• 2023年第38卷第3期文章目次
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      2023, 38(3). DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0000

      摘要 (71) HTML (0) PDF 419.71 K (713) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 封面

      2023, 38(3). DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0000

      摘要 (65) HTML (0) PDF 579.40 K (664) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >述评
    • 心血管生物力学专栏述评

      2023, 38(3):417-419. DOI: 10.16156/j.1004-7220.2023.03.001

      摘要 (167) HTML (3) PDF 847.23 K (871) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >专家论坛
    • 心血管生物力学与力学生物学2022年研究进展

      2023, 38(3):420-432. DOI: 10.16156/j.1004-7220.2023.03.002

      摘要 (854) HTML (19) PDF 9.65 M (2169) 评论 (0) 收藏

      摘要:心血管系统对整个生物体起着至关重要的作用。它执行许多重要功能,如为器官和组织提供营养、激素、向细胞输送氧气和维持生理温度。长期以来,准确识别机体血管壁的体内非线性、各向异性的力学特性一直被认为是心血管生物力学领域的关键挑战之一,因为这些特性是整个心脏功能的关键决定因素。目前,机械力和组织力学特性在动脉瘤、动脉粥样硬化等心血管疾病中的作用仍然是基础与临床研究的热点。本综述总结了2022年心血管生物力学与力学生物学领域的最新研究进展。在心血管生物力学方面,研究者关注心血管系统的结构、功能和病理生理学,并利用力学模型等方法来研究这些问题;主要包括动脉粥样硬化、动脉瘤和心肌梗死等疾病的生物力学特性研究,以及基于心血管系统动力学的治疗方法的开发和测试。在力学生物学方面,研究者探索了心血管细胞的力学特性和细胞外基质力学特性等;主要包括基于机器学习的细胞力学性质预测、生物材料力学性能研究以及力学特性在心血管细胞表型变化中的作用。这些研究成果为心血管疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法,并为生物力学和力学生物学领域的研究提供新的启示。

    • 生命系统中的力化耦合定量机制与力医学路径初探

      2023, 38(3):433-450. DOI: 10.16156/j.1004-7220.2023.03.003

      摘要 (475) HTML (10) PDF 9.97 M (2400) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对当前生命与医学研究面对的挑战,分析生命系统在分子、亚细胞、细胞和组织不同尺度的力化耦合行为,并试给出各尺度力化耦合的定量关系。 这些定量关系说明生命系统在各个尺度的结构与它们的力稳态紧密相关,即结构的变化必将导致力稳态的改变;反之,力稳态变化也必将导致结构的变化。 生命系统力稳态的产生源于分子尺度肌球蛋白作用而产生的细胞骨架的收缩张力,并借助生命系统的多级结构实现各级结构的力的自稳态。 因此,力化耦合机制及其定量关系启示研究者可以发展一个从全新角度去认识和治疗疾病的思路和方法,即力医学。最后,讨论力医学认识和治疗疾病的可能路径,为新的医学范式提供诊疗思路和方法。

    • 树突状细胞的生物力学与力学生物学研究进展

      2023, 38(3):451-457. DOI: 10.16156/j.1004-7220.2023.03.004

      摘要 (535) HTML (10) PDF 980.75 K (4809) 评论 (0) 收藏

      摘要:树突状细胞(dendritic cells, DCs)是目前已知机体内功能最为强大的抗原提呈细胞,具有高效的抗原摄取、加工和处理能力,能够在二级淋巴组织向幼稚T细胞提呈抗原,从而诱导免疫应答或耐受,在启动和放大先天性及适应性免疫中发挥关键作用。DCs在发挥其生理学功能的过程中经历复杂的化学和力学微环境变化,并表现出不同力学表型和免疫表型,深入理解调控DCs力学表型和免疫表型的化学和力学因素是利用其治疗免疫相关疾病的先决条件。本文主要介绍DCs生物力学与力学生物学研究的进展,并探讨其在免疫相关疾病治疗中的潜在应用和未来发展方向。

    • >专栏
    • 冠状动脉病变特征对心肌缺血的影响

      2023, 38(3):458-464. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0458

      摘要 (351) HTML (3) PDF 2.65 M (707) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究狭窄血管的弹性和斑块性质等病变特征对心肌缺血的影响。方法 建立基于流固耦合的几何多尺度冠脉狭窄理想模型,仿真计算血流储备分数(fractional flow reserve, FFR),评估心肌缺血状况。单独考虑血管弹性壁(弹性模量为1 MPa)和刚性壁、斑块类型(富脂、钙化)以及斑块体积对心肌缺血的影响。结果 在所有狭窄率下,弹性壁血管FFRCT计算结果均大于刚性壁。富脂斑块病变的FFRCT高于钙化斑块的FFRCT(P=0.001)。梯形的斑块体积大于余弦形斑块体积,并且其FFRCT小于余弦形斑块(P=0.001)。结论 血管弹性是模拟血管血流动力学的必要因素。在中等狭窄程度下,由于富脂斑块有更大的管腔变形扩张,钙化斑块更容易引发心肌缺血。在狭窄率一定时,斑块体积越大,FFRCT越小,心肌缺血的可能性越大。

    • 颈内动脉 Y 形分叉处双支架并联取栓术的有限元模拟

      2023, 38(3):465-471. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0465

      摘要 (442) HTML (2) PDF 4.79 M (712) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 利用有限元方法模拟单、双支架在理想颈内动脉Y形分叉处血管取栓过程,依据仿真结果分析取栓过程中支架-血栓-血管相互作用,为改善分叉处支架取栓效果提供指导。方法 利用CAD软件建立模型,利用有限元分析软件模拟单、双支架取栓过程。结果 单支架模型取栓失败,双支架模型取栓成功,并且取栓过程中血栓的最大应力是单支架的2倍,最大应变是单支架的1.12倍,血管壁表面的最大接触压强大约是单支架的2倍。结论 Solitaire双支架能够有效防止分叉处血栓移位并且成功取出血栓,但血栓中段应力水平较高存在断裂风险;取栓过程中前动脉侧血管接触压强更大,血管壁损伤风险更大。因此,有必要优化取栓支架的设计以提高其柔顺性。

    • 瘤颈角度对腹主动脉瘤腔内修复术后支架位移的影响

      2023, 38(3):472-478. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0472

      摘要 (56) HTML (1) PDF 3.88 M (674) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究瘤颈角度对腹主动脉瘤腔内修复术后支架位移的影响。 方法 选用 28 名患者 CT 影像分别建立术前腹主动脉瘤(abdominal aortic aneurysm,AAA)模型、术后两次随访( postoperative follow-up)AAA 模型和覆膜支架模型,并根据术前瘤颈角度将模型分为非严重成角组( n = 14)和严重成角组( n = 14)。 测量每个模型的几何形态,分析手术前后 AAA 几何参数、术后支架位移变化。 通过血流动力学模拟计算术后第 1 次随访模型的位移力。结果 两组患者在瘤长度、最大直径、位移力、瘤颈长度变化和瘤体积变化有明显差异(P<0. 05)。 支架重心位移和近端位移无显著差异(P>0. 05)。 在内漏发生情况上,未严重成角组中有 2 例,严重成角组中有 4 例(P>0. 05)。结论 严重的瘤颈成角可导致支架位移力显著增加以及近端锚固区减小,进而增加支架位移发生的可能性。 建议在临床方面医生应加强对严重瘤颈成角患者的术后随访,警惕远期内漏的发生。

    • 主动脉夹层裂纹面内扩展的数值模拟

      2023, 38(3):479-486. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0479

      摘要 (89) HTML (6) PDF 4.63 M (649) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 基于界面损伤提出一种裂纹面内扩展的数值模拟方法,探究裂纹面内扩展的规律。方法 基于双线性牵引分离定律表征中膜层的3种界面损伤模式,模拟剥离实验和剪切实验以标定其损伤参数。通过内聚力模型法将损伤界面引入理想化的双层圆管状主动脉模型中,模拟假腔在面内的扩展趋势。通过控制变量法建立多个计算模型,研究假腔几何参数对裂纹面内扩展方向、临界扩展压力以及界面损伤模式的影响。结果 界面损伤在轴向扩展中以张开型(I型)为主,在环向扩展中以滑移型(II型)为主;随着初始假腔径向深度增加,裂纹扩展方向由环向转变为轴向,临界扩展压力降低,且轴向损伤更趋近于纯张开型;随着初始假腔环向角度和轴向长度的增加,临界压力降低,环向损伤更趋近于纯滑移型。单一型损伤比混合型损伤具有更低的临界压力。结论 通过内聚力模型法可有效模拟主动脉中膜弹性层之间的界面损伤行为,适用于夹层假腔面内扩展的数值模拟。研究结果有助于理解夹层裂纹扩展的复杂病理生理过程。

    • 新型球扩式锥形血管支架的径向支撑力学行为

      2023, 38(3):487-492. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0487

      摘要 (94) HTML (4) PDF 3.94 M (762) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探求支架锥度和连接筋形式对支架支撑性能的影响规律,为锥形支架的结构设计和临床选择提供重要的科学依据。方法 通过构建新型球囊扩张式锥形血管支架径向支撑性能的非线性有限元模型,采用平面压缩法分析血管支架在不同支架锥度(0°、0.565°、1.13°)和支架连接体结构形式(V、I、C、S、M型)下的支架径向刚度和应力分布规律,研究血管支架结构设计和其径向支撑性能之间的关系。结果 0°、0.565°、1.13°支架径向刚度分别为2.51、1.61、0.85 N/mm,0.565°、1.13°支架分别比 0°支架(原直支架)下降了35.86%和66.14%;除了C型连接体支架径向刚度为1.48 N/mm外,I、M、S、V型连接体支架的径向刚度相差不大,分别为2.51、2.61、2.41、2.52 N/mm,表明此4种连接体支架在径向抗压缩性能上几乎相同。结论 相比于传统的圆直支架,锥形支架的径向刚度会减小,且随着锥度增加,支架的径向刚度会逐渐降低;在研究的所有支架类型中,除了C型连接体支架的径向刚度较差外,其余连接体形状对支架的径向刚度影响甚微。在不改变支架连接筋形式的情况下,通过降低锥形支架锥度可以提高支架的径向支撑性能。

    • 环缩宽度对肺动脉血流动力学影响

      2023, 38(3):493-499. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0493

      摘要 (161) HTML (5) PDF 2.91 M (782) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过构建不同环缩宽度的肺动脉环缩术(pulmonary artery banding,PAB)模型,探索环缩宽度对肺动脉血流动力学特性改变的影响。方法 保持环缩位置及程度一致,利用计算机辅助设计(computer-aided design,CAD)重构术中常用不同环缩宽度(2、3、4、5 mm)三维肺动脉模型,通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟分析压力、流线、能量损失、能量效率及肺动脉血流量分配比等,比较不同环缩宽度的PAB模型血流动力学参数。结果 肺动脉环缩后压力明显下降,但环缩宽度改变对环缩处压力下降程度的影响并不显著。随着环缩宽度增加,肺动脉能量损失减少,能量效率呈上升趋势,左肺动脉血流量增加,左右肺血流分配比增大,最大可达2.28︰1。结论 环缩宽度增加可减少肺动脉能量损失,提高血流能量效率,但会导致左右肺血流分配不平衡。PAB环缩宽度的选择应同时兼顾左右肺血流分配平衡和能量损失。基于CAD和CFD的PAB手术虚拟设计,可为未来个体化PAB环缩宽度选择提供帮助。

    • 基于有限元分析切割球囊对冠状动脉钙化病变 预处理效果

      2023, 38(3):500-506. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0500

      摘要 (122) HTML (5) PDF 2.98 M (684) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨切割球囊在浅部冠状动脉钙化病变预处理中的适用范围,以减少其在钙化病变治疗中严重并发症的发生。方法 采用有限元方法,以普通球囊为对照分析切割球囊对不同弧度、厚度和长度钙化斑块的作用效果。将钙化斑块厚度设置为0.3、0.4 mm,长度设置为2、4 mm。并根据血管内超声(intravenous ultrasound,IVUS)钙化严重程度分级,设置钙化弧度为120°、180°、270°和360°,共16种钙化斑块。对钙化斑块使用脆性断裂模块来模拟钙化断裂情况,在预处理仿真的基础上进行支架虚拟植入,使用钙化断裂情况和支架圆形率来评价预处理效果。结果 对于浅部钙化病变,在小于120°病变中,球囊无法解除钙化斑块阻碍,支架圆形率为82.75%。在厚度小于0.3 mm的180°钙化病变中,切割球囊在1 215.9 kPa下使钙化发生断裂,支架后圆形率为74.42%;普通球囊在安全扩张压力(1 418.55 kPa)下无法使钙化发生断裂。在270°小于0.3 mm厚钙化病变,普通球囊在1 013.25 kPa下产生3处断裂;切割球囊在1 013.25 kPa下产生2处断裂,球囊无法使厚0.3 mm的环状钙化发生断裂。结论 推荐在厚度小于0.3 mm的180°左右钙化病变中使用切割球囊,270°钙化斑块使用普通球囊。对于厚度大于0.3 mm的环状病变,不推荐使用球囊预处理方法。

    • 人体姿态对髂静脉压迫综合征血流特性影响

      2023, 38(3):507-513. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0507

      摘要 (264) HTML (2) PDF 4.17 M (727) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究不同人体姿态对髂静脉压迫综合征血流特性的影响。方法 以1例含侧支代偿的盆腔型髂静脉压迫综合征患者的计算机断层影像重构髂静脉几何模型;基于计算流体动力学方法,采用非牛顿模型和多孔介质模型描述静脉嵴对血流场的影响,获取髂静脉壁面压力分布和切应力分布;运用离散相模型,探究3种人体姿态下红细胞在左髂静脉的滞留情况。结果 平卧状态下压迫区域两端的压力梯度最低,而坐姿和行走状态下髂静脉呈现高压状态。3种姿态下局部最大壁面切应力均出现在侧支血管狭窄处和右髂静脉血流交汇区,其中坐姿状态最大切应力最小,平卧状态下最大。坐姿状态下左髂静脉血液的滞留时间最长,为52.2 s;平卧状态下最短,为14.8 s;行走状态为23.8 s。结论 采用多孔介质模型模拟静脉嵴的影响与血管造影图像高度吻合。坐姿和行走状态下的下肢静脉高压现象与临床结果一致,平卧状态能够缓解高压状况。从髂静脉的壁面切应力和血液滞留时间来看,人体在3种姿态之间不断转换,造成血管内皮损伤和血流瘀滞交替出现,增加血栓的形成风险。

    • >论著
    • 多尺度分析骨质疏松大鼠骨微结构变化

      2023, 38(3):514-520. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0514

      摘要 (185) HTML (5) PDF 4.06 M (801) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 多尺度分析骨质疏松大鼠的骨微结构变化。 方法 20只5月龄雌性SD大鼠随机选取12只实施双侧去卵巢(ovariectomy, OVX)手术,术后 8 周形成骨质疏松大鼠模型,另外 8 只作为假手术( SHAM) 对照组。 利用Micro-CT 和 SR-Nano-CT 定量分析骨质疏松大鼠在组织尺度下皮质骨和松质骨以及细胞尺度下骨细胞、骨陷窝小管和细胞外基质的微结构变化。 结果 组织尺度下,OVX 组皮质骨的截面积较 SHAM 组显著增大(P<0. 05),皮质骨骨密度和厚度较 SHAM 组虽有变化,但不显著;OVX 组骨小梁的骨密度、体积分数、厚度和骨小梁数量较 SHAM组显著降低(P<0. 01),骨小梁分离度显著增加(P<0. 01)。 细胞尺度下,OVX 组骨陷窝半轴长较 SHAM 组没有显 著差异,但 OVX 组骨陷窝厚度和骨小管直径较 SHAM 组显著增大(P<0. 05);同时,细胞尺度下 OVX 组皮质骨孔隙率较 SHAM 组显著增大(P<0. 05)。 结论 OVX 大鼠骨在组织和细胞尺度出现不同程度的微结构变化。 其中,组织尺度主要是松质骨丢失,皮质骨变化不大;细胞尺度骨陷窝小管网络孔隙显著增大,将直接影响皮质骨骨密度和强度。 多尺度分析骨质疏松大鼠骨微结构变化对于骨质疏松症的临床诊断及病理分析有潜在的应用价值。

    • 膝骨关节炎软骨基质刚度对线粒体形态异质性的影响

      2023, 38(3):521-527. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0521

      摘要 (68) HTML (5) PDF 10.25 M (726) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究膝骨关节炎(osteoarthritis,OA)胫骨平台不同区域基质刚度的差异,及其对软骨和线粒体形态的影响。方法 获取OA胫骨平台软骨标本用于纳米压痕测试、透射电镜拍摄以及组织学分析。利用纳米压痕检测OA胫骨平台不同区域软骨基质刚度,通过透射电镜观察不同区域软骨线粒体形态,定量分析线粒体平面面积、形状、嵴体积密度的变化。通过组织学染色观察OA胫骨平台不同区域软骨损伤情况。结果 OA胫骨平台软骨损伤具有区域异质性,内侧胫骨平台软骨和线粒体损伤更重,同时基质刚度更高。OA评分与基质刚度呈正相关。OA评分与线粒体形态之间也有显著的相关性:OA评分越高,线粒体平面面积越大、越圆以及嵴体积密度越低。结论 胫骨平台不同区域的差异揭示了软骨基质刚度、OA评分和线粒体形态学参数之间的相关性,软骨基质刚度增加可能是造成软骨细胞线粒体损伤的主要原因,进而加重了OA进展。

    • 微动刺激幅值对骨组织与钛珠涂层界面的骨生长与微损伤的影响

      2023, 38(3):528-534. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0528

      摘要 (236) HTML (2) PDF 8.47 M (664) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过微动力学刺激改善人工关节生物固定界面的性能。 方法 以活性大鼠骨组织与非活性钛珠涂层的结合试样作为研究对象,利用自制的微动力学刺激试验装置,探究不同切向微动幅值的力学刺激对固定界面骨组织生长促进作用及骨组织微损伤的影响,揭示微动刺激下骨组织在钛珠涂层表面的促进生长与微损伤机制。 结果 微动幅为 40 μm 力学刺激组骨组织与钛珠涂层间的界面结合力最大,切向摩擦力-位移曲线由椭圆形转变为直线形,结合界面处于粘着区,不易产生松动,骨组织结构最完整,钛珠涂层表面黏附生长的组织细胞数量最多,分布范围最广。 随着微动幅值的增加,微动刺激对骨生长的促进作用减弱,骨组织与钛珠涂层界面间结合强度逐渐降低,内部空腔区域增多,组织细胞的数量及增殖活性也有不同程度的降低。 结论 不同幅值微动刺激对于组织的生长促进与微损伤同时存在,最优的微动幅值为 40 μm。

    • 前交叉韧带重建术后短期内移植体黏性变化

      2023, 38(3):535-541. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0535

      摘要 (65) HTML (0) PDF 4.07 M (681) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究前交叉韧带重建(anterior cruciate ligament reconstruction,ACLR)术后短时间内移植体黏性的变化规律。 方法 选择6只雄性新西兰兔,以跟腱为移植体制作单侧膝关节ACLR动物模型。ACLR术后15 d将实验兔安乐死,取出移植体、健康的前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)和跟腱。测量移植体的截面积,分别进行0.1、1 MPa平衡条件的蠕变实验,并计算黏性系数,总结移植体的黏性变化规律,与健康ACL进行对比。结果 移植体的截面积在手术后15 d内缓慢上升。ACL与移植体的黏性呈非线性变化。在不同应力下,黏性系数有较大差异。移植体黏性系数随ACLR术后时间呈下降趋势,但在低应力下更明显。结论 研究结果表明,ACLR术后早期康复过程中,应使用助行器,降低步频,并避免踢、踹等对关节冲击的运动。

    • 膝关节置换术后长期胫骨近端力学性能的预测

      2023, 38(3):542-548. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0542

      摘要 (62) HTML (3) PDF 3.29 M (738) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 分 析 膝 关 节 单 髁 置 换 术 ( unicompartmental knee arthroplasty, UKA) 和 全 膝 置 换 术 ( total knee arthroplasty, TKA)后长期胫骨近端力学性能的变化,探究 UKA 和 TKA 的失效原因。 方法 建立健康、UKA、TKA胫骨近端有限元模型,利用 Wolff 骨重建理论结合有限元法预测胫骨近端的密度分布和应力分布。 结果 UKA 外侧踝平均应力基本不变,但呈增大趋势,平均密度增加 2%,内侧踝平均密度减小 13%,平均应力均减少 11%。 TKA外侧踝平均密度减少 1. 5%,平均应力减少 14%,内侧踝平均密度减少 1. 4%,平均应力减少 19%,假体末端平均密度增加 10%,平均应力增加 15%。 结论 UKA、TKA 假体的植入会造成应力遮挡现象,可能是产生术后假体松动的主要原因。 TKA 假体末端应力增大,可能导致 TKA 的失效。 UKA 非置换侧平均应力随着骨重建的进行不断增大,可能就导致 UKA 中远期对侧骨关节炎恶化。 研究结果可以为降低 UKA、TKA 并发症发生概率提供数据支持。

    • 肌力对足关节接触特征影响的生物力学研究

      2023, 38(3):549-555. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0549

      摘要 (83) HTML (1) PDF 2.46 M (673) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究足踝体外生物力学实验中肌力对足关节接触力、峰值压强以及接触面积的影响,为选择合适的加载方式提供依据。 方法 踝关节中立位状态下,对新鲜小腿和足离体标本分别进行有无肌力两种方式加载,测量加载状态下第 1 跖趾关节、第 2 跖趾关节、第 1 跖楔关节、第 2 跖楔关节、内侧楔舟关节、中间楔舟关节、距舟关节、 跟骰关节、距下关节(后关节面)以及胫距关节的接触力、峰值压强和接触面积,并对结果进行对比分析。 结果 与无肌力加载状态相比,进行肌力加载时足第 1 跖趾关节、第 2 跖趾关节、第 1 跖楔关节、第 2 跖楔关节、内侧楔舟关节、中间楔舟关节、距舟关节和胫距关节的关节接触力均显著增大( P < 0. 05),变化百分比分别为 719. 28%、311. 37%、128. 67%、50. 82%、54. 89%、57. 63%、79. 98% 和 50. 34% ;足第 1 跖趾关节、第 1 跖楔关节和距舟关节的关节峰值压强显著增大(P<0. 05),变化百分比分别为 176. 14%、62. 91% 和 40. 07% ;足第 1 跖趾关节、第 1 跖楔关节、中间楔舟关节以及距下关节(后关节面) 的关节接触面积均显著增大( P < 0. 05),变化百分比分别为 132. 20%、55. 41%、30. 97% 和 26. 87% 。 结论 足踝标本生物力学实验中,进行肌力加载对足各关节的关节接触力、峰值压强或接触面积均产生显著影响,前足表现尤甚。 在进行相关体外标本研究时,需要考虑肌力加载对足踝受力情况的影响,为足踝生物力学实验提供参考。

    • ANSYS 疲劳分析在接骨板选型评估中的应用

      2023, 38(3):556-560. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0556

      摘要 (298) HTML (1) PDF 4.13 M (657) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过对比股骨远端接骨板中 A 型、B 型锁定加压接骨板( locking compression plate,LCP)的疲劳强度,为测试其弯曲强度及疲劳性能时对接骨板选型提供理论评估方法。 方法 通过对不同类型接骨板进行弯曲强度性能测试与疲劳性能测试,再结合 ANSYS Workbench 对接骨板总变形、von Mises 应力及疲劳使用寿命进行有限元 分析。 结果 A 型接骨板疲劳强度比 B 型接骨板高 30. 7% ,A 型接骨板应力比 B 型接骨板要低,A 型接骨板最低疲劳使用寿命比 B 型接骨板要高 17% 。 结论 A 型接骨板的疲劳性能比 B 型接骨板良好,故 A 型接骨板的失效可能性比 B 型接骨板的可能性要低。 研究结果为测试新研发的两种接骨板各种性能时对不同接骨板选型辅助提供参考。

    • 股骨内翻和胫骨内翻的运动学和足底压力分析

      2023, 38(3):561-567. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0561

      摘要 (101) HTML (2) PDF 1.81 M (693) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究胫骨侧和股骨侧来源的两种单侧膝骨关节炎膝内翻在步态分析中的运动学参数和足底压力差异,为不同类型膝内翻提供生物力学理论基础。方法 招募26名单侧膝骨关节炎型膝内翻患者,股骨侧来源和胫骨侧来源各13名受试者。利用Noraxon MyoMotion三维动作捕捉系统和Footscan平板式足底压力测试系统,测量受试者在自然行走状态下的步态,采集受试者步态的时空指标、下肢各关节运动学参数、足底压力,并进行两组间对比分析。结果 胫骨侧膝内翻的膝关节屈伸范围、髋关节外展峰值、髋关节内收外展活动范围、踝关节内旋峰值均大于股骨侧膝内翻,而膝关节屈曲峰值、髋关节内收峰值小于股骨侧膝内翻;与股骨侧膝内翻相比,胫骨侧膝内翻受试者第4、5跖骨足底受力时间、压力峰值都增加(P<0.05)。在第3跖骨区域中,股骨健侧肢体比胫骨畸形健侧肢体的冲量更大;而在足跟内侧区域,股骨健侧肢体的冲量更小(P<0.05)。结论 两种不同类型单侧膝内翻患者在运动学参数和足底压力方面存在一定差异。研究结果有助于正确认识膝内翻引起的异常步态,为不同类型膝内翻诊治、术后康复和肢体锻炼提供可靠参考。

    • 基于鞋垫传感器测量垂直地面反作用力的算法

      2023, 38(3):568-573. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0568

      摘要 (111) HTML (2) PDF 3.80 M (692) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 提出一种实用、高精度的足底压力动态监测算法,通过电容式鞋垫传感器测量走路时垂直地面反作用力(vertical ground reaction force,vGRF),并验证预测精度的可靠性。 方法 4名健康男性受试者穿戴电容式鞋垫传感器,在Kistler三维测力台上采集快速和慢速行走数据。对电容式鞋垫传感器采集到的数据进行像素化处理,处理后的数据输入残差神经网络ResNet18,预测得到高精度vGRF。结果 与Kister测力台收集的数据分析比较,快速和慢速行走的归一化均方根误差(normalized root mean square error,NRMSE)分别为8.40%和6.54%,皮尔森相关系数(Pearman correlation coefficient)均大于0.96。 结论 本研究为移动场景下GRF动态测量提供了一种新型算法,可以用于实验室外完整GRF估计,而不受测力台数量和位置的约束,潜在应用领域包括步态分析以及有效捕捉病理性步态。

    • 可变刚度缓冲鞋垫结构设计及优化

      2023, 38(3):574-579. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0574

      摘要 (452) HTML (4) PDF 3.87 M (712) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 设计 X 型结构变刚度缓冲鞋垫,探究其对糖尿病截趾患者足底表面压力、内部应力的影响。 方法 基于 CT 影像建立糖尿病截趾患者足部-小腿有限元模型,根据足底压力分布特征进行鞋垫区域划分。 设计 X 型结构3D 打印缓冲鞋垫,通过改变结构面板厚度改变结构的模量,对划分区域填充不同模量的 X 型结构方案进行仿真分析。 结果 糖尿病截趾患者足底峰值压力在跟骨区,足趾区选用面板厚度 1. 2 mm 结构、跖骨区选用面板厚度 1. 4mm、足弓区选用面板厚度 2. 0 mm 和足跟区选用面板厚度 1. 6 mm 组合后的鞋垫减压效果最好。 与赤足相比,此方案鞋垫分别降低足跟区峰值压力、趾骨区峰值压力和足底软组织内部应力 40. 18% 、31. 7% 和 50. 45% 。 结论 变刚度下 3D 打印鞋垫可有效降低足底表面压力、内部应力,减小二次截趾几率。

    • 背包类型对大学生楼梯行走运动学和足底压力的影响

      2023, 38(3):580-586. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0580

      摘要 (389) HTML (6) PDF 2.34 M (626) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 分析不同背包类型和载荷对大学生上楼梯行走时运动学和足底压力的影响,为大学生选择合适的背包及携带方式提供参考。 方法 采用 Nokov 红外光点运动捕捉系统和 Podomed 足底压力测试系统分析 15 名男大学生上楼梯支撑期内躯干和下肢关节活动范围、峰值时刻下肢运动学参数、足底各分区压力峰值、接触时间、全足 最大压强、平均压强等参数的差异。 结果 5% BW 和 10% BW 背包载荷会减小躯干旋转活动范围( range of motionROM),增加踝关节屈伸和内外翻 ROM,10% BW 背包载荷下足底第 1、3 跖骨压力峰值和全足最大压强提升(P<0. 05)。 单肩包和手提包减小躯干侧倾和旋转 ROM,增大了踝关节屈伸 ROM、髋关节屈曲角、足弓和足跟内侧压力峰值(P<0. 05)。 双肩包负重增加足趾区的压力峰值(P<0. 05)。 结论 楼梯行走时,5% BW 和 10% BW 背包载荷均会限制躯干旋转,增加踝关节 ROM,10% BW 载荷还会增加足跖区的负荷。 单侧负重模式会使躯干向未负重侧倾斜以及向负重侧旋转。 携带双肩包时足趾处的压力较高,而单肩包和手提包主要集中增加足弓和足跟内侧压 力。 建议大学生群体选择对称性背包方案,同时合理分配背包重量避免导致足跖区的损伤。

    • 透明矫治器压低下前牙的生物力学分析

      2023, 38(3):587-593. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0587

      摘要 (76) HTML (5) PDF 2.94 M (681) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探索透明矫治器压低下前牙过程中牙齿唇舌向倾斜度的变化规律及相应的生物力学机制,获得牙齿垂直压低过程中的唇舌向控制策略。 方法 建立透明矫治器垂直压低下前牙的仿真模型,设计不同切牙下颌平面角度(incisor mandibular plane angle,IMPA),设置常规组、唇侧压低附件组、唇侧控根嵴组及舌侧控根嵴组,分析下 前牙的位移趋势及唇舌向力矩。 结果 在下前牙压低中,IMPA<90°时牙冠受到舌向力矩;IMPA>90°时,牙冠受到唇向力矩。 牙冠部添加唇侧控根嵴可以增加牙冠唇向转矩趋势,添加舌侧控根嵴及唇侧附件增加牙冠舌向转矩趋势。 结论 透明矫治器压低下前牙中会出现牙冠非设计性的唇舌向移动。 牙冠唇倾时,可以设计舌侧控根嵴来避免牙冠唇向移动;牙冠舌倾时,可以设计唇侧控根嵴来避免牙冠舌向移动。

    • 不同跳跃间隙对前牙区盾构术种植系统的生物力学影响

      2023, 38(3):594-600. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0594

      摘要 (106) HTML (1) PDF 5.07 M (643) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究跳跃间隙对盾构术种植系统的生物力学影响,为后续临床制定跳跃间隙标准提供参考。 方法依据临床特征建立 4 组跳跃间隙分别为 0、0. 5、1、1. 5 mm 盾构术种植系统三维模型,赋予对应的材料参数,模拟在特定咬合工况下各组模型的应力峰值以及应力分布情况。 结果 跳跃间隙非 0 mm,即种植体与保留根片不接触 时,种植体和基台应力随着跳跃间隙的增加而增大,根片及牙周膜应力峰值随着跳跃间隙的增加而减小。 跳跃间隙为 0 mm 时,种植体、基台、根片及牙周膜的应力峰值均达到最大,且远超其他组。 结论 跳跃间隙对盾构术种植系统具有明显生物力学影响,建议临床取较大跳跃间隙。 根片外形边缘做圆角处理,且下缘尺寸不宜过小。

    • 新型射频组织焊接电极的设计、仿真与实验研究

      2023, 38(3):601-607. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0601

      摘要 (27) HTML (1) PDF 4.88 M (694) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 设计一种新型射频组织焊接电极,提高吻合口生物力学强度的同时减少组织热损伤。 方法 设计表面存在镂空结构的新型电极(梅花形电极),以环形电极作为对照组,在射频能量作用下完成肠道组织焊接,通过撕脱力和爆破压测试研究焊接吻合口的生物力学特性,采用有限元电-热-力多场耦合仿真分析和热电偶探针研究焊 接过程中的组织热损伤,并对微观组织结构进行检查。 结果 当焊接功率 120 W、焊接时间 8 s、压合压强 20 kPa时,肠道吻合口呈现最优的生物力学特性。 与环形电极对照组相比,梅花形电极组吻合口生物力学强度更高,撕脱力和爆破压分别从(8. 62±1. 22) N、(81. 7±3. 36) mmHg 增加到 (9. 54±1. 24) N、(89. 4±4. 15) mmHg,且组织热损伤显著减少,组织微观结构连接更为紧密。 结论 该新型电极在提高吻合口生物力学强度的同时可减少组织热损伤,进而实现更好的吻合效果。 研究结果可为实现人体管腔组织的无缝连接提供参考。

    • 运用微流控技术分析替洛非班对剪切力诱导血小板聚集的抑制效果

      2023, 38(3):608-614. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0608

      摘要 (60) HTML (0) PDF 6.40 M (669) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 观察替洛非班对不同剪切力诱导血小板聚集的抑制效果,为临床不同血流动力学环境下形成血栓情况提供用药参考。 方法 采用软光刻工艺加工聚二甲基硅氧烷( polydimethylsiloxane, PDMS)-玻璃微通道芯片。收集健康志愿者枸橼酸钠抗凝全血,用不同浓度替洛非班体外孵育后,分别以 11、52 μL/ min 的入口条件流过直微通道和 80% 狭窄微通道 150 s,直通道中 11、52 μL/ min 时壁面剪切率分别为 300、1 500 s-1,80% 狭窄通道中 11、52 μL/ min 时最大壁面剪切率分别为 1 600、7 500 s-1。 用显微镜拍摄荧光标记血小板在玻璃表面的黏附聚集图像,并用 Image J 分析荧光图像。 以血小板表面覆盖率作为血小板聚集行为的量化指标,计算不同剪切率条件下替洛非班抑制血小板的半抑制率浓度(IC50 )。 流式细胞仪检测以 52 μL/ min 流过 80% 狭窄微通道后全血中血小板活化指标(CD62P,PAC-1)。 结果 替洛非班抑制血小板聚集具有剂量依赖性,且抑制效果与剪切率相关。 在 11、52 μL/ min 条件下,直通道内浓度达 100 nmol / L 时,聚集几乎完全被抑制;80% 狭窄通道内浓度达 1 μmol / L 时,聚集几乎完全被抑制。 直通道中 11、52 μL/ min 时 IC50 分别为 2. 3、0. 5 nmol / L;80% 狭窄通道中 11、52 μL/ min 时 IC50分别为 20. 73、4. 5 nmol / L。 病理性高剪切力可诱导血小板活化,替洛非班可抑制该活化行为。 结论 替洛非班可有效抑制剪切力诱导的血小板聚集,临床实践中应根据不同剪切力环境下形成的血栓给予不同浓度替洛非班治疗。

    • >综述
    • 用于颈动脉风险评估的生物力学参数研究综述

      2023, 38(3):615-620. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0615

      摘要 (208) HTML (1) PDF 1.43 M (753) 评论 (0) 收藏

      摘要:颈动脉由于其特殊的几何构型以及复杂的流动特性,具有较高的动脉粥样硬化发生风险,各类生物力学参数是对颈动脉进行患病风险评估的有力工具。 振荡的低剪切应力环境促进斑块形成这一观点已被广泛接受,以此为基础,越来越多的力学指标被提出,例如时均壁面剪切力、剪切振荡系数和相对滞留时间等。 本文对剪切力及其时 空变化、湍流、血小板运输及活化和血管壁应力集中等生物力学参数进行介绍,并分析颈动脉风险评估相关生物力学参数研究的发展趋势,可为更全面、快速的颈动脉风险评估提供理论基础。

    • 评估椎体骨质疏松性骨折风险的生物力学 CT 方法

      2023, 38(3):621-626. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0621

      摘要 (122) HTML (2) PDF 954.80 K (692) 评论 (0) 收藏

      摘要:骨质疏松症以骨强度下降和骨折风险增大为特征,其最严重的后果是引发骨折,且以椎体骨折最为常见。 早期精准评估骨折风险是鉴别高风险人群进而预防骨质疏松性骨折的关键。 目前临床评估椎体骨折风险主要依靠双能 X 射线吸收测定法( dual energy X-ray absorptiometry, DXA) 或定量计算机断层扫描( quantitative computed tomography, QCT)检测骨密度,但其不能完全体现骨强度和抗骨折特性,存在评估不准确的问题。 基于 CT 数字建模和有限元分析的生物力学 CT(biomechanical CT, BCT)技术,以无创计算椎体骨强度为目标,架起了生物力学应用于临床评价骨折风险的桥梁。 椎体离体力学实验已证实,BCT 较骨密度可更准确地评估椎体骨折强度。 临床研究也表明,BCT 在鉴别既存骨折和预测新发骨折方面显著优于 DXA 骨密度。 本文介绍 BCT 技术的实现流程,以及各环节中影响计算结果的关键参数,并总结 BCT 离体验证和在体评估椎体骨折风险的研究进展,以期推动 BCT 技术在临床评估中国人椎体骨折风险中的应用。

    • 基于冠状动脉CT造影的生物机械应力在斑块评估及不良心血管事件预测中的应用

      2023, 38(3):627-634. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.03.0627

      摘要 (457) HTML (7) PDF 1.54 M (640) 评论 (0) 收藏

      摘要:冠状动脉长期暴露于危险因素会引起粥样硬化,进而导致斑块形成与进展。通过早期识别高危斑块特征将有助于预防斑块破裂或糜烂,从而避免急性心血管事件的发生。而生物机械应力(biomechanical stress)在动脉粥样硬化斑块进展及破裂中发挥重要的作用。近些年,已经可以通过无创冠脉CT 血管造影(coronary computed tomography angiography, CCTA)利用计算流体力学(computational fluid dynamic, CFD)进行建模,从而得到相应的生物机械应力参数,尤其是壁面剪切应力(wall shear stress, WSS)将有助于更好地构建临床模型从而预测斑块进展及主要不良心血管事件(major adverse cardiac events, MACE)。本文重点介绍生物机械应力以及CCTA所计算得出的WSS在动脉粥样硬化中的作用,并讨论有关CCTA生物机械应力与冠心病相关的研究。

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