• 2024年第3期文章目次
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      2024, 39(3).

      摘要 (18) HTML (0) PDF 413.11 K (72) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 封面

      2024, 39(3).

      摘要 (11) HTML (0) PDF 413.37 K (81) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >专家论坛
    • 空间失重环境力学生物学2023年度研究进展

      2024, 39(3):377-386.

      摘要 (51) HTML (1) PDF 1.26 M (2231) 评论 (0) 收藏

      摘要:航空航天活动过程中特殊力学环境导致的生理变化一直是力学生物学研究的重要组成部分。本文综述了2023年度空间失重环境力学生物学研究进展,主要聚焦失重的生物学效应,包括在细胞、模式动物和人体水平在空间真实环境和地面模拟失重条件下得到的研究结果,以期助力航空航天力学生物学的发展研究,并为航天员或地面相关人群的健康防护或对抗措施研究提供帮助。

    • 空间微重力下细胞力学感知-传导的研究进展

      2024, 39(3):387-392.

      摘要 (37) HTML (3) PDF 984.35 K (2234) 评论 (0) 收藏

      摘要:在重力场下,绝大多数细胞功能受到力学载荷的调控。 空间微重力下细胞对力学载荷的响应能力在空间机体生理功能适应性变化中的作用不容忽视。 细胞骨架被普遍认为是细胞感知重力变化及响应力学载荷的关键结构之一。 本文总结了微重力下“细胞骨架-LINC 复合物-核纤层”这一细胞力学感知-传导途径变化及作用机制的研究进展,并对未来的研究工作进行展望。

    • >论著
    • 髓内压对骨内液体流动行为的影响

      2024, 39(3):393-399.

      摘要 (14) HTML (2) PDF 3.39 M (59) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究髓内压对骨内液体流动行为的影响。方法 利用 COMSOL Multiphysics 软件分别建立宏观大段骨组织和宏-细观骨间质-骨单元群的多尺度多孔弹性力学有限元模型,在考虑骨髓腔、哈弗氏管和骨陷窝-小管等不同孔隙尺度相互联系的情况下,对比中空骨组织和含髓内压骨组织的孔隙压力与流速情况,并分析髓内压幅值和频率对骨内液体压力和流速的影响。结果 考虑髓内压时,含髓内压骨组织比中空骨组织孔隙压力高6.4 kPa。骨内液体压力随着髓内压幅值的增加而明显增加,但流速基本不变。髓内压频率对孔隙压力和流速基本无影响。结论 建立的多级孔隙模型更精准分析了骨内液体流动行为,研究结果对深入理解骨内力传导具有重要意义。

    • 内镜下单侧小关节分级切除对颈椎节段 稳定性影响

      2024, 39(3):400-406.

      摘要 (11) HTML (3) PDF 3.02 M (42) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究颈椎内镜下不同范围小关节切除对颈椎节段稳定性的影响,为临床手术提供生物力学理论基础。方法 基于CT数据建立颈椎C5~6正常有限元模型,并模拟颈椎内镜手术操作获得不同范围(0、25%、50%、75%、100%)单侧小关节切除椎板开窗模型(模型1~5),分析比较各组模型节段活动度(range of motion, ROM)及椎间盘von Mises应力情况。结果 除前屈工况外,模型1、2较正常模型各方向下ROM及椎间盘von Mises应力改变不明显,模型3较正常模型各方向下ROM及椎间盘von Mises应力出现较为明显增加,前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转及右旋转时ROM分别增加27%、4%、3%、13%、5%、16%,von Mises应力分别增加32%、4%、2%、5%、9%、5%。模型4、5较正常模型各方向下ROM及椎间盘von Mises应力增加显著,模型4的ROM分别增加27%、14%、6%、24%、7%、167%,von Mises应力分别增加33%、13%、3%、32%、10%、130%;模型5的ROM分别增加27%、17%、6%、25%、7%、167%,von Mises应力分别增加33%、29%、8%、33%、12%、138%。结论 随着单侧小关节切除范围的增加,颈椎节段ROM和椎间盘von Mises应力极值逐渐增加。当单侧小关节切除超过1/2时,颈椎出现较大的ROM增加及应力改变。临床手术中应尽量保留1/2以上颈椎小关节,避免医源性失稳。

    • 双头螺钉对三柱截骨术后多棒结构稳定性的影响

      2024, 39(3):407-412.

      摘要 (14) HTML (0) PDF 4.29 M (45) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过有限元分析比较双头螺钉与传统连接器多棒结构在脊柱后路三柱截骨术后矫形固定的稳定特性。方法 基于重度脊柱角状后凸患者术后CT数据建立T3~L4胸腰椎有限元模型。在患者标准双棒模型(2R)基础上,分别建立双头螺钉多棒结构模型(double-head screws,4R-DHS)和传统连接器多棒结构模型(traditional connectors,4R-TC)。在300 N随动载荷和7.5 N·m力矩载荷下对模型进行评估,分析两种多棒结构的稳定性、主棒上最大von Mises应力及应力分布。结果 两种多棒结构的稳定性差异不大。相比于4R-TC,4R-DHS 除了后伸时主棒上最大von Mises应力略有增加外,其余运动中主棒上最大von Mises应力均有所下降(屈曲、左侧弯、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转应力分别下降7.2%、8.8%、8.7%、18.5%、16.9%),并且应力分布更加均匀。结论 双头螺钉多棒结构相比于传统连接器多棒结构可以降低主棒上的最大应力,且不存在连接器附近主棒应力集中的问题,可以更有效降低内固定失效风险。

    • 有限元分析改良皮质骨轨迹置钉在 腰椎翻修术中的力学性能

      2024, 39(3):413-420.

      摘要 (20) HTML (3) PDF 11.22 M (44) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 利用有限元分析探究改良皮质骨轨迹置钉(modified cortical bone trajectory,MCBT)、皮质骨轨迹置钉(cortical bone trajectory,CBT)技术在腰椎翻修手术中的力学性能,并分析MCBT相比CBT在翻修手术中的优势。方法 根据CT扫描数据建立L1~5节椎体、终板、纤维环、髓核三维模型,在椎体模型中按传统轨迹(traditional trajectory,TT)椎弓根置钉技术进行置钉,再将TT螺钉去除,保留TT钉道,并用MCBT、CBT螺钉在该椎体上进行翻修置钉,对腰椎重新固定。利用有限元分析MCBT、CBT在翻修手术中的力学性能。结果 在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下,CBT翻修组相比对照组运动范围(range of motion,ROM)分别降低12.07%、19.60%、8.72%、7.66%,L3~4椎体间纤维环应力分别增加11.27%、30.43%、35.52%、25.36%,L4~5椎体间纤维环应力分别降低39.84%、52.64%、23.91%、15.77%;MCBT翻修组相比对照组,ROM分别降低13.18%、20.27%、25.63%、8.59%,L3~4椎体间纤维环应力分别增加10.41%、21.60%、15.83%、18.41%,L4~5椎体间纤维环应力分别降低37.14%、61.94%、39.46%、35.23%;MCBT翻修组相比CBT翻修组ROM分别降低1.26%、0.83%、18.53%、1.00%,L3~4椎体间纤维环应力分别降低0.77%、6.77%、14.53%、5.54%,L4~5椎体应力分别降低2.82%、15.91%、19.79%、8.75%。在前屈工况下,MCBT翻修组L4~5椎体间纤维环应力相比CBT翻修组增加4.49%,在后伸、侧弯、轴向旋转工况下分别降低19.65%、20.44%、23.11%。结论 采用MCBT、CBT进行椎体翻修时均能够提供满足椎体固定要求的力学性能,并且MCBT的固定性能与安全性能不劣于CBT。研究结果为腰椎翻修术提供了更多的入路选择,在临床中具有一定参考意义。

    • 髋臼内陷技术对成人DDH全髋关节置换术 髋臼杯生物力学影响的有限元分析

      2024, 39(3):421-427.

      摘要 (12) HTML (0) PDF 2.92 M (43) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨髋臼内陷技术对成人发育性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)髋关节置换术后髋臼假体的生物力学效应。方法 获取1名成人单侧DDH患者双侧髋关节CT图像数据,进一步构建患侧半骨盆有限元模型,在此基础上,建立臼杯不同内陷水平的有限元模型,对比分析原位组和不同水平内移组之间的生物力学差异。结果 在模拟拔出试验中,原位组最大抗拔出载荷强度为1 166 N;相比原位组,4 mm和8 mm内移组抗拔出载荷强度分别增加了45.8%和57.1%;原位组髋臼假体在步态周期站立位相载荷工况下的臼杯-骨界面最大微动为166.4 μm,内移4 mm及8 mm组相对原位组分别减少了46.2%和62.1%。对于臼杯植入后髋臼周围即刻应力分布,不同组别之间的差异并不显著;而在步态周期站立位相载荷工况下,原位组髋臼周围平均应力及峰值应力均最小,平均应力随内移程度的增加而增大,内移4 mm组峰值应力最高。结论 相较原位植入假体,髋臼内陷技术可以提高假体初始稳定性,稳定性和内移程度成正比。但内移程度不足导致骨覆盖面积不足时,臼杯-骨界面边缘应力显著增加,可能会导致假体相关并发症风险的升高。

    • 泰森多边形多孔结构髋臼杯初始稳定性研究

      2024, 39(3):428-434.

      摘要 (8) HTML (0) PDF 5.70 M (46) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 分析泰森多边形多孔结构髋臼杯与实体髋臼杯的初始稳定性差异,探究泰森多边形结构多孔层对髋臼杯初始稳定性的影响以及其在预防松动脱位方面的作用。方法 通过Grasshopper设计孔隙率分别为60%、70%的泰森多边形多孔结构支架,利用选区激光熔化技术(selective laser melting,SLM)制备实体髋臼杯与孔隙率60%、70%多孔髋臼杯样件,在相同条件的聚氨酯块模型中进行杠杆试验,分析对比3组样件的最大撬出力矩、偏转角度、界面刚度。结果 在压入力无明显差异的情况下,孔隙率60%、70%多孔髋臼杯的最大撬出力矩分别比实体髋臼杯高278.82%、320.56%,偏转角度比实体髋臼杯高194.04%、269.23%,界面刚度比实体髋臼杯高18.58%、7.88%。杠杆试验完成后,多孔髋臼杯所用的聚氨酯块半球腔内出现明显磨损。结论 泰森多边形多孔结构髋臼杯的初始稳定性指标均高于实体髋臼杯,说明泰森多边形结构多孔层能提高髋臼杯的初始稳定性。研究结果能够为髋臼假体的设计与选型提供一定的参考。

    • 三维组架螺钉与环形钢板治疗Sanders ⅢAB型 跟骨骨折的有限元分析

      2024, 39(3):435-441.

      摘要 (14) HTML (0) PDF 9.04 M (52) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨三维组架螺钉与环形钢板对Sanders ⅢAB型跟骨骨折的生物力学稳定性的影响。方法 收集1名26岁志愿者跟骨CT和MRI数据,建立Sanders ⅢAB型跟骨骨折的三维有限元模型,分别使用三维组架螺钉与环形钢板固定,施加700 N纵向载荷,比较不同模型骨块及内固定应力与位移变化情况。结果 在700 N纵向载荷下,两组模型骨块最大位移以及骨块与内固定最大应力均集中于后距关节面内固定与骨折线相交处。三维组架螺钉模型与环形钢板模型骨块整体位移相近。相较于环形钢板模型,三维组架螺钉模型骨块及内固定的最大应力和平均应力更小,位移与应力变化情况更接近完整跟骨模型。结论 Sanders ⅢAB型跟骨骨折固定时,三维组架螺钉与环形钢板两种固定方式均能提供良好稳定性。三维组架螺钉的生物力学性能优于环形钢板,更符合生物力学特点。

    • 基于传力路径的接骨板结构拓扑优化设计

      2024, 39(3):442-449.

      摘要 (18) HTML (2) PDF 4.58 M (47) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 提出一种相对于传统拓扑优化方法能有效降低应力集中,并进一步提高断骨愈合效果的接骨板拓扑优化设计方法。方法 依据接骨板在断骨-接骨板系统中的载荷约束条件,采用改进的基于传力路径的拓扑优化方法对接骨板结构进行优化设计。随后采用基于偏应变的骨再生模拟模型,对胫骨骨干横向骨折情况进行骨再生模拟,依据骨再生过程数据对优化接骨板的受力状态、固定稳定性及愈合性能进行评估。结果 使用基于传力路径优化方法的优化接骨板在体积分数f=0.55、0.65时,接骨板最大应力分别为55.68、42.23 MPa,相较于传统拓扑优化方法优化接骨板分别降低32.96%、29.95%;骨愈合过程后骨痂平均弹性模量分别为1 439.47、1 355.71 MPa,相较于传统接骨板分别提升145.86%、131.06%。结论 提出的改进基于传力路径的拓扑优化方法,可以用于接骨板结构优化设计,优化后接骨板相比传统拓扑优化方法优化接骨板受力更加均匀,使用安全性更高,骨愈合性能相较传统接骨板有明显提升。研究结果为骨折内固定植入物的优化设计提供了一种新思路和方法。

    • 基于深度相机和神经网络的下肢关节力矩估计

      2024, 39(3):450-456.

      摘要 (16) HTML (0) PDF 3.64 M (48) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过深度相机和神经网络估计人在直线行走时髋、膝和踝关节的屈伸力矩。方法 利用光学运动捕捉系统、测力板和Azure Kinect深度相机采集20个人的步态信息,受试者被要求以其偏好的步行速度直线行走,同时踏在测力板上。并利用Visual 3D仿真得到关节力矩作为参考值,分别训练人工神经网络(artificial neural network,ANN)模型与长短期记忆(long short-term memory,LSTM)模型进行关节力矩估计。结果 ANN模型估计髋、膝和踝关节的关节力矩的相对均方根误差(relative root mean square error,rRMSE)分别为15.87%~17.32%、18.36%~25.34%和14.11%~16.82%,相关系数分别为0.81~0.85、0.69~0.74和0.76~0.82。LSTM模型具有更好的估计效果,rRMSE分别为8.53%~12.18%、14.32%~18.78%和6.51%~11.83%,相关系数分别达到了0.89~0.95、0.85~0.91和0.90~0.97。结论 本文证实了利用深度相机和神经网络无接触估计人体下肢关节力矩方案的可行性,其中LSTM模型具有更佳的表现。关节力矩估计结果与现有研究相比具有更好的精度,潜在应用场景包含远程医疗、个性化康复方案制定以及矫形器辅助设计等。

    • 连续疲劳干预对膝关节主被动生物力学特性的影响

      2024, 39(3):457-462.

      摘要 (17) HTML (0) PDF 3.71 M (60) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究连续疲劳干预对膝关节主被动生物力学特性的影响。方法 招募27位健康大学生在等速力量测试系统上进行疲劳实验。疲劳实验包括3个疲劳周期,每个疲劳周期至少30次股四头肌连续等长收缩。对比不同疲劳周期的最大被动力矩、平均最大自主收缩(maximum voluntary contraction,MVC)力矩、股外侧肌和股二头肌肌电积分值以及协同收缩指数(co-contraction index,CI)。结果 疲劳周期3后,最大被动力矩显著下降(P<0.05)。疲劳周期1、2、3过程内平均MVC力矩、股外侧肌和股二头肌肌电积分值都显著下降(P<0.05),然而二者CI全程无显著变化(P>0.05)。结论 股四头肌等长收缩训练剂量为90次的连续疲劳干预会显著影响膝关节主被动生物力学特性。疲劳干预后,膝关节抵抗被动屈伸能力下降。并且随着疲劳干预进程,股四头肌主动收缩能力下降,股四头肌和腘绳肌肌肉激活也下降,但二者肌群协同收缩水平不变。这种温和的肌群协同收缩模式有益于保持良性膝关节力学加载环境。研究结果有助于理解疲劳后膝关节主被动生物力学特性。

    • 中医推拿㨰法的上肢关节运动角度特征分析

      2024, 39(3):463-468.

      摘要 (12) HTML (0) PDF 3.97 M (42) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究推拿医生?法操作中肩、肘、腕关节的运动学及关节协调性变化。方法 应用Vicon三维运动捕捉系统采集10名初学组和10名熟练组推拿医生?法操作的运动学数据,比较两组在推拿?法操作中肩、肘、腕关节的运动模式差异。结果 初学组与熟练组?法操作时,肘关节活动角度无显著差异(P>0.05),其主要差异为腕关节屈伸和肩关节内收外展角度不同,熟练组较初学组?法操作时肩关节内收外展活动角度显著更小(P<0.05),熟练组腕关节掌屈最大角度显著大于初学组(P<0.05)。结论 ?法的运动学特征主要为腕关节屈伸,肘关节和肩关节旋转,?法操作主要是前臂旋转与腕关节屈伸的复合运动,熟练组的“沉肩”操作要领掌握更好。

    • 外侧楔形鞋垫对足踝生物力学影响的有限元分析

      2024, 39(3):469-475.

      摘要 (9) HTML (2) PDF 8.93 M (41) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究外侧楔形鞋垫对足踝内部组织(包括足骨、关节和韧带)的生物力学影响。 方法 建立并验证足踝-鞋垫-地面三维有限元模型,探究步态 3 个关键瞬间赤足模型和鞋垫干预模型的足底压力分布、关节接触压力、跖骨及主要韧带的应力。 结果 5°外侧楔形鞋垫模型足底峰值压力比赤足模型减小 65. 8% 。 鞋垫干预使楔舟关节处峰值接触压力减小;距下关节处峰值接触压力和第 4、5 跖骨处峰值应力增大。 结论 本研究量化评估了外侧楔形鞋垫对足踝各部分的生物力学影响,提出了可适当减小外侧楔形鞋垫第 4、5 跖骨处倾斜角度的设计建议。

    • 应用随机森林与神经网络算法的足底软组织 本构参数反演方法

      2024, 39(3):476-481.

      摘要 (7) HTML (1) PDF 5.27 M (32) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 基于随机森林(random forest, RM)算法和反向传播(back propagation,BP)神经网络算法实现对足底软组织超弹性模型本构参数的预测,以提升本构参数获取方式的效率和准确性。方法 首先建立足底软组织球形压痕实验的有限元模型,并对球形压痕实验过程进行仿真,得到具有非线性关系的位移和压痕力的数据集。将数据集进行划分,得到训练集和测试集,分别对搭建好的RF和BP神经网络(BP neural network,BPNN)模型进行训练,通过实验数据对足底软组织本构参数进行预测。最后,引入均方误差(mean square error,MSE)和决定系数(R2)对模型的预测准确性进行评估,同时对比实验曲线验证模型的有效性。结果 利用RF和BPNN模型结合有限元仿真是确定足底软组织超弹性本构参数的有效、准确的方法。训练后的RF模型MSE达到1.370 2×10-3,R2为0.982 9;BPNN模型MSE达到4.858 1×10-5,R2为0.999 3。反求得到适用于仿真的足底软组织的超弹性本构参数,预测得到的两组本构参数的计算响应曲线与实验曲线吻合较好。结论 基于人工智能算法模型对足底软组织超弹性本构参数的预测精度很高,相关研究成果也可以应用于足底软组织其他力学特性的研究。同时,研究结果为足底软组织本构参数的获取提供新方法,有助于快速诊断足底软组织病变等临床问题。

    • 面向手过头任务的残差神经网络肌肉疲劳预测模型

      2024, 39(3):482-488.

      摘要 (15) HTML (1) PDF 3.98 M (43) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨手过头任务中上肢关节角度与肌肉疲劳之间的关系,并构建了一种基于残差神经网络(residual neural networks, ResNet)的肌肉疲劳预测模型。方法 通过模拟不同作业姿势和不同操作面下的钻孔试验,测量了肌肉最大自主收缩力、最大耐受时间、最大剩余肌力和主观疲劳评分。将测量后数据进行数据处理作为ResNet预测模型的输入,构建残差神经网络模型,以预测肌肉疲劳水平。结果 ResNet模型具有出色的预测精度,均方根误差(root mean square error,RMSE)为0.028,相较于传统的BP神经网络(RMSE=0.053)和MLP多层感知器神经网络(RMSE=0.059),其误差更小,拟合更好。结论 提出的残差神经网络肌肉疲劳预测模型能够有效准确地预测肌肉疲劳,为提高工作效率、减少工作相关肌肉骨骼疾患风险提供了有力支持。

    • 脑卒中患者运动过程中动力学特征的智能预测

      2024, 39(3):489-496.

      摘要 (9) HTML (2) PDF 3.64 M (41) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 使用主成分分析(principal component analysis,PCA)和反向传播(back propagation,BP)神经网络预测脑卒中患者行走时患侧髋、膝、踝的关节力矩。方法 30例脑卒中患者通过8镜头Qualisys红外光点高速运动捕捉系统和Kistler三维测力台同步采集运动学和动力学数据。通过OpenSim计算脑卒中患者髋、膝、踝患侧关节力矩,采用PCA来筛选累积贡献率达到99%的初始变量,采用标准均方根误差(normalized root mean squared error,NRMSE)、均方根误差(root mean squared error,RMSE)、平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error,MAPE)和平均绝对误差(mean absolute error,MAE)、R2作为PCA-BP模型的评价指标。使用肯德尔W系数评价计算关节力矩与预测力矩之间的一致性。结果 PCA数据显示躯干、骨盆、患侧髋、膝和踝关节在x、y、z轴(矢状、冠状、垂直轴)对患侧髋、膝、踝关节力矩具有显著影响。预测值与测量值间NRMSE为5.14%~8.86%,RMSE为0.184~0.371,MAPE为3.5%~4.0%,MAE为0.143~0.248,R2为0.998~0.999。结论 建立的PCA-BP模型可准确预测脑卒中患者行走时的髋膝踝关节力矩,显著缩短测量时间。在脑卒中患者的步态分析中本模型可代替传统的关节力矩计算,为获得脑卒中患者生物力学数据提供新途径,以及为脑卒中患者临床治疗提供有效的方法。

    • 影响我国男子1500 m速滑直道速度的关键技术特征

      2024, 39(3):497-503.

      摘要 (16) HTML (0) PDF 2.11 M (45) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 针对我国男子速滑运动员1 500 m直道技术进行生物力学分析,确定动作技术对运动表现的影响。方法 以参加2021年全国速度滑冰锦标赛1 500 m项目的34名男运动员为研究对象,采用三维定点录像解析的方法获取运动学数据,分析周期特征、动作阶段和关键时刻技术特征与周期速度的关系。结果 滑幅(r=0.560)、滑行距离(r=0.554)、蹬冰距离(r=0.512)与周期速度高度正相关。滑行阶段的躯干活动范围(r=0.651)、踝关节角平均值(r=0.434)、踝关节活动范围(r=0.446)与滑行速度中度或高度正相关,躯干角平均值(r=-0.427)与滑行速度中度负相关;蹬冰阶段的躯干角平均值(r=0.673)、髋关节伸展角平均值(r=0.804)、髋关节外展角平均值(r=0.560)、髋关节外展角速度平均值(r=0.566)与蹬冰速度高度正相关,蹬冰角平均值(r=-0.605)与蹬冰速度高度负相关。结论 1 500 m速滑直道速度主要取决于滑幅,滑行距离、蹬冰距离越大,速度越大。躯干角和踝关节角是影响运动员滑行速度的主要技术特征,适当增加躯干活动范围能有效提高滑行速度;躯干角、髋关节角和蹬冰角是影响运动员蹬冰速度的主要技术特征,积极伸髋蹬冰能有效提高蹬冰速度。

    • 二尖瓣运动的流固耦合仿真

      2024, 39(3):504-509.

      摘要 (14) HTML (0) PDF 5.93 M (48) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 建立包含左心和血液的二尖瓣理想模型,用流固耦合仿真研究二尖瓣在血流中的运动特性。方法 基于解剖学参数建立二尖瓣、左心和血液模型,流固耦合仿真采用有限元结合浸没边界法,使用有限元软件LS-DYNA模拟二尖瓣运动,获取形态学、力学和血液动力学参数,并与结构仿真结果进行对比。结果 两种仿真下二尖瓣形态学结果差异较大,流固耦合结果与超声影像吻合。流固耦合仿真和结构仿真的瓣叶应力分布结果一致,最大第1主应力分别为1.48、1.53 MPa,相对误差为3.27%。左心流场有较为复杂的涡旋结构,舒张期二尖瓣最大流速为1.02 m/s,与健康人体生理数据(0.89±0.15) m/s相吻合。结论 二尖瓣流固耦合仿真可以获取更贴近于生理的形态学结果;流固耦合仿真可以提供临床诊断不可或缺的流场参数信息;单研究瓣叶应力分布问题时,结构仿真更高效。

    • 考虑三维残余变形的主动脉生理稳态建模

      2024, 39(3):510-517.

      摘要 (11) HTML (0) PDF 4.31 M (43) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 考虑三维残余应力场,计算主动脉壁各个微观组分在生理稳态下的预拉伸。方法 将主动脉壁理想化为双层厚壁圆管。基于三维张开角实验计算血管壁的三维残余应力场,获得平均血压下在体应力的分布特征,进而拟合获得血管壁各微观组分在生理稳态下的预拉伸。根据在体测量得到的猪主动脉内压-半径关系构建反问题,以主动脉生理稳态为参考状态,在整合三维残余应力场的同时实现主动脉在体材料参数的反演识别。结果 未考虑残余应力时,中膜平均应力大于外膜;考虑残余应力时,外膜应力大于中膜,外膜对中膜起保护作用。考虑残余应力时,中膜各组分预拉伸小于未考虑残余应力时,而外膜各组分预拉伸大于未考虑残余应力时;生理稳态下,主动脉外膜内胶原纤维的预拉伸大于中膜内胶原纤维的预拉伸。以生理稳态作为参考构型在体识别主动脉材料参数,所得各组分占比与组织学实验结果一致。反之,以无加载零应力构型作为初始构型在体识别材料参数,所得外膜中弹性蛋白的占比被严重高估,与实验结果不符。结论 残余应力对主动脉壁各微观组分的预拉伸及生理稳态力学状态影响显著,故准确建立主动脉壁的生理稳态需要充分考虑残余应力的影响,材料参数的在体识别也需要充分考虑残余应力的三维特性和层特异性。

    • 可降解血管吻合器的结构设计与实验验证

      2024, 39(3):518-523.

      摘要 (17) HTML (0) PDF 6.34 M (52) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 设计一种新型可降解血管吻合器,探究施压距离与吻合口生物力学性能之间的关系,以提高血管端端吻合的效率与质量。方法 设计吻合器的三维结构,并采用挤压态高纯镁为材料进行样机加工;通过建立血管端端吻合的有限元模型,研究在不同施压距离(0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 mm)下,血管吻合端面应力分布情况及其变化规律;通过离体组织吻合实验,对有限元结果的合理性及该吻合器的可行性与有效性进行验证。结果 当施压距离为0.6 mm时,吻合口力学性能最优,此时撕脱力为(11.79±0.64) N,爆破压为(39.32±2.99) kPa,满足临床上对组织吻合口强度的要求,同时组织的力学损伤较小。结论 所设计的新型可降解血管吻合器可以通过调节施压距离对组织进行吻合,能够有效提高组织吻合效率,减小组织力学损伤,从而提高吻合质量。研究结果可以为可降解血管吻合器的设计提供重要参考。

    • 基于仿生物理模型的半规管壶腹嵴顶变形

      2024, 39(3):524-531.

      摘要 (10) HTML (2) PDF 5.29 M (48) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨人类半规管在3种基本旋转感知过程中的生物力学响应。方法 采用3D打印技术及水凝胶物理交联技术成功制备了与人体等比例的一维可视化半规管物理模型,并通过施加恒定角速度刺激、恒定角加速度刺激以及正弦摆动刺激来探究嵴顶的响应变形情况。结果 仿生半规管模型的时间常数基本稳定在3 s左右,且与人体时间常数数值接近,壶腹嵴顶运动的位移变形与施加的角加速度成正比;在0.07~5.00 Hz正弦摆动刺激下,半规管的增益从1.54 μm/°上升到42.34 μm/°,但相位差从109.72°下降到11.27°。结论 制备的仿生半规管模型能够准确模拟人体半规管的工作机制,有望在人体前庭半规管的机理研究和疾病诊断中发挥一定作用。

    • 舌侧金属加强杆种植覆盖义齿的三维有限元分析

      2024, 39(3):532-538.

      摘要 (19) HTML (0) PDF 4.68 M (61) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过三维有限元分析方法探讨舌侧金属加强结构义齿基托设计对无牙下颌种植修复义齿的生物力学影响,为无牙颌修复治疗提供参考。方法 构建舌侧金属加强结构与无加强结构两种义齿基托设计的2颗种植体支持locator式覆盖义齿三维有限元模型,分别对后牙中央窝垂直施加150 N载荷、斜向施加150 N载荷以及对前牙垂直施加150 N载荷,模拟正中咬合、左右侧方咀嚼以及前牙切割食物时两种模型各组织的受力情况。结果 后牙及前牙垂直向加载时,两种义齿基托设计模型各组织受到的应力分布较为接近,所受最大应力差别在0~0.16 MPa之间;偏侧咀嚼时,未添加金属加强杆的义齿基托、种植体和黏骨膜应力集中范围,以及种植体、种植体周围骨最大受力明显大于添加金属加强杆模型,所受最大应力差别在0.59~2.99 MPa之间。结论 在义齿基托舌侧添加金属加强杆,可以起到应力分散的作用,或可在一定程度上减小骨吸收及基托折断的风险。

    • 正畸微植体动态植入过程有限元数值仿真

      2024, 39(3):539-544.

      摘要 (12) HTML (1) PDF 6.46 M (38) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 为研究微植体动态植入过程中周围骨应力分布情况,提出并建立自攻型微植体动态植入有限元模型。方法 利用CBCT数据重建口腔三维实体化模型;利用ABAQUS软件建立种植周围局部模型及微植体三维有限元模型,微植体以40 N轴向推进力,恒定转速0.5 r/s植入颌骨内。结果 成功建立了动态模拟自攻型正畸微植体植入颌骨的三维有限元模型。植入阶段和螺纹位置对骨内应力影响明显。皮质骨最大应力为167 MPa,稳定阶段最大应力为50 MPa;松质骨最大应力为30 MPa。结论 植入阶段和螺纹位置对应力分布影响明显;皮质骨和松质骨内的应力差异明显。可以通过应力特征判断骨质类型,以及种植体周围的骨应力分布情况判断颌骨是否处于合适的种植状态。

    • >综述
    • 线粒体的力学生物学研究进展

      2024, 39(3):545-551.

      摘要 (45) HTML (5) PDF 1.88 M (2212) 评论 (0) 收藏

      摘要:线粒体是高度动态的细胞器,不仅为细胞提供能量和物质基础,同时参与调控细胞的增殖、迁移、分化和凋亡等。细胞命运受来自微环境的力学信号调节,近年来的研究表明,力学因素对细胞的能量代谢具有调控作用,线粒体作为一个力学感受器和枢纽连接力学和代谢来调控细胞的命运。深入理解力学微环境和线粒体代谢的关系,为促进组织再生和疾病治疗提供有力的指导。本文主要介绍线粒体力学生物学研究进展,并探讨其在组织再生和疾病治疗中的潜在应用。

    • 离心式血泵优化设计研究进展

      2024, 39(3):552-559.

      摘要 (11) HTML (1) PDF 2.60 M (37) 评论 (0) 收藏

      摘要:人工心脏(血泵)应兼具优良的水力学性能和血液相容性,血泵性能的提升依赖于良好的优化设计方法。本文对近年离心式血泵优化设计相关的工作进行总结,首先回顾数值模拟方法的进展,高保真度的流场数值模拟是进行血泵优化设计的先决条件;接着主要从叶轮、蜗壳、间隙等方面概括优化设计的参数敏感性研究;总结优化设计常用的几种方法,包括参数敏感性研究、正交优化、机器学习/遗传算法、拓扑优化;最后提出血泵优化设计的展望及存在的挑战。研究结果可为未来的血泵优化设计工作提供有益的借鉴和参考。

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