医用生物力学杂志 北大期刊 CSCD期刊 统计源期刊

医用生物力学 2019年第03期杂志 文档列表

医用生物力学杂志论著

DDH患者全髋关节置换中股骨偏心距对骨肌多体动力学和接触力学的影响225-231

摘要：目的探讨先天性髋关节发育不良(developmental dysplasia of the hip,DDH)患者全髋关节置换(total hip arthroplasty,THA)中股骨偏心距的生物力学影响。方法以1例CroweⅣ型DDH女性患者的相关数据为材料,基于骨肌多体动力学软件AnyBody,建立与患者对应的个体化THA下肢骨肌多体动力学模型,分析股骨偏心距在±20 mm内变化时髋关节力、外展肌力的改变。同时建立不同偏心距下股骨-S-ROM假体动态有限元模型,由骨肌模型计算的不同偏心距下水平匀速行走步态内的动态载荷被加载至相应的有限元模型,对S-ROM假体柄与袖套之间的应力、接触应力和微动进行分析。结果股骨偏心距±20 mm内的变化对髋关节力峰值影响较小,股骨偏心距减小会导致外展肌力峰值显著增加,股骨偏心距增大会导致柄的最大应力、接触应力和微动显著增加。结论 DDH患者THA中股骨偏心距改变对外展肌力和假体最大应力、接触应力与微动影响显著,医生应予以考虑。

小腿残肢与接受腔的非线性有限元分析232-236

摘要：目的研究残肢与接受腔生机界面力学特性及残端应力情况,为设计和优化小腿接受腔结构、提高其佩戴舒适性提供理论依据。方法针对释压稳定(compression-release stabilization,CRS)接受腔,采用有限元软件ABAQUS分析残肢与CRS接受腔界面应力分布情况,软组织采用非线性超弹性材料Mooney-Rivlin本构模型,得到静止站立中期残肢与CRS接受腔接触界面正应力和剪切应力分布情况,并相应建立髌韧带承重(patellar tendon bearing,PTB)小腿接受腔三维有限元模型,将两者结果进行比较。结果残肢与CRS接受腔界面应力主要分布在胫骨内侧、胫骨外侧和后肌群等承重区,与PTB接受腔模型主要受力区域相似,CRS接受腔残肢末端平均界面应力较PTB接受腔高19kPa。结论 CRS接受腔具有较好的透气性且应力分布较合理,接受腔形状的不同可改变残肢与接受腔生机界面应力分布,优化其设计有助于提高假肢穿戴舒适性。

基于AnyBody骨骼肌肉多体动力学分析的有限元仿真237-242

摘要：目的研究AnyBody骨骼肌肉多体动力学仿真技术的建模和有限元建模相结合的方法,进行临床骨外科生物力学分析。方法根据志愿者身高、体质量及CT数据,利用AnyBody软件建立志愿者个性化上肢的骨骼肌肉运动力学模型,模拟正常人肘关节屈曲运动,导出肱骨在屈曲运动过程中所受肌肉力、关节力、力矩及约束条件,作为有限元分析的边界条件。根据CT数据在MIMICS软件中进行三维重建,在Geomagic Studio软件中完成肱骨曲面化和位置坐标匹配,并在HyperMesh软件中进行网格划分和材料赋值。把三维重建的肱骨有限元模型导入ABAQUS软件中,施加AnyBody软件导出的边界条件数据并执行应力计算分析。结果在ABAUQUS软件中计算得到肘关节屈曲运动过程中肱骨的应力、位移结果,肘关节屈曲运动约90°时肱骨受到的应力和位移最大,分别为0.76 MPa、20μm。结论实现了肘关节屈曲运动过程中肱骨应力、位移的一个连续动态的分析,更符合人体生理解剖要求,为研究临床骨外科问题提供一个高效的分析平台及新的方法。

多孔钛腰椎融合器在不同入路椎间融合术中的生物力学性能243-250

摘要：目的探究采用多孔融合器在不同入路腰椎融合术的生物力学性能。方法建立完整腰椎三维有限模型,通过实验方法获得多孔材料的力学参数。针对多孔融合器在前路腰椎椎间融合术(anterior lumbar interbody fusion, ALIF)、后路腰椎椎间融合术(posterior lumbar interbody fusion, PLIF)、经椎间孔腰椎椎间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF)和直接外侧椎体间融合术(direct lateral interbody fusion, DLIF)中的生物力学性能进行对比研究。结果在施行椎间融合术后,DLIF、ALIF模型预测的活动度(range of motion, ROM)和融合器应力明显低于PLIF、TLIF模型,DLIF、ALIF和TLIF模型预测的终板应力明显低于PILF模型。结论采用多孔融合器的DLIF模型显示出较优的生物力学性能,而且在临床过程中操作简单适于微创术式。DLIF手术具有更优的综合性能。

中上胸椎皮质骨通道螺钉固定的生物力学有限元仿真研究251-255

摘要：目的比较研究经皮质骨通道(cortical bone trajectory,CBT)螺钉系统和传统椎弓根螺钉系统在中上胸椎内固定中的生物力学性能。方法通过正常人T7~8节段CT扫描获取断层图像,利用Mimics软件重建人体T7~8三维模型,再通过FreeForm模型优化和ANSYS软件前处理功能建立中上胸椎有限元模型,并在此基础上分别建立椎间盘切除后CBT螺钉和椎弓根螺钉固定模型,对两组模型分别施加5 N·m前屈、后伸、侧弯和旋转载荷,比较分析椎体及植入物在不同工况下的位移及应力峰值。结果各载荷条件下,CBT螺钉组最大位移较椎弓根螺钉组偏低,CBT螺钉组活动度小于椎弓根螺钉组。两组模型的整体应力水平接近,CBT螺钉组偏低于椎弓根螺钉组。前屈、后伸及旋转载荷下,椎弓根螺钉组椎体的最大应力较CBT螺钉组分别降低31%、17%和18%;侧弯载荷下,CBT螺钉组椎体应力相对椎弓根螺钉组降低20%。前屈及旋转载荷下,椎弓根螺钉组椎体的最大应力小于CBT螺钉组,降低幅度分别为2%和11%;后伸及侧弯载荷下,CBT螺钉组椎体最大应力小于椎弓根螺钉组,降低幅度为11%和1%。结论 CBT螺钉在结构稳定性上优于传统椎弓根螺钉,整体应力分布上接近于椎弓根螺钉,但在椎体应力分布方面稍有逊色。研究结果为中上胸椎椎弓根螺钉固定失效后采用CBT螺钉固定的临床应用提供理论基础。

镁基植入体植入兔股骨后周围骨微结构变化趋势256-261

摘要：目的研究镁基植入体植入兔股骨不同时间点周围骨微结构参数的变化规律。方法将直径2 mm、长7 mm有螺纹及无螺纹的高纯镁(99.99 wt.%)钉植入兔股骨髁,对照组为钻孔组及健康组。在术后8、12、16周进行Micro-CT扫描和分析,得到各组微结构参数,包括:骨质密度(BMD)、骨体积分数(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁数量(Tb.N)、骨小梁分离度(Tb.Sp)。结果 8周时无螺纹镁钉组BMD、BV/TV显著高于健康组,Tb.N显著高于钻孔组与健康组,Tb.Sp显著低于健康组;12周时有螺纹镁钉组BMD、BV/TV、Tb.N显著高于钻孔组与健康组,Tb.Th显著高于健康者,Tb.Sp显著低于钻孔组与健康组;16周时无螺纹镁钉组的BMD、BV/TV、Tb.N显著高于钻孔组与健康组,Tb.Sp显著低于钻孔组与健康组。结论镁基植入体促使周围骨组织的BMD、BV/TV、Tb.Th、Tb.N更高,Tb.Sp更低,说明其骨整合与骨生长状况良好,镁基植入体能有效促进骨再生。研究结果为镁基植入体的骨科临床应用提供理论依据。

基于有限元法的骨组织工程支架力学性能分析及改进设计262-267

摘要：目的分析不同孔隙结构和孔隙率骨组织工程支架的力学性能,并对支架的孔隙结构进行改进设计使其性能提高。方法利用SolidWorks软件进行方形孔、球形孔和圆柱形孔3种结构55%~75%孔隙率的支架建模,计算得到各结构的表面积体积比;利用ANSYS Workbench软件进行结构受力的有限元计算,得到支架结构的应力分布和等效压缩模量;根据应力分布的特点,将方形孔的支架结构改进为长方形孔隙结构和长方体单元结构两种支架。结果随着孔隙率的增加,3种结构的表面积体积比均增大,对于相同的孔隙率,方形孔和球形孔的表面积体积比较大,圆柱形孔最小;3种结构的最大压应力总体趋势是随着孔隙率的增加而增大,对于同一孔隙率的3种结构,方形孔的最大压应力最小;3种结构的模量和孔隙率近似呈线性关系,方形孔和圆柱形孔的模量值相近;60%孔隙率的方形孔及两种改进结构应力分析表明,两种改进结构的平行于应力方向的4条棱侧壁应力可减小约15%。结论方形孔的表面积体积比和力学性能比相同孔隙率的球形孔和圆柱形孔结构要更有优势,而改进的两种结构又可以提高方形孔的力学性能,两种改进的孔隙丰富了组织工程支架的结构,研究结果为两种支架的临床应用提供力学依据。

颈动脉分叉处血管粥样硬化斑块的体内应力分析268-276

摘要：目的探究颈动脉分叉处血管斑块的体内应力分布,为颈动脉分叉处血管斑块破裂行为的研究和诊断治疗方案的设计提供力学机理参考。方法基于人体颈动脉分叉血管的平均几何参数,建立三维颈动脉分叉血管及其斑块的几何模型,通过"热-结构"耦合重建颈动脉分叉血管及其斑块的残余应力,并计算血压和血流分别作用下颈动脉分叉处血管斑块的体内应力。结果斑块的肩部同时存在着最大主应力和弹性剪切应力的应力集中。斑块肩部的弹性剪切应力随着狭窄率增大或血压升高均增加。斑块上游区域的流体壁面切应力明显高于斑块下游区域,斑块下游区域的振荡剪切指数则显著大于上游区域。且斑块的弹性剪切应力和流体壁面切应力大小随着狭窄率的变化呈现出不同的变化规律。结论斑块从内部中心位置到壁面肩部承受着非均匀的应力分布,血管严重狭窄时"内压外拉"的受力状态更容易导致斑块破裂。随着血压的变化,斑块结构应力的周期性变化可能使斑块产生结构疲劳,增加破裂风险。斑块上下游区域流体动力学参数的差异可能是斑块上下游组分、易损程度等性质不同的原因之一。

模拟微重力效应对骨细胞SOC通道功能的影响277-282

摘要：目的探究模拟微重力效应下骨细胞钙池操纵Ca^2+通道(store-operated calcium channels,SOC)的活性变化以及其可能机制,阐明失重性骨丢失的发生机制。方法以小鼠骨细胞(MLO-Y4)为对象,分为回转模拟微重力效应组(simulated microgravity, SM)和正常重力组(control, CON)。分别旋转培养24、48 h后,激光共聚焦显微镜检测毒胡萝卜素引发细胞内质网钙库耗竭后胞内Ca^2+浓度水平,以反映SOC通道的活性;免疫荧光染色法观察膜骨架spectrin和内质网膜蛋白IP3R的分布情况,研究SOC通道功能变化的可能机制。结果在内质网钙库释放Ca^2+时期,24、48h SM组的胞内Ca^2+浓度水平与CON组相比均无显著差异,而在胞外Ca^2+经SOC通道内流时期,24h SM组只在前4min比CON组有显著性下降,48h SM组在整个时期均比CON组有显著性下降。与CON组相比,SM组膜骨架spectrin向细胞边缘聚集,而ER膜蛋白IP3R则向ER核被膜区域聚集,且48h组更为显著。结论模拟微重力效应可抑制骨细胞SOC通道活性。骨细胞膜骨架spectrin以及内质网膜上蛋白IP3R位置分布变化,可能影响SOC通道激活过程中蛋白间的构象耦合,进而降低骨细胞SOC通道的活性。

基于数值方法预测导管泵血栓283-288

摘要：目的应用计算流体力学(computational fluid dynamic, CFD)技术,针对一款自行设计的导管泵进行数值研究,预测其水力性能和血栓形成风险。方法选用Grigioni与Danny Bluestein分别提出的血栓预测模型,并结合CFD技术计算血小板运动过程受到的剪切力与曝光时间,从而获得血小板活性状态(platelet activation state, PAS),实现对导管泵血栓的预测。结果流量为4L/min、转速为10000r/min时,导管泵扬程为14.763kPa,可满足左心室辅助的要求;Grigioni与Danny Bluestein预测模型下的PAS分别为6.35×10^-6和7.68×10^-4,数值较小,血栓形成性较低。结论探索基于数值方法的血栓预测的可行性,并预测导管泵的水力性能和血栓形成可能性,为后续的设计优化提供依据。

机械取栓器取栓效果的影响因素289-294

摘要：目的研究取栓口形状、抽吸流量以及血流速度对旋切抽吸式取栓器血栓抽吸效果的影响,为旋切抽吸式取栓器的设计和优化提供理论支持。方法建立3种取栓口("L"、"8"和"0"型)模型,研究取栓口形状对取栓的影响;以"8"型取栓口为基础,设置不同抽吸流量(75、100、125、150 mL/min)以及不同血液入口流速(0~10 cm/s,间距为1 cm/s),分析抽吸流量和血液流速对取栓效果的影响。结果"L"型取栓口无法均匀地抽吸血栓,"8"型与"0"型取栓口的取栓效果差别不大,但"8"型取栓口附壁血栓清除率优于"0"型取栓口。当抽吸流量大于100mL/min时,继续增大抽吸流量对取栓效果的提升有限。当血液流速小于1cm/s时,抽吸效果最佳;随着血流速度增加,取栓效果逐渐下降。结论取栓口的形状、抽吸流量以及血液流速对取栓效果影响明显。选择宽而短的取栓口形状设计、适当提高抽吸流量以及降低血液流速,对取栓效果的提升有显著影响。研究结果可为旋切抽吸式取栓器的优化设计作指导。

按摩头形状对人体颈部组织力学作用的影响295-299

摘要：目的通过建模仿真评价不同尺寸按摩头作用下的人体颈部组织响应,为按摩器设计提供指导。方法通过CT扫描获得按摩部位的人体组织灰度图像,使用逆向重建方法建立人体按摩部位组织的三维模型,使用非线性有限元方法分析在10mm和15mm两种半径按摩头在逐渐压入10mm过程中肌肉和颈椎内承受应力、应变和按摩力的变化规律,以及对骨骼和组织的损伤和影响。结果15mm半径按摩头压入深度分别为6、7mm时,局部最大应力分别为3.0、3.4MPa,超过人体静脉损伤极限;压入深度6mm时在颈椎骨产生1MPa左右的应力。10mm半径按摩头在压入深度分别为5、6mm时,局部最大应力分别为3.2、3.7MPa,超过人体静脉损伤极限;压入深度8mm以上时在颈椎骨产生1MPa以上的应力。结论从避免局部损伤来说,10mm按摩头的按压深度不宜超过5mm,15mm半径按摩头不宜超过7mm;大按摩头作用范围大,按摩力更柔和。

内侧半月板损伤患者关节镜手术前后三维步态特征差异300-306

细胞在缓变刚度基质上趋硬性迁移的数值试验307-314

摘要：目的以成纤维细胞为模式细胞,光聚法制备的具有缓变刚度的水凝胶为基质,分析基质的工艺和性能参数对细胞迁移进程的影响,为有关人工基质的设计和制作提供理论指导。方法构建试验系统的数学模型,编制相应的计算机求解程序,包括细胞模型的黏弹性动力学有限元、细胞与基质间黏着斑的形成和解离动力学方程、动边界和时间多尺度问题的求解策略。结果给出基于实验数据的基质工艺参数与基质性能参数之间的关系式;当基质刚度一定时,速度和牵引力随基质刚度的增加而增大,并且伴有快速波动现象,随观察时间的延长,细胞运动状态将逐渐趋于稳定;适量增加基质刚度梯度将明显促进细胞迁移,而且细胞在较大刚度梯度的基质上能够保持一定的极限速度;光掩模不透明度梯度越小,基质刚度梯度越大,细胞到达指定位置耗时越少。试验结果与文献报道的有关实验结果相符。结论试验结果为测试光聚法制备的缓变刚度水凝胶基质的工艺参数和性能参数对细胞迁移进程的影响提供了一个有效的数字仿真平台。

长径比差异对牙种植体-颌骨界面的应力分布影响315-319

摘要：目的探讨不同长径比下牙种植体-颌骨界面的应力分布差异,为新型牙种植体结构的设计提供依据。方法运用Geomagic studio、SolidWorks和ANSYS Workbench软件建立下颌骨三维有限元模型,并根据种植体颈部有、无螺纹分成A、B两组进行仿真实验,对下颌磨牙分别施加不同的斜向咬合力和垂直向咬合力,对比分析牙种植体和周围骨组织的应力分布情况。结果长径比相同的情况下,同一种植体模型在斜向载荷作用下的等效应力峰值明显高于垂直载荷;在斜向和垂直两种载荷作用下,A、B组种植体模型应力主要集中于种植体颈部。斜向载荷作用下,A、B组种植体应力变化范围分别为144.74~374.67、161.52~475.38 MPa;垂直载荷作用下,A、B组种植体应力变化范围分别为101.28~187.40、110.08~210.32 MPa,A组种植体模型最大应力显著小于B组。结论临床上医生可根据长径比2.67初步选择标准种植体,同时结合患者颌骨状况进行选择。

医用生物力学杂志综述

微流体器官芯片研究进展320-326

摘要：微流体技术是指通过操控亚毫米尺度的流体,从而实现流体精确控制的技术。近年来,利用微流体技术,实现了器官芯片的构建。器官芯片是指具有生理功能的微模型,在连续灌注的微米级腔室中培养活细胞,以模拟组织和器官的生理功能。由于具有生理功能的器官芯片具有功能明确、微环境可控、测量信息丰富、实验试剂消耗量小、成本低、有望实现自动化和高通量等众多优点,在药物开发领域具有巨大的应用前景,有望解决药物开发中细胞培养和动物实验中的瓶颈问题,近年来引起学术界的极大关注。目前为止,虽然器官芯片还是很年轻的行业,但是研究人员已开发了部分微流体器官芯片,并探索其潜在的应用可能,包括药物靶点优化、药物筛选和毒性试验、生物标志物鉴定等。分析近年来利用微流控技术制造的器官芯片所取得的进展,以及这些结果对临床研究的意义。

LINC复合体与细胞内机械力传导327-332

摘要：细胞作为力学感受器,可以感知、传递施加在其表面的机械力并调整自身力学性能,维持自身稳定。机械力从细胞表面或细胞质传递到细胞核依赖于完整的细胞骨架系统,该系统包括细胞质骨架和细胞核骨架两部分,而LINC复合体则是两者实现机械连接的桥梁,因此其在细胞内机械力传导中发挥着重要作用。综述LINC复合体传导机械力的结构基础和机械力传导引起的细胞核形态、转录因子的出入核以及染色质的空间构象的改变,为进一步探讨LINC复合体在细胞机械力传导过程中的作用及其对基因表达的影响奠定基础。

机体衰老对骨细胞力学响应的影响333-338

摘要：骨骼是一个动态变化的器官,骨细胞的形态、结构和功能随力学刺激大小、方向、形式的不同而发生变化。适当的力学刺激是维持骨形成和骨吸收动态平衡的关键。随着年龄的增加,骨组织衰老会引起包括骨组织微环境、骨细胞形态、骨细胞内信号通路等在内的一系列变化,使骨骼力学响应能力减弱,进而引起骨质疏松等多种疾病。因此,研究衰老如何影响骨细胞的力学响应具有重要意义。重点讨论机体衰老对骨细胞力学响应的影响。