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2012年第27卷第4期文章目次

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    2012, 27(4).
    [摘要](2109) [HTML](0) [PDF 737.07 K](3395)
    摘要:
    2  封面
    2012, 27(4).
    [摘要](2134) [HTML](0) [PDF 323.27 K](3468)
    摘要:
    3  人工髋关节磨损分析和临床失效诊断推理
    王成焘 ,  靳忠民 ,  廖广姗 ,  毛远青 ,  赵庆辉 ,  朱振安 ,  王金武 ,  姚天平
    2012, 27(4):361-368. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.368.
    [摘要](3134) [HTML](0) [PDF 1.52 M](3593)
    摘要:
    目的 研究人工髋关节磨损机理及磨损寿命界定准则，分析非正常磨损的具体原因和磨损失效的临床表现形式，建立失效事件的分析推理路线。方法 通过弹性流体动力润滑分析和有限元分析确定人工髋关节中的摩擦磨损过程及导致早期非正常磨损的产生因素；通过建立磨损寿命界定准则确定人工髋关节的使用寿命；通过磨损—骨溶解形态学矩阵对磨损失效临床表现形式进行归纳分类；通过临床调研建立失效事件推理逻辑。结果 计算得出球头—髋臼间的最小滑膜厚度和接触应力，以及相关参数的影响，作为磨损分析的理论依据； 提出人工髋关节以几何形态变化导致的机械学失效和以骨溶解导致的生物学失效两种磨损寿命界定准则；得出磨损失效9种临床表现形式；提出磨损失效事件分析推理路线图。结论 人工髋关节运动副中主要发生边界摩擦和混合摩擦，以及粘着、犁沟和三体磨损等磨损过程；髋臼与球头的表面质量、配合间隙及圆度对早期非正常磨损具有重要的影响；金属—UHMWPE配副人工髋关节正常机械学磨损寿命可以达到40年，但生物学磨损寿命最多为15～20年，后者是制约今天假体使用寿命的根源；磨损失效临床表现形式的多样性是机械磨损与骨溶解过程综合的形态学效果；在失效事件分析中推理路线图可提供一定的帮助。
    4  静态姿势下均匀负重和非负重时躯干和表面肌电活动
    黄强民 ,  王凤湖 ,  范帅
    2012, 27(4):369-374. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.374.
    [摘要](2675) [HTML](0) [PDF 838.02 K](3659)
    摘要:
    目的 观察躯干均匀负重和非负重状态下静态前屈和后伸时腰背部、腹部及臀中肌的肌电活动规律和运动学特征。方法6位正常健康的男性受试者直腿站立于特殊设计的试验框架和平台内做静态前屈和后伸的负重和非负重动作，每次试验持续4 s，重复3次。动作时，记录双侧腰臀部的10块肌肉：腹直肌、腹外斜肌、竖脊肌、多裂肌、臀中肌的肌电活动，以及三维角度运动轨迹和足底力系。计算标准化肌电、腰部躯干角和足底中心压力的位移。将所得数据作常规的统计分析。结果 负重和非负重前屈时，都是背侧肌活动较大(10.47~16.94)。非负重后伸时，腹侧肌活动也较大；负重后，背侧肌（3.70~17.95）和臀中肌（6.64~11.52）活动增加，腹肌活动减少（10.66~4.18）。后伸时，躯干的闪动次数随负重增加而增多，在3D角上增加1.55次；负重后，足底中心压力向前后的移动多于侧方移动，前屈的前后方移动（14.60）多于后伸的移动（7.65）。结论 后伸状态增加了背侧肌的活动，而且多裂肌更明显；同时，腰部角位移度和闪动次数增加，特别在后伸提重时更为显著。
    5  前交叉韧带力学特性差异对膝关节有限元仿真结果的影响
    万超 ,  郝智秀 ,  温诗铸
    2012, 27(4):375-380. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.380.
    [摘要](2488) [HTML](0) [PDF 8.06 M](3385)
    摘要:
    目的 研究不同前交叉韧带力学特性对膝关节有限元模拟结果产生的影响。方法 基于医学图像数据重建包含主要解剖结构在内的膝关节三维有限元模型，并考虑韧带的横观各向同性特性；用同一种韧带本构方程对3种不同前交叉韧带应力应变力学实验曲线进行参数拟合，对比不同的前交叉韧带力学参数对膝关节运动学和生物力学性能的影响。 结果 不同的前交叉韧带力学特性会得到不同的膝关节位移结果，前交叉韧带内的应力及应变大小有很大变化，但分布的趋势基本相同。结论 选取不同前交叉韧带力学特性曲线会影响膝关节有限元分析的仿真结果，今后在关节组织力学性能的设置、模型的构建及验证中要足够重视。
    6  正常和膝外翻情况下胫骨近端内部结构模拟
    方娟 ,  宫赫 ,  朱东 ,  张西正
    2012, 27(4):381-385. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.385.
    [摘要](2671) [HTML](0) [PDF 1.26 M](3477)
    摘要:
    目的 模拟正常和膝外翻时胫骨近端的内部结构。方法 采用定量骨重建理论与有限元法相结合，对正常力学环境下胫骨近端的内部结构进行模拟，然后以此结构为初始模型，根据膝外翻情况下胫骨平台压力分布的改变规律，合力的作用点在胫骨外侧平台上，模拟膝外翻后胫骨近端内部结构。结果 模拟得到的骨密度分布与真实胫骨进行对比，无论是正常力学环境下还是膝外翻情况下，都与实际非常吻合。结论 本研究所采用的方法与载荷的分布方式能够正确地模拟预测胫骨近端内部结构，是进一步研究全膝关节置换术后假体周围骨重建行为的基础。
    7  搭桥术治疗DeBakey Ⅲ型主动脉夹层的流固耦合数值模拟
    初博 ,  乔爱科
    2012, 27(4):386-391. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.391.
    [摘要](2514) [HTML](0) [PDF 3.48 M](2988)
    摘要:
    目的 研究旁路搭桥转流术治疗DeBakey III型主动脉夹层的力学机理，并探讨该术式的有效手术方案。方法 构建升-腹搭桥和锁-腹搭桥前后通腔型式和盲腔型式的DeBakey III型主动脉夹层个性化模型，利用计算流体力学的方法，在生理流动条件下进行流固耦合数值模拟。结果 搭桥后假腔的血液流动速度、压力和血管壁位移分别平均下降38.86%、15.347 kPa和39.46%。结论 搭桥手术是一种在特定情况下治疗DeBakey III型主动脉夹层的有效手术方式，具有很好的临床应用前景。
    8  软骨细胞力学环境的跨尺度计算
    周海宇 ,  李元超 ,  王成焘
    2012, 27(4):392-397. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.397.
    [摘要](2589) [HTML](0) [PDF 1.83 M](3441)
    摘要:
    目的 通过跨尺度计算，比较表层和深层软骨细胞的周边力学环境。方建立软骨细胞两相力学模型，将软骨两相力学模型里的结果映射到细胞模型对应边界上作为边界条件。计算细胞模型得到软骨细胞的周边力学环境并进行分析。结果 深层软骨细胞及周边应力比表层细胞的小一半，但都远小于细胞外的应力。软骨细胞周围基质(pericellular matrix, PCM)承担了细胞外的高应力，显著降低了细胞内的应力。两处细胞围的间隙流动方向完全相反。结论 软骨承载能力使深层软骨细胞附近应力显著降低，保护了深层软骨细胞及软骨下骨。PCM承担了细胞外围高应力，保证了软骨细胞生存工作所需的低应力环境。两处细胞周围相反的间隙流动支持了由表层关节液渗透及软骨下骨营养泵入构成的软骨双向营养供给学说。
    9  新式屈髋肌力训练机在轻重阻力下对下肢肌电与运动范围的影响
    陈韦翰 ,  潘玟璇 ,  杨雯雯 ,  钟宝弘 ,  刘强
    2012, 27(4):398-402. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.402.
    [摘要](2994) [HTML](0) [PDF 913.14 K](3426)
    摘要:
    目的 探讨新式屈髋肌力训练机在轻、重阻力情况下对下肢肌肉兴奋程度与运动范围的影响。方法 6位志愿者在屈髋肌力训练机台上，随机在轻或重阻力条件下进行连续30次的上提与下摆动作，并同时采集运动过程中的肌肉兴奋程度与下肢运动范围。结果 肌肉兴奋程度方面，在连续30次动作过程中，重阻力在腹直肌、屈髋肌、臀大肌、股直肌和股二头肌的兴奋程度皆显著高于轻阻力(P<0.05)；重阻力在腹直肌、屈髋肌和股直肌后3次的兴奋程度皆显著高于前3次(P<0.05)；轻阻力情况下，只有竖脊肌以及股直肌最后3次的兴奋程度显著高于前3次(P<0.05)。运动范围方面，重阻力情况下的动作范围与下摆角度显著小于轻阻力(P<0.05)。结论 新式屈髋肌力训练机无论是在轻或重阻力条件下，都能在髋关节合理的活动范围内刺激屈与伸髋主动肌群以及周边协同肌群来完成动作，特别是相对较重阻力的条件下。
    10  一种主动脉内血泵血流辅助指数的控制策略
    谷凯云 ,  高斌 ,  常宇 ,  刘有军
    2012, 27(4):403-408. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.408.
    [摘要](2343) [HTML](0) [PDF 692.68 K](3751)
    摘要:
    目的 为调节左心室辅助设备（left ventricular assist device, LVAD）和自然心脏的能量分配，将LVAD输出能量与心血管系统的总能量之比定义为血流辅助指数，并将其作为控制对象设计血泵控制算法。方法 将血流辅助指数作为控制对象设计基于非参数模型自适应控制算法的血泵控制算法。该算法通过调节实际测量得到的血流辅助指数来跟踪期望血流辅助指数。在心衰、轻微运动和心功能恢复的情况下，利用心血管系统的数学模型验证控制算法的可行性。结果 仿真结果表明：此控制算法能够自动提高泵速来响应外周阻力的减少（5 500 r/min vs. 6 000 r/min）。当将Emax（心肌收缩能力）从80提高到240 Pa/mL来模拟左心室恢复时，血流速自动从5增加到8 L/min。结论 本文提出的控制算法可以通过调节泵的转速来调节LVAD和自然心脏之间的能量分配，有利于促进左心室逆重构。
    11  建立基于个体生理监护信息的呼吸力学模型
    霍波 ,  付瑞荣 ,  梁晨 ,  刁俊 ,  陶祖莱
    2012, 27(4):409-415. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.415.
    [摘要](2245) [HTML](0) [PDF 1016.67 K](3364)
    摘要:
    目的 建立考虑气血交换的呼吸力学理论模型，将机械通气时血液中的气体含量与呼吸系统的力学规律联系起来。方法 考虑循环系统与呼吸过程生理参数的耦合，将常规的临床监护参数（如血液中O2和CO2的气体含量、血红蛋白含量、心率和心输出量等）与肺泡内气体分子数相联系，进而建立力学模型得到气道与肺泡不同时刻的气体含量、压力和流量等动力学参量。结果 利用模型估算了呼吸系统不同部位的气体含量，并分析了呼出气体含量对各个待定参数的敏感性。结论 本文所发展的呼吸力学模型对利用临床生理监护参数调控机械通气做了初步的尝试，随着后续实验工作的开展将有可能为新型呼吸机的设计和研发提供理论支持。
    12  头盔质量和质心对军机飞行员颈部肌力的影响
    贾晓红 ,  茆军兵 ,  王人成 ,  蒲放 ,  孙芳
    2012, 27(4):416-420. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.420.
    [摘要](2941) [HTML](0) [PDF 851.22 K](3547)
    摘要:
    目的 研究头盔质量和质心偏移对军机飞行员颈部肌肉活动特性的影响。方法 基于AnyBody软件平台建立头颈部肌骨模型，包含C0、C1~7、T1和136组头颈部肌肉。采用集中载荷模拟头盔作用，对不同头盔质量、质心位置和加速度载荷下的7个主要肌群的肌力进行了仿真计算。结果 当头盔质心与头部质心重合时，支配后伸的头半棘肌、肩胛提肌、头夹肌和颈夹肌处于收缩发力状态。当头盔质量增大，这些肌群肌力也随之线性增加，并且加速度载荷对肌力增大程度起放大作用。头盔质心后移，会降低后伸肌群的肌力，增大前屈肌群受力。头盔质心左右偏移引起的附加侧弯力矩则会激活支配侧弯功能的肌群的活动。结论 头盔质量和质心位置对颈部肌群活动特性有明显影响，本文建立的头颈部肌骨模型可以计算不同状态下肌力的变化，头盔设计和使用过程可采用该技术进行定量分析。
    13  基于个性化颈内动脉瘤模型的流固耦合分析
    付文宇 ,  乔爱科
    2012, 27(4):421-426. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.426.
    [摘要](2380) [HTML](0) [PDF 2.53 M](2841)
    摘要:
    目的 在考虑血管壁弹性条件下，分析颈内动脉血液流动和壁面切应力的分布特性，探讨动脉瘤破裂的生物力学因素。方法 依据二维医学扫描图像构建三维个性化颈内动脉瘤模型。依据人体生理统计数据构建出血管壁模型。根据人体颈内动脉生理流动条件，利用有限体积法和有限元法模拟分析流固耦合作用下颈内动脉瘤中的血流动力学。结果 在动脉瘤腔中有一个明显的涡旋存在，此涡旋流动的方向在心动周期内没有改变；在动脉瘤颈和动脉瘤壁面处存在一个壁面切应力值相对较大区域；在动脉瘤颈和动脉瘤顶有两个区域的Von Mises 应力处于局部最大值。从材料强度角度考虑，这几个区域都是动脉瘤容易破裂的地方。结论 通过流固耦合计算可以获得血管壁面应力分布特性，进而推断动脉瘤破裂的可能位置。
    14  仿生减阻针头穿刺过程中力学行为分析
    齐迎春 ,  丛茜 ,  齐欣
    2012, 27(4):427-431. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.431.
    [摘要](2771) [HTML](0) [PDF 2.72 M](2808)
    摘要:
    目的 利用非光滑表面减阻技术设计仿生无痛针头并探讨其无痛机理。方法 从减阻角度出发，根据蚊子吸血不痛的特点，在分析蚊子口器结构基础上，设计两种仿生减阻无痛针头（锯齿形和条纹形），并运用显示动力学分析软件LS-DYNA，对常规光滑表面针头和仿生针头的软组织注射过程进行数值模拟，分析仿生针头的减痛机理。结果 通过对比分析光滑针头和仿生针头软组织穿刺过程的应力云图、内能曲线和阻力曲线可知，仿生针头具有明显减阻效果，锯齿形针头和条纹形针头减阻率分别为23.84%和31.57%。结论 仿生针头可以通过减阻来达到减痛或无痛注射效果，且仿生针头结构形态决定其减阻效果。
    15  一种可以避免血管再狭窄的双移植管搭桥方式的数值模拟
    丁金立 ,  刘有军 ,  王枫
    2012, 27(4):432-437. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.437.
    [摘要](2590) [HTML](0) [PDF 1.99 M](3368)
    摘要:
    目的 为改善冠状动脉旁路移植管的局部血流动力学，降低血管再狭窄的发生机率，研究一种可以避免血管再狭窄的双移植管搭桥方式。方法 利用有限元分析方法，对传统模型和双移植管搭桥模型进行血流动力学模拟仿真，计算缝合区附近的流场、壁面切应力等血流动力学因素的分布情况。结果 该双移植管搭桥具有较好的血流动力学分布，明显改善了主搭桥血管与冠状动脉缝合处的血流动力学参数，消除了该部位的涡流和流动停滞点，提高了底面的壁面切应力数值。在辅助搭桥血管与冠状动脉缝合处涡流区长度仅3 mm，与原主搭桥血管缝合处的涡流长度4.5 mm相比明显减小。辅助搭桥管分流了约36%的血液，只有约64%的血液流过了主搭桥管。结论 该双移植管搭桥有助于减小内膜增生的发生机率。
    16  航天员舱外活动生物力学仿真及验证
    李静文 ,  丁立 ,  杨爱萍
    2012, 27(4):438-443. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.443.
    [摘要](2497) [HTML](0) [PDF 926.27 K](3426)
    摘要:
    目的 目前航天员舱外活动所建的航天员生物力学模型缺乏人体解剖信息，且未见合理的验证方法；本文旨在给出相应解决方法，为航天员舱外活动仿真的进一步应用提供依据。方法选取典型舱外活动实例，建立带有肌肉作用力的航天员上肢反向运动学、动力学模型并进行仿真计算；利用运动学结果驱动OpenGL软件生成动画，实现运动学验证，进而辅以实物模型完成模型的动力学验证。结果 运动学验证表明计算结果的正确性，动力学验证及仿真所得两块肌肉力结果的平均相对误差分别为14.54%和0.91%。结论 本文建立了合理的航天员上肢模型，并进行了仿真计算；该仿真结果可信，提出的验证方法可行，为航天员舱外活动的生物力学仿真及验证提供支持。
    17  视觉反馈人体姿态镇定作用的布朗运动模型分析
    裴立力 ,  李洪谊 ,  伏云发
    2012, 27(4):444-450. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.450.
    [摘要](2380) [HTML](0) [PDF 1.23 M](3287)
    摘要:
    目的 探究视觉反馈对人体静止直立姿态的镇定作用及其发生机制。方法 考察12名青年志愿者在直立（对照）状态和直立并视觉反馈状态下足底压力中心（center of pressure, COP）的变化。利用布朗运动模型对比两种状态下COP轨迹的扩散系数、Hurst指数及临界点特性变化，并通过单因素重复测量方差分析检验其差异显著性。结果 视觉反馈状态下：长期区间上，Hurst指数减小约1/2，扩散系数减小约2/3；短期区间上，Hurst指数与左右方向扩散系数均无显著变化；临界点均方位移仅在前后方向显著增大，时间间隔变化不显著。结论 视觉反馈增强了人体姿态闭环控制，但对开环控制及开、闭环控制机制的切换特性影响不大；视觉反馈对人体姿态控制的作用表现出方向差异，前后方向上的视觉反馈作用比左右方向更为明显。
    18  药物洗脱支架高度对药物浓度和壁面切应力分布影响的数值分析
    晏菲 ,  蒋文涛 ,  郑庭辉 ,  樊瑜波 ,  刘展
    2012, 27(4):451-455. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.455.
    [摘要](2314) [HTML](0) [PDF 845.27 K](3393)
    摘要:
    目的 研究药物洗脱支架（drug-eluting stent，DES）突起高度对药物释放动力学和血流动力学的影响，为DES的优化设计提供依据。方法 采用计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）方法，对血流动力学和药物释放动力学进行耦合分析，考虑3种不同突起高度支架，研究血管壁组织中药物含量和壁面切应力的分布。结果 支架突起高度的增加将有利于药物的沉积，但将增加低切应力区长度。比较而言，血管壁中药物含量随着突起高度增加的幅度远小于低切应力区长度的增加。结论 综合考虑药物浓度和壁面切应力两种因素，建议适当降低支架的突起高度，以便更有效地降低再狭窄产生的几率。
    19  中医推拿一指禅手法垂直作用力均匀性的量化研究
    吕杰 ,  曹金凤 ,  马龙龙 ,  许世雄
    2012, 27(4):456-459. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.459.
    [摘要](2869) [HTML](0) [PDF 519.80 K](4569)
    摘要:
    目的 对中医推拿一指禅手法垂直作用力的均匀性进行量化研究，寻找能有效描述一指禅手法作用力均匀性的定量指标及其参考值。方法 对手法作用力均匀性进行数学描述，实测5位专家、5位熟练者和5位初学者的一指禅垂直作用力信号，并对信号进行分析。 结果 得到了一指禅手法作用力的周期均匀性和波形均匀性，其中各组间的周期均匀性无显著差异，而初学组与专家组或熟练组间的波形均匀性有显著差异。结论 波形均匀性更适合作为评价一指禅手法垂直作用力均匀性的指标，可取0.927作为参考值，以评价操作者手法垂直作用力均匀性的优劣。
    20  基于强迫振荡技术的呼吸道阻力及其可变性测量
    陈园园 ,  李勃 ,  邓林红
    2012, 27(4):460-463. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.463.
    [摘要](2584) [HTML](0) [PDF 672.90 K](3543)
    摘要:
    目的 利用强迫振荡技术（forced oscillation technique, FOT）测量成年哮喘病人和健康人的呼吸道阻力，从而验证该技术对哮喘病诊断的意义。方法 采用手持式FOT仪器分别测量5个哮喘病人和5个健康人的气道阻力，并对其随时间变化的差异进行统计分析。结果基于FOT测量的气道阻力总是随时间呈周期性变化；哮喘病人和健康人受试者的呼吸道阻力分别为(294.98±86.24)、(151.9±39.20) Pa?s/L，两者存在明显差异。结论 FOT测试所得的哮喘病人的呼吸道阻力和呼吸道阻力可变性均明显高于正常人，这与临床常规诊断的结果一致，从而为临床检测呼吸系统动力学参数提供了一种新方法，为准确诊断哮喘病等肺功能异常提供了重要依据。
    21  脊柱离体运动加载方法研究进展
    季伟 ,  王向阳
    2012, 27(4):464-469. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.469.
    [摘要](2413) [HTML](0) [PDF 1.20 M](3803)
    摘要:
    离体脊柱生物力学测试研究对于理解和掌握脊柱的功能、损伤、退行性变以及脊柱植入物的影响均有重要的意义。脊柱生物力学的研究包括对脊柱的加载方法及脊柱运动状态的描述两个方面，脊柱的加载方法主要经历了从逐级加载到连续加载的过程。本文针对脊柱生物力学研究现状，分析国内外相关文献资料，总结了现有脊柱离体运动加载研究方法并对其进行了综述，为今后脊柱运动加载研究提供一定的参考和帮助。
    22  心脏搏血的生物力学和心电变化
    康甲顺
    2012, 27(4):470-474. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.4.474.
    [摘要](2249) [HTML](0) [PDF 689.67 K](3593)
    摘要:
    心电学和心脏力学虽然经历了巨大进展，但有关基本理论却长期止步不前，心电变化的相关研究仍存在诸多难点。鉴于实验医学对微观量化方法存在过分依赖，同时心电变化和心脏机械运动长期被视为两个独立的过程，本文首先从宏观角度探讨心脏收缩舒张时存在于整个弹性负荷系统中各种作用力的动态特征，然后通过在启动“兴奋 收缩偶联”之后心脏机械运动和心电变化始终存在前后定位关系这一事实，指出两个并存的过程实际上是一个完整事物的不同侧面。最后，对调控膜离子通道所涉及的各种电及力学因素综合加以考虑，整个心电变化过程即可被区分为3个不同性质的阶段；前驱性的兴奋形成及传导，收缩过程伴发的肌源性心电变化及最后由心脏快速弹性舒张促成的全面恢复。

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