摘要:

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摘要:目的 描述轴向载荷、小尺度参数、微管内充液密度以及管周围生物组织的约束刚度对于充液生物微管耦合振动的影响，为在轴向载荷作用下的纳米微管组织的超声波检查和一些生物医药临床应用提供参考。方法 采用非局部弹性理论来描述生物微管的纳米尺度特性，给出轴向载荷下充液生物微管耦合振动频率的解析解。结果 作用于充液微管的轴向压力使得充液微管的耦合振动频率大幅下降，且当小尺度效应增加时，充液微管的耦合振动频率逐渐降低。轴向压力对充液微管的耦合振动频率的影响大于小尺度系数的影响。结论 当微管内充液的密度增加时，基体内充液微管的一阶振频降低，且当作用于充液微管上的轴向压载增加时，微管内充液密度对充液微管一阶振频的影响逐渐减小。

摘要:目的 求解血管残余应力，为采用有限元方法研究血管应力的变化提供生物力学基础。 方法 采用弹性力学半逆解法得到血管的残余应力分布，与通过有限元软件ABAQUS模拟得到血管残余应力的分布进行对比，并在此基础上考虑支架置入的作用，比较残余应力对血管在体应力状态的影响。 结果 采用这两种方法得到的血管的3个正应力分量应力分布较为一致。残余应力的存在使血管的应力分布发生了变化，血管的最大应力由血管内壁转移到外壁处。 结论 在假定血管材料均质和各向同性的情况下，经典弹性力学半逆解法与有限元方法得到的残余应力结果有着较好的一致性；考虑残余应力的血管在体的应力分布与不考虑血管残余应力时有较大差异，血管内壁处应力降低明显。考虑血管的残余应力有助于更好地了解置入支架后血管真实的应力状态，从而为支架的优化设计提供参考。

摘要:目的 通过耳结构的位移反算耳结构弹性模量。方法 基于Patran软件建立耳结构有限元模型，使用Matlab建立计算耳结构反问题的BP神经网络。对耳结构有限元模型进行频率响应分析，得到鼓膜凸和镫骨足板的位移响应；把位移作为BP神经网络的输入、相对应的结构弹性模量作为输出，对网络进行训练。结果 利用训练成熟的BP网络反算出耳结构的弹性模量，相对误差非常小。结论 反算结果表明，所使用的反问题方法求解耳结构弹性模量是可行的，可为临床提供确定生物结构力学参数简捷有效的方法。

摘要:目的 模拟肺部肿瘤在呼吸作用下的运动，探索有限元模拟肺的变形和肺部肿瘤运动的可行性。方法 利用四维CT影像获得病人从吸气开始到结束各相位的图像，以计算机辅助设计(CAD)表面重建方法提取吸气过程中的肺表面形态。根据吸气开始时刻表面建立有限元模型。根据各相位表面与吸气开始时刻表面的差异，提取位移载荷。将位移载荷施加到模型表面，通过有限元计算，模拟肿瘤在呼吸过程中的运动和变形。结果 数值模拟表明：肺变形的误差在2 mm以内，肿瘤位移和变形的误差在1 mm以内。肿瘤在弹性模量为50 kPa时，模拟的位移和变形精度更高。结论 采用有限元法可实现肺部和肺内肿瘤运动模拟，本研究为基于数值模拟的肺部肿瘤非射线追踪方法提供了依据。

摘要:目的 研究在动态载荷下下肢长骨的损伤极限。方法 基于中国人体下肢有限元模型，分别对股骨、胫骨、大腿和小腿进行动态三点弯曲仿真，并借助尸体试验验证该模型的有效性。结果 仿真所得撞锤的撞击力-位移曲线走势与尸体试验结的基本吻合。裸股骨、裸胫骨、大腿和小腿失效时的撞击力分别为4.29、3.94、4.81和4.086 kN，位移分别为17.78、34.00、52.10和47.06 mm,与尸体试验结果也较为相符。结论 本研究验证了模型的有效性，为后续对膝关节以及对整个下肢模型的验证奠定基础，为碰撞事故中对行人进行保护提供了科学的理论依据。

摘要:目的 利用胸部有限元模型预测与评估碰撞载荷下胸部生物力响应与损伤机理。方法 利用CT和和MRI图像数据对胸部骨骼与内部软组织进行几何重建，并划分网格。模型的生物组织材料参数与材料本构模型基于文献尸体实验与组织材料实验。结果 对模型进行前碰撞与侧碰撞仿真实验验证，结果表明胸部接触力、胸部位移量、力与位移曲线与尸体实验吻合较好，并利用胸部位移量、黏性准则对仿真过程进行损伤评估。结论 模型可满足汽车碰撞安全中胸部损伤机理与防护及医学胸部钝器损伤的仿真研究需要。

摘要:目的 研究具有不同连接筋的支架对椎动脉狭窄的力学作用，以期为支架的设计以及介入治疗提供更加科学的指导。方法 采用Pro/Engineer建立3种不同连接筋的支架模型（根据连接筋形状分别称为L-支架、V-支架和S-支架）和带有狭窄的椎动脉模型；使用ABAQUS有限元分析程序，对模型施加相同的边界条件，模拟3种支架在相同椎动脉模型中的展开过程。结果 相比L-支架和V-支架，具有较好柔顺性的S-支架引起的血管应力较小，造成血管抻直的程度较弱；且S-支架上的应力和轴向短缩均较小，从而使得支架对血管造成的损伤较小。结论 3种支架中S-支架具有较好的治疗效果，可降低支架内再狭窄发生的可能性，且具有较好的临床应用前景。

摘要:目的 利用计算机模拟一种新型半髋假体系统假体装配过程中与股骨相互接触作用所产生的应力，探讨分析在临床手术中的操作界限值和相适应的假体外形。 方法 对一名60岁正常男性志愿者进行双下肢的股骨中上段CT扫描，从扫描图像中建立实体模型后利用与有限元的数据交互功能进行实体模拟装配、网格划分、保形简化以及单元弹性模量赋值等操作步骤，最后生成三维有限元模型，并构造股骨与假体之间的面-面接触关系，模拟分析假体植入装配过程中的相对滑移和应力分布情况。结果下压装配过程中假体柄对骨皮质产生附加应力，带棱槽假体的最大接触压力产生于棱槽变截面处，而最大装配应力和相对滑移量随假体压入深度呈非线性增长，当Δz≥0.5mm后附加应力增长速率显著提高。结论 与无棱槽假体的对比分析表明采用棱槽的半髋假体更容易装配并获得机械稳定，但在临床手术装配中应参照一定的量化操作要求，避免在植入时产生过大附加应力，对骨皮质产生破坏而导致治疗失败。

摘要:目的 研究不同几何构型颈内动脉中的血流动力学因素，从而分析其构型和动脉狭窄的关系，为颈内动脉狭窄的风险预测和早期诊断提供一定的血流动力学基础。方法 对两种常见形状的颈内动脉——U形和V形在定常流条件下的流场分别进行了数值模拟和粒子成像测速的实验研究。结果 在其中较上游的弯曲处，血流动力学因素与弯曲曲率存在单调的相关关系。V形在此处的狭窄风险小于U形。但是在下游的弯曲处，由于两个弯曲的叠加效应，其血流动力学因素与此处的曲率不存在单调的相关关系。结论 弯曲动脉的曲率和动脉狭窄的风险成正相关关系。但是在连续多个弯曲的动脉中，则需考虑弯曲的叠加效应。对此叠加效应的研究有助于解释多弯血管内狭窄多发的原因。

摘要:目的 对比分析改良B-T手术（modified B-T shunt, MBTS）和中央分流术（central shunt, CS）两种手术方式的血流动力学特征。方法 采集法洛氏四联症（tetralogy of fallot, TOF）病人的医学图像，三维重建真实的解剖模型；对模型进行虚拟血管搭桥等操作，模拟手术过程；采集病人的生理数据，建立集中参数模型（lumped parameter model, LPM）；通过LPM计算提供计算流体力学仿真模型的边界条件；利用ANSYS软件对模型的血流动力学进行数值模拟。结果 无论是快速射血期还是舒张期，MBTS和CS模型中搭桥管内的血液始终流向肺循环，但是两个模型中的血液最高流速明显不同。CS模型中分流管两端的压差相比MBTS模型较大。MBTS模型中分流管的壁面切应力分布不均匀，在0.025~340 Pa之间。而CS模型中分流管上的壁面切应力分布相对较均匀，约在32.2~72.6 Pa之间。结论 两种手术方式都提供了足够的肺动脉血流量；MBTS方式对右上肢的血液供应有较大影响；CS方式分流率偏高；两个模型前端吻合口部位压力梯度很大，应引起临床重视。本研究为临床治疗TOF的手术术式决策提供了重要的理论依据。

摘要:目的 重建全膝置换（total knee arthroplasty, TKA）膝关节三维运动，研究后稳定型假体之间的运动和接触。方法 以16例TKA膝关节为研究对象，获取动态X线透视图像和假体三维模型，建立2D-3D自动注册算法，重建膝关节的三维运动，计算运动学参数并测量假体之间的接触位置。结果 单幅X线图像注册时间小于30 s，图像平面内重复性注册精度为0.4 mm和0.5°。高屈曲垫片对膝关节屈曲度和胫骨内外旋无明显改进。股骨假体在胫骨垫片的外侧接触点后移范围大于内侧。稳定柱后方的接触发生在屈膝约30°以后，平均接触范围小于9 mm。结论 2D-3D自动注册技术在精度和效率上达到TKA膝关节在体三维运动测量要求，测量结果对TKA膝关节生物力学研究和改进假体设计有参考意义。

摘要:目的 通过在多层面二维动态MR成像上获取颞下颌关节组织的运动数据，构建颞下颌关节的三维动态模型，并进行初步生物力学分析。 方法 MRI检查采用GE Signa 1.5T TwinSpeed超导型磁共振扫描仪。选取2例无症状男性志愿者行颞下颌关节MRI检查，将图像数据导入Mimics软件，构建颞下颌关节的三维模型，动态分析张口幅度和关节盘横径的量化关系。结果 建立的颞下颌关节三维动态模型清晰显示三维动态盘髁关系及关节盘在动态过程中的形态变化；志愿者1张口/关节盘横径拟合直线为：y = -0.03x + 14.44，相关系数R2 = 0.591，志愿者2相关拟合直线为：y = -0.061x + 13.48，相关系数R2 = 0.306，志愿者张口位置与关节盘横径变化具有直线趋势，关节盘横径随着张口幅度的加大而呈现减小的趋势，颞下颌关节盘对于髁突的包绕程度与张口幅度呈反比。颞下颌关节盘纵径厚度在张口活动中后带外份及中带内份的变化幅度最大。 结论 通过颞下颌关节二维动态MR成像数据可构建三维动态模型立体动态地观察颞下颌关节运动，可直观、准确显示颞下颌关节盘髁关系，可作为颞下颌关节二维静态MR成像的有益补充，弥补常规MRI检查的局限。

摘要:目的 研究医用水刀切割软组织的力学性能，验证医用水刀具有软组织选择性切割的良好特性。方法 测定猪肝脏实质和不同尺寸动静脉血管的拉伸力学性能，对猪以及Wistar大鼠肝脏实质进行切割，血管分离，以及大鼠病理切片HE染色，最后对实验现象进行分析研究。结果 右叶猪肝脏医用水刀切割实验，压力设定为3 MPa时保留最细血管的直径为0.8 mm。大鼠肝脏手术刀与医用水刀对比切割的病理切片表明医用水刀对组织的损伤较小。结论 医用水刀对不同特性的软组织具有选择性切割的良好特性，能有效避免现有手术刀的“一刀切”现象。

摘要:目的 通过比较融合生长肝细胞（L02）与肝癌细胞（HCCLM3）对不同硬度基底（0.5、4 kPa和玻璃）的响应，探查两类细胞融合生长差异的成因。方法 运用实时显微摄影技术、免疫荧光染色、流式细胞技术及Western Blotting等试验方法分别检测融合生长L02和HCCLM3细胞在不同硬度基底上的形态特征、骨架构象、E-cad和Integrinβ1表达分布，以及Src激酶活性水平的变化。结果（1）融合生长L02细胞呈圆形或立方形，HCCLM3细胞呈多角形，铺展和极化更为明显；随基底硬度增加，L02细胞圆度随时间变化幅度较小，HCCLM3细胞变化幅度较大。（2）融合生长的L02细胞皮质下呈现环形骨架，E-cad定位于细胞-细胞接触处，HCCLM3中皮质骨架环不完整，胞内骨架沿基底呈放射状分布，E-cad呈弥散分布于细胞质中。（3）随基底硬度增加，L02和HCCLM3细胞中E-cad表达显著降低（P<0.01），而p-Src和Integrinβ1的表达量则显著增加（P<0.01），HCCLM3较L02细胞变化明显。结论 皮质下环形骨架装配与E-cad在细胞 细胞定位呈正相关，基底硬度对肝癌细胞钙黏素与整合素黏附系统平衡调节的影响较对肝细胞的影响明显。

摘要:目的 颈椎的转动范围较大，传统的数字图像相关（digital image correlation, DIC）算法不能准确测量颈椎的活动度。本文提出一种改进的DIC算法，可以实现大转角的变形测量。方法 采用一种子区窗口旋转的相关匹配法，通过引入子窗口的旋转角作为一个新的迭代量，和传统的位置参数(x,y)一起进行Newton-Rapshon迭代运算。在初始时只需提供位置和角度的迭代初值，即可求出精确的位移和角度值，同时通过平动实验和转动实验验证该方法的精度和可靠性。结果 平动实验证实，本文方法与传统的DIC具有相同的效果，位移测量精度在0.5%以内；转动实验证实，本文方法可以测量任意转角的变形，角度误差与旋转量无关,角度误差在0.5°以内。将该方法用于颈椎的压缩实验，准确地测量了颈椎在压缩过程中的活动度。结论 对比传统的DIC，子区窗口旋转的相关匹配法实现了颈椎在各种载荷作用下大范围活动度的测量，为颈椎的生理稳定和生理活动的测量判断提供了有效的方法。

摘要:目的 建立中空加压螺钉固定股骨颈骨折的三维有限元模型，研究3枚中空加压螺钉的受力情况及改良螺钉内固定治疗股骨颈骨折时能否提供所需的力学强度。方法 三维有限元模型采取三钉倒三角并与股骨干成127°的内固定方式，并模拟单腿站立时的受载情况；在Pauwels角分别为50°、60°、70°、80°时，计算3枚螺钉在不同位置 (下面螺钉为1号，前上螺钉为2号，后上螺钉为3号)所受应力；选择受力最大的螺钉开侧孔，研究孔径大小、开孔方向对螺钉固定股骨颈骨折模型的影响。结果 随着Pauwels角度的增加，每个中空加压螺钉上的应力增大；Pauwels角为80°时各个中空加压螺钉的应力达到最大值，1、2、3号螺钉所受应力分别为304、515、和154 MPa；当受力最大的2号螺钉开孔直径为1 mm，开孔方向避开150～195°时，3枚螺钉所受应力均在安全范围内。结论 从力学角度看，3枚螺钉受到不同应力，开侧孔设计的中空加压螺钉具有良好的生物力学性能，治疗股骨颈骨折手术安全可靠，而且可以通过中空和侧孔管道向骨折端注入药物，为促进股骨颈骨折愈合创造有利条件。

摘要:目的 运用计算机辅助设计(computer aided design, CAD)及三维重建技术测量髋部几何解剖形态学参数，探究骨折人群股骨近端解剖形态与正常组人群（未骨折人群）的差异，分析其对髋部骨折发生率和发生类型的影响。方法 通过髋部骨折患者正常侧下肢CT扫描图像，运用Mimics 10.01软件建立三维解剖形态模型，并测量股骨颈前倾角（femoral neck anteversion angle, FNAA）、颈干角（neck shaft angle, NSA）、股骨头直径（femoral head diameter, FHD）及股骨颈轴长（length of femoral neck axis, LFNA）等正常股骨近端三维几何解剖形态学参数。结果 股骨颈骨折组中FNAA、NSA、FHD、LFNA平均值为分别为(7.9±4.6)°、(128.6±4.6)°、 (46.0±4.6) mm、(47.1±5.1) mm。股骨粗隆间骨折组中FNAA、NSA、FHD、LFNA平均值分别为(15.5±6.8)°、(134.7±6.9)°、(45.3±3.6) mm、(46.7±3.4) mm。股骨粗隆间骨折组FNAA及NSA无论男性还是女性都显著大于股骨颈骨折组（P<0.01），股骨颈骨折组、股骨粗隆间骨折组FNAA和NSA均与正常对照组有非常显著的差异性。结论 中国人群FNAA较正常值大越容易发生股骨粗隆间骨折，较正常值小越容易发生股骨颈骨折。髋部骨折患者NSA较正常值大，其中NSA越大越容易发生股骨粗隆间骨折。骨折组人群的股骨近端解剖结构与正常人存在一定的差异，以角度解剖学参数影响为主。年龄越大越容易发生股骨粗隆间骨折，年龄越小越容易发生股骨颈骨折。

摘要:与常规的细胞体外培养器皿不同，细胞在体内生长时，其微环境并不是简单的平面形式，每一种组织都有其特定的三维微结构。这类具有微结构的微环境是细胞生长、分化的重要调控因子。近年关于基底微拓扑结构影响细胞生长、分化等行为研究的文献迅速增加，研究发现，具有微拓扑结构的基底可改变细胞的铺展、迁移、取向等行为，引导细胞骨架的重排，调控干细胞分化潜能，对于体外组织构建以及医学植入材料的表面处理具有指导性意义。本文就有关基底微拓扑结构影响细胞生物学研究的最新进展进行了综述。

摘要:力学刺激对细胞的生长和功能起着重要调节作用。随着空间生命科学与空间生物技术的迅速发展，空间条件下细胞的生物学行为特征、规律及其相关分子机理逐渐成为空间生物学研究的热点和前沿。骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells, MSCs）是一种具有自我更新和多向分化潜能的多能干细胞，在组织修复中起重要作用，是临床细胞治疗的主要材料。近年来，人们利用空间模拟技术在细胞响应微重力环境的生物学特征研究方面取得了重要进展。本文介绍了目前常用的几种地基微重力效应模拟装置，结合相关研究成果对微重力作用下MSCs增殖、分化行为的改变及其相关的分子机理进行简要综述，为预防和治疗微重力相关疾病提供理论参考。