第五章 刚塑性有限元法基本理论与模拟方法

课程教学内容：

第一章绪论第二章塑性成形分析的理论基础第三章有限元法基本概念第四章弹塑性有限元法基本理论与模拟方法第五章刚塑性有限元法基本理论与模拟方法第六章几种通用有限元分析软件介绍（ANSYS、MARC、ABAQUS）第七章几种典型材料成形过程计算机模拟分析实例

刚塑性有限元法是在1973年提出来的，这种方法虽然也基于小应变的位移关系，但忽略了材料塑性变形时的弹性变形部分，而考虑了材料在塑性变形时的体积不变条件。它可用来计算较大变形的问题，所以近年来发展迅速，现已广泛应用于分析各种金属塑性成形过程。刚塑性有限元法的理论基础是变分原理，它认为在所有动可容的速度场中，使泛函取得驻值的速度场是真实的速度场。根据这个速度场可以计算出各点的应变和应力。5.1刚塑性有限元法及其变分原理介绍泛函是函数的函数;在泛函进行变分时根据其有无附加条件而分为一般变分和广义变分或条件变分；广义变分又分为不完全广义变分和完全广义变分。

对于实际的金属成形加工过程，弹性变形部分远小于塑性变形部分(弹性应变与塑性应变之比通常在1/100～1/1000)，因而可忽略弹性变形，将材料模型简化为刚塑性模型。采用刚塑性模型可大大简化有限元列式和求解过程。与弹塑性有限元法相比较，可采用较大的时间增量步长。在保证足够的工程精度的前提下，可提高计算效率。

由于刚塑性有限元法采用率方程表示，材料变形后的构形可通过在离散空间对速度的积分而获得，从而避开了应变与位移之间的几何非线性问题。由于忽略了弹性变形，刚塑性有限元法仅适合于塑性变形区的分析，不能直接分析弹性区的变形和应力状态，也无法处理卸载和计算残余应力与变形。由于刚塑性模型假设，对一般的体积不可压缩材料，因为其静水压力与体积应变率无关，如要计算应力张量，还必须进行应力计算的处理。

从数学的角度来讲，有限元法是解微分方程的一种数值方法。它的基本思想是：在整个求解区域内要解某一微分方程很困难(即求出原函数)时，先用适当的单元将求解区域进行离散化，在单元内假定一个满足微分方程的简单函数作为解，求出单元内各点的解；然后，再考虑各单元间的相互影响，最后求出整个区域的场量。刚塑性有限元法的求解过程

(1)离散化处理；(2)单元分析的基础上集合成总体方程组；(3)刚塑性有限元法集合成的总体方程组为一非线性方程组，还须线性化处理并采用迭代方法求解。

刚塑性有限元法按照处理方法的不同分成如下5种：(1)流函数法；(2)拉格朗日乘子法；(3)罚函数法；(4)泊松系数v接近0.5法；(5)材料可压缩性法。5.1.1刚塑性材料基本假设

对于大变形金属塑性成形问题，将变形体视为刚塑性体，即把变形中的某些过程理想化，便于数学上处理。此时，材料应满足下列假设：(1)不计材料的弹性变形；(2)材料的变形流动服从Levy-Mises流动法则；(3)材料是均质各向同性体；(4)材料满足体积不可压缩性；(5)不计体积力与惯性力；(6)加载条件(加载面)给出刚性区与塑性区的界限。5.1.2第一变分原理

刚塑性材料的第一变分原理又称为马尔柯夫(Markov)变分原理,其为：在满足：(1)速度-应变速率关系(在上)的一切动可容场，中使泛函：

的变分为零，即：，且取极小值的，必为本问题的真实解。

(2)体积不可压缩条件(3)速度边界条件证明：设真实解为和，而许可解由屈服条件和本构方程有：

(a)则有：

由最大塑性功原理，有：(b)由虚功率原理得：(c)

将(c)式代人(b)式得：(d)注意，在Su上。将(d)式代人(e)式有：(e)将(a)式代人(e)式有：(f)

即：因此，泛函取最小值，

于是第一变分原理得证

5.1.3完全广义变分原理在第一变分原理中，所选择的速度场必须满足(1)，(2)和(3)式，实际问题中，有些条件比较容易满足，而有些条件则不易满足。为了容易选择速度场，应用条件变分的概念，引用拉格朗日(Lagrangian)乘子，和，将运动许可解所必须满足的条件引入泛函中，则得到新的泛函：(*)在任意选取的、中，真实解使(*)式的泛函取驻值，这就是刚塑性完全广义变分原理。第一变分原理和完全广义变分原理对比第一变分原理所选择的和只要求满足运动许可条件，而静力许可条件是通过变分近似满足的。据广义变分原理预选的和不受任何约束，所有的方程均由变分近似满足。所以，由第一变分原理计算的近似解较广义变分原理得到的解更精确。但前者在预选满足运动许可条件的速度场时比后者困难。

5.2.3不完全广义变分原理

在选取运动许可解和时，可将其应满足的三个条件中的任意两个或一个事先得到满足，而将其余的一个或两个，通过拉格朗日乘子引入泛函中，组成新的泛函，真实解使泛函取驻值，这就是不完全广义变分原理。在选择速度场时应变速率与速度的关系(1)式和速度边界条(3)式容易满足，而体积不可压缩条件(2)式难于满足。因此，可以把体积不可压缩条件用拉格朗日乘子入引入到泛函中，得到新泛函：(**)可以证明，在一切满足应变速率与速度关系和速度边界条件的中，使泛函(**)式取驻值的为真实解。

按照Markov变分原理求解时，面临速度场选取的困难。因而在实际求解时常采用不完全广义变分原理求解塑性变形过程。对刚塑性体和刚粘塑性体，按Markov变分原理确定的泛函为：

(***)

解决的问题是寻找某种方式将体积不可压缩条件(2)式引入泛函(***)中，构成新的泛函，使问题转变成对新泛函的无条件的驻值问题。通常采用拉格朗日乘子法、罚函数法及修正罚函数法来构造新的泛函。通过这样的方法将体积不可压缩条件引入后，便能求静水压力，从而解决了因忽略材料的弹性变形而带来的应力计算的困难。5.2刚塑性增量理论的广义变分原理

欲求解变形体在塑性变形时的场变量，首先要建立基本方程组。

5.2.1基本方程基本方程如下：微分平衡方程或运动方程:(5-1)

速度与应变速率的关系：(5-2)

式中：速度；应变速率列维—密赛斯应力—应变速率关系：(5-3)

假设材料符合密赛斯屈服准则，即:式中k是变形过程的函数，如材料是理想刚塑性体时，k=const式5-3两边平方后得：

将式5-4代入式5-5整理后得：(5-6)

将式5-6代入式5-3可得：(5-7)

这就是符合密赛斯屈服准则的应力应变关系式。

(5-4)(5-5)体积不可压缩条件:(5-8)

边界条件:边界条件分为力学边界条件和位移边界条件，分别为：(5-9)

(5-10)

利用上述方程和边界条件，虽然在理论上是可以求解的，但实际上很困难，只有在几种简单情况下才能求出解析解。刚塑性有限元法借助于变分原理可求出近似解，对变形场的位能泛函进行变分，当变分取得驻值时，变形场满足平衡微分方程和力学边界条件。处理体积不变条件的方法有两种：

一是在假设初始速度场时，除了满足速度边界条件以外，还应严格满足体积不变条件，这种方法给假设初始速度场带来困难。另一种方法是假设初始速度场只满足速度边界条件，而对体积不变引入约束条件，即拉格朗日乘子进行有条件变分。这种方法在运算中较易实现，目前已得到广泛应用，下面对这种方法进行详细论述。

5.2.2不完全的广义变分原理刚塑性有限元计算需要先选择初始速度场。在选择初始速度场时，速度边界条件容易满足，而体积不可压缩条件较难满足。因此，把体积不可压缩条件用拉格朗日乘子引入泛函中去。这种有条件的但并非将所有条件引入泛函的变分称之为不完全的广义变分，所建立的泛函为：式中：Sp变形体边界中应力边界部分；δ克罗内克尔（Kronecker）符号。(5-11)

刚塑性不完全的广义变分原理认为：在所有满足速度-应变速率关系和速度边界条件的vi中，使泛函式5-11取得驻值的vi是真实解。

在忽略体力的情况下，式5-11还可写成另一种形式，即

式中：

(5-12)

注意在刚塑性有限元中，利用的屈服准则是密赛斯屈服条件，它的一阶导数是连续的，在计算中一般略去体力，并设外力在变形过程中不变。对于有硬化的材料，假设剪切屈服极限在一小段范围内是常数，采取台阶形硬化曲线来代替真实硬化曲线，这样处理可大大简化变分的运算。下面证明这一原理。由式5-12变分得：

采用密赛斯屈服准则，有：

(5-13)(5-14)将式5-14代入式5-13得：

(5-15)且，在上，由此得：

因为：(5-16)将式5-16代入式5-15得：因和都是任意的，要使泛函的变分为零，即取得驻值，必须满足下列等式：（在表面上）(5-18)（在V体积内）(5-19)（在V体积内）(5-20)（在V体积内）(5-21)

由式5-21可知，泛函变分为零时，满足体积不变条件。由式5-20可得：

拉格朗日乘子λ等于平均应力，即静水压力。这就是拉格朗日乘子λ的物理意义。由式5-19可知，泛函变分为零时，在整个体积内都满足运动方程，即平衡微分方程。由式5-18可以看到，泛函变分为零时，满足应力边界条件。这就证明了在满足速度边界和应变速率与速度关系的速度场vi中，当泛函变分为零时，满足所有的基本方程，所以这个速度场就是真实解。

(5-22)

5.3拉格朗日乘子法为使有限元计算方便，将式5-11改写成矩阵形式如下：

(5-23)式中：应变速率列阵；速度列阵；应力边界Sp上给定的表面力列阵；矩阵记号，体力列阵。在计算中如材料有硬化作用时，采用阶段硬化曲线来代替真实硬化曲线，如下图所示。经这样的处理，变分时可将k视作常数，可从积分号中提出。计算中若忽略体积力，则泛函又可写成如下形式：(5-24)注意上式中：

阶段硬化曲线来代替真实硬化曲线5.3.1离散化假设变形体被划分为M个单元，N个节点，由此可知：(5-25)对于一个单元而言，可建立下列泛函：(5-26)式中：V′单元的体积；S′单元的边界。在单元内有：(5-27)

(5-28)其中为单元节点的速度列阵。

将式5-27和式5-28代入式5-26得到：

(5-29)

令：（这里[K]不是刚度矩阵）

对于一个单元来说，节点的速度和λ都是定值。所以式5-29可写成：

(4-30)泛函中只含单元的节点速度和，未知数为、即：集合成整体，得：

泛函变分为零（），即得：(5-32)

由于变分，和是任意的独立变量，所以有：(5-33)

式中：k求解问题的维数。

(5-31)

对于每个单元有：由式5-34集合成的方程组是非线性的，求解时需先进行线性化，下面就此问题展开讨论。

(5-34)

5.3.2方程的线性化

求解非线性问题的一种常用方法是摄动法，这种方法是先假设一个初始解，根据这个解求出修正量，利用修正量修改原初始解，再由修正后的解求出新的修正解，如此这样通过反复迭代来逼近真解。采用这种求解方法就能把非线性方程组化为线性方程组来求解。设有一个初始速度场{u}和相对应的速度增量{∆u}，则每次迭代之间的速度有如下关系：

将式5-35代入式5-34得：

(5-36)

现令：

(5-35)

略去高次小量，并注意是一个数，即：把形如的因子展成幂级数并取线性项得：(5-37)

因：

令：

则：将上式代入式5-37后得(5-38)

略去高次微量得：(5-39)再令：

得：(5-40)

将式5-40写成矩阵形式为：(5-41)

其中：(5-42)

将单元分析得到的式5-41代入式5-33，就得到刚塑性有限元法求解的矩阵方程组，即：

(5-43)

求解真实速度场时采用迭代法，其迭代的收敛判据取范数比，当范数比小于某一定值，如0.00001时，认为泛函已收敛，即：

(5-44)

从以上论述可以看出：引入拉格朗日乘子后，在假设初始速度场时，可以不满足体积不可压缩条件，这对选择初始速度场有很大方便；(2)拉格朗日乘子有明确的物理意义，即收敛时的拉格朗日乘子就是对应单元的静水压力。(3)在变分运算中，假设剪切屈服应力是常数。因此，在计算有加工硬化的材料时，每次取的移动量不能太大，特别对于硬化显著的材料要尽可能取较小的步长。(4)在线性化中，采用了摄动法，并应用了牛顿（Newton）二项式展开，展开时假设{∆u}是小量，并略去了高阶微量，因此在计算中，每次的修正量要小，否则影响收敛性。

5.4材料可压缩性法5.4.1理论基础

刚塑性有限元法引入拉格朗日乘子后，可求得平均应力，但这样增加了许多未知数和方程数，计算量大大增加了。从分析可知，一般刚塑性有限元法不能求解平均应力的原因在于屈服条件中没有考虑平均应力的影响。材料有可压缩的刚塑性有限元是假设屈服条件与平均应力有关，并写作为：

(5-45)式中：g为一个数值很小的正常数，一般取作0.01；平均应力，由式5-45可看出：当g=0时，即为密赛斯屈服准则，屈服曲面在应力空间为一圆柱面；当g≠0时，屈服面在应力空间为一椭球面，如下图所示。屈服轨迹密赛斯屈服条件下的势函数为：

同理，可压缩性材料的势函数为：

所以：

(5-46)(5-47)(5-48)又因：

体积变化速率为：上式表明，可压缩性材料的体积变化速率不为零。(5-49)(5-50)因为：又因：(5-52)(5-51)由式5-45和式5-52可得：

设等效应变速率为：(5-53)(5-54)式5-53可写作如下形式：(5-55)将式5-56代入式5-50可得：即：(5-57)(5-56)将式5-56代入式5-51得：(5-58)(5-59)上式写成矩阵形式为：(5-61)

(5-60)由以上可以看出，可压缩性材料的应力与应变之间的关系系数与不可压缩材料有相同形式，区别在于对等效应力和等效应变有不同的定义，即：

(5-63)

(5-62)

5.4.2系数g的取值系数g的取值直接影响计算结果的精度，g的取值可由实验来确定，表5-1中给出了在单向压缩时，不同g值所对应的屈服应力近似值以及高度压缩率为10%时的体积变化。由表可看出，取g=0.01时，式5-45与密赛斯屈服条件相当接近，此时体积变化也很小。5.4.3求解方程的建立

对于变形体，可建立相同的泛函，即：

(5-64)为了计算方便，上式后面一项表示成矩阵形式为：

(5-65)

对于可压缩性材料发生塑性变形时，因塑性判据与平均应力有关，相当于隐含考虑了体积不可压。因此，对初始速度场的选择不需要严格满足体积不可压缩条件。计算过程是先将变形体离散，划分成M个单元和N个节点。第m个单元的真实速度场的泛函为，假设位移模式的速度场所得的泛函值为设:则:

对泛函进行变分，当变分为零时，泛函取得驻值，这时的速度场是真实的速度场。因是任意的，所以有：

式中：k为维数，对于三维问题，kN=3N，即可得3N个方程。(5-67)

(5-66)

(5-68)

在单元内有:(5-69)(5-70)将式5-54代入式5-64得：

(5-71)

上式写成矩阵形式为：(5-72)

设:(5-73)式中:(5-74)

(5-76)(5-75)式5-72又可写作：

(5-77)

式中对式5-77求导得：

(5-78)将按阶段硬化处理，将式5-78代入式5-68可得到一组方程，对于三维问题一共可得3N个方程，包含3N个未知数，即：

(5-79)所得的方程组式5-79是非线性的，不能直接求解，需进行线性化，采用牛顿-拉夫森（Newton-Raphson）方法线性化，设第n+1次速度场是第n次速度场增加一个，则有下列关系式：(5-80)

将式5-80代入式5-79中，并在处按台劳(Taylor)级数展开，略计高阶微小量，得到下列线性方程组，即：由式5-81得到的线性方程组就能在假设一初始速度场的基础上进行反复迭代，最后收敛于真解。利用这种方法求出来的应力不再是应力偏量，而是全应力。(5-81)对于轴对称问题，当单元采用等参四边形单元时，式5-81中的有下列展开式：式中：

(5-82)

(5-83)(5-84)(5-85)式中：k−2、k−1、k、k+1为下标i、j、k、m的代号，0为下标时表示平均值。

B、C、D分别由式2-28和式2-36中对应A、B、G的给出。5.5罚函数法5.5.1求解方程的建立刚塑性有限元法的一个基本假设是体积不变，罚函数法从这一点入手，引入一个很大的正数乘以体积应变速率的平方，即：

(5-86)

将此项添加到泛函中去，于是可将式5-11改写如下：(5-87)

当在每一点的变化率都接近零时，这个泛函就取得最小值，这时所对应的速度场就逼近真实速度场。可以按照处理拉格朗日乘子法同样的步骤导出罚函数法的计算公式。

罚函数法与拉格朗日乘子法的不同之处在最后一项，下面只对这一项进行分析。令这一项为，即：

将上式写成矩阵形式为：其中因：(5-90)

(5-88)(5-89)

将式5-90代入式5-89得：对泛函变分后，项为：因是一个数，故有，则(5-91)

(5-92)

(5-93)

是节点的速度，可将其从积分号中提出，即：(5-94)其中:

因泛函变分取得驻值时所建立的求解方程是速度的非线性函数，求解时需采用摄动法对方程进行线性化，其中体积变化率这一项为：用式5-95代替代替式5-40中的可得下式：由前面推导有：(5-97)将式5-96代入式5-97得：

(5-96)

(5-98)式中：式5-98可写成如下的简单形式，即：罚函数法对于三维问题一共只有3N未知数和3N个方程，这比拉格朗日乘子法要少M个方程和未知数，因此可节省内存和计算时间。这种方法还有一个特点就是收敛速度快，这给求解真实速度场提供了一个有效的办法。罚函数法中的是一个很大的正数，它的取值是否合理，直接影响到收敛速度。一般取。罚函数法的缺点是在求解时只能求出应力偏量，而平均应力不知道，为此不少人在这方面做了大量工作，下面介绍一种在罚函数法中求解平均应力的方法。(5-99)利用已求出的应力偏量，可求出平均应力，推导如下。应力张量可分解为应力偏量和球张量，即：5.5.2应力的求取(5-100)式中：为平均应力。

将式5-100对坐标求偏导得：(5-101)

由平衡方程有：由式5-101和式5-102得：

(5-102)(5-103)则:因：(5-104)(5-105)对上式两边积分(5-106)得：(5-107)有限元法将变形体划分成许多小单元，任一点的应力偏量可由它所在单元的各节点上的应力偏量来表示，即：注意：在有限元计算中，一般都引进局部坐标系，对整体坐标微分时应采用复合微分，设局部坐标为Qj，则：(5-108)其中表示k节点的应力偏量(5-109)其中为雅可比矩阵的逆矩阵。

又有(4-110)将式5-109和式5-110代入式5-107得：

这样，只要找到一个参考点，例如某边界上一点的应力为已知，就可逐点积分来求出各点的平均应力值。

(4-111)5.6三种应力计算方法的比较

拉格朗日乘子法由于引入了附加未知数(乘子)，使方程数增多和总刚度矩阵带宽增大，求解方程的计算时间要比另两种方法长；三种方法的总刚度矩阵均为对称的、稀疏的矩阵，但是拉格朗日乘子法的刚度阵不呈现带状，而罚函数法和修正罚函数法的刚度阵均呈带状。因此，后两种方法可节省贮存空间和求解方程时间。刚度矩阵元素分布示意(a)拉格朗日乘子法(b)罚函数法、修正的罚函数法5.3.4三种应力计算方法的比较

当初始速度场选取不当时，罚函数法和修正罚函数的方程组会成病态，此时，或值很大，可能导致迭代过程不收敛。因此，罚函数法和修正罚函数法是对初始速度场敏感的。MagneticResonanceImaging磁共振成像发生事件作者或公司磁共振发展史1946发现磁共振现象BlochPurcell1971发现肿瘤的T1、T2时间长Damadian1973做出两个充水试管MR图像Lauterbur1974活鼠的MR图像Lauterbur等1976人体胸部的MR图像Damadian1977初期的全身MR图像

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2003诺贝尔奖金LauterburMansfierd时间MR成像基本原理实现人体磁共振成像的条件:人体内氢原子核是人体内最多的物质。最易受外加磁场的影响而发生磁共振现象(没有核辐射)有一个稳定的静磁场（磁体）梯度场和射频场：前者用于空间编码和选层，后者施加特定频率的射频脉冲，使之形成磁共振现象信号接收装置：各种线圈计算机系统：完成信号采集、传输、图像重建、后处理等

人体内的H核子可看作是自旋状态下的小星球。自然状态下，H核进动杂乱无章，磁性相互抵消zMyx进入静磁场后，H核磁矩发生规律性排列（正负方向），正负方向的磁矢量相互抵消后，少数正向排列（低能态）的H核合成总磁化矢量M，即为MR信号基础ZZYYXB0XMZMXYA:施加90度RF脉冲前的磁化矢量MzB:施加90度RF脉冲后的磁化矢量Mxy.并以Larmor频率横向施进C:90度脉冲对磁化矢量的作用。即M以螺旋运动的形式倾倒到横向平面ABC在这一过程中，产生能量

三、弛豫（Relaxation）回复“自由”的过程

1.

纵向弛豫（T1弛豫）：

M0（MZ）的恢复，“量变”高能态1H→低能态1H自旋—晶格弛豫、热弛豫

吸收RF光子能量（共振）低能态1H高能态1H

放出能量（光子，MRS）T1弛豫时间：

MZ恢复到M0的2/3所需的时间

T1愈小、M0恢复愈快T2弛豫时间：MXY丧失2/3所需的时间；T2愈大、同相位时间长MXY持续时间愈长MXY与ST1加权成像、T2加权成像

所谓的加权就是“突出”的意思

T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别

T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别。

磁共振诊断基于此两种标准图像磁共振常规h检查必扫这两种标准图像.T1的长度在数百至数千毫秒（ms）范围T2值的长度在数十至数千毫秒（ms）范围

在同一个驰豫过程中,T2比T1短得多

如何观看MR图像：首先我们要分清图像上的各种标示。分清扫描序列、扫描部位、扫描层面。正常或异常的所在部位---即在同一层面观察、分析T1、T2加权像上信号改变。绝大部分病变T1WI是低信号、T2WI是高信号改变。只要熟悉扫描部位正常组织结构的信号表现，通常病变与正常组织不会混淆。一般的规律是T1WI看解剖,T2WI看病变。磁共振成像技术－－图像空间分辨力，对比分辨力一、如何确定MRI的来源（一）层面的选择1.MXY产生（1H共振）条件

RF=ω=γB02.梯度磁场Z（GZ）

GZ→B0→ω

不同频率的RF

特定层面1H激励、共振

3.层厚的影响因素

RF的带宽↓

GZ的强度↑层厚↓〈二〉体素信号的确定1、频率编码2、相位编码

M0↑--GZ、RF→相应层面MXY----------GY→沿Y方向1H有不同ω

各1H同相位MXY旋进速度不同同频率一定时间后→→GX→沿X方向1H有不同ω沿Y方向不同1H的MXYMXY旋进频率不同位置不同（相位不同）〈三〉空间定位及傅立叶转换

GZ----某一层面产生MXYGX----MXY旋进频率不同

GY----MXY旋进相位不同（不影响MXY大小）

↓某一层面不同的体素，有不同频率、相位

MRS（FID）第三节、磁共振检查技术检查技术产生图像的序列名产生图像的脉冲序列技术名TRA、COR、SAGT1WT2WSETR、TE…….梯度回波FFE快速自旋回波FSE压脂压水MRA短TR短TE－－T1W长TR长TE－－T2W增强MR最常用的技术是：多层、多回波的SE（spinecho，自旋回波）技术磁共振扫描时间参数：TR、TE磁共振扫描还有许多其他参数：层厚、层距、层数、矩阵等序列常规序列自旋回波（SE）,快速自旋回波（FSE）梯度回波（FE）反转恢复（IR），脂肪抑制（STIR）、水抑制（FLAIR）高级序列水成像（MRCP,MRU,MRM）血管造影（MRA,TOF2D/3D）三维成像（SPGR）弥散成像（DWI）关节运动分析是一种成像技术而非扫描序列自旋回波（SE）必扫序列图像清晰显示解剖结构目前只用于T1加权像快速自旋回波（FSE）必扫序列成像速度快多用于T2加权像梯度回波（GE）成像速度快对出血敏感T2加权像水抑制反转恢复（IR）水抑制（FLAIR）抑制自由水梗塞灶显示清晰判断病灶成份脂肪抑制反转恢复（IR）脂肪抑制（STIR）抑制脂肪信号判断病灶成分其它组织显示更清晰血管造影（MRA）无需造影剂TOF法PC法MIP投影动静脉分开显示水成像（MRCP，MRU，MRM）含水管道系统成像胆道MRCP泌尿路MRU椎管MRM主要用于诊断梗阻扩张超高空间分辨率扫描任意方位重建窄间距重建技术大大提高对小器官、小病灶的诊断能力三维梯度回波（SPGR） 早期诊断脑梗塞

弥散成像MRI的设备一、信号的产生、探测接受1.磁体（Magnet）:静磁场B0（Tesla,T）→组织净磁矩M0

永磁型（permanentmagnet）常导型（resistivemagnet）超导型（superconductingmagnet）磁体屏蔽（magnetshielding）2.梯度线圈（gradientcoil）:

形成X、Y、Z轴的磁场梯度功率、切换率3.射频系统（radio-frequencesystem，RF）

MR信号接收二、信号的处理和图象显示数模转换、计算机，等等；MRI技术的优势1、软组织分辨力强（判断组织特性）2、多方位成像3、流空效应（显示血管）4、无骨骼伪影5、无电离辐射，无碘过敏6、不断有新的成像技术MRI技术的禁忌证和限度1.禁忌证

体内弹片、金属异物各种金属置入：固定假牙、起搏器、血管夹、人造关节、支架等危重病人的生命监护系统、维持系统不能合作病人，早期妊娠，高热及散热障碍2.其他钙化显示相对较差空间分辨较差（体部，较同等CT）费用昂贵多数MR机检查时间较长1.病人必须去除一切金属物品，最好更衣，以免金属物被吸入磁体而影响磁场均匀度，甚或伤及病人。2.扫描过程中病人身体（皮肤）不要直接触碰磁体内壁及各种导线，防止病人灼伤。3.纹身（纹眉）、化妆品、染发等应事先去掉，因其可能会引起灼伤。4.病人应带耳塞，以防听力损伤。扫描注意事项颅脑MRI适应症颅内良恶性占位病变脑血管性疾病梗死、出血、动脉瘤、动静脉畸形（AVM）等颅脑外伤性疾病脑挫裂伤、外伤性颅内血肿等感染性疾病脑脓肿、化脓性脑膜炎、病毒性脑炎、结核等脱髓鞘性或变性类疾病多发性硬化（MS）等先天性畸形胼胝体发育不良、小脑扁桃体下疝畸形等脊柱和脊髓MRI适应证1.肿瘤性病变椎管类肿瘤（髓内、髓外硬膜内、硬膜外），椎骨肿瘤（转移性、原发性）2.炎症性疾病脊椎结核、骨髓炎、椎间盘感染、硬膜外脓肿、蛛网膜炎、脊髓炎等3.外伤骨折、脱位、椎间盘突出、椎管内血肿、脊髓损伤等4.脊柱退行性变和椎管狭窄症椎间盘变性、膨隆、突出、游离，各种原因椎管狭窄，术后改变，5.脊髓血管畸形和血管瘤6.脊髓脱髓鞘疾病（如MS），脊髓萎缩7.先天性畸形胸部MRI适应证呼吸系统对纵隔及肺门区病变显示良好，对肺部结构显示不如CT。胸廓入口病变及其上下比邻关系纵隔肿瘤和囊肿及其与大血管的关系其他较CT无明显优越性心脏及大血管大血管病变各类动脉瘤、腔静脉血栓等心脏及心包肿瘤，心包其他病变其他（如先心、各种心肌病等）较超声心动图无优势，应用不广腹部MRI适应证主要用于部分实质性器官的肿瘤性病变肝肿瘤性病变，提供鉴别信息胰腺肿瘤，有利小胰癌、胰岛细胞癌显示宫颈、宫体良恶性肿瘤及分期等，先天畸形肿瘤的定位（脏器上下缘附近）、分期胆道、尿路梗阻和肿瘤，MRCP，MRU直肠肿瘤骨与关节MRI适应证X线及CT的后续检查手段－－钙质显示差和空间分辨力部分情况可作首选：1.累及骨髓改变的骨病（早期骨缺血性坏死，早期骨髓炎、骨髓肿瘤或侵犯骨髓的肿瘤）2.结构复杂关节的损伤（膝、髋关节）3.形状复杂部位的检查（脊柱、骨盆等）软件登录界面软件扫描界面图像浏览界面胶片打印界面报告界面报告界面2合理应用抗菌药物预防手术部位感染概述外科手术部位感染的2/3发生在切口医疗费用的增加病人满意度下降导致感染、止血和疼痛一直是外科的三大挑战，止血和疼痛目前已较好解决感染仍是外科医生面临的重大问题，处理不当，将产生严重后果外科手术部位感染占院内感染的14%～16%，仅次于呼吸道感染和泌尿道感染，居院内感染第3位严重手术部位的感染——病人的灾难，医生的梦魇

预防手术部位感染（surgicalsiteinfection,SSI)

手术部位感染的40%–60%可以预防围手术期使用抗菌药物的目的外科医生的困惑★围手术期应用抗生素是预防什么感染？★哪些情况需要抗生素预防？★怎样选择抗生素？★什么时候开始用药？★抗生素要用多长时间？定义：指发生在切口或手术深部器官或腔隙的感染分类：切口浅部感染切口深部感染器官／腔隙感染一、SSI定义和分类二、SSI诊断标准——切口浅部感染

指术后30天内发生、仅累及皮肤及皮下组织的感染，并至少具备下述情况之一者：

1．切口浅层有脓性分泌物

2．切口浅层分泌物培养出细菌

3．具有下列症状体征之一：红热，肿胀，疼痛或压痛，因而医师将切口开放者（如培养阴性则不算感染）

4．由外科医师诊断为切口浅部SSI

注意：缝线脓点及戳孔周围感染不列为手术部位感染二、SSI诊断标准——切口深部感染

指术后30天内（如有人工植入物则为术后1年内）发生、累及切口深部筋膜及肌层的感染，并至少具备下述情况之一者：

1.切口深部流出脓液

2.切口深部自行裂开或由医师主动打开，且具备下列症状体征之一：①体温＞38℃；②局部疼痛或压痛

3.临床或经手术或病理组织学或影像学诊断，发现切口深部有脓肿

4.外科医师诊断为切口深部感染

注意：感染同时累及切口浅部及深部者，应列为深部感染

二、SSI诊断标准—器官／腔隙感染

指术后30天内（如有人工植入物★则术后1年内）、发生在手术曾涉及部位的器官或腔隙的感染，通过手术打开或其他手术处理，并至少具备以下情况之一者：

1.放置于器官/腔隙的引流管有脓性引流物

2.器官/腔隙的液体或组织培养有致病菌

3.经手术或病理组织学或影像学诊断器官/腔隙有脓肿

4.外科医师诊断为器官/腔隙感染

★人工植入物：指人工心脏瓣膜、人工血管、人工关节等二、SSI诊断标准—器官／腔隙感染

不同种类手术部位的器官/腔隙感染有：

腹部：腹腔内感染（腹膜炎，腹腔脓肿）生殖道：子宫内膜炎、盆腔炎、盆腔脓肿血管：静脉或动脉感染三、SSI的发生率美国1986年～1996年593344例手术中，发生SSI15523次，占2.62%英国1997年～2001年152所医院报告在74734例手术中，发生SSI3151例，占4.22%中国？SSI占院内感染的14～16%，仅次于呼吸道感染和泌尿道感染三、SSI的发生率SSI与部位：非腹部手术为2%～5%腹部手术可高达20%SSI与病人：入住ICU的机会增加60%再次入院的机会是未感染者的5倍SSI与切口类型：清洁伤口 1%～2%清洁有植入物 ＜5%可染伤口＜10%手术类别手术数SSI数感染率(%)小肠手术6466610.2大肠手术7116919.7子宫切除术71271722.4肝、胆管、胰手术1201512.5胆囊切除术8222.4不同种类手术的SSI发生率：三、SSI的发生率手术类别SSI数SSI类别（%）切口浅部切口深部器官/腔隙小肠手术6652.335.412.3大肠手术69158.426.315.3子宫切除术17278.813.57.6骨折开放复位12379.712.28.1不同种类手术的SSI类别：三、SSI的发生率延迟愈合疝内脏膨出脓肿，瘘形成。需要进一步处理这里感染将导致:延迟愈合疝内脏膨出脓肿、瘘形成需进一步处理四、SSI的后果四、SSI的后果在一些重大手术，器官/腔隙感染可占到1/3。SSI病人死亡的77%与感染有关，其中90%是器官/腔隙严重感染

——InfectControlandHospEpidemiol,1999,20(40:247-280SSI的死亡率是未感染者的2倍五、导致SSI的危险因素（1）病人因素：高龄、营养不良、糖尿病、肥胖、吸烟、其他部位有感染灶、已有细菌定植、免疫低下、低氧血症五、导致SSI的危险因素（2）术前因素：术前住院时间过长用剃刀剃毛、剃毛过早手术野卫生状况差（术前未很好沐浴）对有指征者未用抗生素预防五、导致SSI的危险因素（3）手术因素：手术时间长、术中发生明显污染置入人工材料、组织创伤大止血不彻底、局部积血积液存在死腔和/或失活组织留置引流术中低血压、大量输血刷手不彻底、消毒液使用不当器械敷料灭菌不彻底等手术特定时间是指在大量同种手术中处于第75百分位的手术持续时间其因手术种类不同而存在差异超过T越多，SSI机会越大五、导致SSI的危险因素（4）SSI危险指数（美国国家医院感染监测系统制定）：病人术前已有≥3种危险因素污染或污秽的手术切口手术持续时间超过该类手术的特定时间（T）

（或一般手术＞2h)六、预防SSI干预方法根据指南使用预防性抗菌药物正确脱毛方法缩短术前住院时间维持手术患者的正常体温血糖控制氧疗抗菌素的预防/治疗预防

在污染细菌接触宿主手术部位前给药治疗

在污染细菌接触宿主手术部位后给药

防患于未然六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用154预防和治疗性抗菌素使用目的：清洁手术：防止可能的外源污染可染手术：减少粘膜定植细菌的数量污染手术：清除已经污染宿主的细菌六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用155需植入假体，心脏手术、神外手术、血管外科手术等六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用预防性抗菌素使用指征：可染伤口(Clean-contaminatedwound)污染伤口（Contaminatedwound）清洁伤口（Cleanwound）但存在感染风险六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用预防性抗菌素显示有效的手术有：妇产科手术胃肠道手术(包括阑尾炎)口咽部手术腹部和肢体血管手术心脏手术骨科假体植入术开颅手术某些“清洁”手术六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用

理想的给药时间？目前还没有明确的证据表明最佳的给药时机研究显示：切皮前45～75min给药，SSI发生率最低，且不建议在切皮前30min内给药影响给药时间的因素:所选药物的代谢动力学特性手术中污染发生的可能时间病人的循环动力学状态止血带的使用剖宫产细菌在手术伤口接种后的生长动力学

手术过程

012345671hr2hrs6hrs1day3-5days细菌数logCFU/ml六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用161术后给药，细菌在手术伤口接种的生长动力学无改变

手术过程抗生素血肿血浆六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用Antibioticsinclot

手术过程

血浆中抗生素予以抗生素血块中抗生素血浆术前给药，可以有效抑制细菌在手术伤口的生长六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用163ClassenDC,etal..NEnglJMed1992;326:281切开前时间切开后时间予以抗生素切开六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用不同给药时间，手术伤口的感染率不同NEJM1992;326:281-6投药时间感染数（%）相对危险度(95%CI)早期（切皮前2-24h）36914(3.8%)6.7(2.9-14.7)4.3手术前（切皮前45-75min)170810(0.9%)1.0围手术期（切皮后3h内）2824(1.4%)2.4(0.9-7.9) 2.1手术后（切皮3h以上）48816(3.3%)5.8(2.6-12.3)

5.8全部284744(1.5%)似然比病人数六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用结论：抗生素在切皮前45-75min或麻醉诱导开始时给药，预防SSI效果好165六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用切口切开后，局部抗生素分布将受阻必须在切口切开前给药！！！抗菌素应在切皮前45～75min给药六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？有效安全杀菌剂半衰期长相对窄谱廉价六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用抗生素的选择原则：各类手术最易引起SSI的病原菌及预防用药选择六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用

手术最可能的病原菌预防用药选择胆道手术革兰阴性杆菌，厌氧菌头孢呋辛或头孢哌酮或

(如脆弱类杆菌）头孢曲松阑尾手术革兰阴性杆菌，厌氧菌头孢呋辛或头孢噻肟；

(如脆弱类杆菌）＋甲硝唑结、直肠手术革兰阴性杆菌，厌氧菌头孢呋辛或头孢曲松或

(如脆弱类杆菌）头孢噻肟；＋甲硝唑泌尿外科手术革兰阴性杆菌头孢呋辛；环丙沙星妇产科手术革兰阴性杆菌，肠球菌头孢呋辛或头孢曲松或

B族链球菌，厌氧菌头孢噻肟；+甲硝唑莫西沙星（可单药应用）注:各种手术切口感染都可能由葡萄球菌引起六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用单次给药还是多次给药？没有证据显示多次给药比单次给药好伤口关闭后给药没有益处多数指南建议24小时内停药没有必要维持抗菌素治疗直到撤除尿管和引流管手术时间延长或术中出血量较大时可重复给药细菌污染定植感染一次性用药用药24h用药4872h数小时从十数小时到数十小时六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用用药时机不同，用药期限也应不同短时间预防性应用抗生素的优点：六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用减少毒副作用不易产生耐药菌株不易引起微生态紊乱减轻病人负担可以选用单价较高但效果较好的抗生素减少护理工作量药品消耗增加抗菌素相关并发症增加耐药抗菌素种类增加易引起脆弱芽孢杆菌肠炎MRSA（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）定植六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用延长抗菌素使用的缺点：六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？正确的给药方法：六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用应静脉给药，2030min滴完肌注、口服存在吸收上的个体差异，不能保证血液和组织的药物浓度，不宜采用常用的-内酰胺类抗生素半衰期为12h，若手术超过３４h，应给第２个剂量，必要时还可用第３次可能有损伤肠管的手术，术前用抗菌药物准备肠道局部抗生素冲洗创腔或伤口无确切预防效果，不予提倡不应将日常全身性应用的抗生素应用于伤口局部（诱发高耐药）必要时可用新霉素、杆菌肽等抗生素缓释系统（PMMA—青大霉素骨水泥或胶原海绵)局部应用可能有一定益处六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用不提倡局部预防应用抗生素：时机不当时间太长选药不当，缺乏针对性六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用预防用药易犯的错误：在开刀前45-75min之内投药按最新临床指南选药术后24小时内停药择期手术后一般无须继续使用抗生素大量对比研究证明，手术后继续用药数次或数天并不能降低手术后感染率若病人有明显感染高危因素或使用人工植入物，可再用1次或数次小结预防SSI干预方法