血流动力学及其医学应用
摘要：血流动力学与心脑血管疾病的形成、发展和治疗存在密切联系。对心脑血管系统中的血流动力学研究一直是生物力学和生物医学工程研究的热点。本文就专栏文章所涉及的研究内容、研究方法、研究成果及其医学应用等进行评述,重点从血流动力学的研究驱动力、研究进展和研究趋势等几方面进行综述,展示了血流动力学研究在临床和保健的预防、诊断、治疗等多层次的应用前景。关于开展优秀论文评选的通知
摘要：为了不断提高论文写作质量,扩大本刊的影响,编辑部决定从2012年开始每年开展优秀论文评选工作。2012年优秀论文评选规则如下：参与评选的论文是2010年在我刊刊登的论文。主动脉处的血流动力学特性及其生理意义
摘要：主动脉结构复杂成三维螺旋状,在心脏收缩期该处流动成旋动流态。这种旋动流态也许有着积极的生理意义,能够通过抑制湍流、促进物质传输,从而抑制心血管疾病的发生。引起主动脉处的旋动流主要是左心室收缩的扭曲运动、主动脉的三维空间几何构型、主动脉处的脉动流特征以及主动脉的运动。基于以上研究结果,近年来,研究者们以期将旋动流原理应用于心血管介入治疗和心血管介入器械的设计中。本文就主动脉处的旋动流态观察、其生理意义、引起该旋动流态的原因、及旋动流在临床器械设计中的应用等进行综述。双向双侧格林手术的数值研究
摘要：目的利用数值模拟方法预测左上腔静脉与肺动脉的连接位置改变对双向双侧格林（BBDG）手术的影响。方法首先,根据拥有左上腔静脉的单心室心脏缺陷综合征病人的医学图像重建出三维几何模型。其次,基于力反馈器创建其他数值模拟所需的模型,并利用有限体积法进行流体力学的数值模拟。最后,分析与评估获得的血流动力学参数。结果血液在左、右上腔静脉与肺主动脉中进行再循环。左上腔静脉到右上腔静脉之间的距离由右上腔静脉直径的2倍逐渐变化到右上腔静脉直径的3.5倍,发现当距离为3倍直径时,能量损失最少,而距离为2倍时,能量损失最大。血液分流比（左肺动脉流量/右肺动脉流量）的计算结果范围为0.65～1.11。结论在BBDG手术的治疗中,左、右上腔静脉之间距离太近会导致不适宜的分流比以及消耗更多的能量。本研究结果对于评价伴随有左上腔静脉的单心室心脏缺陷综合征的治疗手术是非常有意义的。支架介入治疗颈内动脉狭窄和动脉瘤对动脉瘤壁面压力的影响
摘要：目的研究当狭窄与动脉瘤毗邻时,使用支架介入治疗后对动脉瘤壁面压力产生的影响。方法使用计算流体动力学分析的方法对动脉瘤模型及狭窄和动脉瘤毗邻的模型进行对比研究。构建3个模型（M1、M2、M3）对压力变化进行分析比较。M1是颈内动脉瘤模型（无狭窄、无支架）,在M1中的动脉瘤前构造一段狭窄动脉形成M2,在M2的动脉瘤部位植入支架后形成M3。结果 M2、M1两个模型相比较,轻度狭窄（50%）引起的动脉瘤部位的压力增加约为1.369 9 kPa（10.3 mmHg）（收缩期的峰值时刻）,一个心动周期内动脉瘤部位的平均压力增加约为0.572 kPa（4.3 mmHg）。M3、M2两个模型相比较,动脉瘤部位的压力增加大约为1.037 kPa（7.8 mmHg）（收缩期的峰值时刻）,一个心动周期内动脉瘤部位的平均压力增加大约为0.399 kPa（3 mmHg）。结论当使用支架治疗狭窄与弯曲颅内动脉瘤毗邻的患者时,轻度狭窄不会导致显著压力增加。载瘤动脉的形状、动脉瘤或动脉狭窄疾病确实对动脉瘤部位压力变化有影响。基于膨隆实验的血管非线性力学特性确定方法
摘要：目的基于实验测试和数值模拟结果,建立反方法确定血管的非线性力学特性。方法采用自行设计的实验装置,对血管进行压力加载,获取血管膨隆的实验数据;假设血管材料特性符合超弹性Ogden模型,建立血管膨隆的有限元模型,然后结合实测数据及数值模拟结果,利用优化算法建立反方法确定血管的力学特性。结果得到了描述兔腹主动脉非线性力学特性的Ogden模型一阶和二阶的材料参数,其中一阶Ogden模型参数α=10.86±1.98。经验证兔腹主动脉的力学特性可用超弹性力学模型描述。结论基于实验测试和数值模拟方法建立的反方法可用来识别血管的非线性力学特性。动脉粥样硬化斑块对药物洗脱支架药物扩散影响的数值分析
摘要：目的为更真实地反映药物在血管壁内的分布情况,研究动脉粥样硬化斑块药物扩散系数对血管壁组织中药物扩散的影响。方法采用计算流体动力学方法,考虑5种不同药物扩散系数的斑块,研究血管壁组织和斑块中药物浓度的分布。结果随着斑块药物扩散系数的增加,血管壁中药物含量也逐渐增加,但增加的幅度逐渐趋于平缓。结论当斑块扩散系数小于组织时,斑块对血管壁中药物扩散起抑制作用,反之起促进作用。特别是当斑块中的药物扩散系数远大于血管壁时,其不再影响药物在血管壁中的扩散。在今后的研究中考虑斑块的影响是有必要的,这有利于对药物洗脱支架的优化设计。脉动流模拟系统血压波形相似度算法研究
摘要：目的研究表征血压波形间相似程度的量化指标,并应用到脉动流模拟系统中血压波形的分析。方法在对已有相似度算法进行研究的基础上,结合血压波形自身的特点,提出加权平均算法。该算法将相关系数法和特征参数法相结合,分别从整体和局部特征对波形进行相似性度量,兼具全局匹配和局部比较的优点。结果与夹角余弦法、平均绝对差法和数值型相似系数法相比,加权平均算法更适用于血压波形相似度的分析。结论加权平均算法可以表征不同血压波形之间的差异,比较不同脉动流装置之间的模拟性能,进一步完善后还可以用于其他生理波形的分析。血流作用下冠脉支架的疲劳寿命优化
摘要：目的评估血流作用下冠脉支架的疲劳寿命,并在此基础上对支架的疲劳寿命进行优化设计。方法采用Pro/Engineer建立包含植入支架、血液、血栓以及动脉壁的简化组合模型,使用ANSYS有限元分析程序,利用有限元法模拟支架在动脉壁中受血流的周期性作用,并根据支架内的血流动力学分析结果对评估支架的疲劳寿命。以支架的几何参数作为设计变量,通过拉丁超立方抽样方法选取样本点并得到对应的响应值,建立Kriging模型,对冠脉支架的疲劳寿命进行优化。结果 Goodman图显示优化后支架是安全的;累积损伤法表明支架最大损伤点处于支架血流流入端的第2交叉面上,优化后支架的疲劳寿命提高30.55%。结论有限元法可对冠脉支架疲劳寿命进行有效的评估,建立Kriging模型对支架进行优化设计可以有效地提高支架的使用寿命。基于传输线模型的脉搏波传播数值仿真及参数分析
摘要：目的通过提出一种传输线模型和输入阻抗递归算法的计算方法,数值仿真人体动脉树中脉搏波的传播过程,分析个体差异性和动脉树各参数对脉搏波的影响,为动脉树生理和病理变化分析提供参考。方法利用由大中动脉构成的55段人体动脉树建立传输线模型,采用递归算法计算动脉树各点的输入阻抗,仿真计算动脉树中各段血压和血流的分布图。在此基础上比较不同身高、心率、每搏量、内径、壁厚等参数对脉搏波传播和血压分布的影响。结果仿真结果和一般脉搏波传播规律相一致,验证了该方法的有效性。不同参数对动脉树中脉搏波传播的影响有较大差异且呈现各自特征。结论基于传输线模型和递归算法的计算方法能有效仿真动脉树中脉搏波的传播过程,并准确反映个体差异性和动脉树血液动力学参数的变化对脉搏波的影响,是人体动脉树生理病理分析和诊断的重要辅助手段。非球面人工髋关节接触力学
摘要：目的由于受制造技术的局限性、可能的设计优化考虑以及临床应用的磨损等因素影响,人工髋关节轴承表面表现为非球面几何特征,可以利用有限元分析方法对非球面人工髋关节的接触力学行为进行研究。方法对球面网格数据模型进行非球关节面重建,研究不同取向椭球面股骨头对球面髋臼几何特征的非球面金属对金属人工髋关节的接触力学表现。结果非球面股骨头接触区域中心位置的平均曲率半径在一定范围内增大时,能有效降低相应关节接触面上的最大接触压力,同时接触面积有所增加;在同样载荷下,髋臼相对股骨头不同倾斜状态对非球面股骨头的接触压力峰值和面积影响较小,但压力分布有所不同。结论良好地控制人工髋关节的非球表面特征,有利于改善人工髋关节最大接触压力幅值大小和接触区域分布。所发展的非球面人工髋关节接触模型及数值模拟过程能够有效地运行,这为非球面关节动态接触及磨损预测问题研究提供了条件。细胞骨架F-actin在层流剪切应力诱导EPCs内皮分化中的作用
摘要：目的探讨细胞骨架F-actin在层流剪切应力促内皮祖细胞（endothelial progenitor cells,EPCs）向内皮分化中的作用。方法对大鼠骨髓来源的EPCs施以层流剪切应力（1.2 Pa）,以荧光定量RT-PCR及流式细胞术检测特异性内皮细胞标记分子vWF、CD31 mRNA及蛋白的表达来反映EPCs分化程度;以免疫荧光染色观测F-actin的排列情况;应用Ras GTPase Pull-Down方法检测Ras活性。结果层流剪切力处理后,EPCs分化标记vWF及CD31的基因及蛋白表达较静止组明显升高（P〈0.05）,细胞骨架F-actin发生重排,Ras活性明显增高。细胞骨架稳定剂Jasplakinolide（JAS）及细胞骨架松弛剂Cytochalasin D（CytoD）预处理均不同程度地抑制了层流剪切应力所致的细胞骨架的重排、Ras活性的上调及EPCs分化效应（P〈0.05）,而过表达Ras则对层流剪切应力诱导的EPCs分化有明显促进作用（P〈0.05）。结论一定大小的层流剪切应力可促进EPCs向内皮细胞分化,其机制可能与层流剪切应力重塑细胞骨架F-actin,进而影响Ras活性有关;这对于揭示受损血管内皮修复的具体机制、阐明动脉粥样硬化等心血管疾病的发病机理及临床防治此类疾病具有一定的意义。基于点信息的人体寰椎三维模型配准
摘要：目的建立一种基于点信息的寰椎三维模型局部点配准方法,为进行三维数据的统计建模奠定基础。方法以正常人体CT序列图像生成寰椎三维模型30个,所有模型标注人工选择的对应点,设为模板模型1个,训练模型20个,验证模型9个。首先进行训练组模型对模板模型的配准,包括点信息的比较计算和权重系数的机器训练两步,以自动配准点与人工选点的欧式距离之和为测度,获得点配准公式及对应的最佳系数;其次以验证组模型对模板模型进行配准,统计自动配准点与人工选点的欧式距离值,同训练组做对比分析,评估方法的稳定性。结果获得配准函数及对应的最佳权重系数,训练组和验证组配准结果误差分别为1.983和2.045 mm,统计分析表明两组结果没有显著性差异。结论此方法精度及稳定性均达到预期目的,可用于寰椎模型之间感兴趣点的自动配准及统计建模工作中的元素分类。模拟微重力对大鼠关节软骨力学特性的影响
摘要：目的基于大鼠尾吊实验,研究模拟微重力对关节软骨组织力学特性的影响。方法通过14 d的尾吊实验建立模拟微重力作用的大鼠模型,获得12块后肢大腿骨关节处软骨样本,运用高频超声测量技术获取大鼠关节软骨特定位置因自由膨胀引起的组织应变,基于三相模型估计软骨组织的轴向弹性模量,并比较尾吊组和对照组大鼠关节软骨的力学特性。结果尾吊组大鼠后肢特定测量位置处软骨厚度的平均值略小于对照组,但差异不显著;尾吊组大鼠特定位置关节软骨组织的平均轴向弹性模量为（5.05±2.98）MPa,小于对照组（（6.31±3.37）MPa）,两者存在着显著差异（P〈0.05）。结论微重力环境会影响关节软骨组织的力学特性,本研究结果为人类长期的太空活动提供参考信息。头部前屈运动过程中颈肌特性的研究
摘要：目的分析人体头部前屈运动过程中头颈部肌群活动特性,探索人体头颈部肌肉疲劳原因。方法基于AnyBody软件建立人体头颈部肌骨模型,以Vicon运动捕捉系统测量数据为输入,对头部前屈运动过程中的肌力进行仿真,并结合文献数据进行分析。结果颈后肌群在头部前屈运动中起主要作用。在头部前屈45%和75%行程位置肌力分配模式不同。肌力对前屈角位移的积分WM一定程度上反映了肌肉的疲劳特性,其中颈半棘肌和多裂肌在头部前屈运动过程中WM最大,容易出现疲劳。结论本文建立的头颈部肌骨模型可为分析人体运动状态下肌肉分析提供技术平台。灌注型生物反应器中流速对人骨髓间充质干细胞增殖及成骨分化的影响
摘要：目的探讨在灌注型生物反应器中,大段磷酸三钙（β-TCP）载体内不同流速对人骨髓间充质干细胞（humanmesenchymal stem cells,hMSCs）增殖及成骨分化的影响。方法利用灌注型生物反应器对复合了hMSCs的大段β-TCP载体分别以3、6、9 mL/min的流速培养15 d,通过葡萄糖消耗量、细胞活力（MTT比色法）以及扫描电镜（SEM）观测细胞在载体内的增殖情况;以Real-time PCR检测成骨分化相关基因的表达。结果各组葡萄糖的日消耗量随培养时间的延长而增加,初期9 mL/min组细胞增殖明显快于3、6 mL/min组（P〈0.001）,但是灌注培养后期6 mL/min组的细胞增殖快于9、3 mL/min组（P〈0.05）。灌注培养15 d后,6 mL/min组细胞活力显著高于3、9 mL/min组（P〈0.001）。SEM观察发现3组β-TCP载体内均形成复合细胞层,3 mL/min组细胞层呈疏松的簇状,6 mL/min组复合细胞层部分呈膜片状,9 mL/min组复合细胞层多数呈膜片状。在进行成骨诱导灌注培养15 d后,6、9 mL/min组碱性磷酸酶（ALP）及骨桥蛋白（OP）的表达均显著高于3 mL/min组（P〈0.01）;3、6 mL/min组骨钙素（OC）的表达基本相同（P〉0.05）,而9 mL/min组OC的表达量则显著高于另外两组（P〈0.001）。结论在利用灌注型生物反应器对hMSCs进行灌注培养的早期,9 mL/min的流速最有利于hMSCs的增殖,而晚期6 mL/min的流速最有利于hMSCs的增殖。β-TCP载体内流体剪切应力（flow shear stress,FSS）随灌注流速的增加而增加,适当的FSS可促进细胞外基质的合成和分布,并增加成骨相关基因的表达。不同器械固定股骨干横行骨折的生物力学研究及其临床选用
摘要：目的通过比较TiNi记忆合金环抱接骨板（环抱器）、有限接触动力加压接骨板（加压钢板）与交锁髓内钉（交锁钉）治疗股骨干横行骨折的生物力学,为临床选用提供依据。方法 8对模型随机一侧用环抱器和交锁钉固定,对侧用钢板固定,行轴向、三点弯和扭转试验。结果轴向试验：环抱器组应变大于钢板、髓内钉组,后两组相仿;100 N时,各组位移相仿;200～600 N时,环抱器组位移大于钢板、髓内钉组,后两组相仿。三点弯试验：环抱器组桡度较钢板、髓内钉组大,后两组相仿。扭转试验：环抱器、髓内钉两组扭角相仿,钢板组较环抱器组（≥3 N.m）和髓内钉组小。结论环抱器、交锁钉和加压钢板固定股骨干横行骨折的稳定性依次加强,环抱器固定后的轴向微动可促进骨折愈合。
