人工林赤腹松鼠危害程度與生境因子的關(guān)系研究(1.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；四川成都610064；2.洪雅縣林場(chǎng)，四川洪雅620364)摘要：2009年3～6月，采用樣方法對(duì)四川省洪雅縣人工林赤腹松鼠危害相關(guān)的生境因子進(jìn)行了調(diào)查。共計(jì)設(shè)置了240個(gè)樣方。樣方調(diào)查中記錄了2個(gè)反應(yīng)危害等級(jí)的變量(危害株數(shù)和喬木總數(shù))，11個(gè)生境變量(森林類(lèi)型、海拔、坡向、坡度、坡位、距最近道路距離、距最近水源距離、喬木均高、喬木平均胸圍、灌木蓋度和草本蓋度)。通過(guò)廣義線性模型研究這些因子與人工林赤腹松鼠危害程度的關(guān)系。結(jié)果顯示：赤腹松鼠危害程度與森林類(lèi)型、坡度、坡向、喬木平均胸圍呈顯著性相關(guān)，與其它因子無(wú)顯著相關(guān)性：在柳杉-杉木林中的危害高于純的柳杉林，在陰坡的危害低于其它坡向，危害程度隨坡度和喬木平均胸圍的增加而增加。關(guān)鍵詞：赤腹松鼠；人工林；生境因子；危害

StudyontheRelationshipbetweentheInfectedDegreeofPlantedforestbyRed-belliedSquirrelsandItsHabitatFactorsAbstract：Habitatfactorsrelatedtotheinfectionbyred-belliedsquirrelwereinvestigatedinplantedforestofHongyacounty,Sichuanprovince,fromMarchtoJune,2008.Atotalof240plotswerefixed.Twofactorsrelatedtothedegreeoftheinfection(thenumberoftheinfectedtreesandthetotalnumberofthetreesintheplot)wererecorded.Elevenfactorsassociatedwithhabitatweremeasured,whichincludedtypesofplantedforest,altitude,slopeaspect,slopegradient,slopelocation,distancetothenearestroad,distancetothenearestwater,treeaverageheight,treeaverageperimeter,shrubcoverandgrasscover.Ageneralizedlinearmodelwasusedtoanalyzetherelationshipbetweenthefactorsandinfecteddegreeofthered-belliedsquirrel.Theresultsshowedthattheinfecteddegreewassignificantlyrelatedtothetypeofplantedtrees,theslopegradient,theslopeaspect,andtheaveragediameteroftrees.ThesquirrelsinfectedtheCrypotomeriafortunei-CunninghamilanceolataforestsmorethantheCrypotomeriafortuneiforests.Theinfectiondegreewasincreasedastheincreaseofslopegradientandtheaveragediameterofthetrees.However,theinfectiondegreewaslowerinshadyslopethaninotherslopes.Keywords:Callosciuruserythraeus;plantation;habitatfactors;infection

赤腹松鼠Callosciuruserythraeus分布于東洋界，主要棲息于熱帶和亞熱帶森林，以混交林和針葉林中常見(jiàn)，是我國(guó)人工林的主要害鼠之一(朱永淡等，1994；董曉波等，2003)。其主要啃食柳杉Crypotomeriafortunei和杉木Cunninghamilanceolata等人工針葉林樹(shù)種的樹(shù)皮，造成林木的生長(zhǎng)延緩或者死亡，給林木的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)很大的損失(潘盛榮，1985；劉少英等，1998；徐緯等，2004)。赤腹松鼠等鼠類(lèi)啃食危害林木的原因或者機(jī)制已有許多研究和探索(方國(guó)運(yùn)，1981；李載鳴，1982；劉炯錫，1990；朱永淡等，1990；冉江洪，1999；蔡紅霞，2001)，主要的啃食原因可分為以下幾種：(1)赤腹松鼠在食物缺乏時(shí)啃食樹(shù)皮，是出于取食的需要(冉江洪，1999；蔡紅霞，2001；、尹三軍，2010)；(2)啃食樹(shù)皮與其繁殖行為相關(guān)(董嵐等，2009)；(3)與收集筑巢材料相關(guān)(尹三軍等，2010)；(4)與樹(shù)木所含的營(yíng)養(yǎng)成分相關(guān)(劉啟福等，1982)。從野外調(diào)查的情況看，赤腹松鼠的危害發(fā)生并不具有一致性，在赤腹松鼠的分布范圍內(nèi)有大面積的人工針葉林分布，但赤腹松鼠危害僅發(fā)生在局部區(qū)域。即使在同一個(gè)小區(qū)域，赤腹松鼠對(duì)一部分地塊有危害，而其它一些地塊卻沒(méi)有危害，而且沒(méi)有危害的地塊一樣發(fā)現(xiàn)有赤腹松鼠分布。這種現(xiàn)象表明，赤腹松鼠啃食危害林木，并非完全是生物體自身生存繁衍的需要，而是在一定環(huán)境條件下發(fā)生的特定行為，與環(huán)境因子存在著必然的聯(lián)系。赤腹松鼠的危害發(fā)生與環(huán)境因子的關(guān)系現(xiàn)在還沒(méi)有詳細(xì)的研究報(bào)道，僅李冬琴等(2011)在探討赤腹松鼠危害的空間分布格局時(shí)，得出在樣方尺度上林木株的受害程度與林木株冠層的交疊度和株下的草本蓋度成正相關(guān)的結(jié)論。為了探究赤腹松鼠危害與其生境的關(guān)系，揭示赤腹松鼠危害林木的原因，2009年3~6月在四川省洪雅縣設(shè)置樣方對(duì)赤腹松鼠危害林木的程度與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行了研究，目標(biāo)是：了解赤腹松鼠危害林木的程度與其生境內(nèi)的生物因子、非生物因子的相關(guān)關(guān)系，為控制赤腹松鼠的危害服務(wù)。1.研究區(qū)概況研究地位于四川省洪雅縣槽漁灘鎮(zhèn)的文山村(東經(jīng)103°11′～103°13′，北緯29°89～29°91′)和柳江鎮(zhèn)的玉屏山(東經(jīng)103°18′～103°20′，北緯29°66′～29°77′)兩個(gè)地點(diǎn)。2個(gè)研究地點(diǎn)的自然環(huán)境和植被狀況都極為相似。研究區(qū)海拔為800m～1300m，屬于亞熱帶濕潤(rùn)型氣候。植被主要以柳杉Crypotomeriafortunei和杉木Cunninghamilanceolata組成的人工針葉林為主，也有少量的次生闊葉林和灌叢植被。闊葉樹(shù)有燈臺(tái)Bothrocaryumcontroversum、白樺Betulaplatyphylla等。灌木以忍冬Lonicerajaponica、花楸Sorbuspohuashanensis等為主(任娟等，2010)。在人工林的林齡組成上，兩個(gè)地方存在一定的差異，文山村以中幼林為主，而玉屏山以成林為主。2.研究方法2.1樣方設(shè)置及生境測(cè)量野外調(diào)查采用樣線法，在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選擇行走樣線，在樣線上做調(diào)查樣方。當(dāng)平均胸圍>60cm時(shí)，樣方大小為20m×20m；平均胸圍≤60cm時(shí)，樣方大小為15m×15m。在每個(gè)樣方中，記錄以下13個(gè)參數(shù)：(1)危害株數(shù)：只要有被赤腹松鼠啃食的痕跡都記錄為受害株；喬木數(shù)量：直接計(jì)數(shù)樣地內(nèi)胸圍大于10cm的喬木株數(shù)。危害程度為=危害株樹(shù)/喬木數(shù)量。(2)森林類(lèi)型：劃分為純柳杉林和柳杉-杉木林。(3)喬木平均胸圍(cm)：選擇中等大小的樹(shù)木，用胸圍尺測(cè)量10株，樣方內(nèi)不足10株的全部測(cè)量。(4)喬木高度(m)：目測(cè)；灌木和草本蓋度(%)：目測(cè)。(5)坡向：劃分為陽(yáng)坡、陰坡、半陰半陽(yáng)坡、無(wú)坡向4個(gè)級(jí)別，用羅盤(pán)測(cè)量，22.5°～67.5°、292.5°～337.5°記為陰坡，67.5°～112.5°、247.5°～292.5°為半陰半陽(yáng)坡，112.5°～157.5°、202.5°～247.5°為陽(yáng)坡，平地記為無(wú)坡向。(6)海拔：用GPS在3D導(dǎo)航情況下測(cè)定；坡度(度)：羅盤(pán)實(shí)測(cè)；坡位：劃分為上、中、下坡和谷地4個(gè)類(lèi)型。(7)距最近道路(指公路和大的人行道路)距離(m)和距最近水源(有天然水流的溪流)距離(m)：目測(cè)。2.2統(tǒng)計(jì)方法在對(duì)野外收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，需要使用多個(gè)變量，而這些變量之間并不是獨(dú)立存在的，彼此具有相關(guān)性。為了分析變量間的密切程度，排除自變量間的自相關(guān)性對(duì)隨后進(jìn)行的回歸分析的影響，我們首先對(duì)自變量進(jìn)行了相關(guān)性分析，由于Pearson相關(guān)性分析需要滿足變量間存在線性關(guān)系的前提，而Spearman相關(guān)性分析不需要滿足這個(gè)前提(Zuuretal.,2009)，所以選用Spearman相關(guān)性分析。當(dāng)變量間相關(guān)系數(shù)r≥0.5，則依據(jù)各變量相關(guān)系數(shù)r的大小、相關(guān)性交互疊加頻次及研究的目標(biāo)，將相關(guān)性強(qiáng)的自變量剔除，保留生物學(xué)意義較為重要的變量(Lahaye&Gutierrez,1999)。由于樣本間存在空間自相關(guān)性，且自變量中既有連續(xù)性數(shù)據(jù)(continuousvariables)又有類(lèi)型數(shù)據(jù)(categoricalvariables)，我們選用基于廣義線性模型(GLM，GeneralizedLinearModel)的負(fù)二項(xiàng)回歸(Zuuretal.，2009)，將保留的變量與剩下的名義變量(森林類(lèi)型、坡向、坡位)一并納入回歸模型，分析因變量危害程度與上述自變量之間的關(guān)系。在進(jìn)行負(fù)二項(xiàng)回歸分析時(shí)，為在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下研究因變量與自變量的關(guān)系，我們引入喬木數(shù)量作為偏移量(offset)，從而將不同大小樣方里的喬木數(shù)量控制在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下(Blairetal.，2009)。又因?yàn)樽宰兞科孪蛴嘘?yáng)坡、陰坡、半陰半陽(yáng)坡、無(wú)向坡4個(gè)等級(jí)之分，為多分類(lèi)自變量，與因變量之間不存在線性關(guān)系，我們又引入啞變量(DummyVariable)，對(duì)于分類(lèi)數(shù)目為n的自變量，以其中n-1個(gè)分類(lèi)作為啞變量，比較各分類(lèi)變量間的差異(張文彤，2002)。數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)工作皆在SPSS16.0平臺(tái)上進(jìn)行。3結(jié)果兩個(gè)研究地共調(diào)查樣方240個(gè)，有赤腹松鼠危害的樣方為196個(gè)。其中，玉屏山調(diào)查調(diào)查樣方123個(gè)，受害樣方有117個(gè)；文山村調(diào)查117個(gè)，受害樣方為79個(gè)。調(diào)查樣方的海拔為966~1253m。樣方內(nèi)的喬木總株數(shù)范圍為9~140株，樣方的平均喬木胸徑范圍為14~150cm，距最近道路距離為0~400m，距最近水源距離0~300m。通過(guò)對(duì)海拔、坡度、距最近道路距離、喬木均高、喬木平均胸圍、距水源距離、灌木蓋度、草本蓋度8個(gè)變量做相關(guān)性分析(表1)，發(fā)現(xiàn)喬木均高、喬木平均胸圍、草本蓋度3個(gè)變量間的兩兩相關(guān)分析系數(shù)均≥0.5，依據(jù)兩兩相關(guān)系數(shù)大小、相關(guān)性疊加頻次和變量的生物學(xué)意義，剔除喬木均高、草本蓋度2個(gè)變量。保留喬木平均胸圍進(jìn)入隨后的負(fù)二項(xiàng)回歸分析。表1生境因子間Spearman秩相關(guān)系數(shù)Table1Spearmancorrelationcoefficientbetweenhabitatfactors變量Variables海拔坡度距最近道路距離喬木均高喬木平均胸圍距最近水源距離灌木蓋度草本蓋度海拔1-0.032-0.0330.287**0.284**-0.0490.358**0.067坡度10.161*0.262**0.195**-0.0970.147*0.267**距最近道路距離1-0.159*-0.213**0.255**-0.020-0.088喬木均高10.854**-0.0770.352**0.423**喬木平均胸圍1-0.0760.413**0.522**距最近水源距離1-0.086-0.161*灌木蓋度10.308**草本蓋度1**P<0.01,*P<0.05;海拔.Altitude,坡度.Slopeaspect,距最近道路距離.Distancefromthenearestroad,喬木均高.Treeaverageheight,距最近水源距離.Distancefromthenearestwater,灌木蓋度.Shrubcover,草本蓋度Grasscover,喬木平均胸圍.Treeaverageperimeter隨后，對(duì)表1保留的6個(gè)變量及森林類(lèi)型、坡位、坡向等3個(gè)變量分別進(jìn)行逐一的負(fù)二項(xiàng)回歸分析，發(fā)現(xiàn)坡位、距最近水源距離2個(gè)變量的擬合P值均大于0.2，其它變量均<0.05，因此隨后的負(fù)二項(xiàng)回歸分析也剔除這2個(gè)變量。將保留的7個(gè)變量納入回歸模型，進(jìn)行負(fù)二項(xiàng)回歸分析，結(jié)果顯示森林類(lèi)型(P<0.001)、坡向(P<0.001)、坡度(P<0.001)、喬木平均胸圍(P<0.001)這4個(gè)因子與赤腹松鼠危害程度具有極顯著相關(guān)性(P<0.001)，與其它因子的相關(guān)性不顯著(表2)。赤腹松鼠在混交林中的危害程度高于純林(B=1.851)；坡度越大，危害率越高(B=0.118)；喬木平均胸圍越大，危害率越高(B=0.312)。赤腹松鼠在半陰半陽(yáng)坡的危害最高，陽(yáng)坡和無(wú)向坡次之，陰坡最低，而且相互之間差異顯著(P<0.05)(圖)。表2負(fù)二項(xiàng)回歸分析危害程度與各生境因子的關(guān)系Table2Negativebinomialregressiontoanalyzetheassociationbetweentheinfecteddegreeandeachhabitatfactor參數(shù)ParameterBSEWaldχ2dfP截距Intercept--251.5841<0.001森林類(lèi)型Typeofplantation1.8510.25154.3541<0.001坡向Slopeaspect--7.2533<0.001海拔Altitude-0.0010.0020.05310.818坡度Slopegradient0.1180.01559.0731<0.001距最近道路距離Distancefromthenearestroad0.0040.0022.31710.128喬木平均胸圍Treeaverageperimeter0.3120.0063265.3081<0.001灌木蓋度Shrubcover-0.0040.0080.29910.585圖各坡向間赤腹松鼠危害程度的比較.Fig.ComparisonofdamagelevelofCallosciuruserythraeusbetweenslopeaspects

3討論本文研究結(jié)果表明，赤腹松鼠危害林木程度的高低，與森林類(lèi)型、坡向、坡度、喬木平均胸圍4個(gè)生境因子顯著相關(guān)，而與其它因子沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系。在對(duì)坡向的選擇上，本結(jié)果顯示在半陰半陽(yáng)坡的危害最重，陰坡的危害最輕。朱永淡(1994)也報(bào)道赤腹松鼠危害陽(yáng)坡重于陰坡。赤腹松鼠之所以對(duì)陰坡的危害最輕，主要是與赤腹松鼠的熱量需求有關(guān)，因?yàn)槲：χ饕l(fā)生在冬春季(蔡紅霞，2001)，這個(gè)時(shí)候的氣溫相對(duì)較低，在半陰半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡能獲得大量的熱量。赤腹松鼠營(yíng)巢枝也選擇在半陰半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡(溫知新，2010)，這有利于松鼠接受光照，提高冬季巢內(nèi)溫度(Wauters&Dhondt,1988；戎可等,2009)。在對(duì)喬木因子的選擇上，危害程度與喬木的平均胸圍有正相關(guān)關(guān)系，即胸圍越大，危害率越高。產(chǎn)生的原因與本次調(diào)查所采用的受害株的記錄方法有關(guān)，即只要發(fā)現(xiàn)林木株上有赤腹松鼠危害的痕跡，就記錄為受害，而不管受害的時(shí)間長(zhǎng)短，即是整個(gè)生長(zhǎng)期危害累積的結(jié)果，胸圍越大，表明樹(shù)齡越長(zhǎng)，其受到危害的幾率就越大，所以胸圍越大其累積的受害程度也就會(huì)越高。赤腹松鼠的危害程度與坡度成正相關(guān)關(guān)系，坡度越大，危害越大。這與赤腹松鼠的生活習(xí)性和生境選擇相關(guān)，其營(yíng)巢和活動(dòng)都選擇在坡度較大的地方，這有助其觀察，并增加地面捕食者的難度，而且在受到威脅時(shí)能迅速向坡的上方或下方移動(dòng)從而躲避天敵的捕食(溫知新等，2010，宋鵬飛等，2010)。赤腹松鼠在柳杉-杉木林中的危害程度高于純的柳杉林。從已有調(diào)查的結(jié)果看，赤腹松鼠對(duì)杉木的危害并不高于柳杉(尹三軍等，2010，李冬琴等，2011)，赤腹松鼠在柳杉-杉木危害程度高于純的柳杉林的原因有可能是“赤腹松鼠傾向于選擇植物種類(lèi)豐富度高的環(huán)境棲息”(陳恩倫，1988)而造成的。從本研究結(jié)果可以看出，赤腹松鼠危害林木的發(fā)生及程度主要與林木的立地條件相關(guān)，即主要是坡度和坡向。由于赤腹松鼠喜愛(ài)在高的坡度和非陰坡的坡面上活動(dòng)和筑巢，在純?nèi)斯ち值臈l件下，可供赤腹松鼠取食和做巢材的選擇材料少，會(huì)造成赤腹松鼠嚴(yán)重危害的發(fā)生。這也提示我們，在坡度大的地方造林時(shí)要盡量減少造林密度或者不造林，使灌木得以大量的生長(zhǎng)，以增加赤腹松鼠最偏好區(qū)域的食物豐富度，同時(shí)增加區(qū)域赤腹松鼠的容納量，因?yàn)槌喔顾墒笃迷诠嗄旧w度高和數(shù)量多的生境活動(dòng)和營(yíng)巢(溫知新等，2010，宋鵬飛等，2010)，可能會(huì)有利于減少赤腹松鼠對(duì)其它區(qū)域的危害。

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人工骨是指用人工材料制造的人骨替代品或者骨折固定材料，早期的人工骨設(shè)計(jì)只是模擬人體骨的外形特征，而不具備人體骨的功能，這就使早期的人工骨只能以異物的形態(tài)存在于人體中。而現(xiàn)在人工骨支架的設(shè)計(jì)，已經(jīng)不僅僅局限于替換，而是制造成一種臨時(shí)的支架，最終會(huì)在人體中降解。設(shè)計(jì)良好的骨支架應(yīng)在注入細(xì)胞懸液后，細(xì)胞能均勻地積附在支架材料上，植入體內(nèi)后可以使生長(zhǎng)因子、骨細(xì)胞、組織液滲透到骨支架內(nèi)部，誘導(dǎo)骨組織再生，縮短血管長(zhǎng)入時(shí)間，最終變成生命的有機(jī)體，從而實(shí)現(xiàn)骨移植。故現(xiàn)在的人工骨設(shè)計(jì)不僅僅只限于宏觀形態(tài)的建模，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)同樣非常重要，研究發(fā)現(xiàn)人工骨支架的微細(xì)結(jié)構(gòu)影響移植人工骨支架的生物降解和重構(gòu)，同時(shí)研究表明孔隙分布和孔隙率大小決定的毛細(xì)血管的長(zhǎng)入速度，進(jìn)而決定生物支架是否可以成活。國(guó)內(nèi)外在生物材料仿生設(shè)計(jì)以及微觀仿生建模方面做了許多深入的研究[7],但這些方法均存在著：eq\o\ac(○,1)無(wú)法定量描述人體骨微觀結(jié)構(gòu)；eq\o\ac(○,2)無(wú)法保證支架中孔隙間的連通性；eq\o\ac(○,3)無(wú)法較好地模擬與人體骨組織結(jié)構(gòu)相似的孔隙結(jié)構(gòu)特征的缺陷。文中基于分形理論和知識(shí)庫(kù)思想，利用分形維數(shù)來(lái)定量的描述人體骨的不規(guī)則性，并建立人體骨微孔結(jié)構(gòu)的知識(shí)庫(kù)，進(jìn)而使用豐富多樣的微孔結(jié)構(gòu)支撐人工骨支架三維結(jié)構(gòu)建模，達(dá)到人工骨支架較好的模擬人體骨組織結(jié)構(gòu)的目的。1人體骨的分形特征和分形維數(shù)計(jì)算1.1分形理論曼德布羅特在1975年創(chuàng)立分形幾何學(xué)，在此基礎(chǔ)上形成了研究分形性質(zhì)及其應(yīng)用的科學(xué),稱(chēng)為分形理論。分形理論的重要原則就是對(duì)于圖形必須具有自相似原則和迭代生成原則。它表征分形在通常的幾何變換下具有不變性,即標(biāo)度無(wú)關(guān)性。分形形體中的自相似性可以是完全相同,也可以是統(tǒng)計(jì)意義上的相似。具有自相似性的形態(tài)廣泛存在于人體中，如大腦皮層、毛細(xì)血管和肺部支氣管等。對(duì)于人體骨的電子掃描顯微鏡圖面進(jìn)行觀察分析后可以發(fā)現(xiàn)，從微觀上看，人體骨主要是由分布較均勻、連通性較好的孔構(gòu)成，如圖1(a)所示。對(duì)電鏡照片的灰度圖片進(jìn)行特征增強(qiáng)和邊緣提取，如圖1(b)所示，之后發(fā)現(xiàn)孔在二維空間上是以不規(guī)則的封閉曲線構(gòu)成的，人體骨的機(jī)能必然和孔的這種不規(guī)則有著密切的關(guān)系，因此必須對(duì)這些孔的不規(guī)則行進(jìn)行定量的描述，即求得其分形維數(shù)，作為自相似性的度量。(a)(b)圖1人體骨SEM圖像及處理后孔的形狀Fig.1SEMimagesofhumanbonesandtheshapeofprocessedholes1.2數(shù)字圖像分形維數(shù)計(jì)算分形維數(shù)的定義方式有:Hausdorff維數(shù)DH，信息維數(shù)Di，相似維數(shù)Ds，容量維數(shù)Dc，關(guān)聯(lián)維數(shù)Dg，Lyapunov維數(shù)Dl等等。對(duì)于具有嚴(yán)格自相似性的分形，可以證明其Hausdorff維數(shù)D式中：N為相似元數(shù)目；r為相似元的相似比。自然界中的分形往往表現(xiàn)出某種隨機(jī)性和尺度性，即僅在統(tǒng)計(jì)意義上表現(xiàn)出分形特征。在很多種情況下，Hausdorff維數(shù)和相似維數(shù)都是難以計(jì)算的，所以許多等價(jià)的或近似的維數(shù)定義被提了出來(lái)，其中應(yīng)用最廣的是計(jì)盒維數(shù)，也被稱(chēng)為盒維數(shù)。計(jì)盒維數(shù)DBD式中NδK為與F相交的計(jì)算盒維數(shù)的方法就是將圖像劃分為變長(zhǎng)為δk的網(wǎng)格，然后計(jì)算出覆蓋圖像中關(guān)心區(qū)域的網(wǎng)格的數(shù)目NδK。如果F具有分形特征，根據(jù)式（2），當(dāng)δk→0時(shí)，lnNδk/ln?(1δδk經(jīng)過(guò)這樣的網(wǎng)格劃分與統(tǒng)計(jì)，可以得到一系列“網(wǎng)格大小”與相應(yīng)“覆蓋網(wǎng)格數(shù)”的數(shù)據(jù)對(duì)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下進(jìn)行線性回歸分析，就能得到一條線性相關(guān)的直線，直線斜率即為圖像的計(jì)盒維數(shù)D1.3人體骨微孔結(jié)構(gòu)分析人體骨微觀孔(所有孔均是單連通)的不規(guī)則性與其計(jì)盒維數(shù)DB的大小有直接的關(guān)系，當(dāng)DB越大時(shí)，孔所表現(xiàn)出來(lái)的邊界越不規(guī)則。當(dāng)DB接近1時(shí)，孔的邊界非常規(guī)則，近似于圓弧或直線，隨著QUOTEDBDB的不斷變大，微觀孔所表現(xiàn)出來(lái)的不規(guī)則性越來(lái)越明顯。使用作者開(kāi)發(fā)的windows系統(tǒng)下人工骨支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)從人體骨電子掃描顯微鏡圖像中提取出的孔進(jìn)行分形維數(shù)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)人體骨中的大部分微孔邊界是很不規(guī)則的，分形維數(shù)幾乎沒(méi)有相同的，這些孔的分形維數(shù)大多數(shù)介于1.0~1.4之間，如圖2所示。圖2人體骨微觀孔輪廓和分形維數(shù)Fig.2Humanbonemicro-holeprofilesandtheirfractaldimensions2人體骨微觀孔結(jié)構(gòu)分形知識(shí)庫(kù)骨結(jié)構(gòu)的影響因素很多，一些醫(yī)學(xué)研究者對(duì)此進(jìn)行了有益的探索，陳超等【9】通過(guò)對(duì)合肥地區(qū)的健康人群調(diào)查發(fā)現(xiàn)，骨密度隨年齡的變化而變化，同一年齡段的男女骨密度并不相同。高國(guó)一等【10】調(diào)查分析了西雙版納、西藏、內(nèi)蒙古地區(qū)的健康人群骨密度的情況，發(fā)現(xiàn)成人傣族男性與藏族和蒙古族健康成人男性相比骨密度有顯著差異，藏族和蒙古族男性40歲以后骨密度均值有顯著性差異。傣族女性與蒙古族女性各年齡段骨密度均有顯著性差異，傣族與藏族女性30歲后骨密度有顯著性差異。調(diào)查研究結(jié)果顯示，人體骨結(jié)構(gòu)和年齡、性別、種族、地區(qū)、營(yíng)養(yǎng)、運(yùn)動(dòng)、飲食結(jié)構(gòu)、生活方式等諸多因素有關(guān)，而且人體內(nèi)不同部位的骨結(jié)構(gòu)亦不相同。這說(shuō)明不同人群骨的微孔結(jié)構(gòu)和相應(yīng)截面的分形維數(shù)有很大的不同，如果選擇與骨移植者骨結(jié)構(gòu)差別很大的微孔結(jié)構(gòu)，勢(shì)必會(huì)影響人工骨支架生物降解、重構(gòu)和毛細(xì)血管的生長(zhǎng)，降低生物支架的成活率。為了制造和骨移植者骨結(jié)構(gòu)更吻合的人工骨支架，將人體骨微孔結(jié)構(gòu)按照民族、地區(qū)、部位等因素分類(lèi)，建立人體骨微孔的知識(shí)庫(kù)（如圖3所示），針對(duì)不同的骨移植者選擇與之情況吻合的微孔結(jié)構(gòu)構(gòu)建人工骨支架，從而提高骨移植的成功率。圖3人體骨微觀結(jié)構(gòu)知識(shí)庫(kù)ER圖Fig.2DatabaseofhumanbonemicrostructureERdiagram3人工骨支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)從以上分析不難看出人工骨支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建立在數(shù)字圖像處理、分形理論研究和人體骨微孔知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上的，具體來(lái)講，人工骨支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程如下：eq\o\ac(○,1)被替換骨在CT或MRI設(shè)備上進(jìn)行掃描，獲得一組關(guān)于該骨的斷層圖像，經(jīng)過(guò)預(yù)處理、二值化、圖像分割、邊緣追蹤、樣條擬合等步驟生成宏觀結(jié)構(gòu)；eq\o\ac(○,2)從微孔知識(shí)庫(kù)中提取符合病人條件的微孔結(jié)構(gòu)，在輪廓內(nèi)隨填充微孔，使填充后的輪廓的孔隙率和分形維數(shù)與原病骨的孔隙率和分形維數(shù)相同或相近；eq\o\ac(○,3)生成STL文件，然后輸出到三維打印機(jī)快速成型骨支架。如圖4所示。圖4人工骨支架設(shè)計(jì)流程圖Fig.4Artificialbonescaffolddesignflowchart3.1知識(shí)庫(kù)的建立知識(shí)庫(kù)的建立需要大量真實(shí)的人體骨微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的主要來(lái)源是利用掃描電子顯微（SEM）鏡獲取的人體骨內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)圖片，這是一個(gè)長(zhǎng)期的、循環(huán)的、增量的過(guò)程，知識(shí)庫(kù)越豐富，所建立的人工骨支架越能接近人體骨的力學(xué)和生物學(xué)的要求。每張SEM骨結(jié)構(gòu)圖片都要記錄其來(lái)源信息，包括年齡、性別、民族、骨部位等。然后利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，依次對(duì)每張圖像進(jìn)行預(yù)處理，灰度變換，特征增強(qiáng)后轉(zhuǎn)化為黑白位圖，然后分割圖像，提取微孔后存入已建立好的微孔數(shù)組中。遍歷整個(gè)數(shù)組，計(jì)算每個(gè)微孔的分形維數(shù)，將微孔結(jié)構(gòu)、分形維數(shù)和其他信息存入知識(shí)庫(kù)中，流程如圖5所示。3.2人工骨支架二維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)人工骨支架的二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是人工骨支架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，人工骨支架的二維結(jié)構(gòu)要滿足一定的分形維數(shù)和孔隙率的要求，一般要和被移植骨的分形維數(shù)和孔隙率相同或者相近。首先給定二維結(jié)構(gòu)的輪廓，輪廓可以從CT圖片中獲取，然后從知識(shí)庫(kù)中選取符合條件的微孔結(jié)構(gòu)對(duì)輪廓進(jìn)行填充操作，例如要生成一個(gè)中年、男性、漢族、小腿骨的人工骨支架，需要從知識(shí)庫(kù)中查詢(xún)滿足條件的微孔結(jié)構(gòu)，隨機(jī)選擇符合條件的微孔隨機(jī)填充到輪廓中，隨后計(jì)算輪廓圖片的分形維數(shù)和孔隙率是否滿足要求，如果不滿足繼續(xù)填充，如果滿足則保存該輪廓圖片，繼續(xù)下一個(gè)輪廓的填充，流程如圖6所示。4人工骨支架建模結(jié)果分析研究表明模型的孔徑、孔隙率及孔內(nèi)部的貫通性是仿骨材料植入體內(nèi)后骨長(zhǎng)入方式和數(shù)量的決定性因素。材料內(nèi)部貫通氣孔的孔徑為10～40μm時(shí)，允許纖維組織長(zhǎng)入；孔徑為50～100μm時(shí)，允許非礦化的骨樣組織長(zhǎng)入；孔徑達(dá)到150μm以上時(shí)，能為骨組織的長(zhǎng)入提供理想場(chǎng)所，200～400μm的氣孔最有利于新骨生長(zhǎng)。材料孔隙率超過(guò)30%以后，孔隙之間能相互貫通。通過(guò)此軟件模擬建模計(jì)算，如圖7所示，模型的孔隙率可達(dá)到50%，能夠?qū)崿F(xiàn)層與層之間的相互貫通，滿足設(shè)計(jì)要求。這種材料植入體內(nèi)后，新生組織可以從材料表面長(zhǎng)入內(nèi)部各部分，而且相互結(jié)合起來(lái)，這樣不僅能獲得良好的界面結(jié)合，而且能較好地模擬與人體骨組織結(jié)構(gòu)相似的孔隙結(jié)構(gòu)特征。圖5知識(shí)庫(kù)建立流程圖圖6骨支架二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖Fig.45databasebuildflowchart.Fig.62-Dstructureofbonescaffolddesignflowchart(a)(b)(c)圖7人工骨支架建模流程Fig.7Artificialbonescaffoldmodelingflowchart

4結(jié)論利用分形理論和知識(shí)庫(kù)思想來(lái)設(shè)計(jì)人工骨支架結(jié)構(gòu)，建立了一種人工骨支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出類(lèi)似人體骨微觀結(jié)構(gòu)并且與人體骨外部形狀極其相似的人工骨，并能對(duì)微孔的大小、形狀和數(shù)量進(jìn)行控制,使人工骨支架結(jié)構(gòu)和人體骨微觀結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，使人工骨支架在一定程度上滿足生物和力學(xué)要求，為人體骨的仿生制造提供了基礎(chǔ)。

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