• 2011年第26卷第4期文章目次
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    • >述评
    • 康复工程中的生物力学问题

      2011, 26(4):291-293. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.4.293.

      摘要 (3174) HTML (0) PDF 906.97 K (3589) 评论 (0) 收藏

      摘要:做好康复工作不仅能提高残疾人及老年人的生活素质,同时也可减轻家庭及社会的负担。我国经济的不断发展和人们生活质量的提高,将康复工作推向一个新的水准。生物力学是康复辅具设计与安装的重要基础。肢体康复的主要目的是最大限度地恢复失去的肢体支撑及运动功能,故了解力在体内及身体与支撑之间的传递非常重要。通过生物力学的研究,可以设计出优化的康复辅具及训练方案。本文综述了康复工程中生物力学研究的主要热点,包括人机界面生物力学和肌骨系统的运动动力学,以及其他的研究,如寻找适合的控制信号和先进的材料研发,为康复辅具的开发提供理论基础。

    • >骨骼肌肉系统生物力学
    • 利用步态分析研究楔形鞋垫对膝关节载荷的影响

      2011, 26(4):294-298. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.04.298.

      摘要 (2843) HTML (0) PDF 1.58 M (3725) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究足底不同位置的楔形鞋垫对膝关节承载及运动特征的影响。方法 利用三维动捕捉系统与测力台对10名健康成年女性受试者步态中的关节动力学变化特点进行分析研究。实验状态分为对照组和6组楔形鞋垫测试组。利用单因素方差分析评价楔形足底支撑对膝关节动力学参数的影响。结果 相对于对照组,前内侧楔形鞋垫组显著减小了膝内翻力矩第1峰值(P<0.05);使用前外侧楔形鞋垫和外侧全长楔形鞋垫的两组显著减小了膝内翻力矩第2峰值(P<0.05, P<0.05)。结论 使用楔形鞋垫可有效地减小站立相的膝关节内翻力矩,这将有助于设计适合的鞋垫以减轻由骨性关节炎所带来的疼痛。

    • 日常运动时足底压力实时检测方法研究

      2011, 26(4):299-304. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.04.304.

      摘要 (2868) HTML (0) PDF 2.02 M (2583) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 基于进行足底压力日常运动负荷监测的需求,研究一种通过少量传感器对日常运动时总足底压力进行实时检测的有效方法。方法 通过Pedar-X足底压力测试系统采集10名受试者完成5种典型日常运动(原地跳跃、行走、慢跑、上楼和下楼)时的足底压力数据。随后,使用逐步线性回归对Pedar X 的99个传感器的压强数据进行分析,根据偏F检验的显著性,由高到低逐个引入关键位置的压强值,直到再引入1个后,各位置的压强值间出现严重多重共线性,以此分别得到5个在5种运动中基于少量测试点数据实时计算总足底压力的模型。然后,以Pedar-X系统测量得到的另外4名受试者完成5种单项运动和由5种运动组合的连续运动时的足底压力数据为实测值,对5个回归模型进行验证和比较。结果 无论是单项还是连续日常运动,采用5种运动回归模型估测的自身运动时的总足底压力均与Pedar-X系统的实测值相近,采用行走运动回归模型估测的各种运动时的总足底压力也均与Pedar X系统的实测值相近,而且两种估测方法的结果之间也无显著差异。结论 利用5个分别置于拇趾、第2跖骨、第3跖骨、足跟内侧、足跟外侧的压力传感器和行走运动的足底压力回归模型就可对日常运动下的总足底压力进行有效检测。

    • 新型带锁髓内钉在股骨粗隆间骨折愈合过程中的生物力学研究

      2011, 26(4):305-309. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.04.309.

      摘要 (2836) HTML (0) PDF 1.48 M (3670) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 用三维有限元法测试新型股骨髓内钉(proximal femoral nail antirotation, PFNA)的刚度、强度等生物力学性能,探讨其在股骨粗隆间骨折愈合前后生物力学应力应变分布情况。方法 利用参数化设计软件UG建立髓内钉三维模型,并用三维图像处理软件MIMICS 对CT图片进行预处理,建立股骨骨折模型及愈合模型并进行数值模拟。结果 骨折愈合前,最大Von Mises应力发生在骨折位置,高达663 Mpa,髓内钉远端锁钉位置应力仅为113 Mpa;骨折愈合后,最大Von Mises应力发生在螺旋刀片与主钉接触位置,股骨干上的锁钉位置出现明显的应力集中现象。结论 骨折愈合后远端锁定钉位置常发生股骨干骨折,因此骨折愈合后应将髓内钉取出。

    • 局部低频振动刺激对手部运动功能的瞬时影响

      2011, 26(4):310-314. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.4.314.

      摘要 (2626) HTML (0) PDF 1.63 M (3243) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨局部低频振动刺激对手部控制能力、柔韧性、握力及肌肉兴奋程度的瞬时影响。方法 10位受试者以最大等长收缩握住手部振动器20 s,在此过程中随机给予12.5 Hz振动频率(振动组)或无振动刺激(对照组)。在介入前后分别进行手部控制能力、柔韧性、握力及手部肌肉兴奋程度等测验,并采用配对t检验比较前后测试的差异和各组变化率。结果 组内比较发现振动组在控制能力与柔韧性表现上进步显著(P<0.05),对照组在握力与肌肉活化上出现显著下降(P<0.05);组间变化率比较结果显示振动组在握力与肌肉兴奋程度变化率皆显著大于对照组(P<0.05)。结论 局部低频振动刺激可瞬时提升手部控制能力与柔韧性表现,未来可运用于各种需要手部执行工作的相关人员。

    • 利用生物力学方法评价振动在骨质疏松康复过程中的作用

      2011, 26(4):315-320. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.04.320.

      摘要 (2877) HTML (0) PDF 1.73 M (3453) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过研究基于Micro CT数据的大鼠股骨皮质骨材料性质与力学性能的关系,探讨振动在对抗骨量丢失过程中的生物力学评价方法。方法 Wistar大鼠35只,尾部悬吊建立废用性骨质疏松模型,随机分为间歇振动1、3、5、7 d和持续振动组。实施35 Hz、0.3 g的机械振动,8周后处死,取其左侧股骨行Micro CT扫描,建立皮质骨三维有限元模型,计算获得其表观和组织水平的力学参数。通过主元素分析法从材料分布、间歇振动天数、体积分数中提取主元素。结果 提取出了能够全面反映振动下皮质骨材料性质的3个主元素,并建立起主元素与表观和细观力学参数之间的回归方程。影响皮质骨力学性能的主要因素为材料分布,体积分数与间歇振动天数的影响次之。结论 皮质骨的材料性质能够反映其力学性能的变化,通过材料性质与力学性能的关系可以评估骨强度,为骨质疏松的振动防治及其康复过程的评价提供理论依据。

    • 预应力下大腿残肢站立中期时相的有限元分析

      2011, 26(4):321-324. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.04.324.

      摘要 (2822) HTML (0) PDF 1.51 M (3690) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究大腿截肢患者在行走过程中站立中期时相下残肢的受力情况,为建立完整的大腿接受腔测量与评估系统提供基础。方法 首先根据计算机断层扫描图像三维重建大腿截肢患者的骨骼、肌肉软组织和接受腔的三维模型,考虑步行中关节角度变化进行组装。然后,建立模拟步态周期中站立中期时相受力的有限元模型,对模型进行预应力影响下非线性大变形有限元分析。结果 当考虑了步行中关节角度变化和预应力的影响以后,计算所得的接触法向界面压力值最大值均位于残肢的末端部位,为257.66 kPa,与实际测量患者步行中站立中期时相下最大应力258.90 kPa符合较好。结论 考虑关节角度变化、预应力和摩擦的三维模型能够更为有效地模拟患者在步行中的受力情况。

    • 基于颞肌表面肌电的鼠标装置研究

      2011, 26(4):325-328. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.04.328.

      摘要 (2585) HTML (0) PDF 981.85 K (3128) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 设计一种基于颞肌表面肌电的鼠标装置,用于解决高位截瘫、上肢残疾等手部功能障碍者操作鼠标的难题。方法 提出一种基于表面肌电信号控制鼠标的方法,通过分析与试验,选取面部颞肌肌电信号作为控制信息,以咬牙作为触发动作,根据不同咬牙动作时,面部颞肌产生不同的肌电信号特征,设计一种利用颞肌表面肌电信号进行鼠标控制的装置。结果 实验结果表明,利用该装置,受试者能够通过简单的咬牙动作实现控制鼠标的目的。结论 利用颞肌表面肌电控制鼠标的方法是切实可行的,基于该方法设计的鼠标装置具有较好的应用推广价值。

    • >力学生物学
    • 太极拳结合振动复合式训练对外围神经反射活动的影响

      2011, 26(4):329-334. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.4.334.

      摘要 (2745) HTML (0) PDF 1.88 M (3276) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨8周的太极拳结合振动复合式训练对α运动神经元终池及γ反射弧兴奋性的影响。方法 55位健康大学生分为4组:太极振动组(TAV)、太极拳组(TAI)、振动组(VB)以及无太极或振动介入的对照组(CON),进行为期8周、每周3次训练;训练前后以电刺激诱发比目鱼肌H-reflex与M-wave信号,并以反射槌敲击Achilles tendon测量T reflex信号。结果 经8周单纯振动训练后,Hmax/Mmax与T reflex/Mmax出现显著下降(P<0.05),8周太极振动组T-reflex/Mmax显著提高(P<0.05),且其变化率显著大于振动组(P<0.05)。结论 虽然单纯振动刺激可降低安静时α运动神经元终池兴奋性,但太极振动复合式训练对肌梭刺激较大,从而提高γ反射弧兴奋性;太极拳结合振动的复合式训练能对下肢外围神经产生适应性,显示结合太极拳与振动刺激两种训练具有可行性。

    • 浓度与压力梯度可调的三维细胞培养微流控芯片的研制

      2011, 26(4):335-340. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.04.340.

      摘要 (2903) HTML (0) PDF 2.20 M (2313) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 制作化学浓度梯度与压力梯度可调的细胞三维培养微流控芯片,构建可模拟在体细胞生长所处动态微环境的体外模型。方法 利用光刻成型技术、模塑法以及等离子键合工艺,制作3通道结构的微流控细胞培养芯片。通过微注射泵控制微通道内溶液流动生成浓度梯度,利用液面高度差生成压力梯度,并通过骨架染色比较二维培养与三维培养下的细胞形态。结果 获得了化学浓度梯度与压力梯度可调的微流控细胞培养芯片。在2 μL·min-1的流速下,中间通道的浓度梯度3 h后可达到相对稳定。100 Pa的压力差在中间通道生成的视在压力梯度为0.11 Pa/μm,从而驱动三维支架内间隙渗流的生成。并在微流控芯片内实现脐静脉内皮细胞稳定的三维培养。结论 该芯片结构简单,制作方便,能灵活调控细胞生长所处的微环境,可进一步用于研究不同的微环境参数对细胞行为的影响。

    • 多孔生物陶瓷与PVA水凝胶复合材料的制备与力学性能分析

      2011, 26(4):341-348. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.04.348.

      摘要 (2568) HTML (0) PDF 2.60 M (2344) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 将多孔生物陶瓷和聚乙烯醇(PVA)水凝胶交联成为一个仿生软骨 硬关节双层结构,并对该结构的微观形貌和力学性能进行分析。方法 以羟基磷灰石(HA)为基体,采用添加碳酸氢铵(NH4HCO3)晶粒造孔的方式制备不同孔隙率的多孔羟基磷灰石生物陶瓷,以聚乙烯醇(PVA)为主要原料,环氧丙烷为交联剂,在多孔生物陶瓷表面及基体内交联制备出PVA水凝胶形成双层结构,对试样的断口形貌进行表征,对试样的拉伸强度和剪切强度等性能进行测试分析。结果 交联的PVA水凝胶可以渗入到生物陶瓷基体表层以下的孔隙中,并且陶瓷基体和PVA水凝胶有很好的结合。随着多孔生物陶瓷孔隙率的增大,试样的最大拉伸和剪切负载均增大,平均孔隙率为70%试样的最大拉伸和剪切负载分别为153.61 N和64.46 N;而相应的拉伸和剪切强度略有下降,平均孔隙率为30%试样对应的最大拉伸和剪切强度分别为2.12 MPa和1.13 MPa。两者的失效形式均是因为裂纹的扩展,断口的微观形貌表明,断裂面存在明显的裂纹和内部缺陷,同时可观察出裂纹源和扩展方向。结论 考虑到多孔生物陶瓷基体的强度,平均孔隙率为50%的多孔生物陶瓷的渗入效果适中,试样的拉伸强度和剪切强度、多孔生物陶瓷基体的压缩强度也有一定的保证,选择孔隙率为50%的试样较为合适。

    • 孔隙率对多孔镍钛合金力学性能及离子析出量的影响

      2011, 26(4):349-354. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.04.354.

      摘要 (2503) HTML (0) PDF 1.99 M (3413) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 筛选生物力学相容性优良的颌骨内植入用多孔镍钛合金,比较二氧化钛(TiO2)与羟基磷灰石(HA)涂层后的镍离子析出量。方法 采用粉末冶金法制备多孔镍钛合金,用金相显微镜观察孔隙形貌,进行压缩与抗折破坏实验,记录其弹性模量与断裂强度值;采用溶胶 凝胶法分别涂覆TiO2与HA涂层,测定1、3、7、15 d镍离子析出量。结果 孔隙由相互连通的50~200 μm大孔和~50 μm微孔组成,孔隙率为(23.5±5.24)%~(38.8±1.82)%;弹性模量为(9.55±0.19)~(4.28±0.32) GPa,断裂强度值为(133±6.75)~(80.5±5.58) MPa。 表面涂层组与未涂层组比较,离子析出量显著降低;氧化钛与羟基磷灰石涂层组间差异无统计学意义。结论 随造孔剂增加,孔隙率增大,多孔镍钛合金的力学性能呈下降趋势;涂层能有效抑制多孔镍钛材料中镍离子析出。

    • 图像相关法测试股骨近端骨小梁压缩特性

      2011, 26(4):355-360. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.4.360.

      摘要 (2757) HTML (0) PDF 2.12 M (2416) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 改善传统方法做压缩测试的不足,更准确地反映骨小梁的压缩弹性模量,探究股骨近端骨小梁的压缩生物力学特性,为临床诊疗提供实验室依据。方法 运用微材料力学测试系统,对正常国人(45~60岁)尸体股骨近端骨小梁沿主压力方向及与其垂直方向的压缩性能进行实验研究。结果 测得了股骨近端骨小梁在主压力方向压缩弹性模量为(335.26±183.85) MPa,与其垂直方向的压缩弹性模量为(59.27±23.88) MPa,骨小梁在主压力方向上的生物力学性能要明显高于主张力方向;记录了载荷下的骨小梁的位移及应变分布图,负载时骨小梁的位移及应变分布是不均匀的。结论 应用微材料力学测试系统测试股骨近端骨小梁压缩弹性模量以更准确地反映其力学性能的方法是可行的,股骨近端骨小梁的压缩性能具有各向异性和不均匀性。

    • 建立基于映射的个性化颌面部六面体有限元模型

      2011, 26(4):361-366. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.4.366.

      摘要 (2702) HTML (0) PDF 2.05 M (2444) 评论 (0) 收藏

      摘要:摘要: 目的为患者建立个性化口腔颌面部整颌整形手术的六面体有限元网格模型。方法 首先使用半自动方法构建标准颌面部软组织的高质量六面体有限元网格模型,然后采用一种基于映射的实例学习方法生成个性化患者的颌面部六面体网格模型。 结果 能够方便地生成几何形状与患者形态高度一致的个性化六面体网格模型,并尽可能保持体网格单元的角度和形状质量。 结论 新的六面体网格建模方法能为生物力学分析提供高质量的六面体有限元网格输入,在口腔颌面外科等多个学科均有很好的推广应用前景。

    • 基于主动脉内血泵的集中参数模型研究

      2011, 26(4):367-372. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.04.372.

      摘要 (2788) HTML (0) PDF 1.75 M (3537) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 为研究主动脉内血泵出入口的压力差和血液流率之间的关系,并以此预测血泵的血流动力学参数,建立主动脉内血泵非线性集中参数模型。方法 该模型依靠血泵本体参数,不包含循环系统的血流动力学参数。模型包括:电流源,与血泵转速相关,表示被血泵叶轮推出的流率;内阻,用来模拟主动脉内血泵径向间隙之间的阻力;电感,表示流过主动脉内血泵径向间隙的血液的惯性。结果 模型可模拟从肺淤血到心室塌陷等各种心脏的生理状态。通过模型得到了血泵的特征方程,方程中参数值由体外循环实验确定。结论 通过比较预测血泵压力差和实际测量压力差验证特征方程准确性,结果显示误差小于5%,因此该模型能够准确预测血泵压力差。

    • 对女子手球运动员膝关节屈伸肌群进行等速测试

      2011, 26(4):373-378. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.04.378.

      摘要 (2748) HTML (0) PDF 1.85 M (3232) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 对广东省女子手球队运动员膝关节进行等速向心测试,探讨手球项目运动员膝关节屈伸肌群等速测试特征,为手球项目运动员的力量训练和相关的体育科研提供参考。方法 运用CON-TREX等速测试系统对14名广东省女子手球运动员的膝关节进行等速向心测试,选取相对峰力矩、屈伸肌峰力矩比值、平均功率、总功和疲劳指数5个指标来研究手球项目运动员膝关节屈伸肌群的等速测试特征。选取独立样本t检验比较屈肌和伸肌的测试结果。结果 膝关节伸肌相对峰力矩值在慢速测试(60°/s)和快速测试(240°/s)时均明显大于屈肌(P<0.01);女手队员膝关节屈伸肌峰力矩比值在快速测试(240°/s)时为76%左右;膝关节屈伸肌平均功率和总功在慢速测试(60°/s)时表现为伸肌大于屈肌(P<0.01),在快速测试(240°/s)时表现为左膝关节伸肌大于屈肌(P<0.05);女手队员膝关节屈伸肌疲劳指数范围在0~0.49之间。结论 女手队员膝关节伸肌的最大力量和快速力量大于屈肌;女手队员膝关节屈伸肌峰力矩比值在快速测试(240°/s)时略微偏低,说明女手队员膝关节屈肌快速力量偏低;女手队员膝关节伸肌的快速力量和肌肉工作能力均大于屈肌;女手队员膝关节屈伸肌疲劳指数偏低,说明女手队员膝关节屈伸肌的力量耐力水平比较低。

    • >航空航天生物力学
    • 矫形器在烧伤病例中的应用

      2011, 26(4):379-381. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.04.381.

      摘要 (2804) HTML (0) PDF 929.33 K (3549) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨矫形器在烧伤患者中应用的效果和技术要点。方法 回顾2008年以来17例烧伤患者分别个性化定制的20具矫形器病例,并结合矫形器原理,总结其治疗效果和技术要点。烧伤部位有颈部、手、踝足和躯干。矫形器介入时间有烧伤早期、创面修复期以及康复后期。结果 病人在烧伤后佩戴矫形器达到了预防关节挛缩变形、抑制疤痕增生、辅助训练提高关节活动度的效果。结论 根据病情合理配置的烧伤系列矫形器临床应用效果明显,可以更好促进功能恢复。

    • >感觉系统生物力学
    • 成骨细胞力致钙响应和钙传递的研究进展

      2011, 26(4):382-388. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2011.4.388.

      摘要 (2641) HTML (0) PDF 2.26 M (2367) 评论 (0) 收藏

      摘要:钙是骨系细胞内和细胞间的重要信号分子,同时也是细胞外矿物基质的主要组成部分。尽管100多年的科学实践已经证明力学刺激可以影响骨系细胞内的分子信号转导、细胞间的通讯和协同作用以及组织水平的骨矿化和骨吸收,但为了阐明力致骨重建的机制,仍需在力致钙响应和钙传递方面进行更加深入的研究。本文总结了近年来在成骨细胞的力致钙响应和钙传递方面的研究进展,包括:(1)研究细胞力致钙响应和传递的主要实验手段;(2)成骨细胞感受力学刺激并发生钙响应的钙来源和机制;(3)细胞间钙传递的路径;(4)成骨细胞内力致钙响应和细胞间钙传递的特征参数。最后对该领域未来可能的研究方向进行了展望。

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