• 2022年第5期文章目次
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      2022, 37(5).

      摘要 (114) HTML (0) PDF 420.74 K (222) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 封面

      2022, 37(5).

      摘要 (103) HTML (0) PDF 2.01 M (231) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 生命流变的永恒魅力—— 深切缅怀吴云鹏先生

      2022, 37(5):781-783.

      摘要 (147) HTML (0) PDF 2.79 M (28) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >述评
    • 人工髋关节内衬的材料及磨损测试

      2022, 37(5):784-786.

      摘要 (136) HTML (0) PDF 908.95 K (42) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 康复领域步态研究的进展与展望

      2022, 37(5):787-788.

      摘要 (206) HTML (0) PDF 865.45 K (32) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >专家论坛
    • 康复工程生物力学2021年研究进展

      2022, 37(5):789-797.

      摘要 (503) HTML (0) PDF 5.19 M (200) 评论 (0) 收藏

      摘要:康复工程与生物力学具有天然的密切联系,许多康复工程中的核心问题就是生物力学问题。2021年,康复工程生物力学领域的最新进展主要体现在康复设备和辅具拟人化设计的生物力学、人体接触界面的生物力学和人机动态交互的生物力学3个方面。本文结合2021年最新进展,总结康复工程生物力学的研究方法、主要应用和存在的问题,并探讨未来发展方向。

    • >专栏
    • 老年人搂膝拗步动作的下肢运动协调特征分析

      2022, 37(5):798-804.

      摘要 (181) HTML (0) PDF 2.12 M (30) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨 65 岁以上健康老年人进行太极拳搂膝拗步动作时下肢运动的协调性和稳定性。 方法 30 名太极拳练习者随机完成步行和搂膝拗步动作,采用 Vicon 三维动作捕捉系统收集下肢运动学数据。 结果 搂膝拗步动作时,矢状面关节角度和髋-膝和膝-踝关节相位值变换频繁,髋-膝和膝-踝关节的平均相对相角绝对值以及髋、膝关节平均标准差显著小于步行。 结论 与步行相比,太极拳搂膝拗步动作时髋-膝和膝-踝关节呈现出更协调稳定的关节间运动模式。 太极拳锻炼可能会为老年人提供一种特定的协调训练方式,提高姿势稳定性,预防跌倒发生。

    • 偏瘫患者以不同步态模式通过障碍物的生物力学特征对比分析

      2022, 37(5):805-811.

      摘要 (122) HTML (0) PDF 4.47 M (28) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨偏瘫患者使用“健上患下”和“患上健下” 步态模式通过障碍物的生物力学特征,为降低患者跌倒 发生率提供理论依据。 方法 采用 Qualisys 动作捕捉系统和三维测力台采集 15 名偏瘫患者正常行走、健上患下、患上健下通过障碍物的运动学和动力学数据,并对数据进行处理与分析。 结果 与正常行走相比,健上患下和患上健下通过障碍物都不同程度增加了双侧的下肢活动幅度;与正常行走和健上患下相比,患上健下模式下患侧腿垂直地面反作用力出现较大波动,步态稳定性较差,具有较大跌倒风险。 结论 患者通过障碍物时,对接触障碍物的一侧肢体关节活动幅度要求较高,患侧肢适应能力较差。 在触地后单腿支撑期,垂直方向地面反作用力变化较大。 当身体重量完全转移到该侧时,容易导致患者跌倒。 相比患上健下,患者使用健上患下方式通过障碍物时能 容易保持步态稳定性,降低跌倒风险。

    • 足部跖趾关节约束对人体步态稳定性的影响

      2022, 37(5):812-818.

      摘要 (100) HTML (0) PDF 4.90 M (26) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究足部跖趾关节约束对人体步态稳定性的影响。 方法 在水平湿滑试验台上进行足部跖趾关节有、无约束两种状态下的步态实验,分析时空步态参数、运动学参数、动力学参数以及利用摩擦因数( utilization coefficient of friction,UCOF)差异。 结果 跖趾关节有约束状态下,人体行走平均步速减小 50 mm/ s,跨步长度缩小0. 22 m,双支撑相时间缩短 70 ms;跖趾关节约束会使髋、膝关节在矢状面内的活动范围显著增大,而踝关节活动范围减小。 同时,跖趾关节约束状态 UCOF 幅值是无约束状态的 1. 15 倍,表明人体滑跌的概率增大以及行走不稳定性增加。 结论 足部跖趾关节约束会降低行走稳定性。 研究结果为足部趾屈运动康复设备的研发提供数据和理论支持

    • 基于表面肌电信号的手势识别与分析

      2022, 37(5):819-825.

      摘要 (334) HTML (0) PDF 5.57 M (37) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究利用前臂及手部表面肌电( surface electromyography,sEMG)信号进行手势识别的方法,以及不同 手势下拇指、食指的关节角度,探讨 sEMG 信号控制外骨骼手的可行性。 方法 采集 20 名健康右利手受试者右侧 前臂及手部 6 块肌肉 sEMG 信号。 提取 sEMG 信号的时域特征值,对比人工神经网络( artificial neural network, ANN)、K-近邻(K-nearest neighbor, KNN)、决策树(decision tree, DT)、随机森林( random forest, RF)和支持向量机(support vector machine, SVM)等多种分类器对 6 种日常手势进行识别。 同时,采用 Vicon 摄像机跟踪系统捕捉右手拇指、食指运动轨迹,计算拇指、食指关节角度。 结果 利用前臂及手部 sEMG 信号可以实现 6 种手势的模式识别,其中 ANN 分类器的分类预测效果最好,测试集预测精度可达 97. 9% ,Kappa 系数可达 0. 975。 同时,计算得到不同手势下拇指、食指的关节角度,并进行不同手势下关节角度相关性分析。 结论 利用前臂及手部 sEMG 信号进 行手势识别,能够实现具有几乎完全一致的分类预测结果。 研究结果证明了 sEMG 信号手势识别应用于外骨骼手 控制的可行性。

    • 踝足矫形器人机耦合仿真刚度对步态生物力学影响的评价方法

      2022, 37(5):826-831.

      摘要 (97) HTML (0) PDF 3.86 M (37) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 为更好评价踝足矫形器(ankle-foot orthosis, AFO)的人机工效,提出一种 AFO 人机耦合仿真刚度对步态生物力学影响的评价方法。 方法 首先,评测两种 AFO 的力学特性并量化其刚度;其次,采集 30 名受试者在正常与穿戴两种不同刚度 AFO 行走条件下的运动学及动力学数据;最后,通过仿真计算,定量对比分析 AFO 刚度对 行走中下肢关节角度、关节力矩与肌肉力的影响。 结果 在穿戴两种刚度 AFO 情况下,支撑相踝关节背屈峰值角度、膝关节屈曲峰值角度和髋关节伸展峰值角度均显著增加(P<0. 05),比目鱼肌与腓肠肌峰值肌肉力呈现增加趋势。 踝关节跖屈峰值角度、髋关节屈曲峰值角度与髋关节屈曲峰值力矩均显著降低(P<0. 05)。 结论 本文所提出的 AFO 人机耦合仿真方法可以有效实现不同刚度对步态生物力学影响的定量评估,该方法同样也适用于评估和优化其他辅助器具的人机工效,可以为 AFO 的选配、适配、优化设计提供方法指导。

    • 衰弱状态和步行速度对老年人下肢关节运动学特征的影响

      2022, 37(5):832-828.

      摘要 (175) HTML (0) PDF 1.37 M (45) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究衰弱状态和步行速度对老年人步行时下肢关节运动学特征的影响。 方法 招募 59 名 60 岁及以上老年人,根据衰弱指数清单将受试者分为非衰弱组、衰弱前组和衰弱组,采用 Xsens MVN 运动捕捉惯性传感器采集 3 组老年人慢速、习惯速度、快速行走时的运动学数据,应用双因素重复测量方差分析比较不同衰弱状态和步速下老年人行走时的下肢关节运动学特征差异。 结果 衰弱组老年人的年龄显著高于非衰弱组(P<0. 01),膝关节最大屈角、膝关节和踝关节活动范围(range of motion,ROM)显著低于非衰弱组和衰弱前组(P<0. 05);同时,衰弱组老年人踝关节最大跖屈角显著低于非衰弱组(P<0. 05);随着步速增加,衰弱组老年人的单支撑相时间显著增加(P<0. 05),3 组老年人髋关节矢状面最大角及其 ROM、膝关节最大屈角、踝关节最大跖屈角及其 ROM 显著增加(P<0.05),双支撑相时间、踝关节最大背屈角度和膝关节 ROM 显著减小(P<0. 05);所有关节角度中只有髋关节最大伸角及其 ROM、膝关节最大屈角在慢速与习惯速度之间出现显著差异(P<0. 05)。 相关性分析显示,衰弱前组和衰弱组老年人不同速度步行时髋、膝关节 ROM 均显著正相关(P<0. 01),衰弱组老年人在习惯速度和快速行走时膝、踝关节 ROM 显著正相关(P<0. 05)。 结论 随着衰弱程度的进展,老年人下肢关节矢状面角度持续降低,主要集中于膝、踝关节。 在行走时两个关节间同步性增强,自由度降低,但在提高步行速度时,衰弱状态基本不影响老年人的步行策略。 研究结果有助于对衰弱老年人群进行筛查及康复指导。

    • 老年人身体活动及久坐时间与静态平衡能力的相关性

      2022, 37(5):839-845.

      摘要 (208) HTML (0) PDF 1006.24 K (38) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究老年人和青年人身体活动、久坐行为和平衡能力的差异,以及不同强度身体活动水平和久坐行为与平衡能力的相关性。方法 选取74名老年人和60名青年人,采用三轴加速度计对其身体活动和久坐行为进行监测,并运用三维测力台对其静态平衡能力进行测量。结果 老年女性中高强度身体活动与静态平衡能力之间呈显著正相关关系(P<0.05),久坐时间与静态平衡能力呈显著负相关关系(P<0.05);老年男性久坐中断次数与静态平衡能力呈显著正相关关系(P<0.05)。结论 与青年人相比,老年人每日轻度身体活动水平更高,久坐时间更少。在老年人中,尤其是老年女性,拥有较高的中高强度身体活动水平者或较少久坐时间者静态平衡控制能力更好。身体活动对平衡能力控制存在一定积极作用。

    • 青少年特发性脊柱侧弯矢状位平衡与足底压力的相关性

      2022, 37(5):846-850.

      摘要 (155) HTML (0) PDF 1001.34 K (34) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨青少年特发性脊柱侧弯(adolescent idiopathic scoliosis, AIS)矢状位平衡与足底压力之间的相关性。方法 选取40名符合标准的AIS患者。对每位患者在X线片拍摄后进行足底压力测试。矢状位参数测量包括腰椎前凸(lumbar lordosis,LL)、胸椎后凸(thoracic kyphosis,TK)、骶骨倾斜角(sacral slope,SS)、骨盆入射角(pelvic incidence,PI)、骨盆倾斜角(pelvic tilt,PT)、脊柱骶骨角(spine sacral angle,SSA)和C7矢状位垂直距离(C7sagittal vertical axis,C7SVA)。足底压力参数测量包括双脚前后足的接触面积和压力占比。分析矢状位参数与足底压力参数之间的相关性。结果 矢状位参数之间,LL与SS、PI、PT、SSA均有相关性;PI与SS、PT、SSA均有相关性;SS与SSA强相关;C7SVA与SSA有相关性。在主弯侧,LL与后足及整足的接触面积呈负相关,与后足及整足的压力占比呈正相关;TK与前足压力占比呈负相关;PT与前、后足及整足接触面积均呈正相关。其他矢状位参数如SS、PI、SSA及C7SVA与足底压力无关。在主弯对侧,矢状位参数与足底压力均无相关性。结论 在AIS中,矢状位平衡参数与足底压力分布密切相关,尤其是矢状位参数LL、TK、PT与足底压力指标最相关。

    • 不同任务介入对青年行走动态稳定性及 双任务成本的影响

      2022, 37(5):851-856.

      摘要 (95) HTML (0) PDF 1.72 M (37) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 对比不同双任务行走时动态稳定性及双任务稳定性成本的差异。方法利用三维运动捕捉系统采集40名受试者不同双任务行走时的运动学数据,并间接计算相关动态稳定性指标。采用单因素重复测量方差分析对比单任务行走与不同双任务行走步态参数及动态稳定性差异,采用双因素重复测量方差分析双任务类型(认知任务和运动任务)和任务负荷(简单任务和困难任务)对人体双任务稳定性成本的影响以及两者之间的交互作用。结果 与单任务相比,不同双任务介入时步速均降低(P<0.05),步频和动态稳定性均增加(P<0.05),在2倍运动负荷介入时步长小于单任务步行(P<0.05),1倍认知任务和2倍认知任务介入时步宽大于单任务步行(P<005)。简单认知双任务稳定性成本大于简单运动双任务稳定性成本(P<0.05),困难认知双任务稳定性成本小于困难运动双任务(P<005),简单运动双任务稳定成本小于困难运动双任务(P<0.05)。结论 与单任务行走相比,不同双任务的介入均会增加人体动态稳定性;对于双任务稳定性成本,不同任务类型以及不同任务负荷之间存在交互效应。当任务负荷较高时,认知任务的双任务成本较低,即认知任务的负向干扰幅度增大,会损害机体的动态姿势控制能力。当第2任务为运动任务时,较低负荷下对人体动态稳定性的负向干扰幅度增大,降低动态姿势控制能力。

    • 4~6 岁幼儿姿势控制能力的发展特征

      2022, 37(5):857-862.

      摘要 (74) HTML (0) PDF 1.84 M (40) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究4~6岁幼儿静、动态姿势控制能力(posture control ability, PCA)的年龄及性别特征,分析各感受器对幼儿PCA的贡献率。方法 对100名幼儿进行静、动态PCA测试。采用独立样本t检验分析两腿PCA的差异性,ANOVA分析年龄×性别和4种站立条件(单脚睁/闭眼硬地站立、单脚睁/闭眼垫上站立)对PCA的影响。结果 单脚睁眼硬地站立下4~6岁幼儿两单腿的静态PCA差异具有非常显著性(P<0.01),其中优势腿静态PCA 6岁组>5岁组>4岁组;4种站立条件下站立时间的主效应非常显著(P<0.01),各感受器在维持姿势控制时贡献率总和大于100%,且存在前庭觉>视觉>本体觉;动态PCA 6岁组显著优于4岁组、5岁组。结论 4~6 岁幼儿静态PCA已有优势腿与非优势腿之分;动、静态PCA随着年龄增长而增长,其中6岁女童前庭觉系统发展速度快于男童;幼儿通过视觉、本体觉、前庭觉等通过复杂的整合作用维持身体的姿势控制,其中前庭觉起主要作用,其次是视觉、本体感觉。

    • 急性单侧颈痛伴颈部活动受限患者的压痛阈研究

      2022, 37(5):863-867.

      摘要 (200) HTML (0) PDF 961.59 K (36) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究急性单侧颈痛伴颈部活动受限患者脊柱及下肢的压痛阈值(pressure pain threshold,PPT)及其与颈部疼痛、颈椎活动范围(range of motion, ROM)的相关性,通过与健康人对照,建立精准的量化评定指标。方法 纳入48名急性单侧颈痛伴颈部活动受限患者(实验组)及48名健康成年人(对照组)。使用手持式压痛测试仪测试头夹肌、斜方肌上束、菱形肌、腰方肌、腘绳肌、腘窝、腓肠肌、足底筋膜PPT,并记录患者的疼痛评分和颈椎关节ROM。结果 实验组颈部后伸、患侧旋转、患侧侧屈角度与对照组有明显差异(P<0.05);实验组患侧斜方肌上束、头夹肌、腓肠肌中下部PPT与健侧及对照组相比有明显差异(P<0.05)。颈部疼痛与颈部后伸、患侧侧屈、患侧旋转ROM有相关性(P<0.05)。颈部疼痛与头夹肌、斜方肌上束、腓肠肌中点以及腓肠肌肌腹下端PPT有相关性(P<0.05)。结论急性单侧颈痛伴颈部活动受限患者斜方肌、头夹肌及腓肠肌PPT降低,且与颈部疼痛、活动范围受限显著相关。研究结果为临床颈痛患者评定提供定量参考依据。

    • 不同矫形鞋垫对老年人足底的生物力学影响

      2022, 37(5):868-873.

      摘要 (174) HTML (0) PDF 2.82 M (36) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过3款鞋垫了解老年人步行过程中的足底相关特性,为当前老年人鞋垫设计提供参考,并为厂家生产提供理论依据。方法 选取25名身心健康的老年人,穿戴Pedarx足底压力测试相关设备在跑步机上进行步行测试(4 km/h),以获取足底压力、压强、冲量,并通过问卷调查获得被试者的主观反馈。结果后脚部软硬喜欢程度和后脚部反弹性强度平均分上,鞋垫A、C之间具有非常显著差异(P<0.01);最大压力和平均压强指标上,鞋垫C在各足底分区均显著小于鞋垫A、B(P<0.01);冲量指标上,鞋垫C在M1(足跟)~M7区(第2~5趾骨)都低于鞋垫A、B,且在M1区具有显著差异(P<0.05),M2区(足弓外侧)鞋垫A、C具有显著差异(P<0.05),M5区(第2~4跖骨)鞋垫B、C具有非常显著差异(P<0.01)。结论 通过改变鞋垫设计可以干预老年人步行时足底压力,聚氨酯发泡材料适用于老年人鞋垫,在鞋垫前足与后跟增加类似GEL减震片可以有效降低老年人步行中出现的高压力,但是鞋垫前中后部位物理厚度不一,易造成老年人步行过程中的足部疲劳。

    • >论著
    • 上皮-间质转化过程中黑色素瘤细胞力学特性变化与迁移关系研究

      2022, 37(5):874-880.

      摘要 (110) HTML (0) PDF 5.89 M (33) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨上皮-间质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)过程中黑色素瘤细胞力学特性的变化规律及其与细胞迁移的内在联系。方法 使用免疫荧光检测TGF-β1对EMT相关蛋白表达的影响;使用细胞划痕和Transwell小室检测细胞迁移和侵袭能力;借助原子力显微镜检测细胞刚度;通过流式细胞术检测骨架蛋白的动态变化。结果 利用TGF-β1成功诱导A375细胞发生EMT。TGF-β1呈时间依赖性可增加波形蛋白vimentin表达,降低E-钙黏蛋白E-cadherin表达,并增强细胞迁移和侵袭能力。在EMT进程中,细胞的生物力学特性(细胞刚度)发生改变,细胞骨架G-actin/F-actin比值明显上升,细胞刚度明显降低。结论 EMT进程中,黑色素瘤细胞骨架发生解聚,细胞刚度降低,从而增强细胞的迁移和侵袭能力。研究结果为癌症转移的临床治疗提供力学生物学新思路。

    • 骨细胞 Cx43 在膝关节响应力学过载中的作用

      2022, 37(5):881-887.

      摘要 (67) HTML (0) PDF 4.12 M (13) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究骨细胞连接蛋白43(connexin43,Cx43)通道在力学过载对小鼠膝关节影响中的作用。方法 对15周龄骨细胞特异Cx43转基因小鼠(R76W:间隙连接功能抑制而半通道功能促进;Δ130-136:间隙连接和半通道都被抑制)及同窝野生型小鼠左膝关节施加单次应变(ε=1.764 62),右膝关节作为对照。1周后分析小鼠步态,评价小鼠膝关节骨与软骨情况。抑制MLO-Y4骨细胞Cx43通道功能后进行循环拉伸应变,检测相关因子表达。收集条件培养基培养ATDC5软骨细胞,检测相关基因表达和成骨分化能力。结果步态分析显示,Cx43通道抑制没有明显影响小鼠步态。但转基因小鼠关节股骨端OARSI评分显著增加,骨小梁面积占比更小。抑制MLO-Y4细胞Cx43通道降低了ADAMTS5和II型胶原表达,增强其成骨分化的能力。结论 骨细胞Cx43通道能够响应力学过载,影响软骨细胞关键基因表达,并参与其成骨分化过程的调控,影响软骨对力学过载的响应。研究结果为骨关节炎的防治提供新思路。

    • 逆锁键调控野生型和功能增强型 ADAMTS13与VWF A2结构域的相互作用

      2022, 37(5):888-894.

      摘要 (88) HTML (0) PDF 3.77 M (28) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究瞬时接触时间下野生型(wild-type,WT)和功能增强型(gain-of-function, GOF)金属蛋白酶ADAMTS13与VWF A2结构域的相互作用,阐明其动力学调控的分子机制。方法利用原子力显微镜测量在不同外力作用下WT和GOF ADAMTS13分子与VWF A2的黏附频率、断裂力和分子键寿命,并利用Bell-Evans模型提取相关动力学参数。结果WT ADAMTS13与VWF A2结合的能障宽度为0.41 nm,0 N力下的解离速率为1.50 s-1;GOF ADAMTS13与VWF A2结合的能障宽度为0.29 nm,0 N力下的解离速率为3.28 s-1。进一步利用AFM clamp模式测量在不同作用力下WT/GOF ADAMTS13-VWF A2复合物的分子键生存寿命和解离速率,发现两组复合物的结合均呈现“逆锁键”-“滑移键”转换的双相力学依赖特性。结论 WT ADAMTS13VWF A2相互作用的机械强度与力学稳定性高于GOF ADAMTS13-VWF A2,WT/GOF ADAMTS13与VWF A2结构域的相互作用具有“逆锁键”-“滑移键”转换的双相力学响应特性。研究结果有助于深入理解ADAMTS13与VWF的相互作用,为抗血栓药物的开发提供新思路。

    • 人内耳半规管嵴顶时间常数的定量分析

      2022, 37(5):895-901.

      摘要 (111) HTML (0) PDF 6.42 M (20) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过数值仿真和实验定量探究人内耳前庭半规管中的嵴顶时间常数,明确半规管编码角运动的时间过程。方法 建立人双耳半规管数值模型,通过流固耦合数值模拟嵴顶的生物力学响应,进而计算嵴顶的力学松弛时间常数。同时,对志愿者进行前庭眼反射实验,根据志愿者的眼震慢相角速度计算嵴顶的时间常数。结果 通过人内耳半规管数值模型计算得出的嵴顶力学松弛时间常数为3.75 s。通过实验测量得出平均嵴顶时间常数约为4.86 s。数值模型和实验中的结果近似保持一致。结论 人内耳前庭半规管中的嵴顶时间常数大约为4.86 s,反映了嵴顶力学松弛和半规管传入神经适应性的联合作用效果,体现了半规管编码角运动的时间过程。

    • 具有双特征时间参数的生物软组织黏弹性性质的理论研究

      2022, 37(5):902-910.

      摘要 (54) HTML (0) PDF 3.94 M (31) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探索描述生物软组织黏弹性特性的普遍行为或规律。方法 根据生物软组织的力学结构,构建由两个线性弹簧和两个黏壶的不同组合构成的四元件黏弹性结构模型;并通过弹性理论,结合不同黏弹性模型的几何构型推导其运动微分方程,利用其微分方程分析不同四元件模型的应力松弛和蠕变行为以及反映弹性和黏性相结合的应力松弛时间和蠕变推迟时间。结果 所有可能的四元件黏弹性模型都具有普遍的本构关系、应力松弛和蠕变函数形式。通过比较模型预测结果与主动脉瓣、韧带和脑动脉等生物软组织的实验数据发现,四元件黏弹性模型能够很好地描述生物软组织的力学行为。“快”和“慢”两个特征时间τ1和τ2对生物软组织的应力松弛具有显著的影响。“快”松弛时间τ1对应力达到稳定态所需时间有明显的影响,而“慢”松弛时间τ2对松弛率的影响不显著,但对应力松弛的稳定态有明显的影响。结论 生物软组织的时间依赖性行为可以通过两个特征时间尺度来表征,即“快”和“慢”时间;且具有两个特征时间的生物软组织的应力应变关系、应力松弛和蠕变函数具有相同的数学形式,这与所选择的弹簧和黏壶的配置和排列无关,但为保证模型力学参数的合理性,针对不同的生物软组织应选取适合的模型。

    • 可控牵张力对山羊腰椎间盘退变的影响

      2022, 37(5):911-917.

      摘要 (83) HTML (0) PDF 4.88 M (35) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨轴向牵张力对山羊椎间盘退变(intervertebral disc degeneration, IDD)的影响。方法 选取24只6~8月龄雄性山羊,采用弹性应力装置以40 N轴向压缩力诱导,构建山羊IDD模型,在IDD模型构建完成后,随机分为6组(A~C组为对照组,D~F组为实验组),并将压缩力转换为牵张力,A~C组牵张力0 N,D~F组牵张力40 N,牵张持续时间分别为4、6、8周。利用影像学(X线、磁共振成像)及病理组织学(HE染色、免疫组化)评估椎间盘退变及再水化程度。结果 随着牵张时间的延长,实验组椎间隙高度指数(disc height index, DHI)增加;Pfirrmann分级提示在牵张6周时,实验组退变程度最低;HE染色提示椎间盘内髓核细胞增多;免疫组化显示髓核Ⅰ型胶原呈先减少后增多的变化趋势,髓核Ⅱ型胶原呈先增多后减少的变化趋势。结论 在合适的时间内,一定的牵张力能够促进山羊IDD修复及其再水化。研究结果为临床牵引治疗IDD性腰痛提供新的思路和理论依据。

    • 短期跳跃负荷下兔髌腱起止点微细结构变化及炎性因子表达特征

      2022, 37(5):918-924.

      摘要 (67) HTML (0) PDF 5.96 M (36) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨短期跳跃负荷下兔髌骨髌腱结合部(patella patellar tendon junction,PPTJ)与胫骨髌腱结合部(tibial patellar tendon junction,TPTJ)的适应性反应。方法 19只18周龄雌性新西兰大白兔,随机分为对照组(n=4)与跳跃1 d组(J1)、3 d组(J3)、5 d组(J5)(每组n=5)。使用电刺激定量跳跃装置使兔每日完成150次跳跃(10组×15次,每组3 min,第4组与第8组结束后休息6 min,其余组结束后休息3 min,平均跳跃速度0.083次/s,每日训练总时长约70 min),训练结束24 h后处死动物,取左右后肢膝关节相应组织,行常规HE染色与免疫组化处理,定性描述组织形态学结果,并定量监测细胞密度、软骨带厚度与IL-1β、IL-6、TGF-β1表达量。结果 跳跃组(J1、J3和J5组)PPTJ与TPTJ均发生不同程度的微损伤;J5组PPTJ中IL-1β和IL-6表达量均显著高于对照组与J1组;J3组PPTJ中IL-6表达量显著高于对照组;J5组TPTJ软骨带厚度显著大于对照、J1、J3组;对照组PPTJ的IL-1β与IL-6表达显著低于TPTJ;J1组PPTJ的IL-1β、TGF-β1、IL-6表达量显著低于TPTJ;J3组PPTJ的IL-6表达量显著低于TPTJ。结论 短期跳跃负荷致兔PPTJ病理改变早于TPTJ,在短期跳跃负荷下的受损过程中,兔PPTJ炎性因子IL-1β、IL-6上调,而兔TPTJ则无明显炎性因子变化。研究结果为髌腱病的发病机制提供实验室依据。

    • 典型胸主动脉裸支架的力学性能

      2022, 37(5):925-931.

      摘要 (89) HTML (0) PDF 9.10 M (48) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究两种胸主动脉镍钛裸支架(Ze、Fa支架)的力学性能,为裸支架的设计和临床选择提供理论依据。方法建立两种裸支架的有限元模型和实物模型。分别完成两种裸支架弯曲、径向力和模拟使用的有限元分析,并进行对应的实物模型测试。通过实测结果验证有限元分析的准确性,预测支架植入后血管的应力和应变。结果 有限元分析表明,Ze、Fa支架弯曲90°时截面扁平率分别为3.83%和18.83%(实测为8.57%和14.27%),弯曲180°时截面扁平率分别为12.02%和23.72%(实测为14.37%和23.35%)。Ze、Fa支架在心脏收缩期最大径向力分别为33、429 N/m(实测为31、433 N/m),在心脏舒张期最大径向力分别为27、146 N/m(实测为29、179 N/m)。Ze、Fa支架在植入后对血管造成的最大应力分别为4、18 kPa,最大应变分别为4.17%和13.92%,最大直径扩张率分别为103%和898%。有限元分析和实测结果无显著性差异(P>0.05)。结论Ze、Fa支架植入后对健康血管造成的最大应力、应变在许可范围内。Ze支架的弯曲性能较优,适合被植入弯曲血管。Ze支架径向力较弱,适合被作为仅提供内膜支撑的Petticoat支架。较强的径向力有助于加强Fa支架在血管内的稳定性,降低脊髓缺血风险,故Fa支架适合被作为限制性裸支架。

    • 磁场对人体三维分叉颈动脉血液流动的影响规律

      2022, 37(5):932-939.

      摘要 (71) HTML (0) PDF 3.87 M (44) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过CT影像重构三维血管模型,研究外加均匀磁场对血液动力学行为的影响规律。方法 采用计算流体动力学理论和磁流体力学方法,建立体外均匀磁场对血液流动影响的数学模型,运用多物理场耦合模拟软件COMSOL Multiphysics进行仿真模拟,探究磁场强度对血液流动速度、压力和剪切应力的影响。结果 随着磁场强度的增加,血管中心处的流速受到了更加显著的抑制。壁面压力随着磁场强度的增加而减小,且磁场在血流分叉前对壁面处压力的影响明显,而在血流分叉后对壁面压力的影响减弱。血流进入分支血管后,壁面切应力显著增加,同时磁场对切应力的影响也显著增强。结论 人体血液具有磁流体力学特性,一定强度范围的磁场对血液流动产生了明显的影响。研究结果为设计人造强磁场设备、评估人造磁场环境对人体血液动力学的影响以及诊断人造磁场环境产生的疾病提供理论依据。

    • 上颌扩弓对颞下颌关节应力影响的有限元分析

      2022, 37(5):940-945.

      摘要 (78) HTML (0) PDF 2.78 M (43) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过三维有限元法对比扩弓前和放置扩弓器时颞下颌关节(temporomandibular joint, TMJ)内部各组织应力分布情况。方法 根据1名上颌牙弓狭窄患者CBCT影像资料,构建扩弓前和包含扩弓器的TMJ三维有限元模型,对模型加载相同的肌力和边界约束,观察TMJ髁突、关节盘、关节窝的等效应力、最大主应力和最小主应力。结果 扩弓前TMJ等效应力主要分布在下颌支前缘、髁突前斜面、关节盘中间带和后带以及关节窝顶部。放置扩弓器时,TMJ应力分布特征与扩弓前基本一致,应力虽然明显增加,但应力分布区域更加均匀;髁突和关节盘应力向前、向外侧移动,髁突后斜面表现出更加均匀的最大主应力分布范围。结论 上颌扩弓器产生的矫形力能够使TMJ应力增加,诱导髁突发生组织改建,协调髁突和关节盘的关系。临床上对于牙弓狭窄的患者应该采用合适的手段进行扩弓矫治。

    • 腹腔镜手术悬吊系统的设计与仿真分析

      2022, 37(5):946-951.

      摘要 (67) HTML (0) PDF 3.15 M (41) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 基于现有的气腹装置,在低气压的前提下,设计一款用于微创手术的新型悬吊系统,以暴露更多手术视野,便于手术顺利进行。方法 利用Solidworks软件完成悬吊系统的结构设计,并基于有限元仿真分析技术,研究医用不锈钢、钛合金Ti6Al4V、钛合金Ti6Al7Nb和纯钛4种不同夹子制作材料以及尼龙(polyamide6,PA6)、涤纶、聚丙烯(polypropylene,PP)3种不同中间平面结构制作材料对悬吊系统使用性能的影响。结果 4种不同材料的夹子在夹持组织过程中,组织的形变量均较低,不会出现所夹持组织从夹子中滑脱的现象。就应力而言,选用医用不锈钢材料时,夹子及其夹持组织的应力均最低;对于中间平面结构的制作材料而言,当选取涤纶材料时,在悬吊系统工作过程中,中间平面结构会在外载荷作用下发生破坏;当选用PP材料时,中间平面结构会发生永久变形,且形变量最高,不利于临床手术的进行。结论 选择医用不锈钢作为夹子的制作材料为最佳。不宜选择涤纶作为中间平面结构的制作材料,选择PA6作为中间平面结构的制作材料为最优。

    • 基于瞬态分析的桡骨远端骨折外固定支具结构优化设计

      2022, 37(5):952-959.

      摘要 (103) HTML (0) PDF 4.77 M (33) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 针对桡骨远端骨折外固定支具缺乏腕关节阶段性功能锻炼的问题,提出一种基于瞬态分析的外固定支具结构优化设计方法,为外固定支具结构设计提供理论参考依据。方法 确定外固定支具固定、牵伸、活动3种工作模式,围绕牵伸、活动模式进行瞬态动力学分析,以判断其在牵伸、活动载荷作用下应力、变形等变化。对外固定支具的重要尺寸进行灵敏度分析,筛选出关键尺寸,以此为设计变量,以质量、最大变形量为目标变量。采用正交试验法、模糊优化方法建立数学模型,使多目标问题变为单目标问题,进而通过遗传算法优化求解。结果 所设计的外固定支具在牵伸、活动模式下均满足设计需求,且具有较强的刚性。经尺寸优化求解,优化后模型与原模型相比质量下降5%,最大变形减少8%。结论 研究结果达到轻量化的目的,为桡骨远端骨折外固定支具改进设计和研究奠定基础。

    • 顶骨不同分区骨片材料力学参数 差异

      2022, 37(5):960-966.

      摘要 (117) HTML (0) PDF 2.69 M (48) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 明确顶骨不同分区骨片材料力学参数差异及其与厚度的关系。方法 将左侧顶骨分为上顶、侧顶及后顶3个分区并截取各分区骨片,利用准静态三点弯曲实验对骨片的极限载荷、极限载荷作用下的形变、弯曲强度及弹性模量进行检测,分析不同分区顶骨的材料力学参数差异,并探讨骨骼厚度与上述参数的相关性。结果 上顶、侧顶及后顶的厚度依次为上顶>后顶>侧顶(F=21298,P<0.05)。极限载荷、弯曲强度及弹性模量在上顶(F=7.082)、侧顶(F=5.206)及后顶(F=77.748)组间差异均具有统计学意义(P<0.05)。极限载荷依次为上顶>后顶>侧顶。弯曲强度与弹性模量均为侧顶>后顶>上顶。极限载荷作用下的形变在上顶与侧顶两组间比较差异具有统计学意义(P<0.05)。极限载荷与厚度呈正相关(r=0.683,P<0.05),而弯曲强度(r=-0.467)及弹性模量(r=-0.646)均与厚度呈负相关(P<0.05)。结论 顶骨不同分区的材料力学参数及厚度均存在差异,极限载荷与厚度呈正相关,而弯曲强度与弹性模量均与厚度呈负相关。

    • >综述
    • 从生物力学角度探讨腹直肌分离

      2022, 37(5):967-971.

      摘要 (120) HTML (0) PDF 964.09 K (28) 评论 (0) 收藏

      摘要:腹直肌分离(diastasis recti abdominis,DRA)是产后并发症之一,常采用腹肌训练的方法促进其康复,但至今没有普遍可接受的训练模式及其相应理论支撑。 本文从腹壁生物力学角度对 DRA 机制和康复效果进行综述,同时也分析了其争议的原因。 主要原因包括腹直肌间距(inter-rectus distance,IRD)和腹肌厚度测量方法和测量部位 的不统一,以及未能用生物力学方法探讨 DRA 发生机制等。 因此,今后应规范 DRA 训练方法,研究 DRA 状态下的腹肌及其腱膜力学特征,为腹肌训练模式提供依据。

    • 基于有限元法的数字化建模在拇外翻研究中的应用

      2022, 37(5):972-971.

      摘要 (100) HTML (0) PDF 978.39 K (37) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着计算机科学和技术的快速发展,数字医学概念应运而生,数字化技术在骨科的研究和应用日趋普及。 有限元分析是一种强大且高效的模拟真实实验的数值方法,常用于研究医学中涉及的生物力学、生物材料性能以及手术模拟等问题,尤其是近几年在足踝领域的应用也越来越多。 目前,基于足踝有限元模型的生物力学分析已被广泛应用于糖尿病足、足底筋膜疾病、足踝骨折及骨性关节炎等的机制分析、假体设计、手术模拟、鞋和鞋垫设计等方向,极大提高了临床医生对足踝生物力学的认知,为足踝相关疾病的研究与诊断提供新思路。 然而,利用有限元法分析拇外翻畸形的研究相对有限。 本文概述拇外翻及继发的扁平足、跖骨痛等病变的生物力学分析和建模方法,以及该方法在临床实际应用的现状,总结其优缺点并进行展望。

    • 3D打印技术在骨科矫形器中的应用

      2022, 37(5):972-984.

      摘要 (431) HTML (0) PDF 1.83 M (40) 评论 (0) 收藏

      摘要:3D 打印技术已经成为各领域研究的重点,主要包括 3D 扫描解剖结构或表面、3D 数字重建、计算机辅助建模、STL 格式转化、产品打印等步骤。 因其制作成本低、生产效率高、个体化设计等优点,3D 打印广泛应用于医学的各个领域。 近年来,3D 打印技术逐渐开始应用于制作骨科矫形器,在关节、创伤、脊柱相关疾病的治疗和康复中发挥着重要的作用。 本文对 3D 打印矫形器的制作方法、分类和应用进行概述。

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