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医用生物力学 2017年第06期杂志 文档列表

医用生物力学杂志论著

3D打印钛合金个性化骨盆假体静态和步态有限元分析487-493

摘要：目的通过有限元分析方法评价3D打印个性化钛合金骨盆假体在站立位静态和步态下的生物力学性能。方法选取3例不同类型的骨盆肿瘤患者,拟行半骨盆切除人工半骨盆置换术。术前行CT和MRI检查,设计相应的个性化钛合金人工半骨盆假体,利用三维重建技术进行骨盆重建,并与个性化骨盆假体装配。通过AnyBody软件建立患者的人体骨肌系统模型并进行步态动力学分析。导入ABAQUS软件,得到3例重建骨盆模型在静态和步态条件下的应力分布和应力集中区域。结果在静态和步态条件下,3例3D打印钛合金骨盆假体的最大应力均小于钛合金的屈服强度,重建骨盆的骨盆环能够满足应力传导规律,患者术后恢复正常。结论 3D打印个性化钛合金骨盆假体对恢复骨盆环的应力传导效果良好,其有效性和稳定性能够满足人体生物力学要求,分析结果可为临床医生和假体设计人员提供参考。

一种新型膝关节假体在步态过程中接触应力的有限元仿真494-499

摘要：目的对一种使用新方法设计的新型人工膝关节假体进行有限元模拟分析,研究改变关节假体外髁关节面的扭转角度对改善人工膝关节假体力学环境的影响。方法依据志愿者提供的膝关节CT测量数据,建立3个膝关节假体模型,内侧股骨髁在冠状面保持圆曲线,外侧股骨髁根据冠状面轮廓曲线的扭转角度不同,分为0°、10°、20°（分别命名为模型1、2、3）。将假体模型导入有限元软件,输入自然人体膝关节的运动步态信息为加载工况,模拟步态过程中膝关节假体的运动状态,并将通过模拟得到的髁间应力同使用接触力学理论公式得到的应力计算结果进行对比。结果 3组模型的最大应力出现在步态13%处,此时关节轴向力最大（2.6 kN）。模型1内、外髁最大应力分别为35.5、30.6 MPa,模型2内、外髁最大应力分别为38.4、32.6 MPa,模型3内、外髁最大应力分别为38.3、43.1 MPa。模型2、3的应力曲线相比模型1变化较为平缓。模拟得到的应力曲线与理论计算曲线的趋势相同,但个别步态时刻处有差异。结论通过增大人工膝关节假体外髁曲面的扭转角度可以改善膝关节力学环境,经过改进的膝关节假体在步态过程中对胫骨衬垫的应力突变减少,可以延长假体的使用寿命。

皮质骨中骨单元应力集中效应的有限元分析500-505

摘要：目的建立包含骨单元的皮质骨三维实体模型,通过有限元分析验证骨单元的应力集中效应,并对应力集中位置进行疲劳仿真和预测。方法利用Pro/E wildfire 5.0和ANSYS 12.0软件建立包含骨单元的皮质骨三维实体模型,在不同轴向压缩载荷条件下计算分析皮质骨中局部应力和应变分布情况;选取关键位置进行疲劳仿真,预测不同疲劳载荷强度下骨组织的疲劳状态。结果轴向压缩载荷作用下,骨单元附近会出现明显的应力集中效应,随着压缩载荷的增加,模型内部病理性局部应变的比例逐渐增大;关键位置的疲劳仿真结果证明了骨组织生理强度运动时的低疲劳风险,也预测了高强度运动或训练时骨组织疲劳骨折的高风险。结论成功建立了包含骨单元的皮质骨三维实体模型,验证了骨单元的应力集中效应,预测了高强度运动训练条件下骨组织的疲劳损伤位置和风险,实验结果可为部队新兵或中长跑运动员运动训练计划的制定以及运动疲劳损伤的预防提供参考。

不同钙化模式对经导管主动脉瓣膜植入效果影响的数值模拟研究506-512

摘要：目的通过有限元方法评估不同钙化模式对经导管主动脉瓣膜植入效果的影响。方法根据钙化斑块在主动脉瓣叶上的位置不同,建立对合线钙化模型、附着线钙化模型和圆圈钙化模型3种不同钙化形式的主动脉根部模型。使用ABAQUS软件仿真自膨胀经导管主动脉瓣膜植入3个钙化模型中的过程,分析不同钙化模型对主动脉根部应力、瓣架变形以及瓣周间隙的影响。结果圆圈钙化模型中钙化斑块的最大主应力最大,为18.42 MPa,可能导致假体植入后发生脑卒中的风险更高;圆圈钙化模型的瓣架变形程度也最大,可能导致更差的假体耐久性;附着线钙化模型的瓣周间隙面积为37.2 mm^2,超过其他模型的2倍,植入后出现严重瓣周返流的风险可能性更高。结论不同的主动脉瓣叶钙化模式与经导管主动脉瓣膜植入后的主动脉根部应力、瓣架变形以及瓣周间隙有关,对术后并发症和假体耐久性产生影响。研究结果为临床上经导管主动脉瓣膜植入术术后效果的预测提供参考。

冲击载荷作用下蛋白质水溶液润滑吸附膜的生长特性513-518

摘要：目的研究蛋白质水溶液挤压润滑条件下材料表面蛋白质吸附膜的动态生长特性及其影响因素。方法利用光干涉技术测量球盘点接触在循环冲击条件下BSA蛋白质水溶液的吸附膜厚的生长过程,并研究冲击载荷、冲击次数、材料表面性质对BSA水溶液的吸附成膜特性的影响。结果动态条件下蛋白质润滑吸附膜要比静态工况下的升高很多,冲击条件下蛋白质吸附膜不断生长,并最终达到稳定厚度。小载荷和疏水材料表面有利于蛋白质润滑吸附膜的生长。钢表面极易形成较厚吸附膜,而陶瓷表面吸附膜厚较低。结论针对冲击载荷作用下蛋白质水溶液润滑吸附膜的生长特性研究对人工关节磨损、松动等的治疗、预防具有一定的临床指导意义。

年龄与位置对牙本质力学性质的影响519-523

摘要：目的研究人牙本质弹性模量和硬度随年龄和位置的变化情况。方法采集下颌无龋坏第3磨牙,按照年龄分为青年、中年、老年3组。采用纳米压痕对牙本质切片的多个位置进行力学测试。结果外层和中层牙本质的弹性模量和硬度大于内层牙本质的弹性模量和硬度;随着年龄的增长,各个区域的牙本质弹性模量和硬度都增大。结论牙本质具有梯度力学特性,外层和中层牙本质具有很高的刚度,其抵抗变形的能力要强于内层牙本质。同时,随着年龄增长牙本质弹性模量和硬度增大。

不同硬度楔形鞋垫对膝关节内翻力矩的影响524-528

摘要：目的研究不同硬度楔形鞋垫在步行状态下对膝关节内翻力矩的影响。方法 15名健康成年男性受试者穿着不同硬度楔形鞋垫进行步态测试,通过光学运动捕捉系统和地面测力板收集运动学和动力学数据,经Visual3D软件计算得出膝关节内翻力矩,分析在3种不同步行状况下（仅穿鞋、鞋中放入软、硬楔形鞋垫）膝关节内翻力矩峰值的差异。结果与较软的楔形鞋垫相比,较硬的楔形鞋垫可使膝关节内翻力矩的第1个峰值降低9.3%,第2个峰值降低9.7%,差异具有统计学意义。结论楔形鞋垫增加一定的硬度能更多降低膝关节内侧间室的压力,减轻关节面的磨损,从而可能缓解膝关节炎症状。

全方位密集型运动训练系统对痉挛型脑瘫儿童粗大运动功能的影响529-534

摘要：目的研究应用全方位密集型运动训练系统对痉挛型脑瘫儿童粗大运动功能的影响。方法将30例3~15岁粗大运动功能分级（GMFCS）处于Ⅰ~Ⅲ级的痉挛型脑瘫儿童随机分为两组。试验组采用全方位密集型运动训练系统进行治疗,包括治疗矫正衣及全方位动态运动器材结合运动功能训练,对照组采用核心稳定性训练进行治疗。两组患儿均治疗1个月,每周参与训练5 d,每天训练3 h。治疗前后分别采用粗大运动功能测量（GMFM-66）和Peabody粗大运动评定量表（PDMS-2）进行评估。结果治疗后,两组患儿GMFM评分、Peabody姿势项、Peabody移动项评分较治疗前均显著提高（P〈0.01）,试验组与对照组之间GMFM和PDMS-2评分无明显差异性。结论应用全方位密集型运动训练系统有利于痉挛型脑瘫儿童粗大运动功能的提升,短期内能达到核心稳定的疗效,为脑瘫儿童提供一种新颖有效的干预方法。

偏瘫患者步态特征的动力学仿真分析535-540

摘要：目的研究偏瘫步态特征与下肢异常肌力之间的内在关系,阐明导致偏瘫步态的肌力原因并为临床治疗提供建议。方法以偏瘫步态和正常步态为研究对象进行建模仿真,通过正常步态下仿真模型与实测数据对比验证模型有效性,对两种模型的运动学数据、地面反作用力（ground reaction force,GRF）及肌力等特征曲线进行差异分析。结果 LifeMOD仿真结果与测力台实测GRF曲线复相关系数为0.922,动力学模型合理有效。偏瘫步态患者初始着地期胫前肌肌力小导致踝关节背屈不足,摆动前期腓肠肌肌力小,起不到蹬离推动作用。结论胫前肌、腓肠肌软弱无力是偏瘫患者出现足下垂等偏瘫步态特征的主要原因,LifeMOD建模仿真可协助诊断偏瘫患者的异常肌力。

女性穿着运动文胸与未着文胸状态下步态特征的差异性541-547

摘要：目的比较女性穿着运动文胸和未着文胸行走时步态特征和步行稳定性的差异,为运动文胸的设计和评价提供依据。方法使用Qualisys红外光点运动捕捉系统采集12名C罩杯乳房大小女性分别穿着运动文胸及未着文胸状态下在跑步机上行走（6 km/h）的运动学参数。结果相比未着文胸状态,穿着运动文胸时上躯干角最大值及最小值显著减小,躯干屈曲角和躯干扭转角的幅度较小;10个步态周期的髋关节屈曲角幅度的标准差显著小于裸胸状态,乳房不同支撑状态对步频无显著影响。结论不同乳房支撑状态显著影响上躯干角度、躯干扭转角与躯干屈曲角。裸胸状态行走时躯干运动幅度增大,行走稳定性下降。不同乳房支撑状态下行走步频存在个体差异。

流体剪应力作用下趋化因子CXCL12诱导的白细胞整合素LFA-1的激活548-554

摘要：目的探究剪应力下趋化因子诱导的白细胞上整合素LFA-1激活过程。方法采用平行平板流动腔系统在10-30 mPa剪应力下,观察分析可溶性及固定趋化因子CXCL12对Jurkat细胞在ICAM-1上瞬时黏附行为的影响,提取特征参数。结果 CXCL12仅能介导Jurkat细胞的短暂栓缚（0.13-0.20 s）。只有固定的CXCL12才能有效激活Jurkat细胞上LFA-1与ICAM-1键合,从而提高栓缚事件的发生率,并大大延长细胞的栓缚时间（0.8-1.2 s）。激活的LFA-1/ICAM-1解离速率呈现明显双态性：k1（1.09-1.24 s^-1）,k2（0.28-0.7 s^-1）,剪应力主要通过调节k2及k2对整个黏附时间的贡献率β来控制细胞的瞬时黏附行为。结论剪应力通过G蛋白偶联受体与CXCL12的作用可在0.2 s内快速激活整合素LFA-1,进而调控白细胞的黏附过程。研究结果有助于深化趋化因子-力偶联调控整合素激活机制的认识。

医用生物力学杂志临床研究

悬吊运动疗法治疗颈椎病生物力学机制的临床研究555-558

摘要：目的揭示悬吊运动疗法治疗颈椎病的生物力学机制。方法 2015年8月-2016年12月,采用简单随机方法,将72例颈椎病患者随机分为实验组（SET疗法组）与对照组（牵引组）,实验组36例（男9例,女27例）,年龄（45.19±10.09）岁,病程（24.94±18.07）月;对照组36例（男11例,女25例）,年龄（44.08±8.88）岁,病程（22.17±14.96）月。应用BiodexⅢSystem等速测试系统测试颈部肌群力学性能,治疗前和疗程结束后各测试1次。结果治疗前,两组峰力矩（peak torque,PT）、平均功率（average power,AP）、屈肌峰力矩/伸肌峰力矩比值（flexor/extensor peak torque ratio,F/E）比较没有统计学差异;治疗后,PT、AP、F/E比较,实验组优于对照组（P〈0.05）。实验组治疗前后PT、AP、F/E比较有统计学差异（P〈0.05）。治疗前,两组疼痛评分（VAS）比较没有统计学差异;治疗后,实验组VAS优于对照组（P〈0.05）;实验组治疗前后VAS比较有统计学差异（P〈0.05）。结论 SET可以改善颈椎病患者颈部肌群收缩力量和做功效率,以及颈部肌群屈、伸肌群的协调能力,从而有利于恢复颈椎病患者颈部的生物力学性能。

医用生物力学杂志综述

颅脑有限元模型的研究进展及应用559-565

摘要：有限元法（finite element method,FEM）是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种数值分析方法,同时也是一种比较先进的生物力学研究方法。FEM早期应用于工程科学技术领域,近几年来,生物医学工程领域已经广泛应用FEM进行脑方面的研究。随着交通、运输业的发展,颅脑损伤发生的概率越来越高,严重威胁着人类的身体健康。通过建立颅脑有限元模型,可以很好地研究颅脑损伤的生物力学机制。总结颅脑有限元模型的建立、发展和应用,并对未来的研究方向进行展望。

深蹲的国内外最新生物力学研究进展566-571

摘要：高屈曲膝关节活动在亚洲国家的日常生活及某些职业中极为常见。归纳深蹲的总种类及其动作特点,综述近年来有关深蹲的生物力学研究进展,并对离体实验、在体测试和计算机模拟等不同研究方法进行分类阐述。开展膝关节深蹲动作的生物力学研究,有益于建立合理的康复训练和运动风险预防方案,为膝关节假体优化设计提供一定参考建议。