的主要原因是炮膛出现严重的磨损和热烧蚀。就膛线的磨损而言，其主要原因是火炮在射击过程中膛线受到弹丸的挤压及磨损所致，而膛线的顶端和导转侧的磨损比阴线底部的磨损要大得多。因为发射时弹丸导转部与膛线导转侧之间的比压很大，并有相对运动，这使膛线导转侧的磨损最为严重，特别是膛线起始部的磨损最为严重，由最初的矩形磨损至圆形、三角形，最后被磨平，也有可能由根部应力集中引起整块剥落。由于磨损与烧蚀，膛线的起始部向炮口移动，弹丸在膛内的位置向炮口移动，药室容积增大，因而改变了原来的装填条件，影响了弹丸的弹道性能。随着发射的弹丸数的增加，磨损和烧蚀越来越严重，最终丧失其功能，寿命终止。

关于提高身管寿命问题，国内外的研究人员作过诸多实践，如：工艺上采用液压自紧身管;对炮膛烧蚀和磨损严重的区域进行镀铬;采用高能低烧蚀火药;采用耐烧蚀的短衬管或可更换的短衬管;合理选择内弹道参量及改进炮膛和弹丸导转部的结构等。随着计算机技术的发展，一部分科技工作者利用计算机对膛线进行了优化设计，在保证炮口部缠角的前提下，根据使导转侧受力均匀的原则设计了多段等齐与多段渐速膛线组成的混合膛线。这些设计均可提高身管寿命。本文提出了将制式火炮的膛线由矩形改为锯齿形膛线，旨在改善膛线导转侧的受力，从而提高身管寿命。

1 锯齿形膛线结构

从普通机械传动学可知，锯齿形螺纹主要用于单向受力的传递，它综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的特点。因为弹丸在膛内运动时，也是单向受力，那么采用锯齿形膛线结构从理论上讲可以增大导转侧的面积，改善膛线导转侧的受力，提高根部的强度，从而提高身管寿命。

现将膛线的导转侧制成与炮膛中心线成3°的斜面，惰侧与炮膛中心线成45°的斜面。锯齿形膛线断面形状如图1所示。

2 矩形膛线与锯齿形膛线应力对比分析

以某榴弹炮为例，在相同的情况下，对矩形膛线与锯齿形膛线受力情况进行对比计算。

2.1 某榴弹炮弹道及膛线结构参数(假设该炮的膛线为等齐膛线)

(1)膛线结构参数：口径d=122 mm;炮膛横断面积S=119 cm2;阳线宽b=3 mm;阳线深度t=1.0mm;阴线宽a=8 mm;膛线数目n=36;缠角α=9°。

(2)弹道参数：最大弹底压力pdmax=235 MPa。

(3)弹丸参数：弹带宽h=16 mm。

2.2 矩形截面膛线应力计算

该炮膛线为等齐膛线，其缠角α=9°，且膛线方程为：

其中：l为膛线上任一截面到膛线起点的距离;y为膛线展开后到水平坐标轴的距离。等齐膛线导转侧压力FN为：

其中：ρ为弹丸的惯性半径;r为炮口径的一半;pd为作用于弹底的火药燃气压力。按经验值取(ρ/r)2=0.57，将相关数据代入式(2)可得FN=7 104 N。发射过程中，弹丸弹带与膛线之间的摩擦系数f=0.1，弹丸弹带与膛线之间的摩擦力Ff=f×FN=710.4 N。

弹丸发射过程中，矩形截面膛线的受力如图2所示。在导转力FN的作用下，对阳线根部产生的力矩为：

导转力对膛线产生的挤压应力为：

膛线受到的弯曲应力为：

对于矩形截面，抗弯截面模量W=×h×b2=24.64mm3。将MN、W代入式(3)中，可得σw=146.3 MPa。

膛线受到的剪切应力为：

根据材料力学第三强度理论，弯扭组合条件下的最大剪切应力引起的屈服条件可知，膛线所受的最大相当应力为：

其中：[σ]为材料的许用应力，炮钢材料的强度极限约为1 000 MPa。

2.3 锯齿形膛线的应力计算

与计算矩形截面膛线的工作条件相同，只是采用锯齿形膛线时，炮膛的横截面面积略有减小，可忽略不计，则认为导转侧的受力不变，即FN=7 104 N。FN的一部分FN1用于导转弹丸，FN1=FN×cos3°=7 094 N;另一部分FN2成为径向作用力，FN2=FN×sin3°=19.46 N，如图3所示。

在正向压力略有减小的情况下，弹丸运动过程中与阳线的摩擦也有所减小。在膛线深和阳线顶部尺寸不变的前提下，采用锯齿形截面时，阳线根部尺寸较采用矩形截面时发生了变化，即：b1=b+t×(tan3°+tan45°)=4.11mm。

膛线受到的挤压应力为：

因cos23°=0.997，所以说，这两种膛线在发射过程中所受到的挤压应力基本相同。

采用锯齿形截面时,抗弯截面模量阳线根部产生的弯矩则膛线受到的弯曲应力膛线受到的剪切应力为根据第三强度屈服理论,采用锯齿形截面时膛线受到的相当应力

2.4 两种膛线计算结果的对比分析

由以上两种形状的膛线在发射弹丸时的相当应力计算结果对比可知，采用锯齿形截面膛线时相当应力比采用矩形膛线降低30%。采用锯齿形截面的膛线时，接触面积较大，单位面积上的应力小，因而减少了对阳线导转侧面的磨损。

3 结论

综上所述，锯齿形截面的膛线明显优于矩形截面的膛线，阳线根部应力明显减小，导转侧的摩擦力也有所减小，因而提高了膛线的强度、减缓了膛线的磨损，可使身管寿命得到提高。

摘要：为了改善火炮阳线导转侧的受力,提高炮身寿命,提出将制式火炮的矩形膛线改进为锯齿形膛线的结构,并结合某榴弹炮从理论上对这两种膛线结构的受力进行了对比计算,得出锯齿形结构的膛线比矩形结构的膛线的寿命会更长。

关键词：矩形膛线,锯齿形膛线,火炮

参考文献

[1]席栓寿.膛线类型对火炮身管寿命的影响[J].四川兵工学报,1992,(47)4:73-78.

[2]李强,徐健.一种混合膛线的优化设计方法[J].火炮发射与控制学报,2004(4):40-43.

[3]曹红松,张亚,高跃飞.兵器概论[M].北京:国防工业出版社,2008.

[4]王靖君,郝信鹏.火炮概论[M].北京:兵器工业出版社,1992.

[5]张相炎,郑建国,杨军荣.火炮设计理论[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

[6]陈熙,张冠杰,刘腾宜.35 mm高炮技术基础[M].北京:国防工业出版社,2002.

[7]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2006.

锯齿状 篇10

涡轮叶片的工作状态是盆、背锯齿冠相互搭接, 由于盆向锯齿冠一般设计为锯齿形单斜面, 因此其背向的锯齿冠为双斜式锯齿形斜面。这样, 用三坐标测量工具检测涡轮叶片的锯齿冠所有角度和位置尺寸就非常麻烦, 因为受加工工艺的限制, 设计基准和加工基准往往不统一, 为保证设计和装配要求, 工艺往往采用专用测量工装进行测量。这就需要设计两台专用测具分别检测盆、背锯齿冠角度和位置尺寸, 并通过设计一套叶片标准件对表来达到检测目的。

2 涡轮叶片锯齿冠的设计要求

2.1 叶片三维图

低涡轮工作叶片是由锯齿冠、叶身型面、下缘板单个榫齿构成, 叶片依靠榫齿定位安装在涡轮盘中, 并通过锯齿冠斜面相互搭接锁紧, 所以锯齿冠斜面的空间位置无论从装配还是性能上都是非常重要的部位, 见下图1。

2.2 叶片测量位置设计分析

由于背向锯齿冠与下一个叶片的盆向锯齿冠相搭接, , 因此第一个叶片的盆向锯齿冠的平面是绕发动机轴线旋转2.5度成为下一个叶片的背向锯齿冠平面。测具设计主要考虑将叶片放置便于检测合适的位置, 根据设计图和规范规定, 盆、背锯齿冠角度和位置尺寸的位置度公差为0.2mm, 标准件设计按叶片名义值设计, 见下图2。

3 测具结构的设计

3.1 盆向锯齿冠测具的设计

定位是利用单齿两侧面、榫头缘板侧面B1点、锯齿冠缘板侧面B2点及某截面叶背向M点。测具设计应用六点定位原理, 为了消除榫齿加工侧面与齿牙垂直误差, 采用单齿微扭转锁紧机构。当需要扭转时将NO:8插销拔出使定位块NO:12绕支座NO:11旋转, 旋转到位时用NO:9将NO:11 NO:12锁紧, 如图3, 图4所示。榫头缘板X方向B1点采用R1与该点所在斜面相切的定位样板定位, 同样锯齿冠缘板X方向B2点采用R1与该点所在斜面相切的定位样板定位;叶背向M点采用0.5宽样板与该点所在截面曲线相切的定位样板定位。测量表座设计与被测表面相平行的平面作为平台, 表座在该平台上滑动测量, 测量表采用杠杆数显表测量叶片是否合格。

3.2 背向锯齿冠测具的设计

如图5所示。定位也是利用单齿两侧面、榫头缘板侧面B1点、锯齿冠缘板侧面B2点及盆向锯齿小斜面。测具设计应用六点定位原理, 为了消除榫齿加工侧面与齿牙垂直误差, 采用单齿微扭转锁紧机构。榫头缘板X方向B1点采用R1与该点所在斜面相切的样板定位, 并利用已加工好的盆向锯齿冠两斜面定位。测量表座的设计是与被测表面相平行的的双斜面作为平台, 表座在该平台上滑动测量, 测量表采用杠杆数显表测量叶片是否合格。

3.3 盆、背锯齿冠标准件的设计

为了减少重复定位误差, 盆向锯齿冠标准件与背向锯齿冠标准件采用合并设计。模拟叶片形状大小设计标准件, 标准件榫齿齿牙形状大小与叶片一致, 榫头缘板侧面可以模拟成小平面, 叶身型面M点模拟成圆弧型面, 盆、背向锯齿冠形状、大小也与叶片一致, 考虑刚性厚度加大。

为便于标注及检测设计使用工艺球, 建立各定位面与工艺球空间位置关系, 并建立各定位面与测量面角度关系。主要是榫齿斜、侧面与工艺球的距离和角度关系, 盆向锯齿冠的斜、侧面直接标注和检测至工艺球位置尺寸和角度关系;而背向锯齿冠是通过沿与水平方向夹角看至背向锯齿冠双斜面到工艺球位置尺寸, 并与盆向锯齿冠斜面的角度关系, 如图6所示。

3.4 锯齿冠测具及标准件

测具和标准件设计采用模块化设计, 利用UG三维建模, 将测具各部件设计成参数化模块, 改变模块结构尺寸, 进行参数化驱动调试;将工装模块进行固化、逻辑智能设计调试设计, 为今后再设计同类测具提高效率和质量, 降低成本, 缩短设计和制造周期。

结语

用两套测具和一套标准件分别检查盆、背锯齿冠结构尺寸, 此项设计既简单, 方便测量, 又可以提高盆、背锯齿冠相互位置精度。盆向锯齿冠既用于磨盆向锯齿冠对表面, 又作为磨背向锯齿冠的定位面, 这样, 设计成一套标准件可以避免两次制造产生的误差, 提高检测精度。

测具和标准件通过叶片的检测应用, 达到了良好的效果。测具采用参数化设计减少了设计同类测具时间, 大大地提高了设计工作效率;也为工装设计开辟了新的设计思路和理念, 同时也填补了工装领域的技术空白

参考文献

[1]机械设计手册【Z】.

[2]航空材料手册【Z】.

[3]金属材料与热处理【Z】.

[4]新编金属材料手册.机械工业出版社【Z】.

锯齿状 篇11

摘 要：实验室条件下研究了中华锯齿米虾自然受精受精卵到孵出幼虾的孵化历期、生物学零度和有效积温,为深入研究米虾生殖生物学特征奠定了基础。结果表明：中华锯齿米虾的胚胎发育生物学零度为7.07 ℃,有效积温为358.58 ℃•d。在12～22 ℃下，中华锯齿米虾雌虾的孵化历期平均为44.64 d，在26～30 ℃下，中华锯齿米虾的孵化历期平均为17 d。

关键词：中华锯齿米虾；生物学零度；有效积温

中华锯齿米虾（Neocaridina denticulata sinensis）（以下简称米虾）是一种小型经济虾类，白洋淀产量丰富。其隶属于甲壳纲，十足目，匙指虾科，新米虾属。对米虾胚胎发育的生物学零度和有效积温的研究有利于了解它的繁殖季节以及每年的世代数。目前对米虾的研究主要集中在生殖系统性腺发育、内外性征分化以及卵黄蛋白方面[1-5]，对其胚胎发育的生物学零度和有效积温的研究未见报道。本文在实验室自然条件下，研究了米虾亲代及子一代抱卵虾的胚胎发育历期、生物学零度和有效积温，为深入认识其生殖生物学特征和实验研究提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验材料于2013年3月初购于保定东风桥市场，挑取健康米虾在实验室暂养。

1.2 试验方法

挑选健康的抱卵米虾，放入直径为15 cm的鱼缸中单独饲养，分别编号，连续充氧，每天记录温度并计算日平均水温，在幼虾全部孵化完成后统计胚胎发育历期。将获得的子一代继续培育，待有抱卵虾出现时及时挑出单缸（直径15 cm）饲养、记录日期并编号，连续充氧，操作如亲代。体长测量方法:自眼柄的基部测量到尾节的末端。

1.3 数据分析

在测得米虾胚胎发育历期的基础上，采用有效积温法则推算米虾生物学零度（C）和有效积温（K），公式如下[6]：

T=C+KN=C+KV V=1/N

按最小二乘法推出下述公式

C=∑V2∑T-∑V∑VTn∑V2-(∑V)2

K=n∑VT-∑V∑Tn∑V2-(∑V)2

其中C代表生物学零度，K代表有效积温常数，单位为℃•d，V代表发育速度，T代表平均温度，n代表实验组数。将实验数据代入求出C、K值。

2 结果

2.1 亲代雌虾抱卵及孵化特征

第一批亲代米虾在3月中旬开始抱卵，至5月初依次孵化完成。亲代雌虾在12～22 ℃下从抱卵到蜕皮经历的时间不等，最短40 d，最长经过49 d，平均为44.64 d。从第一个幼虾孵出到胚胎完全孵化，有的亲虾需要1 d，最长的为5 d，平均为2.31 d。第一批抱卵亲代米虾胚胎发育平均温度、发育历期见表1。亲代雌虾平均体长为2.3 cm（图1）。

表1 亲代中华锯齿米虾胚胎发育

平均温度、发育历期

编号 温度范围/

℃ 平均温度/

℃ 发育历期/

d

1 12～22 15.38 47

2 12～22 15.38 47

3 12～20 14.56 40

4 12～20 15.00 44

5 12～20 14.69 41

6 12～21 15.23 46

7 12～22 15.64 49

8 12～20 14.69 41

9 12～22 15.38 47

10 12～20 14.89 43

11 12～20 14.89 43

12 12～20 14.79 42

13 12～22 15.38 47

14 12～22 15.51 48

图1 亲代抱卵虾(图示直尺最小刻度为0.5 mm)

2.2 子一代雌虾抱卵及孵化特征

自5月初子一代幼虾孵化出后，日平均气温也越来越高，小虾的生长速度明显加快，子一代的抱卵时期从7月初到7月底不等（26～30 ℃），集中在7月底。孵化历期从14 d到22 d不等，从第一个幼虾孵出到胚胎完全孵化平均经过2 d。子一代中华新米虾胚胎发育的平均温度、发育历期如表2所示。子一代雌虾平均体长为1.3 cm（图2）。

图2 子一代抱卵虾(图示直尺最小刻度为0.5 mm)

表2 子一代中华锯齿米虾胚胎发育平均温度、发育历期

编号 温度范围/℃ 平均温度/℃ 发育历期/d

1 27～30 29.00 16

2 26～30 27.91 22

3 26～30 27.86 21

4 26～30 27.42 12

5 26～30 27.64 14

6 26～30 27.85 20

7 26～30 27.73 15

8 27～30 28.73 15

9 27～30 28.73 15

10 27～30 28.73 15

2.3 米虾的生物学零度及有效积温

利用有效积温的公式对两个批次的米虾胚胎发育平均温度和发育历期进行相关计算，得出中华锯齿米虾在实验室自然变温条件下的生物学零度为7.07 ℃，有效积温常数为358.58 ℃•d。

3 讨论

3.1 温度对米虾胚胎发育的影响

温度通过影响酶活性而影响新陈代谢，是胚胎发育的关键影响因素。各种生物生存的环境不同繁育时节也有所不同，其生物学零度、有效积温也有所差异。米虾胚胎发育的生物学零度为7.07 ℃，有效积温为358.58 ℃•d。有文献记录3月份白洋淀平均水温达到10.8 ℃[7],所以在白洋淀地区发现有抱卵虾是很正常的。斑节对虾（Penaeus monodon Fabricius）的溞状幼体和糠虾幼体发育的生物学零度均在13 ℃以上[8]，这是因为斑节对虾生活在热带地区。克氏原螯虾（Procambarus clarkii Girar）受精卵发育的生物学零度5.6 ℃，有效积温为765 ℃•d[9]，虽然同是抱卵孵化，但是克氏原螯虾的抱卵量达到200～300，而米虾的抱卵量文献记录为20～50[10]，所以需要的有效积温也比较高。脊尾白虾（Exopalaemon carinicauda）的生物学零度在12.18 ℃，有效积温为3 828.27 ℃•d[6]，脊尾白虾的盛产时间为5-8月，水温为12.5～26.8 ℃，其受精卵发育的生物学零度也是低于水温的。东方扁虾（Thenus orientalis Lund）的生物学零度在13.5 ℃，有效积温为351.2 ℃•d[11]。东方扁虾的繁殖季节与米虾相似，也是在3月—10月中旬，但是东方扁虾主要生活在印度洋-西太平洋海域的热带、亚热带地区[12]，其生物学零度是与环境相适应的。

亲代及子一代雌虾在孵化结束后当天或第二天蜕皮。在孵化过程中存在抱卵蜕皮的现象(图3)，具体机制还不清楚。另外发现米虾在抱卵的同时卵巢继续发育(图4)，说明雌虾连续产卵2次以上，而东方扁虾[12]、脊尾白虾[13]也存在这种现象。

图3 抱卵蜕皮

图4 抱卵虾卵巢发育

nlc202309041033

3.2 生物学零度及有效积温的作用和意义

目前在恒温条件下对多种物种的有效积温进行了研究[6,8-9,14-15]，但在实际应用中温度虽然是影响胚胎发育的主要因子，但绝非唯一因子。在实际养殖中还受到盐度、溶氧量等其他因素的影响，恒温条件下实验得出的有效积温与自然变温条件下获得的数据有一定差异[16]，因此，自然条件下统计出的有效积温对于预测孵化日期是有意义的。研究米虾的生物学零度及有效积温为深入研究米虾生殖生物学奠定基础，如设计温度梯度探明米虾的最适胚胎发育温度，科学认识幼体发育特征；研究米虾从幼虾到成虾的有效积温，也为研究米虾的世代有效积温奠定基础；在一定温度范围内，温度与发育速度呈正相关，温度越高，发育速度越快，可以人工控制最适温度的上下限，为其它经济十足目动物育苗温度进行科学调控提供参考。

参考文献：

[1] 杨炎,康现江,穆淑梅,等.中华锯齿米虾性腺早期分化的组织学研究[J].淡水渔业,2010,40(001):11-15

[2]甄胜涛,穆淑梅,刘涛,等.中华锯齿米虾内外性征分化时间与特征[J].淡水渔业,2012,42(2): 72-75

[3]赵梦然,穆淑梅,郭明申,等.中华锯齿米虾卵子发生过程中滤泡细胞的结构研究[J].河北渔业,2009（5）:4

[4]赵梦然,康现江,穆淑梅,等.中华锯齿米虾卵母细胞卵黄发生的超微结构[J].河北大学学报 (自然科学版),2009（3）:20

[5]闫冀斌,穆淑梅,李振秋,等.中华锯齿米虾卵黄蛋白原部分cDNA 序列的克隆[J].河北渔业,2010（2）: 6

[6]梁俊平,李健,李吉涛,等.不同温度对脊尾白虾胚胎发育与幼体变态存活的影响[J].生态学报,2013,33(4):1142-1152

[7]谢松,黄宝生,王宏伟,等.白洋淀底栖动物多样性调查及水质评价[J].水生态学杂志,2010（1）: 11

[8]洪万树,刘昌欣.斑节对虾幼体发育的有效积温,生物学零度和耐温实验研究[J].福建水产,1997 (3):1-6

[9]吕佳,宋胜磊,唐建清,等.克氏原螯虾受精卵发育的温度因子数学模型分析[J].南京大学学报:自然科学版,2004,40(2):226-231

[10]孙世杰,范成功,李凤超,等.中华锯齿米虾形态发育的初步研究[J].河北渔业,2007（12）:22-25

[11]王桂忠.东方扁虾胎发育温比率的初步研究[J].海洋通报,1998,17(3):39-44

[12]朱冬发,李少菁,王桂忠.东方扁虾繁殖生物学特征的调查研究[J].热带海洋学报,2001,20(2):41-46

[13]徐加涛,徐国成,于斌,等.脊尾白虾繁殖生物学及人工育苗生产技术[J].中国水产,2007（4）:52-55

[14]肖婷,陈啸寅,杨鹤同,等.三叶斑潜蝇发育起点温度和有效积温的研究[J]. 环境昆虫学报 ISTIC,2011,33(1)：8-12

[15]郝改莲,马铁山.管氏肿腿蜂发育起点温度和有效积温试验研究[J].现代农业科技,2013(3):304-304

[16]韦昌华,陆永跃,曾玲.自然变温条件下番石榴实蝇发育历期,起点温度和有效积温[J].应用昆虫学报ISTIC,2011,48(6)： 1738-1743

（收稿日期：2013-12-06）

锯齿状 篇12

自2004年英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim等发现并制备出稳定的石墨烯以来, 由于其具有超高的载流子迁移率, 室温下的弹道输运, 以及半整数量子霍尔效应等独特性能[1,2,3], 引发人们对石墨烯基纳米材料极大的关注和兴趣[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。国内外很多研究小组做了大量研究工作, 并得到很多突出的研究成果[14,15,16,17]。中科院物理研究所的张广宇课题组将纳米石墨烯薄膜加工成了抗疲劳性大于104次, 保持时间大于105 s, 擦写速度低于500ns的纳米器件[18]。该两端器件表现出良好的存储特性。人们研究发现沿不同方向裁剪石墨烯得到的准一维的石墨烯纳米带 (Graphene nanoribbon, GNR) 具有更小的尺寸和丰富的电磁学性能, 2011年, 美国的研究小组用化学方法成功制备出具有平滑边界的石墨烯纳米带, 并对其电子分布进行了精确测量, 首次从实验的角度验证了电子受限于纳米边界而具有能隙。石墨烯纳米带根据其边缘形状可以分为扶手型 (Armchair) 和锯齿型 (Zigzag) [19,20]。锯齿型石墨烯纳米带 (ZGNR) 边缘具有自旋极化, 其反铁磁 (AFM) 基态为半导体性, 而铁磁态 (FM) 则是金属性。

实验室制备石墨烯常使用氧化石墨法, 在制备过程中常用高锰酸钾或者二氧化锰作氧化剂, 所以最后制备得到的石墨烯结构中难免会残留锰原子, 而且锰原子在石墨烯中残留会取代碳原子而形成掺杂结构。因此, 对于锰原子掺杂石墨烯结构性能研究就很重要。研究发现异质原子掺杂可以有效调制GNR的自旋特性。人们对GNR的物理和化学吸附掺杂的纳米结构的研究已经很多[21,22,23], Ni、Ti、Cr、Mn、Fe、Co等过渡元素在ZGNR的表面吸附都可以改变纳米带的磁化态。然而, 表面吸附时的结合能都很小, 在室温下吸附原子会沿表面迁移导致其电磁学性质不稳定, 相对来说杂质原子更容易吸附在缺陷位置。因此, 本工作对锰原子单空位掺杂ZGNR不同位置的电磁学性能进行研究, 结果发现, 掺杂石墨烯纳米带会随着锰原子掺杂的位置的变化分别表现出半导体性以及金属性, 通过调整掺杂位置可以调控掺杂纳米带的能带特性。同时, 掺杂纳米带的自旋特性会随着掺杂位置的变化而变化。

1 理论模型及计算方法

本研究选取的锯齿型石墨烯纳米带结构示意图如图1所示, ZGNR在x方向上有3个重复单元 (6条碳原子链) , 然后对其进行锰原子单空位掺杂, 锰原子的掺杂位置由边缘向中间移动。研究的6种掺杂位置从边缘到中央依次用数字1、2、3、4、5、6标记。结构示意图如图1所示, 每个掺杂以后的结构中所有的边缘碳原子都用一个氢原子 (图中浅色原子) 进行饱和处理, 对应6种掺杂位置的掺杂纳米带结构分别记为M1、M2、M3、M4、M5、M6。由于本研究的重点是掺杂位置的变化对纳米带电磁学性质的影响。因此, 对6种掺杂结构的性能研究都是在掺杂浓度相等的前提下进行的。

模型的结构优化和电磁学性能的计算使用了基于密度泛函理论的软件包SIESTA, 用PBE泛函形式的广义梯度近似 (GGA) 来处理交换关联能, 计算采用了Double-ξplus polarization (DZP) 的基组, 基矢展开平面波波函数截断能为200Ryd, 优化时的原子受力的收敛精度为0.05eV/atom, K点网格设置为1×1×10。

2 计算结果及分析

本工作首先计算了6种掺杂位置对应的6条纳米带的自旋能带结构。图2给出了完整无掺杂时ZGNR的自旋态密度图和能带结构图, 以作为比较。从图2中可以清楚地看到完整ZGNR呈现半导体特性, 自旋向上和自旋向下的态密度图是完全对称的, 图2中的自旋能带结构是简并的。图3给出了计算得到的6个不同位置掺杂纳米带的自旋能带结构, 其中各图左边表示自旋向上, 右边表示自旋向下。下面来分析锰原子掺杂对ZGNR的能带结构的影响。首先, 由于掺杂锰原子对ZNGR的对称性的破坏, 能带自旋简并性消失, 并且能带结构关于费米能级的对称性也被破坏。6个不同位置掺杂结构的能带结构各有特点, 其中1号掺杂位置对应的M1结构的能带结构表示锰原子掺杂在ZGNR边缘位置的情况, 与无掺杂的能带结构相比, M1能带中自旋向上的最低导带向费米能级方向移动, 而自旋向下的最高价带也靠近费米能级。M2的能带结构中的自旋向上和自旋向下的能带都开始跨过了费米能级, 到M3结构的时候, 这种情况是很明显的, 这表明锰原子掺杂在2号和3号位置时结构的半导体特性转变为金属特性。而随着掺杂位置向ZGNR的中间移动, 这种金属特性又消失了。M4和M5的能带结构中自旋向上和自旋向下的最低价带和最高导带又开始远离费米能级, 结构又恢复了半导体特性。当锰原子掺杂在最中间的6号位置时, 能带结构中又有能带通过了费米能级, M6结构又表现出明显的金属性。掺杂位置从ZGNR的边缘到中间变化, 对应结构的电子特性也随之发生变化, 从半导体性转变成金属性, 再变为半导体性, 最后恢复了金属特性。这个变化过程表明掺杂结构的电子特性对锰原子的掺杂位置十分敏感, 因此可以通过变化锰原子的掺杂位置来调制ZGNR的电学性能。

锰原子掺杂ZGNR 6种位置的自旋态密度图由图4给出, 包括自旋向上 (向下) 总态密度, 以及锰原子的自旋向上 (向下) 分波态密度。总态密度和图2的能带结构图完全对应, 未掺杂的ZGNR的带隙是0.56eV, M1、M4和M5的自旋能带带隙在表1中列出, 而6种Mn-ZGNR中锰原子的分波态密度主要在远离费米能级处有贡献, 锰原子的掺杂破坏了原来的态密度分布规律。

下面分析锰原子6种掺杂位置对应纳米带的自旋特性。分别计算6种掺杂结构的自旋电子密度分布图, 如图5所示。图5中最左边给出完整无掺杂ZGNR的自旋电子密度分布图作为比较, 图中黑色部分代表自旋向上电子, 灰色部分代表自旋向下电子, 没有掺杂的ZGNR的基态是反铁磁态。纳米带两边碳原子的磁矩大小完全相等, 其他碳原子的磁矩都相对很小。首先, 锰原子掺杂在1号位置时对应的结构M1的情况如图5所示, 无掺杂一边的碳原子的磁矩基本保持不变, 靠近掺杂一边的碳原子磁矩明显减小, 自旋向上电子聚集在锰原子周围, 而离锰原子最近的两个碳原子的磁性与原来正好相反, 掺杂的锰原子打破了原来的磁矩平衡。锰原子掺杂在2号位置时, 下边碳原子的磁矩相比在1号位置有所增大, 锰原子周围最近邻的3个碳原子磁性与原来相反。随着掺杂原子逐渐移向带中间, 下边边缘碳原子的磁矩逐渐变大, 基本接近本征态磁矩大小。锰原子掺杂位置在4号位置时的情形最值得注意, 发现下边缘的碳原子也变成自旋向下, 磁矩大小和上边缘碳原子的很接近。此时纳米带剩余磁矩最大, 掺杂的锰原子已经改变了纳米带的磁性。锰原子掺杂5、6号位置时, 纳米带又恢复了原来的自旋分布, 剩余磁矩减小, 然而锰原子掺杂位置在带中间时, 锰原子的掺杂促使两边边缘磁化态往带中间移动, 增加了两侧边缘磁化态的耦合度。

3 结论

本研究计算了在锯齿型石墨烯纳米带中的不同位置单空位掺杂锰原子的能带结构和自旋特性。计算结果表明, 掺杂破坏了能带的自旋简并性。在2号、3号和6号位置掺杂锰原子时纳米带表现出金属性特征, 而锰原子在1号、4号和5号位置掺杂时表现出半导体性特征。同时, 在磁学性质方面, 当锰原子掺杂在4号位置时, 纳米带的自旋特性最为特殊, 剩余磁矩最大。而在其他掺杂位置, 锰原子都不同程度地改变了边缘碳原子的磁矩, 掺杂位置越靠边缘, 磁矩变化越明显。掺杂后的石墨烯纳米带的电磁学性能与锰原子的掺杂位置密切相关, 这样就可以利用变换掺杂位置来调制石墨烯纳米带的电磁学特性, 以获得人们所需要的纳米电子器件。

摘要：基于密度泛函理论的第一性原理, 计算了锰原子单空位掺杂锯齿型石墨烯纳米带6种不同位置时的电磁学特性。结果表明:锰原子掺杂石墨烯纳米带的能带结构对掺杂位置十分敏感。随着锰掺杂位置的变化, 掺杂石墨烯纳米带分别表现出半导体性和金属性特征。锰原子掺杂石墨烯纳米带改变了原本的磁性特征, 掺杂位置不同, 结构磁性特点也不相同, 掺杂位置在4号位置时, 纳米带实现了由反铁磁态的锯齿型石墨烯纳米带向铁磁性的转化。锰原子掺杂锯齿型石墨烯纳米带可以调制其磁性和能带特性, 为石墨烯纳米带在电磁学领域应用提供一定的理论依据。