• 2012年第27卷第1期文章目次
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    • >述评
    • 人工关节失效的统计分析及其在技术发展中的重要作用

      2012, 27(1):1-6. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.6.

      摘要 (3248) HTML (0) PDF 2.53 M (3779) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文阐述了国内外针对人工关节失效所开展的统计工作及其取得的主要结果。从临床需求、生物力学和工程学的观点提出导致失效的基础技术、制造工艺、临床条件等三方面因素,阐述了人工关节相关技术进一步发展的需求,并提出推动我国人工关节失效统计工作的若干建议。

    • 纵向应力作用下的血管重建

      2012, 27(1):7-12. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.12.

      摘要 (3377) HTML (0) PDF 748.27 K (4912) 评论 (0) 收藏

      摘要:在体血管除了受到血压和剪切血流外,还受到显著的纵向张力作用。纵向张力影响血管的生理功能及其对血压和血流的响应。虽然对血压和血流改变时的血管重建已有了很多了解,但对血管纵向应变及其相应的血管组织重建却了解甚少。本文总结了血管纵向张力和应变的在体观测结果,以及血管对纵向应力改变的细胞和组织层次的响应与适应性重建。增加纵向张力导致组织重建, 过度减少纵向张力会导致血管发生屈曲。纵向张力作用下血管组织重建的研究将增强对血管正常生理功能和病理变化的认识。

    • >力学生物学
    • 人工髋关节脱位失效的生物力学分析与推理(附专家点评)

      2012, 27(1):13-20. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.20.

      摘要 (2911) HTML (0) PDF 2.80 M (3305) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究人工髋关节置换术后脱位失效力学机理以及在术后各时间段引发脱位的具体原因,提出对临床中发生的脱位事件进行失效诊断的具体方法。方法 通过建立脱位模型对脱位过程的生物力学机理进行研究,分析脱位失效与临床、产品设计和患者三方面因素的关系。结果 提出脱位分析推理路线图,开发并验证专门用于脱位分析的软件工具。结论 髋关节脱位失效临床案例分析表明,该人工髋关节脱位分析方法与工具能够帮助判断具体脱位事件的产生原因,确定假体设计、术中植入位置与脱位事件之间的关系。同时可在术前确定假体最佳植入位置并分析脱位发生的可能风险,对假体设计也有指导作用。

    • 基于显微CT的骨微观三维变形场测量系统的研究

      2012, 27(1):21-26. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.26.

      摘要 (3333) HTML (0) PDF 844.80 K (4644) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 初步构建一套集成显微CT与力学加载装置的测试系统,结合数字体相关技术(digital volume correlation,DVC)实现骨组织内部微观三维变形场的测量。方法 选用微型力学加载装置进行单轴压缩试验,维持载荷不变的同时对试样进行CT扫描;采用DVC方法对连续CT图像序列进行相关匹配和搜索计算,测量载荷变化前后试样内部结构沿三维方向的微观位移值;通过零位移重复扫描和刚体平移评价该系统的测量精度及准确度;利用该系统测试牛松质骨块的三维位移场分布。结果 零位移重复扫描结果显示该系统测量加载方向的位移准确度最高,测量精度低于CT扫描分辨率的1/10;刚体平移结果显示计算位移标准差为0.001~0.002 μm;松质骨块测试区域在600 N载荷作用下沿加载方向的微观位移范围为100.35~110.25 μm,位移场呈现多层逐级分布。 结论 该系统能够满足数字体相关法测量位移的准确度及精度要求,能够实现骨组织内部微观结构的三维变形场测量,可以作为进一步研究骨组织内部变形分布与结构成分响应关系的测量平台。

    • 有限元分析中软组织力学参数的设定及验证

      2012, 27(1):27-31. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.31.

      摘要 (3108) HTML (0) PDF 651.40 K (4539) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 提供软组织超弹性材料参数并探讨优化方法,为有限元分析(finite element analysis, FEA)冲击研究中软组织显式求解的准确模拟提供参考。方法 测定6具足底软组织标本抗压性能,以实验数据计算FEA材料参数,利用泊松比对材料参数进行优化。设置与体外实验相同工况的FEA模型进行模拟。利用实验及文献报道数据对模拟结果进行验证。结果 软组织体外实验中力 位移曲线呈指数增长。FEA模拟与实验结果相比,压缩率≤45%时,结果相一致;在压缩率>45%时,材料泊松比愈接近0.5,FEA模拟的准确性越高。泊松比为0.497时,FEA模拟与体外实验结果有较强线性相关关系(R2=0.9923)。结论 本研究中材料参数模拟效果良好。在较低压缩率下,计算结果与体外实验的结果相一致;在较高压缩率下,提高材料泊松比可增加FEA模拟准确性。

    • 侧向冲击载荷作用下髋护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响

      2012, 27(1):32-39. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.39.

      摘要 (2962) HTML (0) PDF 4.35 M (3186) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 利用三维有限元法研究髋部护具对人体股骨 骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下生物力学响应的影响。方法 基于中国力学虚拟人模型库建立股骨 骨盆 软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织,并在此基础上建立髋部护具和股骨 骨盆 软组织复合体系统的三维有限元模型;同时,在两个模型中构建刚体平面仿真地面。约束地面刚体,对两个模型均施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms。通过三维有限元分析计算获得两模型受侧向冲击载荷过程中应力、应变变化特性,对比分析髋部护具对股骨 骨盆复合体生物力学响应的影响。结果 髋部护具使股骨 骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下的应力峰值出现时间提前4 ms以上,且应力应变水平出现大幅度降低;皮质骨上的应力峰值降低67.88%以上,松质骨上的峰值应力下降69.34%以上,松质骨上的压缩主应变峰值降低可达63%。结论 在侧向冲击载荷作用下,髋部护具对股骨 骨盆复合体具有良好的保护作用,能够有效预防骨折的发生或降低骨折风险。

    • 三维有限元法分析膝关节内侧副韧带的生物力学功能

      2012, 27(1):40-45. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.45.

      摘要 (3363) HTML (0) PDF 1.73 M (4666) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过建立膝关节三维有限元模型,研究内侧副韧带维持膝关节稳定性的作用。方法 膝关节韧带用金属丝标记,止点采用钻孔标记,行CT扫描,应用Mimics、Geomagic和Ansys软件对数据进行三维重建,建立膝关节三维有限元模型,在膝关节5个不同的屈曲角度下模拟膝关节的前后平移、外翻和内外旋运动。结果 膝关节在屈曲0°、30°、60°、90°和120°时,MCL的应力为4.84、3.55、2.17、1.26和0 MPa;膝关节在5个角度下向前平移时,MCL的应力为7.22、5.78、4.07、2.84和1.4 MPa;向后平移时,应力为8.14、6.45、4.19、2.92和1.6 MPa;内旋时,应力为6.81、5.23、3.29、2.25和0.97 MPa;外旋时,应力为6.28、5.00、3.34、2.21和0.82 MPa;外翻时,应力为11.00、9.55、7.25、5.94和3.11 MPa。结论 通过建立膝关节三维有限元模型模拟膝关节前后移、外翻和内外旋各动作,可以有效地分析膝关节内侧副韧带的生物力学功能。

    • 基于原子力显微镜技术研究不同激活态下肌节超微结构与压弹性

      2012, 27(1):46-50. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.50.

      摘要 (3361) HTML (0) PDF 816.72 K (4623) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 搭建研究不同激活态下昆虫飞行肌纤维的超微结构与力学特性的系统,并以此开展近生理环境下的心肌生物力学研究,进而推动对心肌结构、力学特征和生理功能间关系的认识,为心肌病的基础研究和临床治疗提供更多的线索。方法 采用轻敲模式的原子力显微镜技术研究僵直态、松弛态和活化态下昆虫飞行肌肌原纤维的超微精细结构;采用纳米压痕技术研究不同生理状态下肌纤维的定点弹性特性。结果 肌原纤维在僵直态、松弛态和3种活化态的肌节长度分别为:(2.10±0.05)、(3.10±0.10)、(2.50±0.15)μm (2 mmol/L Ca2+),(2.60±0.25) μm(5 mmol/L Ca2+)和(2.55±0.15) μm(10 mmol/L Ca2+),A带长度始终保持在1.50 μm左右,而I带的长度则有较大的变化(0.7~1.6 μm);力学实验发现,在同一生理状态,肌原纤维的弹性参数的大小满足Z线>M线>重叠区>I带;在不同活化状态下,钙离子浓度变化对Z线、M线和I带的压弹性影响的程度很接近。结论 5 mmol/L的Ca2+浓度是合适的肌纤维活化浓度,肌节长度的分布符合肌动蛋白与肌球蛋白在重叠区相对滑移的力学和空间结构模型;AFM是肌纤维超微结构与力学特性高分辨研究的潜力工具。

    • 基于非线性时间序列法研究人体步行稳定性

      2012, 27(1):51-57. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.57.

      摘要 (3148) HTML (0) PDF 3.77 M (3288) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 应用非线性时间序列分析方法,研究健康老年与青年志愿者的步行稳定性,为更全面评估人体的动态平衡、预测跌倒风险提供重要依据。方法 应用VICON运动捕捉系统,采集肌骨系统健康志愿者(7名老年和10名青年)在不同步速(80%、100%、120%自然步速)下的运动学数据,提取志愿者在30个连续步态周期中,第7颈椎和第10胸椎在前后和左右方向上的位移,以及下肢各关节屈曲伸展和外展内收运动角度,计算位移和运动角度变化的最大Lyapunov指数,比较分析老年与青年组之间步行稳定性差异,以及步速对人体步行稳定性影响。结果 青年组步行稳定性优于老年组,并在某些运动节段呈现显著性差异(P<0.01);老年和青年的步行稳定性随步速增加而降低(P<0.05)。结论 应用非线性时间序列分析方法中的最大Lyapunov指数,能有效并定量地评测人体步行中各运动节段的稳定性。

    • 置换部分听骨赝复物后对人耳听力恢复的影响

      2012, 27(1):58-64. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.64.

      摘要 (2904) HTML (0) PDF 1.85 M (4165) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨听骨部分置换术中不同的置换方式对患者术后听力的影响。方法 根据人体正常右耳CT扫描结果,用自编程序将CT扫描数值化并导入PATRAN重建人耳三维有限元模型,对其进行声音传导动力分析,并与试验数据对比。结果 通过正常人耳结构动力响应分析结果与实验数据吻合,验证了模型的正确性;在0.1~10 kHz频率下保留部分锤骨柄置换人工听骨比不保留锤骨柄术后听力恢复更好,听力恢复值在11.56~28.91 dB之间;保留部分锤骨柄时鼓膜处的最大应力值比不保留锤骨柄时更小;厚2.0 mm软骨片在0.1~0.6 kHz,2~10 kHz频率上听力恢复较好;厚0.1 mm软骨片在0.6~2 kHz频率上听力恢复较好。结论 在听骨部分置换术中,保留部分锤骨柄比不保留锤骨柄听力恢复效果更好;鼓膜与人工听骨的接触面上垫置的软骨片厚度在0.1~2.0 mm之间对人耳听力恢复效果较好。

    • 力生长因子E肽与应力刺激对成骨细胞基因表达的影响

      2012, 27(1):65-71. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.71.

      摘要 (2968) HTML (0) PDF 793.39 K (4712) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 应用基因芯片技术分析在力生长因子E肽(MGF-Ct24E)和应力作用下成骨细胞基因表达的差异。 方法 体外培养原代成骨细胞,分别对细胞施加周期性拉伸刺激(应变12%,频率0.5 Hz)和MGF-Ct24E(50 mg/L)直接作用,基因芯片技术分析力学刺激和MGF Ct24E作用对原代成骨细胞基因表达谱的影响,并用定量PCR验证基因芯片实验结果。结果 与对照组相比,力学加载组共发现差异表达基因1 866个,其中上调基因1 113个,下调基因753个;MGF-Ct24E处理组共发现差异表达基因1 178个,其中上调基因796个,下调基因382个。GO分析发现两者的差异基因表达谱具有一致性,并且差异表达基因主要涉及细胞增殖与分化调节、细胞对应力刺激的响应和力学转导通路等。定量PCR实验结果验证的差异表达基因与芯片实验结果一致。 结论基因表达谱分析显示应力刺激和MGF-Ct24E作用对成骨细胞的基因表达具有类似的调控效应,为后续使用MGF-Ct24E治疗骨修复以弥补应力刺激不足的研究提供了新的思路。

    • 力学刺激对角膜成纤维细胞碱性成纤维细胞生长因子表达的影响

      2012, 27(1):72-76. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.76.

      摘要 (2882) HTML (0) PDF 5.10 M (3264) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究在体及离体条件下不同力学环境对碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor, bFGF)表达的影响,探索力学因素在准分子激光原位角膜磨镶术(laser assisted in situ keratomileusis, LASIK)术后角膜损伤修复中的作用。方法 建立不同切削量的LASIK手术动物模型,使在体角膜处于不同力学环境中,并于LASIK术后1周和1月处死实验动物提取组织蛋白。此外,采用Flexcell 4 000细胞力学加载系统对原代提取的兔角膜成纤维细胞施加频率为0.1 Hz、拉伸幅度分别为5%、10%和15%的周期性机械拉伸,并于拉伸后6 h和24 h后取细胞培养液上清。采用ELISA方法检测bFGF含量。结果 LASIK术后1周,角膜基质床残余30%组与对照组相比,bFGF含量显著增高(P<0.05);术后1月回落至正常水平,各组之间无显著性差异。不同时间点同一手术方式之间比较发现,仅30%组1周和1月有显著差异(P<0.05)。体外周期性拉伸实验表明拉伸6 h后,15%拉伸组bFGF含量较对照组显著增高(P<0.05),24 h后显著性降低(P<0.05)。结论 力学因素参与了早期角膜组织及角膜成纤维细胞bFGF表达的调节,bFGF在LASIK术后角膜组织修复中发挥了一定作用。

    • 基于单元刀具切削的活检针切削力模型

      2012, 27(1):77-83. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.83.

      摘要 (2895) HTML (0) PDF 787.92 K (4464) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 从切削力学角度构建活检针切削力模型,揭示针尖几何形状与活检针切削力之间的内在联系。方法 借鉴传统金属切削理论建立针尖几何结构的数学模型,在此基础上将针尖切削刃离散成一系列单元刀具,在软组织切削试验平台上进行斜角切削试验,获得单位刃长切削力参数模型,最后采用单元刀具综合法构建活检针切削力泛函模型。结果 该模型能够较好地预测活检针切削力,针尖顶角ξ为30°、45°、60°的18 G活检针切削力试验值为1.33、1.38、1.56 N,预测值为1.29、1.43、1.52 N,相对误差小于5%。结论 活检针切削力泛函模型定量描述了切削力与针尖几何结构之间的关系,可以用于新型针尖设计、评价及术前穿刺路径规划。

    • 基于脉搏波信号和血管弹性腔模型的动脉血压连续测量方法

      2012, 27(1):84-89. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.1.89.

      摘要 (5813) HTML (0) PDF 751.77 K (6767) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 为满足健康监护中的连续测量血压的要求,研究并实现一种基于脉搏波信号和血管弹性腔模型的动脉血压拟合计算方法。方法 利用自制的穿戴式人体生理参数监测系统收集测试对象的脉搏波信号、心电信号以及血压数据。根据心电信号与脉搏波信号的时间关系,推导出收缩压和脉搏波传导时间的回归分析方程,而舒张压的测量,则是通过脉搏波的波形系数分析以及血管单弹性腔模型的参数计算完成。结果 试验结果表明,该方法血压测量结果的平均偏差和标准偏差为(0.51±0.74) kPa[(384±5.54) mmHg],达到了美国医疗仪器促进协会建议的(0.665±1.064) kPa[(5±8) mmHg]标准。 结论 结合脉搏波信号和弹性腔模型可以估算人体血压值,为连续血压测量提供了新的实现方法。

    • 人体上呼吸道内气溶胶沉积的数值仿真研究

      2012, 27(1):90-95. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.95.

      摘要 (3004) HTML (0) PDF 769.10 K (4540) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究人体上呼吸道内气溶胶沉积规律,分析呼吸模式对气溶胶沉积规律的影响。方法 建立人体上呼吸道计算机数值仿真模型,采用计算流体动力学方法对人体上呼吸道内的气溶胶沉积进行数值仿真,分析气溶胶在上呼吸道内的沉积规律。结果 人体上呼吸道内不同部位气溶胶沉积率随惯性参数的增加而增加,人体上呼吸道内的呼吸流量和气溶胶性质对气溶胶在上呼吸道内的沉积模式影响较小,受到惯性碰撞和湍流扩散的影响致使在喉部气溶胶沉积最多。人体循环吸气模式下,气溶胶在人体上呼吸道内的沉积率高于稳态吸气模式下的气溶胶的沉积率。循环吸气模式下远大于循环呼气模式下气溶胶沉积率。结论 惯性碰撞对于微尺度气溶胶沉积而言是主要的沉积机制,而湍流扩散、二次气流运动和环流气流运动对气溶胶在人体呼吸道内沉积同样具有重要的影响。

    • 腰椎间盘突出症力学特征的仿真计算方法

      2012, 27(1):96-101. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.101.

      摘要 (3114) HTML (0) PDF 2.23 M (3412) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 建立腰椎间盘突出症力学特征的数值计算分析模型,为腰椎间盘突出症的力学机理提供一种检测评估方法。方法 利用健康成人L4~5腰椎运动节段CT影像, 采用Mimics 10.01医学图像处理软件和Geomagic 10.0逆向工程软件分别建立L4~5腰椎运动节段的椎骨和椎间盘,并在Ansys软件中附加腰椎相关韧带及通过改变椎间盘突出后对应的材料属性,建立腰椎L4~5运动节段有限元模型,构建正常模型和腰椎间盘突出模型;运用有限元方法模拟正常椎间盘和突出椎间盘在轴向压力、前弯、侧弯、旋转和后伸5种载荷下的生物力学特征参数。结果 椎间盘突出后,椎间盘的应力分布及传递载荷的能力改变,应力集中于纤维环后外侧;在相同的载荷情况下,突出的椎间盘的最大形变量比正常椎间盘的大;椎间盘突出模型的小关节突接触力比正常模型的小关节突接触力大。结论 椎间盘突出后,椎间盘的承载功能下降,关节突的应力水平升高,小关节的负荷增加,从而导致腰椎稳度下降。

    • 基于CT图像的长管骨有限元材料属性研究及实验验证

      2012, 27(1):102-108. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.108.

      摘要 (3076) HTML (0) PDF 797.01 K (4846) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨经酒精处理的新鲜人体长管骨个性化材料属性定义的方法,以及骨骼材料数目对有限元结果的影响。方法 利用断层扫描CT图片,在Mimics中建立股骨干三维实体模型,然后导入Hypermesh中分割成皮质骨、松质骨以及骨髓;根据相关经验公式分别赋于皮质骨和松质骨的材料参数,设置5组材料数目的不同仿真组;在Abaqus中进行线弹性阶段的压缩实验仿真,并进行体外验证实验。结果 端部位移在0~1 mm时,松质骨材料数目为1种,皮质骨材料数目大于10种的整体力 位移有限元仿真结果与实测数据平均相对误差在10%左右;骨干的测量点变形量的有限元结果与实测数据相对误差为14.6%。在小位移下0~0.5 mm时,1种皮质骨材料的整体力 位移的仿真结果与实测数据误差为2.83%。结论 (1)利用CT图片灰度值,可以精确定义骨骼各成份的材料属性;(2)皮质骨材料数目设定对有限元仿真结果影响较大,将皮质骨设定10种即可满足有限元分析需要;(3)小变形时,1种材料的皮质骨就能满足分析要求。

    • >感觉系统生物力学
    • 成人获得性可复性平足的生物力学研究进展

      2012, 27(1):109-114. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.01.114.

      摘要 (3116) HTML (0) PDF 859.86 K (4621) 评论 (0) 收藏

      摘要:成人获得性扁平足主要由胫后肌腱功能不全引起,是足踝外科的常见病,其中以可复性平足最为多见。如何解释其发病机制并选择恰当的手术方式治疗是目前研究的热点。随着平足体外建模技术的日臻完善,生物力学试验的准确性和可重复性逐渐得到认可,其研究成果也成为临床平足治疗的重要理论依据。本文回顾了胫后肌腱功能不全导致平足的生物力学机制,及以此为基础在尸体标本和有限元模型上建立平足模型的各种不同方法,并对平足矫形相关基础研究中不同重建方法的生物力学特性进行分析比较。作者认为,在牵拉外在肌腱模拟其动力性稳定结构的前提下,采取破坏韧带等静力性稳定装置的方式建立起的可复性平足体外模型更为可靠;针对平足模型采用的各种重建方式的生物力学特性不尽相同,软组织重建应与骨性手术联合使用,而骨性手术需根据畸形程度和特点进行个性化的选择。

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