摘要:临床应用减轻了退化性关节炎患者的痛苦。本期《医用生物力学》杂志选刊了11篇相关研究论文,内容涵盖了组织工程研究、运动医学研究、脊柱生物力学及人工关节生物力学研究等,从临床应用到基础研究都有,研究采用了材料试验机测试或计算机仿真有限元分析等基本方法。使读者了解生物力如何运用于骨科方面的研究,期望更多读者在临床中发现适合于骨科生物力学的研究题材。

摘要:目的针对全人工髋关节超高分子量聚乙烯髋臼杯组件取出物(以下简称PE内衬组件)之磨耗进行相关性的评估,以磨耗计分的方式量化PE内衬组件表面的磨耗情形。方法研究材料取自1993年至2003年间在马偕纪念医院接受全人工髋关节再置换手术病患之人工髋关节组件取出物,以DePuy公司AMLPlus系列、Mecron公司Mecring系列与Osteonics公司OmnifIt系列等三种人工髋关节为主,故本研究针对此三种人工髋关节的取出物进行磨耗分析。研究中定义磨耗评分=程度因子×表现数值,其中程度因子以磨耗型态来决定,而表现数值以磨耗面积决定。磨耗型态分成八种,依程度共分七级,包括磨、擦痕、变形、刮痕、坑洞、层状剥落、磨穿和破裂。磨耗面积依磨耗面积百分比表示共分三级。利用立体光学显微镜得知其磨耗型态及面积,求出磨耗评分。最后,分析磨耗分数与人工髋关节组件设计之间的差异。结果本研究PE内衬组件的主要磨耗型态为磨:33%、擦痕:100%、刮痕:36%、磨穿及破裂:40%。统计分析显示磨耗评分与病患之性别、患侧、体重、再置换年龄、植入时间之间的相关性不显著,但是,磨耗评分与倾斜角有显著相关性。结论临床变异因子对磨耗评分影响较小而不同人工髋关节的设计才是影响磨耗评分的主要因素之一。

摘要:目的探讨建立足部三维有限元模型的方法,应用模型模拟分析研究鞋垫设计参数,不同软组织刚度和受力情况下对足部的生物力学影响。方法建立基于解剖结构,包括软组织,韧带和腱膜,考虑材料的非线性和关节接触的足部三维有限元模型。有限元模型的可靠性利用模拟足踝关节在不同病理、手术和鞋垫矫治情况下的生物力学反应来验证。结果有限元分析结果表明,定制型鞋垫的形状比鞋垫材料的刚度对减少足底最大压力有更重要影响。软组织刚度的增加引起足底接触面积的减小,从而会导致足底跖骨区最大压力增加。部分和完全松解足底腱膜都会降低足弓高度,并增加足底韧带的张力和增加中足和跖骨的应力。体重增加和跟腱拉力增加都将成倍足底筋膜的拉力。结论所建足部有限元模型能预测足底压力分布和足内部骨骼软组织应力、应变情况,可以成为设计鞋垫和研究足部各种临床状况提供有力的分析工具。

摘要:目的良好的胫骨组件与胫骨截骨平面配合,可提高人工关节组件的稳定性,同时可避免组件沉陷或松脱。目前国内市售的人工关节多由欧美进口,这些胫骨组件尺寸不符合国人的需求,在膝关节置换手术时,胫骨的外形轮廓会随着骨切除不同深度而改变,使得再置换胫骨组件与截骨平面较难有良好的覆盖。该研究将台湾人胫骨近端的几何形状应用于胫骨基座与胫骨填补块(tibial augmentation)设计的参考,以提高胫骨组件与截骨平面的涵盖率。方法利用50例退化性关节炎患者之病肢,通过计算机断层扫描重建胫骨近端3D模型,以取得胫骨外型参数。测量胫骨平台下方4、7、10、13、16mm处的5个截骨平面。测量参数包含截骨平面的前后侧(AP)长度,内外侧(ML)宽度,以及前外侧(AL)、后外侧(PL)、前内侧(AM)与后内侧(PM)之圆弧半径。结果结果显示平均AP47.4mm(40.4-52.9mm)、ML69.0mm(59.6-79.1mm)、AL30.0mm(18-38mm)、PL20.0mm(10-25mm)、AM28.7mm(18-36mm)、PM17.9mm(11-23mm)。将测量结果与市售的胫骨之间尺寸进行分析,进口假体PFCSigma与Zimmer Nexgen所提供的尺寸较适合国人。结论身高与AP、ML尺寸呈高相关性,而国人体型较欧美矮小,人种间身高上的差异,可能就是导致市售假体与国人胫骨截面尺寸不合的原因。通过测量资料,针对国人规划5款假体尺寸,应可提高涵盖率,减少尺寸不合导致植入物沉陷的发生机率。

摘要:目的分析和比较不同三维有限元建模方法在生物组织模型建立过程中的应用。方法基于同组的序列CT图像,使用直接法、间接法和两种方法相结合的思路分别建立跟骨的三维有限元模型,并对3种模型在相同条件下进行简单加载计算。结果直接建模法生成的跟骨三维有限元模型具有31386个节点,115646个单元,间接法生成的跟骨三维有限元模型具有22832个节点和15403个单元。直接与问接结合的方法所得模型包括13050个节点和46654个单元。3个模型计算结果表现为应力分布规律基本相同,局部有差异,并在应力大小上有较大差异。结论模型表面的粗糙程度和材质赋予的形式对模型的计算结果有较大影响。不同建模方法具有不同的适用领域,为满足医学研究需求,认为两种方法的相互借鉴将推动计算生物力学的发展。

摘要:目的获取国人正常胫骨近端不同截面各线性参数正常参考值,为国产人工膝关节假体设计以及全膝关节置换术临床操作提供参考依据。方法选取61例(100膝,男65膝,女35膝)国人正常膝关节,年龄1781岁,平均47.2岁;分别按照性别、年龄和侧别进行分组;利用原始CT扫描图像资料重建膝关节,并在工作平台上对胫骨进行旋转、切割,测量不同截面的相关线性参数。结果测得截面前后径为(48.9±3.1)mm,横径为(75.2±4.5)mm,前后径与横径的比值为0.650±0.034;经过横轴距离内外侧平台边缘10%、20%、30%点的前后距离平均值分别为36.1、46.6、51.2、37.1、44.1和47.6mm;分析得出胫骨截面前后径、横径与前后径的比值在不同截骨高度和不同性别中的差异均有统计学意义。结论国人胫骨近端的几何形态与解剖特点同西方人有明显的区别;应用西方人设计的胫骨平台假体要考虑到国人的特点和性别差异;设计国人膝关节假体以及进行全膝关节置换手术时应该注意到性别的差异。

摘要:目的介绍四象限分区法在测量国人前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)多纤维束动态受力分析中的应用;并探讨了膝关节活动中ACL多纤维束动态力学特性。方法采集8侧正常国人膝关节标本,评估标本完整性后向ACL胫骨止点中心做斜行骨隧道,游离ACL胫骨侧止点,以四象限法平均分为4个区:1区,后内区;2区,后外区;3区,前外区;4区,前内区。将4个区的附着纤维束分别连接至自制"膝关节交叉韧带测力计"传感器上,连接系统后分别在膝关节屈曲90o位和伸直0o位将ACL各纤维束张力调零后测量膝关节4自由度(屈伸、内外翻、内外旋、前抽屉试验)内各纤维束的动态受力变化。结果2区和3区纤维束在由屈至伸的过程中所受张力逐渐增大,2区纤维束最大为22.52N±8.60N(30o),3区纤维束最大为13.98N±3.47N(0o);3区和4区纤维束在由伸至屈的过程中张力逐渐增大,4区纤维束最大为14.68N±5.29N(90o),3区纤维束最大为9.84N±5.06N(60o)。所有纤维束在外翻、内外旋、前抽屉试验中张力增加。内翻试验中所有纤维束张力增加不明显,1区纤维束在3个膝关节自由度内张力变化不明显。结论膝关节伸直过程中受力承担最大作用的纤维束主要分布在ACL胫骨止点后外分区内,屈曲位的主要承力纤维分布于前内分区,前外分区则有以上两种纤维束的附着,可能为ACL纤维束中动态受力连续变化的中转部分所在位置。四象限分区法测量ACL多纤维束动态受力有助于利用标准分区方法了解ACL多纤维束动态受力连续变化趋势,为进一步深入探讨ACL多纤维束连续动态受力提供了参考依据。

摘要:目的研究集中载荷作用下椎体-椎间盘的固液耦合问题。方法将椎体-椎间盘视为多孔介质材料,包含固体骨架和隙间流体两相,采用Biot固液耦合方程描述两相影响过程。建立固相平衡方程与液相连续性方程的轴对称表达形式,应用加权残值法得到耦合方程轴对称表达的等效积分形式,离散后得到有限元格式,对时间的离散采用隐式向后差分法。应用有限元程序对椎体-椎间盘的轴对称模型进行数值分析。结果在集中力作用下,椎体-椎间盘孔隙压力随着时间的增大而减小,同时位移随着时间的增大而增大,逐渐两者趋于平衡;压力与位移在力作用点处最大,以此为中心向四周递减。结论载荷对孔压和位移有显著影响;计算结果与现有文献结果基本相符。

摘要:目的通过有限元计算与刚体动力学相结合的方法,模拟后路椎弓根螺钉系统治疗脊柱侧凸的矫形过程,研究矫形过程中的生物力学特性,探讨不同矫形策略对临床结果的影响,为脊柱侧凸的手术规划提供依据。方法通过病体腰椎CT切片进行三维几何重构,利用ANSYS有限元软件建立了右凸40o腰椎L1-L5和椎弓根螺钉器械的三维有限元模型,联合ADAMS刚体动力学软件模拟了矫形手术中的反旋转与回弹,得到了矫形全过程中植入物所受载荷以及脊椎的应力应变场。结果不同矫形手术过程中,植入器械承受的最大反力范围约为1961099N,椎骨的极少数单元应力超过强度极限120MPa。结论后路椎弓根螺钉系统矫正腰椎侧凸具有较好的治疗效果,脊椎骨性结构的应力水平整体较低。在满足矫形效果的前提下,临床上可考虑选择不同的矫形策略,以减少需植入螺钉的腰椎节段数量并提高手术质量。

摘要:目的探讨间歇性机械拉伸对兔关节软骨细胞生长和细胞形态及骨架的影响,为软骨细胞内力学信号传导研究的提供参考。方法采用FX-4000TM柔性基底拉伸系统对体外单层原代培养的兔软骨细胞实施正弦波、0.5Hz、05%间歇性周期应变加载,每日拉伸3h,共加载3天。对照组静态培养。3天后检测细胞活力、基质合成情况以及微管蛋白-β细胞免疫荧光染色,并对细胞周期进行检测。结果加载组软骨细胞生长良好,氨基多聚糖和蛋白多糖的合成与对照组无明显差异;但细胞增殖指数显著增高(P<0.05);微管蛋白-β沿细胞长轴发生重排,细胞形态和取向趋于一致。结论间歇性机械拉伸对细胞生长起到积极的作用,并且通过微管蛋白-β的重排影响细胞形态和取向。

摘要:目的对兔膝关节软骨细胞进行体外琼脂糖凝胶三维培养,并对其力学性能进行检测。方法将琼脂糖凝胶、细胞、血清和培养基在正确的比例下混合,形成软骨细胞凝胶块。取培养7d、14d和21d时的软骨细胞凝胶块分别对细胞外基质进行组织学观察和免疫组化染色,同时采用Instron 5544材料试验机检测其极限应力、极限应变、抗压模量和切线模量的力学性能变化。结果在琼脂糖凝胶中培养的关节软骨细胞具有典型的软骨细胞特性,能够正常合成细胞外基质,形成有一定弹性和抗压缩能力的软骨样凝胶块。而且随着培养时间增长,基质合成增加,培养21d时的极限应力(0.0226±0.006)N/mm、抗压模量(0.608±0.061)N/mm和切线模量(0.096±0.004)N/mm,比7d时的(0.0204±0.004)MPa,(0.558±0.036)N/mm,(0.029±0.002)N/mm和14d时的(0.0213±0.008)N/mm,(0.586±0.095)N/mm,(0.049±0.005)N/mm有明显增加,但极限应变却没有明显差异(P>0.05)。结论软骨细胞-琼脂糖凝胶块的力学性能与细胞外基质的合成直接相关。

摘要:目的建立肘关节矢状面内的动力学模型,寻求有效方法进行求解。方法利用Matlab的优化工具箱对所建立的模型进行优化求解。结果求解出了肘关节在不同屈伸角速度下,受到不同外力时的关节反力、各肌肉力以及力矩,得出了与文献相一致的结论。结论利用Matlab的优化工具箱可以合理地求解该模型,并且该模型可以用来计算肘关节在受到不同外力时的关节反力、肌肉力以及相应力矩。

摘要:目的探究真核细胞在有丝分裂过程中,生化刺激与细胞大变形行为之间的关系。方法根据大量来自实验的结论,构建一个基于Zinemanas and Nir模型的生化刺激和力学行为耦合的模型。在这个模型中考虑到,第一,膜上各点接受的生化刺激在膜表面形成了梯度,此梯度驱动磷脂蛋白分子沿表面运动;第二,局部肌动微丝和肌球微丝的聚合取决于膜上同一点的磷脂分子的数目;第三,表面张力包括两个部分:一个是由于膜的被动变形引起的被动张力,另一个是主动微丝收缩引起主动张力,它取决于微丝的重分布和重排列。给出多相共同边界条件,采用边界积分法进行数值计算。结果引入生化刺激后,解释了胞质分裂前期收缩环形成,尝试解释了整个过程中微丝的动态变化,较好的模拟了整个分裂过程。结论磷脂分子的重取向以及微丝的重分布和重取向在细胞分裂过程中具有重要作用。生化刺激的引入使模型描述的细胞分裂过程与实际更为接近。

摘要:目的实时三维超声是心脏血流动力学研究的重要手段。以前靠人工寻找最佳观察切面,难度较大;现提出新方法使计算机自动选取。方法将三维超声心动仪得到的体数据进行绘制显示后进行各种切面的提取绘制操作。由于个人电脑上带图形处理器的显卡发展,该研究在普通的个人电脑上实现了复杂的三维动态心脏图像显示。并利用改进的互信息法对最优切面提取进行了论证。结果采用了C/C++语言编程,使用OpenGL三维图形库进行了绘制,并采用了Cg语言编写GPU(Graphics Processing Unit)进行了硬件加速,快速的实现了三维超声心动图最优切面自动选取的功能。结论此方法能以较高的准确率及较快的绘制速度满足医生在临床中的要求。

摘要:目的研究低频下大鼠肝脏共振频率和振动特点,为器官共振损伤及其反应研究奠定基础。方法选取17只雄性SD大鼠用1.5%戊巴比妥钠腹腔麻醉,将传感器粘贴在肝脏表面。振动法将9只大鼠以卧姿固定在振动台上扫频振动,最大振幅对应的频率即为共振频率。锤击法将8只大鼠以卧姿固定在用橡皮绳水平悬挂的胶合板上,从下往上锤击板底部,测量分析频谱响应,最大值对应的频率即为共振频率。结果振动法测得在249Hz频率范围内的大鼠肝脏胸背方向的共振频率为3Hz,且在共振频率及其倍频处均出现振幅峰值;在27Hz频率范围内肝脏的振幅都超过了最大峰值振幅的50%,给大鼠胸背方向加以27Hz频率范围的振动,都会引起肝脏较大幅度的振动,都有可能造成共振损伤。用锤击法测得大鼠肝脏胸背方向的共振频率也为3Hz。结论用振动法和锤击法均能准确有效测量大鼠肝脏共振频率,两种方法均可用于其他器官和其他动物共振频率的测量。振动法不仅能测出共振频率,还能测出在一定频率范围内的振动特性,而锤击法的结果则集中反应了共振频率处的振动特性。

摘要:目的应用一种新的方式描述软生物组织结构,进而研究组织中胶原纤维的力学性质。将一种虫式模型应用于描述胶原微纤维的力学行为。方法应用虫式模型分析了八链体胞的各向异性影响。所用模型在微观层次上,基于长链分子的统计学特性;在宏观层次上,则通过引进一个特征材料主轴方向上横观各向同性八链体胞模型来描述胶原链网状结构。结果以上述模型为基础分析了软组织结构的力学性质,得到了各向异性八链体胞模型的应力应变曲线。结论八链体胞模型对体胞尺度和加载角度有敏感的反应,如果能加入一些生理材料参数,模型将不仅能模拟生物软组织的消极行为,而且能模拟软组织对于力学加载环境的主动响应。

摘要:目的观察正常成年人胸腰椎内脂肪分布的特点,并借鉴以往胸腰椎生物力学研究结果,分析脊椎内脂肪分布(T1WI像上表现为高信号)和脊椎内生物力学特点之间的相互关系。方法选取56例正常成年人胸腰椎MR图像,在矢状T1WI像上将每个脊椎分成16个观察点,观察T11-L5脊椎内各观察点信号强度的分布特点,并进行统计学处理。将观测结果与以往研究的脊椎内生物力学特点相对照。结果56例健康成人392个脊椎内各观察点高信号的发生率明显不同,其中椎弓根内高信号的发生率最高(98%),椎体后上缘边缘部位高信号发生率(92%)高于中间部位(69%),椎体后下缘中间部位高信号的发生率(50%)高于边缘部位(9%),椎体前缘无高信号分布,上下终板下有部分高信号分布(16%),统计学处理结果显示除椎体后下缘边缘部位高信号的发生率与终板下比较差异无显著性意义外,其余各观察点之间两两比较差异均有显著性意义(P<0.0033)。结论椎弓根和椎体后上缘的高信号发生率明显高于脊椎其它部位,前两者也是脊椎内应力最高的部位。

摘要:膝关节是人体最大、最复杂的关节之一。随着膝关节外科学的发展,对膝关节韧带的研究逐渐深入,关于膝内侧副韧带的功能解剖和生物力学特性的各种量化标准也逐渐完善,这是未来对膝内侧副韧带研究的发展趋势。膝关节内侧副韧带的功能解剖研究包括维持膝关节的稳定和限制胫骨外旋,韧带各纤维束在膝关节不同的屈曲、旋转角度和不同的步态周期下应力变化等方面;生物力学研究包括结构属性、线性硬度、粘弹性、对力学刺激的反应及与年龄、性别的关系等内容。该文对近年来膝内侧副韧带的功能解剖和生物力学特性的相关量化标准的研究进展进行了综述。

摘要:人体骨组织有着复杂的结构和生理机制,骨重建理论经历了定性分析、定量计算和计算机定量数值模拟三个阶段。目前,存在力学模型和现象模型两类成熟的骨重建模型,力学模型的共性就是表观密度随一定的力学刺激而变化,现象模型由基本多细胞单元的损伤状态和孔隙度变化来决定。大多数股骨重建仿真模型仍然将骨量的分布看作是各向同性的,这就不能完全反映骨组织微构造的本构关系。本文是对骨重建仿真模型的控制方程进行综述。