• 2023年第5期文章目次
    全 选
    显示方式: |
    • 目录

      2023, 38(5). DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0000

      摘要 (73) HTML (0) PDF 405.12 K (455) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 封面

      2023, 38(5). DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0000

      摘要 (35) HTML (0) PDF 1.78 M (473) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >述评
    • 口腔生物力学专栏评述

      2023, 38(5):851-853. DOI: 10.16156/j.1004-7220.2023.05.001

      摘要 (82) HTML (3) PDF 861.11 K (562) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >专家论坛
    • 口腔生物力学2022年研究进展

      2023, 38(5):854-863. DOI: 10.16156/j.1004-7220.2023.05.002

      摘要 (1057) HTML (3) PDF 6.73 M (1613) 评论 (0) 收藏

      摘要:从生物力学到力学生物学、再到力学学科与生命和医学前沿交叉领域的力医学,生物力学有力地推动着生物医学工程领域的发展,在现代疾病诊疗中扮演着举足轻重的角色。同样的,研究口腔生物力学有助于突破研究瓶颈和解决口腔临床难点问题。本文结合2022年口腔生物力学领域的最新进展,着重从口颌系统主要的力学器官及其相关的力医学两个部分探讨生物力学在口腔领域的发展和应用情况,并特别关注力学生物学调控和力治疗,探讨口腔生物力学的发展方向,以期助力口腔临床医学与口腔生物力学结合成果的转化与应用。

    • 口腔正畸生物力学的研究进展

      2023, 38(5):864-873. DOI: 10.16156/j.1004-7220.2023.05.003

      摘要 (2290) HTML (6) PDF 1.03 M (1760) 评论 (0) 收藏

      摘要:口腔生物力学是口腔正畸学的重要基础学科之一。在传统正畸力学系统稳定运行的基础上,矫治理念仍在不断更新发展,随着各类新型矫治器不断研发、矫治技术不断提出,对不同矫治体系的生物力学效应探索是正畸领域的关注重点。口腔生物力学技术的不断优化、突破与创新也为更加真实模拟和理解矫治中的生物力学效应提供了重要途径。本文主要对近年来固定矫治、隐形矫治、矫形治疗3个矫治体系相关的生物力学研究进行综述,包括正畸新理念和正畸新技术的生物力学分析、生物力学新技术在正畸中的应用等。

    • >专栏
    • 自就位个性化钛网连接体的优化设计

      2023, 38(5):874-881. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0874

      摘要 (136) HTML (3) PDF 7.50 M (462) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 对3D打印自就位钛网主体与两端定位翼的连接处进行优化,包括定位翼厚度、宽度以及连接处构型。分析优化改进前后仿真模型的结构性能,最终获得最优设计的新型自就位钛网。 方法 基于 SolidWorks 软件,构建自就位钛网仿真模型,优化、改进尺寸参数。 采用仿真软件 ANSYS Workbench 对连接处厚度和宽度进行多目标 优化设计。 并在连接处设计间断连接构型,获得优化后的自就位钛网。 结果 当对新型自就位钛网嵴顶外表面施加 40 N 载荷,连接处最大应变未超过钛网的断裂应变,且应力与变形皆在可接受范围内。 当对一侧定位翼的游离端施加 10 N 的 45°弯折力时,连接处最大应变超过了钛网的断裂应变,且裂纹集中于连接线处。 虚拟模型的仿真结果与力学性能验证试验的结果基本一致。 结论 通过优化自就位个性化钛网连接体的尺寸以及构型,实现手术中摆放、按压个性化钛网时,连接体不发生折断和较大位移。 术后对定位翼游离端简单弯折,即可实现连接体沿连接线整齐断裂分离,并且断面光滑平整。 本研究对自就位个性化钛网连接处尺寸及构型进行的优化取得了较为理想的临床效果。

    • 基于SLM成形的下颌骨植入物固定板力学性能

      2023, 38(5):882-887. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0882

      摘要 (55) HTML (0) PDF 3.82 M (525) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 利用拓扑优化确定最优下颌骨植入物固定板的布局,并设计高承载能力的个性化下颌骨植入物固定板。 方法 以典型的下颌骨缺损模型为例,构建考虑骨骼和支架材料特性的下颌骨有限元模型。 对模型进行拓扑优化分析,设计个性化下颌骨植入物固定板。 通过模拟分析常规固定板系统与个性化固定板系统下颌骨、固定板、 螺钉的应力分布,评估个性化下颌骨植入物固定板的力学特性。 并结合 Gibson-Ashby 模型,设计弹性模量与皮质骨相当的多孔面心立方晶格结构假体,最终确定最终支架方案。 结果 通过安装个性化下颌骨植入物固定板,下颌骨、接骨板、螺钉的峰值应力分别 55. 86、291. 1、122. 53 MPa,分别比安装常规固定板降低 9. 8% 、32. 0% 和14. 6% 。 结合个性化下颌骨植入物固定板与多孔结构的设计方案,得到最优孔隙率为 71. 6% 的三维多孔支架模型。 结论 本研究设计的个性化下颌骨植入物固定板显著降低假体的峰值应力,提高支架的可靠性。 并且结合激光选区熔化(selective laser melting, SLM)技术,可以快速制造出性能优异的个性化假体,以满足紧迫的时间需求。

    • 球面托槽和传统托槽作用下口腔黏膜的生物力学研究

      2023, 38(5):888-893. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0888

      摘要 (41) HTML (1) PDF 4.04 M (423) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过三维有限元分析探索在球面托槽以及传统托槽的作用下口腔黏膜的力学反应。 方法 建立上唇组织-中切牙-托槽的三维有限元模型。 根据中切牙不同排列情况设计 4 个模拟案例,分析滑动的上唇组织分别在球面托槽以及传统托槽作用下的应力、应变情况。 结果 牙齿平齐时,球面托槽对口腔黏膜的最大应力较传统托槽大;切牙发生近中扭转 15°、30°以及唇侧倾斜 15°时,传统托槽情况下口腔黏膜最大应力均大于球面托槽最大应力。 结论 具有圆滑外形的球面托槽比方形传统托槽更契合牙列不齐正畸患者口腔软组织的功能运动,建议改善方形托槽的外形设计以降低口腔黏膜组织的力学反应。

    • 基于自适应网格技术方法的牙齿移动骨改建过程模拟

      2023, 38(5):894-898. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0894

      摘要 (70) HTML (1) PDF 4.18 M (515) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 建立一种可以高效模拟正畸牙槽骨重建的方法。 方法 建立单颗门牙和磨牙的完整牙及牙周模型,模拟位移控制和力控制加载远中平移,基于外部重建理论和牙周膜应变理论,实现基于利用 ABAQUS 子程序UMESHMOTION 结合自适应网格技术(ALE),模拟牙槽骨重建过程。 结果 位移控制能够将初始远中位移加载量50 μm 通过骨重建算法实现,达到远中移动牙槽骨重建位移量 50 μm;力控制模式在施加 1 N 初始远中方向力并考虑最终衰减到 50% 初始力水平情况下,单、双根牙最终位移量分别为 67. 5、23. 77 μm。 两种模式均实现骨重建后牙周膜上绝对值最大主应力恢复到 0 应力水平,牙周膜达到新的力学平衡。 该算法可以在很短时间内很好模拟单、双根牙槽骨的重建过程。 控制成骨和破骨速率比为 7 ∶5时,单次迭代位移移动量控制在 0. 1 μm 能够得到稳定的重建过程。 结论 本方法首次实现了双根牙槽骨重建模拟,在位移和衰减力控制下均可以很好模拟牙槽骨重建的过程,为无托槽和有托槽正畸力系的设计提供有效工具。

    • 牙齿无损探伤有限元分析

      2023, 38(5):899-904. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0899

      摘要 (37) HTML (0) PDF 7.37 M (455) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 采用有限元无损检测方法,研究不同牙齿缺陷下的检出效果,并提供理论支撑。 方法 基于连续介质超声传播方法,在 COMSOL 软件中使用 dG-FEM 模型,模拟超声波传输和反射形态,通过改变模型内部牙齿缺陷类型和声波检测角度,监测声波的反射强度,并通过检出突变声波的时间和强度研究牙齿内部缺陷的检出效果。 结果 使用超声无损检测方法可在 16 μs 检出牙齿内部缺陷,对于不同牙齿内部缺陷类型,矩形缺陷时检测效果最佳;采用不同位置检测时,超声声波正对缺陷检测时,返回声波强度最大。 结论 对牙齿内部的缺陷,可采用超声无损检测方法,快速检测缺陷类型,通过变换检测角度可增加缺陷检出效果,并为其实际应用提供理论参考。

    • 无托槽隐形矫治器力学平台测量系统的误差分析

      2023, 38(5):905-909. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0905

      摘要 (71) HTML (2) PDF 3.65 M (476) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究无托槽隐形矫治器力学平台的测量误差来源,为后续优化力学测量平台的使用提供参考。 方法以原始模型 3D 打印树脂牙并组装形成力学测量平台的装配模型,对装配模型进行扫描,分别以原始模型(A 组)和装配模型(B 组)使用热压膜材料压制无设计量的隐形矫治器,通过对 A、B 组模型进行重叠分析和牙弓宽度测量,比较两组模型的匹配程度。 使用力学平台测量两组矫治器戴入后树脂牙的三维受力,比较两组牙齿受力情况的差异。 结果 测量和重叠分析结果显示,A、B 组模型平均存在-0. 126~ 0. 188 mm 偏差。 利用原始模型和装配模型制作的无设计量隐形矫治器戴入力学平台后,每个树脂牙均在三维方向上受到一定的力,使用原始模型制作的 矫治器产生的力更大。 除 33 和 32 唇舌向受力以及 32、31 和 46 垂直向受力,其余位点在两组矫治器戴入时牙齿受力差异均有显著的统计学意义(P<0. 05)。 结论 装配模型与原始模型之间存在差异,产生一定的系统误差。 为了减小安装过程导致的误差,需要在装配完力学平台后对树脂牙列进行三维扫描,并在装配模型基础上设计加工隐形矫治器。

    • 牵张刺激下牙周膜细胞外泌体 miR-181d-5p 在调控成骨细胞分化中的作用

      2023, 38(5):910-916. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0910

      摘要 (30) HTML (1) PDF 3.97 M (418) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探索牵张加载下牙周膜细胞(periodontal ligament cell,PLC)外泌体对成骨细胞分化的影响,以及牵张加载下 PLC 外泌体在力相关牙周组织改建中的调控作用。 方法 对体外培养人 PLC 施加 20% 牵张应变后,提取上清中的外泌体与成骨细胞共培养,检测成骨细胞分化情况,并探索外泌体中发挥调控作用的 miRNA。 结果 牵张加载下 PLC 分泌的外泌体可上调成骨细胞中碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、骨钙素( osteocalcin,OCN)、转录因子 Osterix(Osx)、I 型胶原蛋白(type I collagen,COL-1)、Runt 相关转录因子 2(Runt-related transcription factor2, Runx2)、和骨形态发生蛋白 2(bone morphogenetic protein 2, BMP 2)等成骨相关因子表达,促进细胞成骨向分化。 牵张加载下 PLC 外泌体差异表达 miRNA 中,miRNA-181d-5p 表达量上调达 107 倍,将其转染成骨细胞后,成骨细胞中 ALP、Osx、Col-1 、Runx2、Ocn 和 BMP2 等成骨相关因子表达亦增加。 结论 本研究初步揭示了牵张加载下PLC 外泌体 miR-181d-5p 在调控成骨细胞分化中的作用,对于明确力相关牙周组织改建中的信号通路具有科学意义。

    • >论著
    • 流场中 vWF-A1 介导的血小板表面 CD40L 表达

      2023, 38(5):917-923. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0917

      摘要 (53) HTML (0) PDF 2.90 M (495) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 揭示流场中 vWF-A1 介导血小板表面 CD40L 表达的力学调控机制。 方法 选用原核系统表达蛋白、流式细胞仪、平行平板流动腔技术与细胞免疫荧光抗体染色技术,探究在不同剪切力环境中血小板由 vWF-A1 诱导活化和随后表达 CD40L 的过程。 结果 vWF-A1 在静息条件下不会激活血小板;流体剪切力( fluid shear stress,FSS)是 vWF-A1 介导的血小板 CD40L 表达的启动开关;随着剪切应力累积(shear stress accumulation, SSA)的增加,血小板 CD40L 的表达水平呈现先上升后下降的趋势,当 SSA 达到 2 Pa·min 时,血小板 CD40L 表达量达到峰值。结论 vWF-A1、FSS 和 SSA 调控血小板表面 CD40L 的表达,SSA 促进了血小板表达 CD40L 的能力。

    • 利用FRET技术检测不同力学条件下T细胞中ERK活性的脉冲现象

      2023, 38(5):924-930. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0924

      摘要 (70) HTML (1) PDF 10.44 M (563) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探索 Jurkat T 细胞中胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)活性动力学以及基质刚度对 ERK 活性的影响。 方法 利用荧光共振能量转移( fluorescence resonance energy transfer,FRET)技术实时观测 Jurkat 细胞中 ERK 活性的变化,或细胞处于 I 型胶原基质胶中检测其影响。 结果 部分 Jurkat 细胞中存在ERK 活性脉冲现象,频率约为 3 次/ h,FRET 振幅变化约为 20% 。 在抗体激活 T 细胞抗原受体( T-cell receptor,TCR)的条件下,ERK 脉冲依然存在,频率和振幅无显著变化。 当细胞处于 I 型胶原水凝胶中,随着胶的刚度增加,脉冲频率有所下调。 结论 Jurkat T 细胞中存在自发的 ERK 活性脉冲现象,初步实验显示其频率受基质刚度影响。 而该信号波动的生理意义和分子机制仍有待探索。

    • 应用微流控方法体外评估抗血小板药物疗效

      2023, 38(5):931-937. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0931

      摘要 (23) HTML (1) PDF 7.29 M (427) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 发展一种可用于评估抗血小板药物对病理性高剪切诱导的血小板活化和聚集抑制效果的微流控芯片分析系统。 方法 采用软光刻工艺加工聚二甲基氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)-玻璃微通道芯片。 将抗凝人外周全血以 1 500 s-1 剪切率流过微通道芯片,应用荧光倒置显微镜拍摄血小板在狭窄通道下游的聚集行为,通过图像分析得到血小板聚集覆盖率、聚集总面积、血栓平均尺寸和血栓数量。 收集流过微流控芯片的全血,通过流式细胞术分析血小板表面活化标志物(P-选择素和 PAC-1)的表达,并评估抗血小板药物(阿司匹林、替格瑞洛、替罗非班)对狭窄下游血小板聚集和活化的抑制能力。 结果 随着输入剪切率的提高,血小板聚集能力逐渐增强。 阿司匹林不能抑制病理性高剪切诱导的血小板活化和聚集,替格瑞洛和替罗非班能够显著抑制血小板活化和聚集。 结论 本研究发展的微流控芯片模型,可用于模拟动脉狭窄血管的局部特征,研究不同剪切力梯度对血小板聚集功能的影响,并在病理性高剪切力条件下评估抗血小板药物对血小板活化和聚集功能的抑制效能。 区别于传统的比浊法及血栓弹力图仪等在静止条件下对血小板功能的检测,本研究结果为临床提供了一种更接近动脉血栓性疾病患者体内真实流动环境的体外模型,为经皮冠状动脉介入术后或动脉粥样硬化患者的血小板功能检测提供相关的分析方法。

    • 起旋式人工主动脉瓣构型设计及血流动力学评价

      2023, 38(5):938-945. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0938

      摘要 (50) HTML (0) PDF 9.75 M (433) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 设计一种附起旋功能的双叶机械瓣,通过改善其血流状态预防术后并发症。 方法 基于导流片式局部起旋器结构,将瓣叶作为导流叶片,并定义瓣叶包角以探究具有较优血流动力学特性的瓣膜构型。 应用有限元分析软件,对心缩期峰值流量状态下的主动脉流场进行仿真,螺旋性、壁面切应力分布等血流动力学特征。 结果 相较于对照瓣膜,起旋瓣具有更大的有效开口面积与更小的跨瓣压差,一定瓣叶包角范围内的起旋瓣能促进右手螺旋流的生成,并使血流趋向流道中心;起旋瓣壁面切应力分布也更加均匀,具有较少的低应力区与高应力区,壁面切应力峰值也相对较小。 针对研究中的主动脉模型,具有最优血流动力学特性的瓣叶包角为 15° ~ 20°。 结论 该新型人工主动脉瓣能调节主动脉内的血流特征,降低主动脉瓣置换术引起主动脉扩张与主动脉瘤的风险,对未来机械瓣构型设计具有指导意义。

    • 考虑尺寸效应的聚合物血管支架力学性能

      2023, 38(5):946-952. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0946

      摘要 (224) HTML (0) PDF 7.74 M (435) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究考虑尺寸效应的聚合物血管支架力学性能,分析支架结构对支架力学性能和支架变形过程中尺寸效应的影响规律,为支架的结构设计提供理论依据。 方法 建立考虑尺寸效应的聚乳酸的 Cosserat 理论模型,并结合有限元法,通过三点弯和平板压获得支架弯曲刚度和径向刚度,进一步分析支架筋厚和筋宽、支撑单元曲率半径和轴向间距对支架径向支撑性能和尺寸效应的影响规律。 结果 聚合物血管支架在弯曲和压缩过程中均存在明显的尺寸效应现象;支架径向刚度与支撑单元曲率半径和轴向间距均呈负相关,与筋厚和筋宽均呈正相关;支撑单元曲率半径、轴向间距以及支架筋厚和筋宽越小,聚合物血管支架压缩过程中的尺寸效应越大。 结论 支架的径向支撑性能主要由结构的刚度决定,并受支架变形过程中尺寸效应的影响;支架几何结构的特征尺寸越小、支架弯扭变形的程度越大,则尺寸效应越明显,对支架径向支撑性能的增幅越大。

    • 左冠状动脉曲率与左前降支狭窄对局部血流动力学的影响

      2023, 38(5):953-960. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0953

      摘要 (36) HTML (0) PDF 4.69 M (471) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究不同的左前降支(left anterior descending, LAD)狭窄程度和分叉血管曲率对血流动力学的影响。方法 建立不同分叉血管曲率半径和 LAD 分支狭窄率的理想模型,使用流固耦合( fluid-structure interaction, FSI)方法评估不同曲率半径和不同狭窄率情况下对血流和壁面剪切力相关指标的影响。 结果 LAD 发生狭窄后,高震荡剪切指数(oscillatory shear index, OSI)和高相对滞留时间(relative residence time, RRT)区域主要分布于 LAD 分叉脊对侧、弯曲外侧狭窄位置下游近端和弯曲内侧下游远端,并且随着狭窄程度的增加会扩大其区域与程度;由于曲率半径减小,弯曲内侧中的高 OSI 和 RRT 会向 LAD 下游远端分布,高 RRT 区域面积相对整个血管面积平均降幅能够达到 35. 68% 。 结论 LAD 狭窄的存在会增加狭窄位置下游和 LAD 分叉脊对侧发生继发性狭窄的风险。 曲率降低会促进弯曲内侧斑块的形成与发展,但从整个血管来看,又会细微地降低斑块形成概率。 研究结果可为治疗 LAD 病变与预防继发性狭窄提供方案设计与优化的理论参考。

    • 活动式与固定式 UKA 衬垫的接触力学和磨损对比研究

      2023, 38(5):961-968. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0961

      摘要 (250) HTML (0) PDF 5.46 M (412) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 采用计算机模拟方法对比研究 ISO 14243 - 1 ∶ 2009 力控制标准测试条件下单髁膝关节置换术(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)活动式与固定式衬垫的接触力学和磨损性能。 方法 采用有限元方法分析两种衬垫在测试条件下的接触应力和 von Mises 应力,并采用磨损预测模型模拟 5 MC(million cycles, 百万次循环)步态周期工况获得两种衬垫的线性磨损深度、磨损体积。 结果 磨损前活动式与固定式衬垫的最大接触应力分别为 15. 7、44. 3 MPa,最大 von Mises 应力分别为 11. 94、23. 33 MPa。 随着磨损加剧,活动式衬垫的最大接触应力和 von Mises 应力先减小后趋于稳定,而固定式衬垫的基本保持不变。 固定式衬垫的线性磨损深度为活动式的1. 5 倍,但活动式衬垫的磨损体积是固定式的 5. 4 倍,且活动式衬垫的背部磨损体积占其总磨损体积的 70% 。 结论 与固定式 UKA 衬垫相比,活动式 UKA 衬垫具有较低的接触应力与 von Mises 应力,但有较大的磨损体积。 活动式衬垫背部磨损是磨屑增加的另一个重要来源。

    • 自主研制新型肩胛颈部解剖锁定钢板的生物力学对比

      2023, 38(5):969-975. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0969

      摘要 (35) HTML (4) PDF 4.74 M (412) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 将自主研制新型肩胛颈部解剖锁定钢板与 Watson 重建接骨板进行生物力学对比分析,观察其生物力学方面的特点及优势。 方法 选取 12 具防腐、湿润的成人肩胛骨尸体标本(男 7 具,女 5 具),造模成肩胛颈骨折(Miller 分型 II B 型)标本,根据取标本的先后顺序及性别随机分为实验组和对照组:实验组采用新型肩胛颈部解剖锁定钢板内固定,对照组采用 Watson 重建接骨板内固定。 将标本安置钢板后在生物力学实验机上分别进行肩胛颈部抗拉伸实验、钢板螺钉抗拔出实验、动态疲劳实验。 通过与实验终端相连接的计算机采集实验数据,并绘制力-位移曲线以及周期-位移曲线。 结果 在肩胛颈部抗拉伸实验中,实验组平均抗拉伸力[(356. 50±32. 19) N]优于对照组[(193. 83±29. 39) N] (P<0. 05)。 在肩胛颈部钢板螺钉抗拔出实验中,实验组平均抗拔出力[( 263. 83±22. 85) N]优于对照组[(135. 50±15. 40) N)](P<0. 05)。 在动态疲劳实验中,300 个周期内实验组平均位移小于对照组(P<0. 05),且均未出现钢板、螺钉断裂松动现象。 结论 自主研制的新型肩胛颈部解剖锁定钢板在抗拉伸、抗拔出、动态疲劳生物力学性能优于重建接骨板,可为临床上治疗肩胛骨颈部骨折提供一种较为理想的内固定系统。

    • 手性蜂窝夹层结构椎体植入物结构参数优化设计

      2023, 38(5):976-981. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0976

      摘要 (29) HTML (0) PDF 2.87 M (441) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 运用有限元方法分析手性蜂窝夹层结构椎体植入物的应力分布规律,为指导椎体压缩性骨折的临床治疗提供理论依据。 方法 建立三韧带手性蜂窝夹层结构椎体植入物三维有限元模型,结合正交实验法和面内外尺寸效应分析进行结构参数优化设计,并分析 5 种不同工况下的应力和应力分布。 结果 应力峰值最小的结构参数组合为:胞元壁厚 0. 28 mm,面板厚度 0. 8 mm,胞元高度 0. 2 mm,韧带长度 0. 6 mm,应力峰值出现在蜂窝层边缘靠近上下面板的部分,最大应变位于上面板边缘未受蜂窝芯子支撑的部分。 结论 优化设计后的手性蜂窝夹层结构满足人体生理载荷,植入椎体后应力峰值比正六边形蜂窝夹层结构更小,应力分布更均匀,适合作为椎体植入物基本结构。

    • 基于精确反馈线性化的动力型下肢假肢支撑期解耦控制

      2023, 38(5):982-988. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0982

      摘要 (28) HTML (3) PDF 3.17 M (414) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 针对膝-踝-趾动力型假肢系统支撑期强耦合性会导致假肢系统控制精度下降的问题,提出精确反馈线性化方法对动力型假肢系统解耦。 方法 采集人体下肢步态信息,将支撑期划分为支撑前中期和支撑末期,建立两个模态的动力学模型;使用精确反馈线性化解耦方法对支撑期假肢系统解耦,结合滑模控制设计动力型下肢假肢控制器;搭建联合仿真平台验证方法的有效性。 结果 解耦后系统相较于解耦前控制精度提高,解耦后支撑前中期膝、踝计算平均绝对误差( mean absolute error,MAE) 分别减少至 0. 001 1°、0. 002 6°,均方根误差( root meansquare error,RMSE) 分别减少至 0. 014 7°、0. 023 6°;支撑末期膝、踝、趾 MAE 分别减少至 0. 011 1°、0. 005 1°、0. 006 5°,RMSE 分别减少至 0. 021 9°、0. 021 0°、0. 012 9°,总体控制误差减少,响应速度加快,并且假肢能够在仿真环境中稳定运行。 结论 本文提出的解耦方法可有效简化下肢假肢系统的控制,并为假肢系统的进一步研究奠定基础。

    • 一种用于 OpenSim 的非线性缩放方法

      2023, 38(5):989-995. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0989

      摘要 (32) HTML (1) PDF 2.69 M (444) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 提高 OpenSim 生物力学模型静态与动态配准精度,进而提高运动学和动力学参数计算的可靠性。 方法 通过位姿调整、构建插值函数,实现基于运动学实验数据的模型非线性缩放。 使用两组公开实验数据(GC3 和GC5)进行建模分析,计算模型肢段长度和关节作用力,并与解剖标记点缩放方法 (anatomical landmark scale, ALS)和线性缩放方法的计算结果及实际测量值比对,验证方法的有效性。 结果 缩放所得模型的肢段长度与实际测量值的最大偏差 14. 74 mm,在文献给定范围(4. 0±13. 8) mm 内;缩放和逆运动学计算的标记点误差满足 OpenSim 给定要求;计算所得关节接触力均方根误差(GC3 ∶ 0. 40 BW,GC5 ∶ 0. 34 BW,BW 为 body weight) 较 ALS 方法(GC3 ∶0. 64 BW)和 OpenSim 线性缩放方法(GC5 ∶0. 40 BW)小;蒙特卡洛分析结果同时表明,对于模型标记点初始位置的变化,该方法计算关节接触力误差范围更小,肢段长度波动小于 5% 。 结论 该非线性缩放方法可行,且在目前验证条件下可以提高 OpenSim 运动学和动力学建模效率及仿真分析结果的精度。

    • 慢性踝关节不稳对膝关节肌群的影响

      2023, 38(5):996-1002. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.0996

      摘要 (35) HTML (0) PDF 5.16 M (443) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究慢性踝关节不稳(chronic ankle instability, CAI)患者踝关节肌力缺失对患侧和健侧膝关节肌群的影响。 方法 建立健康受试者和 CAI 患者逆向动力学模型,通过改变肌肉最大等长收缩力模拟不同程度踝关节肌力缺失,分析步态周期中膝关节峰值肌力和累积肌力的改变规律。 结果 CAI 患者跖屈肌肌力缺失会同时影响患侧和健侧的股四头肌与腘绳肌,背屈肌肌力缺失主要影响患者患侧和健侧的腘绳肌。 CAI 患者患侧和健侧膝关节肌群肌肉累积负荷增大,不同踝关节肌力缺失模型都呈现出患侧股四头肌累积负荷大于健侧,健侧腘绳肌累积负荷大于患侧的规律。 结论 CAI 不仅会影响患者患侧膝关节肌群的肌力,也会影响患者健侧膝关节肌群的肌力。增强踝关节的肌肉力量和保护双侧膝关节肌肉可能对 CAI 康复具有积极的作用。

    • 基于线性和非线性分析的人体站立稳定调控策略

      2023, 38(5):1003-1009. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.1003

      摘要 (55) HTML (1) PDF 1.61 M (430) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 从线性和非线性两个角度探究人体站立稳定调控策略。 方法 招募 16 名健康男性受试者,在平衡台完成 30 s 正常站立、闭眼站立以及在泡沫垫上睁眼和闭眼站立,通过时空参数、轨迹近似熵和小波变换分析不同干扰因素站立时足底压力中心(center of pressure, COP)轨迹的线性及非线性特征,采用视觉×本体感觉重复测量方差分析比较干扰情况下(视觉干扰、本体感觉干扰和视觉、本体感觉共同干扰)与正常站立情况下 COP 轨迹线性及非线性特征差异。 结果 在线性指标中,闭眼站立、不稳定站立和闭眼不稳定站立相比于正常站立时 COP 轨迹长度、轨迹速率和 C90 面积均增加( P < 0. 05),3 种干扰方式下的 C90 偏角以及前后( anteroposterior,AP)、内外(mediolateral,ML)方向平均偏移量相比于正常站立无明显变化(P>0. 05)。 在非线性指标中,在 ML 和 AP 两个方向,闭眼站立、不稳定站立和闭眼不稳定站立相比于正常站立 COP 轨迹的近似熵差异均无差异(P>0. 05);频域指标的 ML 方向,视觉干扰使中频、低频和次低 3 个频段的能量权重升高(P<0. 05),超低频能量权重降低(P<0. 05);本体感觉干扰时 3 个频段的能量权重相比于正常站立无差异(P>0. 05);在视觉、本体感觉共同干扰时,中频、低频和次低频能量权重增加(P<0. 05),超低频能量权重降低(P<0. 05);在频域指标的 AP 方向,视觉干扰后相比于正常站立次低频能量下降(P<0. 05)、超低频能量上升(P<0. 05);本体感觉干扰和视觉、本体感觉共同干扰中频、低频和次低频能量权重均上升(P<0. 05),超低频能量权重下降(P<0. 05)。 结论 对于健康人群,站立时人体以较低频段的闭环控制机制为主导,外界信号输入受到干扰并不会改变站立 COP 轨迹的复杂性,其中视觉信息干扰对 ML方向影响较为明显,本体感觉信息干扰对 AP 方向影响较为明显。 站立受到干扰时,开环控制机制的较高频段能量权重增加,身体的晃动幅度和速度变大。

    • 老年人下楼梯下肢关节做功模式分析

      2023, 38(5):1010-1016. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.1010

      摘要 (407) HTML (1) PDF 3.00 M (473) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究下楼梯行走过程中老龄化对老年人下肢关节做功模式的影响,丰富楼梯行走的防跌倒理论。 方法 采用 Vicon 红外运动捕捉系统和 Kistler 三维测力台同步采集青年人和老年人下楼梯行走的运动学和动力学数据,利用下肢关节角度、力矩、功率、做功贡献度指标对下肢关节做功模式进行量化评定。 结果 下楼梯过程中,青年组和老年组下肢三关节角度、力矩、功率的变化趋势一致。 在优势腿的 1 个支撑相内,老年人的屈髋力矩峰值、伸膝力矩第 1 峰值、第 2 峰值、跖屈力矩第 1 峰值、膝负功率第 1 峰值、第 2 峰值、踝负功率峰值以及髋、膝、踝关节净功均显著降低(P<0. 05);伸髋力矩峰值、髋负功率峰值、踝关节做功贡献度显著增加(P<0. 05),髋、膝关节做功贡献度并未出现显著性差异(P>0. 05)。 结论 在下楼梯过程中,老年人下肢关节力学特征显著降低。 老年人采取不同于青年人的下肢关节做功模式。 老年人通过较大的伸髋姿势抵制躯干的过度前倾,同时采取踝关节做功的代偿模式,提高下楼梯行走的身体稳定性。 建议老年人在锻炼时应以增加膝、踝关节肌肉力量的项目为主,以维持下楼梯的姿势控制能力。

    • 老年人上下楼梯的步态特征以及下肢关节运动功能特点

      2023, 38(5):1017-1023. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.1017

      摘要 (95) HTML (1) PDF 4.93 M (464) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨老年人上下楼梯的步态特征以及下肢关节运动的力学性能。 方法 通过17名青年人、15名老年人自然速度上下5个台阶的楼梯测试与分析,并结合红外高速运动捕捉系统和三维测力台获取步态参数、下肢关节角度以及地面反作用力,通过逆向动力学方法计算关节力矩和功率,采取独立样本 t 检验分析年龄对上述参数的影响。 结果 与青年人相比,老年人上下楼梯步态周期较长,步速和步频则明显较低(P<0. 05);同时,老年人上下楼梯支撑相和摆动相分别明显延长和缩短(P<0. 05)。 不论是青年人还是老年人,上下楼梯过程中下肢关节角度、力矩和功率的变化趋势较为一致。 但老年人上楼主要是通过踝、膝关节功率的产生来维持,而青年人则是通过近端肢体的能量,特别动用了较多的膝关节功率。 下楼过程中的能量吸收,两者皆是以膝关节为主。 结论 随着年龄的增长,下肢机能下降和肌力不足,老年人害怕在上下楼梯时发生跌倒,试图通过减少摆动时间来弥补身体的不稳定。 研究结果为临床上老年患者群体的康复管理以及预测跌倒的功能性评估提供参考。

    • 微创肛瘘封堵器的结构设计与实验研究

      2023, 38(5):1024-1030. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.1024

      摘要 (36) HTML (0) PDF 5.05 M (397) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 设计一种适用于肛瘘内口闭合手术的封堵器,研究封堵器的结构设计以及植入物与组织的相互作用,评估内口封堵性能。 方法 对封堵器进行整体结构设计与样机制作;建立封堵有限元模型,研究封堵过程中组织的应力分布及损伤面积;搭建组织穿刺实验平台对仿真模型及结果进行验证;搭建拔出力实验平台对内口封堵效果进行评估。 结果 封堵过程中,进给机构的最大扭矩为 36 mN·m,组织的最大应力为 19. 75 MPa,其损伤面积为1. 35 cm2。 有限元理论模型与实验结果基本吻合,最大拔出力达到 5. 11 N。 结论 封堵过程中的组织损伤面积满足肛瘘的微创治疗要求。 本文设计的微创肛瘘封堵器可实现内口的有效封堵,有助于医生更加便捷、快速、有效地完成肛瘘的微创手术。

    • 基于抓力-运动诱发电位的大鼠脑干锥体束功能损伤程度研究

      2023, 38(5):1031-1036. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.1031

      摘要 (243) HTML (1) PDF 1.41 M (371) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨利用抓力( grasp strength, GS)-运动诱发电位(motor evoked potential,MEP)方法对大鼠脑干锥体束损伤后产生的运动功能障碍进行定量研究。 方法 雄性 SD 大鼠 30 只,分为 1. 25m 致伤组、2. 25 m 致伤组和正常组,采用经典 Marmarou 模型制作锥体束部位的创伤性轴索损伤模型,致伤组均于损伤后 1、3、5、7、14、28、42 d 对大鼠进行肢体 GS 信号和 MEP 波幅检测,3 组大鼠均于麻醉后相应时间进行对照检测。 结果 致伤组随损伤程度的增加,MEP 波幅和最大 GS 下降比例明显增大;两个高度下 GS 与 MEP 测量值具有明显正相关性。 损伤程度较小时,前期 MEP 比较敏感,后期 MEP 不敏感;损伤程度较大时,前期与后期 MEP 变化均较为敏感。 结论 采用 GSMEP 联合评估可以为锥体束损伤后产生的运动功能障碍程度的定量评价提供数据支持。

    • >综述
    • 创伤性颅脑损伤频响特性研究综述

      2023, 38(5):1037-1043. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.1037

      摘要 (36) HTML (1) PDF 5.95 M (472) 评论 (0) 收藏

      摘要:频率在创伤性颅脑损伤(traumatic brain injury, TBI)的生物力学响应中扮演着重要角色,冲击载荷可因共振行为而放大脑部局部变形,加剧神经功能障碍。 本文总结了颅脑损伤频响特性的主要研究方法和发展进程,重点探讨不同数学方法在颅脑损伤频响特性中的应用,以及颅脑损伤频响特性的研究现状,并进一步提出深化颅脑损伤频响特性研究的建议。 结果表明,有限元法、降阶模型法和流固耦合法在颅脑损伤频响特性研究中均具可行性,但现有研究对颅脑固有频率尚未达成有效共识,且未将颅脑损伤的频响特性与评价准则进行结合,故基于频响特性完善颅脑损伤力学评价仍是研究的重点。

    • 细胞外基质刚度改变在肝细胞癌发生发展中的作用

      2023, 38(5):1044-1050. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.1044

      摘要 (122) HTML (2) PDF 1009.06 K (463) 评论 (0) 收藏

      摘要:肝细胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)是一种严重危害人类健康的恶性疾病。 在其发生发展过程中,肝组织内细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的刚度不断提高。 近年来,研究人员针对生物力学因素在 HCC 发生发展过程中的作用机制的研究表明,ECM 刚度增加在 HCC 发生发展的过程中发挥着重要作用。 本文主要就 HCC 发生发展过程中 ECM 刚度的变化规律以及引起其变化的原因、ECM 刚度增加对肝癌相关细胞的影响、HCC 中基质刚度变化引起的力信号转导等方面进行综述,为 HCC 临床治疗提供新的研究思路和方向。

    • 中医推拿手法生物力学研究进展

      2023, 38(5):1051-1056. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.05.1051

      摘要 (80) HTML (0) PDF 957.00 K (608) 评论 (0) 收藏

      摘要:中医推拿是以中医脏腑和经络学说为理论基础,通过不同手法作用于人体体表特定部位,对机体生理和病理状况进行调节,以达到治疗目标的方法。 对中医推拿手法进行生物力学研究,可揭示手法的生物力学机制,对手法的规范化、标准化以及手法的创新发展具有重要意义。 本文从推拿手法描述、动力学分析、推拿力效应以及手法对比分析几个方面对推拿手法的生物力学研究进展进行综述,以期为中医推拿相关领域的后续研究提供借鉴。

当期目录


年第卷第

文章目录

过刊浏览

年份

刊期

点击排行

引用排行

下载中心

关闭