摘要:膝关节是人体最大、解剖最复杂、对运动要求最高的关节之一。全膝关节置换术(total knee arthroplasty, TKA)在全世界每年以高于10%的比例增长。TKA是在全髋关节置换术的基础上发展起来的，经过近30的发展，取得了很大进展。本文对近年来假体类型的演变、假体几何外形与尺寸的研究，以及膝关节生物力学方面取得的突破进行了阐述；对目前TKA中存在争议的问题进行了讨论；并结合目前最新发展的技术，对TKA未来发展的方向进行了展望和预测。

摘要:研究生物硬组织材料的力学性质对于预防和治疗骨科和口腔疾病具有重要意义。同时，经过长期的进化，生物材料具有独特的力学性质，研究这些材料的结构与力学性质可以为工程材料的设计提供解决方案。与工程材料不同，生物材料的力学研究需要采用特殊的方法来准确描述其力学性质。本文针对生物硬组织材料力学性质的研究方法进行综述，包括生物硬组织材料的常规力学实验方法、断裂力学和压痕测试技术, 以及微观和宏观力学数值模拟技术。

摘要:肌骨系统的结构与功能、疾病的防治与康复均与力学环境和干预存在着密切的关系。伴随细胞分子生物学的发展，骨科生物力学研究从器官、组织水平深入到细胞、分子、基因水平。医用生物力学的发展促进了基于力学刺激原理的理疗设备的研发，使力学刺激促进成骨和骨再生成为目前骨科基础和应用研究的热点。《医用生物力学》杂志近年来刊登了一系列力学刺激对肉骨系统的基础和应用研究，这次选登了几项力学刺激促进成骨和骨再生，尤其在具有挑战性的骨折疏松骨折愈合促进方面的基础和应用基础成果，借此进一步加强相关领域中紧密结合临床需求的科学研究的开展。

摘要:目的 通过对去势大鼠加载不同时段的低载荷机械振动，探讨不同的振动持续时间对骨质疏松大鼠骨组织成骨相关蛋白表达的影响。方法 6个月龄雌性Wistar大鼠24只，随机分为8周去势对照组（C8）、12周去势对照组（C12）、8周振动组（V8）和12周振动组（V12）。所有大鼠接受去势手术1周后开始实施振动试验，对V8组与V12组大鼠分别加载35 Hz、0.25 g的低载荷机械振动，每天15 min；去势对照组不做处理。8周与12周后分两批断颈处死大鼠，采用Western blot技术检测各组大鼠成骨相关蛋白BMP-2、p-ERK、Runx2、OCN的表达。结果 低载荷机械振动能够显著上调去势大鼠骨组织BMP-2、p-ERK、Runx2和OCN的蛋白表达水平（P<0.01），随着振动时间的延长，V12组较V8组蛋白含量分别增加了22.61% (P<0.05)、27.96% (P<0.01)、25.85% (P<0.01)、27.05% (P<0.01)；去势对照组间各蛋白表达水平无明显差异（P>0.05）。结论 低载荷机械振动能够上调骨组织成骨相关蛋白的表达水平，并随着振动时间的增加显现出更为优越的成骨作用。

摘要:目的 研究股骨头坏死病程各阶段的生物力学改变，探讨其生物力学发生作用的机制。方法 取杂种犬24只，固定一侧前肢建立三足负重犬模型。随机取三足负重犬一侧后肢为实验侧，在股骨头内注射无水酒精，致股骨头坏死；对侧为对照侧，在股骨头内注入等量生理盐水。造模后1、3、6及12周处死动物，每组6只，分别对两组股骨头行大体观察以及放射学、组织学、生物力学检测。结果 术后3周股骨头坏死侧点压硬度及中部松质骨弹性模量相对对照侧分别下降29％和32.9％，此时仅MRI可见股骨头出现低密度坏死区，组织学主要表现为骨坏死。术后6、12周股骨头坏死侧点压硬度相对对照侧分别下降了45.5％和48.7％，中部松质骨弹性模量相对对照侧分别下降了34.1％和32.4％。6周时坏死侧X线可见股骨头内密度不均，组织学表现为坏死和修复反应并存，坏死区向软骨下骨区进展。12周时坏死侧X线可见股骨头负重区下出现局部骨密度减低区，组织学出现关节软骨面塌陷和关节间隙狭窄。结论 生物力学是股骨头病程进展的重要影响因素；病程进展中，特别是修复期力学性能的显著下降可能是后期塌陷的最直接原因。治疗股骨头坏死不仅应促进骨修复，更应提供病变区一个有利、稳定的生物力学环境。

摘要:目的 利用卵巢切除大鼠建立骨质疏松骨折模型，研究低幅高频振动对骨质疏松性骨折愈合及患肢远端血供的作用。方法 32只6月龄雌性SD大鼠行卵巢切除术，3个月后构建右侧股骨干闭合性横行骨折合并股动脉损伤模型，术后随机平均分为振动组与对照组。每周摄股骨侧位X片以监测外骨痂尺寸及骨折愈合情况。第2、4、8周，应用脉冲多普勒超声测量患肢远端血流速度及阻力指数。MicroCT扫描重建骨折部位，并作定性定量分析。结果 超声检测发现，第2、4周振动组患肢股动脉远端收缩期峰值血流速度较对照组明显增高（P<0.05），阻力指数降低。X片及MicroCT分析显示，振动组在愈合过程中，骨痂形成、矿化程度、重塑效果、桥接愈合率均显著优于对照组。结论 低幅高频振动可有效改善患肢远端血供，促进骨质疏松性骨折愈合。

摘要:目的 对股骨颈骨折内固定治疗方法中的螺钉固定角度、螺钉数量和螺钉组合方式进行合理选择，以达到最佳的复位稳定性。方法 以DICOM数据为基础，建立基于Lindon分型方式的包含不同角度、数量和组合方式的股骨颈骨折内固定三维有限元模型，并依据材料属性参数与CT图片灰度值之间的关系为模型赋予非线性的材料性质，模拟生理载荷条件对模型进行加载。结果 临床常见骨折面角度所对应的最佳单钉固定角度为65°和70°；在手术条件允许的情况下，螺钉数量越多，固定效果越好；3钉呈倒三角放置略优于3钉呈正三角放置，3钉呈正三角放置优于2钉，而2钉平放与2钉斜放的优劣取决于骨折面角度。结论 骨折面角度对固定的效果有重要影响，股骨颈骨折内固定三维模型的加载仿真过程能够为股骨颈骨折内固定方式的研究提供一种可行途径。

摘要:目的 基于小关节三维重建图像分析软骨下皮质骨厚度、小关节面面积及关节间隙宽度的三维分布情况，研究其结构特点及变化规律，并比较腰痛患者及健康人中这些参数的差别。方法 对90名研究对象分别行仰卧位CT扫描，获取L1~S1 5个节段小关节的二维图像，重建后分别获得软骨下皮质骨、小关节面及关节间隙的三维面点云图。研究上述参数在整个关节面上、以及关节面的不同区域的分布特点，比较它们在不同腰椎节段、性别、年龄及症状组中的差异。结果 （1）软骨下皮质骨厚度方面，在上关节突，头端区最厚；在下关节突，尾端区最厚。中央区的厚度明显小于其他各区。各区之间的差别在低位节段腰椎中（L4/5，L5/S1）较明显。（2）小关节平均面积为(173.2±3.6) mm2，且随腰椎节段及年龄的增加而增大，L4/5节段以下及40岁以上更加明显。腰痛患者上关节突关节面的面积明显较下关节突关节面的面积大（L5/S1节段除外）。腰痛患者的小关节面积明显大于健康人。（3）小关节间隙平均宽度为（1.46±0.08） mm，随年龄增加而变窄，40岁以上者更明显，女性均较男性宽，腰痛患者则显著变窄。分区比较时，关节面头侧关节间隙较尾侧间隙宽，中央区的间隙普遍较周围区宽，这些差别在腰痛患者及下3个节段中更明显。结论 计算机图像处理及重建分析技术可以较准确的测量三维空间内形状复杂的小关节的相关参数。小关节各结构在三维空间的分布具有一定特点，这些特点与关节面形态、关节间应力及关节退变等因素有关，反映了长期的负荷状态下人体结构的适应性改变。

摘要:目的 观察应用双X线透视成像系统在颈椎在体运动学研究中下颌骨对颈椎图像的干扰度，探索颈椎在体运动学最佳位置的透视方法，为颈椎在体运动学研究提供方法学的可行性论证。方法 应用双X线透视成像系统分别在两个C型臂夹角呈正交（90°）位、60°位及45°位采集健康志愿者5名（男4名，女1名）颈椎双平面X线图像，包括中立位、前屈后伸位、左右旋转位、左右侧屈位，比较各个不同位置时下颌骨对颈椎椎体图像的遮挡；采用下颌角对颈椎的干扰程度来作为评价的标准，通过对各个不同位置时下颌骨对颈椎图像干扰程度的评分，筛选最佳角度的透视方法。在做颈椎左右旋转运动透视时，比较躯干固定-头颅旋转模式和头颅固定-躯干旋转模式下下颌骨对颈椎图像的干扰程度，分别采集两种模式下的透视图像。结果 90°、60°和45°位时中立位、前屈后伸位、左右侧屈位、左右旋位透视下颌骨对颈椎图像干扰度均存在显著性差异（P<0.05）。45°位在上述位置时干扰度最小。在相同角度60°位，躯干固定-头颅旋转组与头颅固定-躯干旋转组相比有显著性差异（P<0.05）。结论 颈椎在体运动学研究中应用双X线透视成像系统在交角45°位时可以最大限度的减少下颌骨的阻挡，坐位同轴躯干旋转代替头颅旋转可以减少下颌骨的干扰度,基本满足双X线成像系统二维-三维图像的匹配条件。

摘要:目的 研究人工髋关节置换术后断柄失效的力学机理以及引发断柄的具体原因，提出对临床中发生的断柄事件进行失效诊断的具体方法。方法 通过二维及三维有限元分析方法对断柄过程的生物力学机理进行研究，分析断柄失效与产品、临床和患者等因素的关系。结果 提出断柄分析推理路线图，成功利用有限元方法对断柄事件进行力学分析及验证。结论 经强度设计和试验检测的关节柄不应发生断柄事件；失效统计分析表明断柄属小概率随机事件，是产品质量波动、临床技术误差、患者意外事故等多种非正常因素的诱发结果,对这些因素严格控制可以降低断柄失效的发生；断柄失效推理路线图可以帮助开展失效事件的原因挖掘；通过二维及三维有限元分析能够帮助判断具体断柄事件产生的力学机理。

摘要:目的 利用有限元方法研究支架在狭窄血管内的扩张性能、支架内血流动力学状况和支架的疲劳寿命。方法 采用ANSYS模拟支架在狭窄血管内的扩张过程，提取扩张后相关节点数据，建立血流动力学分析模型，并建立与之对应的简化模型，模拟分析支架内血流动力学状况。分别基于Goodman图表和累计损伤法，对支架的疲劳寿命进行评估。结果 （1） 支架上绝大部分部位发生塑性变形，主要应力发生在镂空孔的角点。（2） 支架附近流动紊乱,血流流入端的桥接支柱附近应力最高。（3） Goodman图表法表明该支架是安全的，累计损伤法表面支架在血流流入端桥接支柱所在的第2个横截面上累计损伤最大。结论 有限元方法能有效地应用于支架扩张、支架内血流动力学以及支架的疲劳模拟仿真。

摘要:目的 研究球面共型接触人工髋关节在股骨头动态位移条件下的边缘接触力学行为。方法 基于所发展的有限元球面网格数据模型，动态模拟分析金属对金属人工髋关节在给定生理位移工况条件下的接触行为和可能诱发的边缘接触现象。结果 数值模拟表明，随着动态位移载荷的增加，关节接触面压力合力的垂直分力和水平分力都有上升趋势；在边缘接触过程中压力合力的垂直分力比非边缘接触情况变化趋势要缓慢，但相应的水平分力增大趋势更显著。此外，边缘接触与非边缘接触对应的接触压力分布形态与接触区域也各不相同。结论 金属对金属人工关节髋臼相对股骨头过大的倾斜状态极易引起边缘接触，动态边缘接触情况下，将导致股骨头向髋臼内侧产生相对滑动及附加磨损的可能，这对临床人工髋关节磨损评估与关节制造发展提供了分析依据。

摘要:目的 通过计算机数值模拟方法，研究单侧上颌骨全切除术后患者的上呼吸道吸气相气流动力学特征。方法 基于3例单侧上颌骨肿瘤患者术后的CT图像，三维重建患者的上呼吸道结构，利用计算流体力学方法对气流流动进行数值模拟。结果 获取患者术后上呼吸道吸气相气流流动趋势，气流在缺损侧鼻腔发生流动分离，在整个缺损腔形成低速大尺度漩涡。结论 3例单侧上颌骨全切除术后患者的上呼吸道气流整体流动模式大体一致，说明这类患者呼吸模式具有共性。单侧上颌骨全切除术造成上呼吸道结构改变，扰乱了上呼吸道气流流动模式，影响了患者的上呼吸道生理功能。单侧上颌骨全切除术后患者的上呼吸道气流数值模拟有助于解释患者出现的鼻腔干燥、结痂、分泌物堆积等症状和体征。

摘要:目的 构建第95百分位中国人头部有限元模型，分别参照4种不同类型的颅脑相对位移试验对其进行有效性验证，并评估颅骨与脑组织之间的相对位移，同时探讨脑组织的剪应变分布。方法 比较试验与仿真中的颅脑相对位移曲线，并结合动物试验和物理试验中所得出的结论，探讨较高剪应变出现的位置。结果 仿真所得的颅脑相对位移曲线与试验结果基本吻合，由于脑组织总是恢复到初始状态，曲线总是出现波峰和波谷。较高剪应变出现在大脑颞叶、胼胝体和脑表面的位置，与动物试验和物理试验中所得出的结论较为相符。结论 第95百分位中国人头部有限元模型具有良好的生物仿真度。由于头部的旋转运动，脑表面和脑组织深处都会出现较高的剪应变，从而导致损伤，故本文的研究结果为开展在交通事故中头部损伤机理的研究提供了科学的理论依据。

摘要:目的 研究层黏蛋白（laminin, LN）、纤维连接蛋白（fibronectin, FN）、I型胶原（collagen I, Col I）3种不同细胞外基质(extracelluar matrix, ECM)蛋白对血小板生长因子（platelet derived growth factor-BB, PDGF-BB）诱导的气道平滑肌细胞（airway smooth muscle cells, ASMCs）形态及收缩变化的影响。方法 将ASMCs分别附着在LN、Col I、FN表衬的细胞培养皿中，并分成2组，分别在有或无PDGF-BB （10 mg/L）的无血清培养基中培养0~5 d。然后采用显微图像方法观测细胞形态和宽长比，光学磁微粒扭转细胞测量方法测量细胞受KCl或组胺（histamine）刺激时的收缩反应。结果 在有PDGF-BB的培养条件下，ASMCs形态总体上变细变长，即细胞宽长比减小，但附着在LN上的ASMCs比附着在Col I或FN上的细胞宽长比相对要大。在无PDGF-BB的培养条件下，ASMCs对KCl刺激的收缩响应随培养时间增加而增加，但不受ECM蛋白成分的影响。而在有PDGF-BB的培养条件下，ASMCs对KCl或Histamine刺激的收缩响应总体上随培养时间呈下降趋势，但附着在LN上的ASMCs收缩响应下降程度相对较小。结论 ASMCs受PDGF-BB作用时，其形态和收缩性的变化与不同ECM蛋白成分有关，相对于Col I和FN，附着在LN的细胞形态和收缩性的变化较小。ECM蛋白成分对PDGF-BB诱导的ASMCs形态和收缩性变化的差异性影响，对于深入认识基质蛋白、炎症因子与气道平滑肌细胞的相互作用及其与哮喘病理生理机制的关系具有重要意义。

摘要:目的 在体测量兔眼不同眼压水平以及急性高眼压形成后不同时刻的视神经纤维层厚度，获取急性高眼压作用所致的兔眼视神经纤维层厚度改变规律。方法 向兔眼前房注射生理盐水使眼压不断升高，形成4组急性高眼压动物模型。利用相干断层扫描仪，采用以视神经乳头为中心、直径为6 mm的辐射状扫描模式，分别扫描并测量不同眼压状态的兔眼视神经纤维层厚度。 结果 4组模型的急性高眼压为(4.50±0.35)、(6.07±0.31)、(7.74±0.26)、(10.71±0.07) kPa，视神经纤维层厚度绝对改变量分别为(-27.16±14.24)、(-33.33±6.74)、(-48.75±5.24)、(-67.29±3.89) μm，而且视神经纤维层厚度的相对改变量与眼压成线性关系，高眼压后2天兔眼眼压可以恢复正常，视神经纤维层厚度2周时基本恢复，急性高眼压低于6.65 kPa时视神经纤维层厚度更易于恢复。 结论 急性高眼压导致视神经纤维层变薄，且随眼压的升高视神经纤维层厚度变薄加重；一定时间后视神经纤维层厚度能恢复正常。

摘要:目的 提出不同于传统支架的三角形网丝截面支架，并对其进行数值模拟，比较圆形、矩形、三角形截面支架在动脉瘤内的血流动力学效果。方法 构建3个有支架植入的动脉瘤模型，分别为圆形（CM型）、矩形（RM型）和三角形（TM型）截面支架模型，并与1个无支架的动脉瘤模型（UM型）对照。在相同的边界条件下，利用有限单元法对4个模型进行流固耦合数值模拟。结果 RM型比TM型和CM型的速度更低、流阻更高、流转时间更长，所以矩形、三角形、圆形截面支架血液流动的影响效果依次降低。在削弱壁面切应力大小、降低壁面切应力波动性方面，RM型比TM型和CM型更加显著，但CM型和TM型的壁面升压低于RM型。壁面应力分布和变形结果表明动脉瘤沿远侧壁生长的可能性大于近侧壁，瘤顶破裂的风险最大。结论 3种截面支架展示了不同的血流动力学，这些结果为血管内支架的结构设计和优化提供了有意义的参考依据。

摘要:目的 在CT图像中通过对骨皮质的分割与测量，测定骨量、骨骼的几何形状以及骨强度，并计算相应的组织形态计量学参数。方法 通过DCMTK解读CT图像，提取相应的图像信息。利用OpenCV对图像进行预处理，在感兴趣的区域（ROI）设置的基础上，提取图像的纹理特征作为输入向量；以对训练样本手工分割的结果作为导师信号，对BP神经网络进行训练；用训练好的网络对CT图像序列中的骨皮质进行分割，并对分割后的结果进行后处理及显示。结果 骨皮质CT图像的神经网络分割效率符合实际应用的需求，分割结果形状明显，与周围组织区分度高，满足临床诊断需求。结论 纹理特征明显的情况下，可以达到较为满意的分割效果。分割结果轮廓平滑，分割精度高、成功率高、适应性强；而且图像分割过程人工介入少，可以用于整套CT图像骨皮质的批量分割。不足之处在于此方法神经网络训练时间相对较长。

摘要:目的 研究单个Hindmarsh-Rose(H-R)神经元模型从周期动力学模式转向混沌模式的自适应反控制问题。 方法 利用施加正弦函数延迟自反馈方法进行数值模拟分析，分别将耦合强度和时间延迟作为控制参数。结果 通过大量的数值模拟计算，给出神经元的膜电位变量随耦合强度和时间延迟两个参数变化的分岔图，发现在耦合强度值和时间延迟两个参数组合的一些范围内，本来是3峰周期动力学模式的H-R神经元运动可被反控制成混沌模式及其他周期模式的运动。结论 对H-R神经进行反控制的正弦延迟自适应反馈法是有效的，耦合强度和时间延迟均为反控制的重要参数。控制过程反映了神经独有的自适应的信息识别的动力学特性。

摘要:目的 通过体外加力装置研究持续牵张应力对大鼠骨髓基质干细胞（bone marrow stromal cells，BMSCs）增殖及骨向分化能力的影响。方法 选用3月龄健康SD雌性大鼠，采用全血贴壁培养法分离及培养BMSCs。取生长良好的第3~5代细胞接种于Flexercell应力加载系统（10%、1 Hz），根据应力作用时间不同分为1、6、12、24 h组和48 h组。观察并分析持续牵张力对于大鼠BMSCs形态、增殖活性以及成骨能力变化的影响。结果 （1）随着加力时间的延长，与对照组相比，实验组细胞形态呈现一定规律性，细胞长轴多垂直于受力径向。（2）10%持续张应力作用可抑制BMSCs增殖活性。（3）持续张应力可增高碱性磷酸酶（alkaline phosphatase, ALP）、Ⅰ型胶原（collagen I,COLⅠ）、核心结合因子Cbfa1(core binding factor a1,又名Runx2) mRNA的表达量，且呈现时间依赖性。其中实验组ALP表达量在24 h明显高于相应对照组，COLⅠ表达量在24 h及48 h均明显高于对照组，Runx2表达量在6 h与对照组相比显著增高（P＜0.05）。骨钙素（osteocalcin, OC）含量在加力起始阶段显著高于对照组，随时间推移逐渐下降，48 h时明显低于对照组（P＜0.05）。（4）持续张力可以促使Runx2蛋白水平增高，且在6 h实验组明显高于对照组（P＜0.05）。之后缓慢下降，在24 h时显著低于对照组水平（P＜0.05）。结论 持续牵张力作用下BMSCs细胞形态呈现一定规律性排列，其增殖活性受到抑制，但早期成骨向分化能力却显著提高。

摘要:作为检测生物软材料和活细胞黏弹性特性的一种新方法，粒子跟踪微流变学主要应用于细胞运动、胚胎发育、核纤层蛋白病等生物力学研究中，与以往传统的细胞力学检测手段相比具有很多优势。其利用视频显微镜检测包埋于介质中探针的布朗热运动，将探针运动轨迹转换平均平方位移，实时获取介质的时间依赖性黏弹性模量和蠕变柔量等参数。本文主要对粒子跟踪微流变学技术的基本原理及其在生物力学领域的应用进行了综述。