• 2015年第30卷第6期文章目次
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      2015, 30(6).

      摘要 (3681) HTML (0) PDF 664.43 K (3305) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 《医用生物力学》2015年第30卷总目次

      2015, 30(6). DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.

      摘要 (2437) HTML (0) PDF 722.17 K (3590) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 《医用生物力学》2015年第30卷第1~6期关键词索引

      2015, 30(6). DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.

      摘要 (2158) HTML (0) PDF 599.51 K (3499) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 《医用生物力学》2015年第30卷第1~6期作者索引

      2015, 30(6). DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.

      摘要 (2359) HTML (0) PDF 651.55 K (3533) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >感觉系统生物力学
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      2015, 30(6):461-466.

      摘要 (3655) HTML (0) PDF 843.58 K (3928) 评论 (0) 收藏

      摘要:近年来,计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)被广泛应用于脑动脉瘤的基础和临床研究中,其研究方向涉及:① 动脉瘤的形成、生长机制和动脉瘤破裂的血流动力学危险因素,② 通过建立患者个性化模型,评估弹簧圈和支架置入后动脉瘤内流场的变化,评价血管内治疗的效果。从计算流体力学模型的建立、评估动脉瘤破裂风险的形态和血流动力学参数、血流动力学参数评估动脉瘤治疗的手术效果3个方面详细阐述近年来在脑动脉瘤的诊治中血流动力学研究的进展。

    • >专栏
    • 从生物力学角度评价单髁置换术与腓骨截骨术

      2015, 30(6):479-487. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.479

      摘要 (37270) HTML (0) PDF 2.54 M (611) 评论 (0) 收藏

      摘要:膝关节单间室骨性关节炎引起的膝内翻是常见病症之一,目前手术方法主要有胫骨高位截骨术、单髁置换术以及最新推广的腓骨截骨术。单髁置换术自开展以来已有60余年历史,相比全膝关节置换术具有可保留膝关节正常运动、手术创伤小、保留骨量多以及术后关节活动度大等优点,故单髁置换术已成为治疗内侧间室骨关节炎一种可靠的治疗方式。腓骨截骨术是一种治疗膝内翻的新治疗手段,具有手术简单、费用低、恢复快等优点,目前正在被大力推广,但其治病机制尚不很清楚。综述单髁置换和腓骨截骨两种临床手术方式,并从生物力学角度推论腓骨截骨术治疗内侧间室骨性关节炎的可能机制,提出腓骨截骨术后外侧收缩肌力下降导致关节合力矩再平衡,故关节接触位置改变、关节接触力下降可能是腓骨截骨术能够缓解疼痛治疗骨性关节炎的原因。

    • >力学生物学
    • 血管支架在真实狭窄血管模型中扩张过程的模拟研究

      2015, 30(6):488-494. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.488

      摘要 (2911) HTML (0) PDF 2.56 M (439) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究血管支架在真实狭窄血管模型中不同扩张阶段的形变与受力特性,为支架的介入治疗与设计提供科学的参考意见。方法 利用三维建模方法构建患者颈动脉血管模型以及斑块模型,利用Pro/E软件构建1种I型血管支架;在ABAQUS/Standard软件中分析支架在真实狭窄血管模型中径向扩张(第1阶段)和径向收缩(第2阶段)的扩张过程,同时建立斑块与血管为一体的对比实验。结果 在第1阶段,支架发生径向扩张,支架与斑块和血管内壁接触面积最大,支架、斑块、血管壁所受应力最大值分别为515.000、2.482、1.053 MPa;在第2阶段,支架发生径向收缩,形成“狗骨效应”,支架与血管壁之间形成较多的间隙,支架、斑块、血管壁所受应力最大值分别为464.500、0.954、0.316 MPa。在对比实验中,狭窄血管与支架在第2阶段所受应力最大值分别为0.9、414.1 MPa。结论 相对于对比实验,区分血管组织成分的模型更符合狭窄血管的真实情况,更能真实反映血管与支架的受力情况;在第1阶段支架对于斑块及血管内壁造成的损伤最大,在第2阶段支架的“狗骨效应”是造成支架与斑块、血管间产生空隙的重要影响因素。研究结果对支架在介入治疗中的选择与支架的改进设计具有指导意义。

    • 单腿站立姿态下I+II+III型标准半骨盆假体生物力学研究

      2015, 30(6):495-500. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.495

      摘要 (2376) HTML (0) PDF 2.57 M (387) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 针对半骨盆假体发展中的标准化问题,建立I+II+III型标准半骨盆假体模型,对受损骨盆进行骨盆环重建,并进行生物力学研究,以评价其力学响应特点。方法 使用有限元方法模拟人体骨盆在单腿站立时的受力情况。所使用的骨盆模型包含相关关节软骨和韧带,以模拟真实体内环境。结果 在单腿站立姿态载荷作用下,重建骨盆中应力分布与健康骨盆相似,应力均从S1面经由骶髂关节向下传递;骨与假体应力峰值低于材料的屈服极限。结论 Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ型标准半骨盆假体能够可靠地恢复受损骨盆的功能,研究结果为该种假体在使用中的力学可靠性提供初步的理论依据。

    • 交叉螺钉与钢板内固定治疗Sander III型跟骨骨折的有限元分析

      2015, 30(6):501-505. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.501

      摘要 (2438) HTML (0) PDF 2.06 M (359) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 比较研究交叉螺钉与钢板固定治疗跟骨关节内骨折的术后即刻稳定性。方法 采集1名正常男性足部薄层CT数据集,据此建立交叉螺钉和钢板两种内植物固定跟骨Sander-III型骨折的三维有限元模型。分析两个模型在700 N垂直荷载下的应力分布和位移规律。结果 螺钉固定时应力集中于骨折端与螺钉接触的部位,不同部位螺钉的最大应力存在差别。钢板固定时应力集中于钢板与螺钉接触的位置,高应力区位于钢板中前部。钢板、螺钉与跟骨的最大应力均小于各自剪切强度。正常跟骨及骨折模型的位移集中于后距下关节,越向内侧位移越大。结论 交叉螺钉与钢板均可用于治疗跟骨骨折,固定具有良好的初始稳定性,建议术后早期进行功能锻炼和康复训练。

    • 高跟鞋与足部跖间应力关系的有限元分析

      2015, 30(6):506-509. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.506

      摘要 (2273) HTML (0) PDF 1.27 M (351) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究穿着高跟鞋时前足跖间组织的应力变化,为跖间神经瘤诱发机制的定量分析和相应治疗方案提供参考。方法 通过已验证的足-踝-高跟鞋有限元模型平台,分析足部在0、2.54、5.08、7.62 cm[0、1、2、3″(英寸)]4种不同跟高高跟鞋平衡站立以及穿5.08 cm跟高高跟鞋行走时步态周期内的跖间组织应力大小及趋势。结果 随着鞋跟高度的增加,跖间组织应力明显增加,穿7.62 cm跟高高跟鞋时第3、4跖间组织受力是穿平跟鞋的312%。穿5.08 cm跟高高跟鞋行走时,在蹬地期第3、4跖间组织的受力最大,达到90 kPa,与临床最常见的跖间神经瘤发病部位相符。结论 穿着高跟鞋明显增加跖间组织的应力,鞋面横向挤压导致第3、4跖间组织受力最大,最容易导致跖间神经瘤的发生。

    • 基于ANSYS/LS-DYNA的神经电极植入脑组织过程数值仿真

      2015, 30(6):510-514. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.510

      摘要 (2123) HTML (0) PDF 1.51 M (331) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 建立神经电极-脑组织数值仿真模型,研究神经电极在植入过程中对脑组织产生的植入损伤。方法 采用超黏弹性模型描述脑组织材料,基于单元删除法和最大主应变失效准则模拟组织破坏与分离,并通过平均等效应变量化组织植入损伤,考察神经电极楔形角、植入速度以及电极刚度对脑组织急性损伤的影响规律。结果 150°楔角所产生应变值较90°增加37.1%;100 μm/s慢速植入时电极植入路径上组织应变值较大(>57%),500 μm/s较高速植入时植入路径上组织应变明显变小(<25%);而电极刚度对组织损伤影响不明显,电极刚度从165 GPa下降至5 kPa时,组织应变仅增加1%~2%。结论 数值仿真模型可为神经电极与植入参数设计提供参考,从而减少组织植入损伤,提高电极工作寿命,满足长期临床应用。

    • 载荷强度对受载胫骨中骨陷窝-骨小管系统内溶质输运速率影响

      2015, 30(6):515-520. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.515

      摘要 (2373) HTML (0) PDF 2.07 M (311) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 利用有限元法研究载荷强度对受载胫骨中骨陷窝-骨小管系统(lacunar-canalicular system,LCS)内溶质输运速率的影响。方法 基于成年鼠胫骨的micro-CT扫描图像,利用Mimics、Hypermesh、FEBio等软件建立其胫骨有限元模型,且视为均质的两相-溶质材料。通过设置3组不同扩散率(3、15、30 μm2/s)的溶质和载荷强度(0.2、2.0、5.0 N),得到输运速率和溶质扩散率以及载荷强度之间的关系。对比光脱色荧光恢复(fluorescence recovery after photobleaching, FRAP)实验数据与有限元法得到的结果,分析载荷刺激对输运增强率的影响。结果 输运速率均随着扩散率和载荷强度的增大而增大。通过与FRAP实验的数据进行比对发现,有限元法得到的结果基本符合溶质运移规律。结论 研究结果可为研究皮质骨深层区域的力响应以及流动性提供一定基础,也为进一步揭示骨再生机制提供借鉴。

    • 不同角度载荷下股骨头骨小梁的生物力学特性

      2015, 30(6):521-527. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.521

      摘要 (2836) HTML (0) PDF 2.12 M (328) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨不同角度载荷对股骨头骨小梁形态学与力学性能的影响,为研究股骨头坏死、塌陷的生物力学机制提供理论依据。方法 利用12月龄羊股骨头和人尸体股骨头分别制作羊股骨头骨小梁试件94个和人股骨头骨小梁试件43个。按照受力方向与骨小梁主压力方向之间的不同夹角,将骨小梁以10°间隔分为内翻10°、0°和外翻10°、20°、30°共计5组,模拟股骨颈骨折内固定术后不同戈登(Garden)对线指数下的复位情况。通过分别对羊股骨头骨小梁进行micro-CT扫描、计算与压缩破坏试验以及对人尸体股骨头骨小梁进行循环压缩试验,分析不同受力方向下股骨头骨小梁的骨体积分数(BV/TV)、骨表面积/骨体积(BS/BV)、骨小梁平均厚度(Tb.Th)、骨小梁数量(Tb.N)、骨小梁间距(Tb.Sp)等形态学指标以及弹性模量、极限强度、屈服强度、初始弹性模量、循环次数等力学指标。结果 加载方向与骨小梁的主压力方向之间夹角为0°时,BV/TV、Tb.Th以及弹性模量、极限强度、屈服强度、初始弹性模量、循环次数均为最大,而BS/BV与Tb.N为最小,并随着夹角增大前者呈递减而后者呈递增趋势。结论 12月龄羊股骨头骨小梁BV/TV与极限强度随受力方向与骨小梁主压力方向之间夹角变化的趋势与人股骨头骨小梁一致;加载方向与主压力骨小梁之间夹角增大时,股骨头骨小梁形态学与力学性能均下降;Garden指数偏离160°越大时,股骨头内骨小梁越易发生损伤。

    • 鞋帮高度对跳跃动作踝关节矢状面运动学及动力学特征的影响

      2015, 30(6):528-534. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.528

      摘要 (2774) HTML (0) PDF 1.92 M (357) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨穿着高、低帮篮球鞋对跳跃动作踝关节矢状面运动学、动力学以及运动表现的影响。方法 利用Vicon运动捕捉系统和Kistler三维测力台同步采集12名受试者穿着高、低帮篮球鞋进行双腿落地反跳(drop jump, DJ)和单腿跨步跳(lay-up jump, LJ)过程中踝关节矢状面屈伸最小/最大角度、力矩、功率、刚度、跳跃高度以及背屈活动度等参数指标。结果 (1) 穿着高帮鞋能够显著减小踝关节的背屈角度(P<0.05)。在DJ和LJ过程中,两款鞋的跳跃高度、踝关节触地角度、最小/最大角度、活动度均无显著性差异;(2) 在DJ过程中,穿着两款鞋的踝关节屈伸动力学特征无显著差异;但在LJ过程中,穿着高帮鞋的跖屈力矩和功率峰值均显著小于低帮鞋(P<0.05)。结论 穿着高帮鞋虽然没有限制跳跃情况下踝关节的屈伸表现,但会影响踝关节矢状面的部分动力学特征,建议鞋帮高度的选择和设计能够在护踝的基础上充分发挥踝关节在矢状面的力学作用,从而实现运动表现的最优化。

    • 基于悬臂梁模型的针挠曲预测

      2015, 30(6):535-539. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.535

      摘要 (2248) HTML (0) PDF 1.56 M (340) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 分析针穿刺组织过程中的挠曲量和穿刺针受力情况,提高针穿刺精度。方法 搭建包括工业相机、步进电机和光源等组成的测量设备。用针轴直径分别为1.3、0.9、0.6 mm的穿刺针进行针穿刺软组织实验,利用力传感器得到不同穿刺速度(5、10和15 mm/s)下的穿刺力,通过数字图像处理得到穿刺针的挠曲量。在分析针受力的基础上,构建预测针挠曲量的悬臂梁模型。结果 利用悬臂梁模型对直径为1.3、0.6 mm穿刺针在5 mm/s速度下的挠曲量进行预测,其绝对误差小于0.5 mm,相对误差小于10%。结论 所建模型能够实现对针穿刺挠曲的预测,可以为机器人辅助柔性针穿刺路径规划和避障运动提供参考。

    • 人服系统上肢交互生物力学仿真模型

      2015, 30(6):540-546. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.540

      摘要 (2435) HTML (0) PDF 2.23 M (337) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过建立人-舱外服上肢交互生物力学仿真模型计算穿着舱外服后航天员上肢关节力矩和肌肉力,满足出舱活动风险评估的需求。方法 分别建立舱外服手臂的刚体运动学模型和关节阻尼力矩迟滞模型以描述舱外服关节的运动和力学特性。通过对舱外航天服肘部和人体肘部位置进行约束实现人体和舱外服手臂之间的运动学耦合,利用虚拟反作用力元实现两者之间的动力学耦合,在反向运动生物力学架构下建立一体化仿真模型。利用该模型对宇航员穿着加压、未加压舱外服和不穿着舱外服3种工况下肘弯曲/伸展进行仿真案例分析。结果 3种工况下肱二头肌的预测肌肉激活和积分肌电的相关性分别为0.86、0.71、0.65,肱三头肌对应的相关性分别为0.75、0.61、0.60,采用预测肌肉激活和积分肌电的一致性定性验证了模型的正确性,利用舱外服肘关节阻尼力矩与人体肘关节肌肉承受力矩之间的一致性验证了模型的合理性。结论 该人服系统上肢交互生物力学仿真模型能有效计算航天员穿着舱外服后的上肢关节力矩和肌肉力,且仿真结果和实验表明,加压后舱外服关节阻尼力矩造成较大的人体关节力矩和肌肉负荷,为航天员出舱活动中的体力负荷和骨肌风险评估提供方法学支撑。

    • 血管内皮生长因子对尾吊大鼠后肢胫骨骨丢失的影响

      2015, 30(6):547-552. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.547

      摘要 (2193) HTML (0) PDF 1.45 M (306) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)对废用性骨丢失的影响。方法 建立尾吊大鼠的动物模型,并随机平均分为尾吊盐水组、尾吊VEGF组、对照盐水组、对照VEGF组。实验过程中,每周两次对大鼠右腓肠肌注射VEGF或者等量的生理盐水,4周后通过micro-CT对大鼠胫骨近端进行扫描,以松质骨和皮质骨骨密度(bone mineral density, BMD)、骨体积分数(BV/TV)、骨小梁数量(Tb.N)、骨小梁间距(Tb.Sp)和结构模型指数(SMI)等松质骨微结构参数以及皮质骨厚度作为评价指标,探讨VEGF对尾吊大鼠后肢胫骨骨丢失的影响。结果 与对照组大鼠相比,尾吊组大鼠松质骨表观BMD、BV/TV、Tb.N以及皮质骨厚度均显著降低,Tb.Sp与SMI显著升高,尾吊会造成大鼠的骨丢失,而注射VEGF能够缓解尾吊大鼠松质骨的骨丢失。结论 血供的改变可能与骨重建之间存在着一定的联系,改善血供有助于对抗废用性的骨丢失。

    • 后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响

      2015, 30(6):553-557. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.553

      摘要 (2147) HTML (0) PDF 1.12 M (329) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究后方韧带复合体逐级切除对损伤胸腰椎稳定性的影响,验证棘上韧带对维持损伤胸腰椎稳定的作用。方法 取8具健康新鲜人体T11~L3节段标本,于L1椎体中1/3行楔形切除,并在材料试验机上压缩至闭合以制备L1椎体骨折。对T12~L1处后方韧带复合体按照关节囊、棘间韧带、棘上韧带、黄韧带的顺序进行逐级切除,依次连续测量T12~L1节段前屈、后伸、侧弯、旋转运动时的运动范围(range of motion, ROM)及中性区(neutral zone, NZ)变化。结果 在前屈和后伸运动中,椎体切除及棘上韧带断裂后,ROM及NZ显著增加。在侧弯运动中,椎体切除和关节囊破坏后,ROM显著增加。在旋转活动中,椎体切除及关节囊破坏导致ROM增加,NZ无显著增加。结论 棘上韧带断裂后,T12~L1节段稳定性发生显著下降,尤其在前屈运动中。棘上韧带是维持胸腰椎节段稳定性的关键韧带。

    • 红细胞非惯性升力对血液流动的影响

      2015, 30(6):558-563. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.558

      摘要 (2082) HTML (0) PDF 793.51 K (344) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 为准确模拟血流,研究红细胞变形性对血液流动的影响。方法 基于血液流变特性和红细胞力学特性分析,对现有血液两相流流动模型进行改进,改进模型中考虑了易变形红细胞受剪切流场或血管壁面作用而产生的非惯性升力的影响。利用改进模型对多个不同直径血管内的血液流动进行模拟。结果 由红细胞所受非惯性升力导致的径向运动对血管内红细胞体积分数、运动速度分布有明显影响;当血管直径为0.1~3.0 mm时,用改进模型得到的血液相对黏度的模拟值与测量值接近。结论 非惯性升力是血流呈现Fahraeus-Lindqvist效应的主要原因之一。考虑非惯性升力的改进模型可以准确模拟血液流动,为循环系统诊疗机制和细胞分选等过程的模拟提供更为准确的方法。

    • 膝关节整体免荷矫形器的设计与评价

      2015, 30(6):564-568. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.564

      摘要 (2133) HTML (0) PDF 908.45 K (300) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 设计一种膝关节整体免荷矫形器,探讨矫形器安装位置、矫形器大腿托与大腿间压力与免荷能力的关系。方法 通过搭建生物力学实验平台,对下蹲直立过程进行力学及运动学分析,评价膝关节整体免荷矫形器的免荷能力。结果 该矫形器可产生0~200 N的免荷力,矫形器铰链位置位于膝部前侧上方时矫形器免荷力大,大腿托与大腿间压力增大时免荷力增大。结论 设计的整体免荷矫形器具有部分免荷效果,该矫形器的免荷力与矫形器的安装位置和绑带的松紧程度有关。

    • >感觉系统生物力学
    • 生物力学在中医骨伤手法治疗颈椎病中的应用

      2015, 30(6):569-573. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2015.06.569

      摘要 (2171) HTML (0) PDF 751.64 K (302) 评论 (0) 收藏

      摘要:中医骨伤科手法治疗颈椎病临床优势突出,手法的生物力学研究具有重要的临床和理论意义。回顾近年来中医骨伤科手法治疗颈椎病的生物力学机制研究,从手法的力学测量、不同颈椎手法术式(理筋手法、正骨手法)、手法对颈椎组织(椎体、椎间盘、肌肉、血管)影响等方面的生物力学问题进行探讨,为临床中医骨伤手法更好治疗颈椎病提供生物力学理论依据及指导。

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