摘要:

摘要:

摘要:康复辅具对于提高残障人的生活质量、减轻家庭和社会负担具有重要意义。近年来，我国的康复辅具研究已经有了比较大的进步，而且从政策支持、科研资助、产业环境等不同角度看，目前都正处于最好的发展时机。生物力学在康复辅具的设计中具有重要作用，一方面，对身体障碍的生物力学特征的测量和评价是康复辅具设计的重要依据；另一方面，人体与辅具交互作用的生物力学问题，是康复辅具设计必须考虑的重要因素。作为本期专栏的导言文章，本文将简要综述我国康复辅具研究的现状，然后介绍康复辅具设计中的一些生物力学研究。

摘要:目的 研究人体头低位状态下肢被动运动对背部主要肌肉肌电（electromyogram，EMG）活动性的影响。方法 选取30名健康受试者，分析竖脊肌和斜方肌在不同头低位角度（0°、10°、20°、27°）下静止状态、120次/min和140次/min足部摆动模式和680次/min足部颤动模式下EMG变化趋势。结果 在头低位静止状态时，4种头低位角度下中位频率(media frequency, MF)随角度增加均呈下降趋势；摆动模式下，4种头低位角度的MF值均小于静止状态，且当摆动速度为120次/min时，MF值随角度增加而减小；速度为140次/min时，MF值无规律性变化。颤动模式下，MF值随头低位角度增大而增大，且均大于静止状态。结论 静止状态下，肌肉疲劳程度随头低位角度增加而增加；颤动模式下应选择较小的头低位角度可更好达到锻炼治疗效果，摆动模式下可选择较大的头低位角度有助于较好达到锻炼治疗效果。此外，为避免肌肉过度疲劳造成劳损，摆动速度应不大于120次/min。

摘要:目的 研究多种人力搬运任务中护理人员脊柱腰背部第5腰椎第1骶椎（L5/S1）的承载风险特征及其影响因素，探索减缓风险的合理搬运方式。方法 采集9名护理人员对3名不同体重代理患者操作6种搬运护理任务的动力学数据，建立多刚体三维模型，计算L5/S1关节峰值力，研究其承载风险特征，针对性分析L5/S1关节峰值力与6个影响因素的相关性。 结果 所有任务的峰值正压力均超过安全阈值3.4 kN；挪移类任务的前后向峰值剪切力超过阈值0.5 kN。各任务的承载风险特征和影响因素不同，其中L5/S1载荷与重心移动距离及地面反作用力呈显著相关（P<0.01）。结论 人力搬运护理导致脊柱腰背部承受较高的载荷与损伤风险，且风险特征各异。在搬运时采取减小脊柱整体活动范围、避免过急过猛的动作，将有助于减缓该风险。

摘要:目的 了解儿童步态终止时动力学特征，比较有计划步态终止（planned gait termination, PGT）和急停（unplanned gait termination, UPGT）时的差异，以及书包质量对儿童步态终止的影响。方法 通过室内模拟步态终止发生场景，经两个三维测力台记录12名男孩（年龄(9.85±1.34) 岁，身高(140.89±11.57) cm，体重(34.96±9.62) kg）背不同质量书包完成PGT和UPGT过程中地面反作用力及足底压力中心（center of pressure, COP）位移变化。结果PGT和UPGT过程中地面反作用力曲线与行进中步态有明显差异，地面反作用力峰值和COP偏移均显著大于行进中步态，且差异随书包质量增加而增大，背15%体重（15%BW）书包急停时最大。 结论 儿童在步态终止时地面反作用力趋向有利于完成步态终止的方向变化，但身体所受冲击力可能随之增大，且随书包质量增加而增大；步态终止时控制姿势平衡的难度加大。建议儿童宜减轻书包质量，可能有助预防突发干扰时发生意外损伤。

摘要:目的 通过对穿着不同硬度鞋底的受试者开展步行时的运动学分析，评价不同硬度鞋底对人体下肢步行运动学参数的影响。方法 受试者穿3种不同硬度鞋底的鞋，在跑台上以6 km/h的速度行走，利用Vicon红外摄像系统进行动作捕捉，以采集行走过程中脚后跟高度、脚尖高度、膝角度、踝角度等运动学参数，并分析实验结果。结果 穿软底鞋的步态周期比其他鞋的步态周期增加，小腿前摆角度最小；穿中等硬底鞋大腿前摆角度最小、后摆角度最大；穿硬底鞋的大腿前摆角度最大、后摆角度最小；摆动期时间相对稳定。结论 软底鞋更适合短时间慢速行走，中等硬底鞋对人体长时间步行的下肢运动学影响最小，硬底鞋适合短时间快速行走。

摘要:目的 利用三维有限元分析方法研究大腿截肢患者在行走过程中3个不同时相下残肢的生物力学特性，为建立完整的大腿接受腔测量、设计与评估系统提供研究基础。方法 首先根据CT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几何模型；定义软组织为超弹性和线弹性材料属性，并相应建立两个有限元仿真模型；定义残端与接受腔之间的接触关系，约束残肢近端，对模型的远端施加膝关节载荷，模拟步态周期中足跟着地时期、站立相中期、脚尖离地3个时相下大腿残肢-接受腔系统所受载荷；计算分析接触界面上的应力，并对比分析超弹性和线弹性软组织力学特性对接触界面力学行为特性的影响。 结果 无论线弹性还是超弹性模型，3个时相下大腿残肢接受腔界面的最大接触压力均在残肢末端达到最大值。超弹性模型3个时相下接触压力峰值分别为55.80、47.63和50.44 kPa；而线弹性模型接触压力的最大值都增加2倍以上，其值分别为149.86、118.55和139.68 kPa。同时通过分析接触面间的径向剪切应力和轴向剪切应力发现，3个时相下接触界面间的应力在残肢末端较集中，在足跟着地到脚尖离地过程中，有部分力通过接受腔后侧缘传递转向接受腔前缘传递。结论 不同时相下残肢与接受腔接触界面的压力和剪切应力分布情况不同，在设计接受腔时需要充分考虑其受力特点。

摘要:目的 针对以往腋拐存在的问题，设计一款结构简单、外形美观、科学合理的实用性腋拐。方法 从人体生物力学、人机工程学、工业设计等方面出发，利用模块设计、柔性设计的方法对腋拐进行创新设计。结果 经力学分析、有限元分析、样机质量检验、初步临床试用，验证了设计的可行性和临床适用性。结论 本次新型腋拐的研究和设计具有极大的临床意义，其可有效减小使用者手腕和腋窝的受力，进而降低二次伤害的发生机率。同时，也可以为类似的拐杖设计提供参考。

摘要:目的 观察躯干前屈和后伸运动过程提放体前和体后重物时腰腹臀肌的肌电活动规律和人体运动学特征。方法10位正常健康的男性受试者直腿站立于试验平台内提放体前后的重物，同时监测双侧腰腹臀10块肌肉的肌电活动、躯干角运动和足底力系变化。分析肌电平均振幅、肌肉做功百分比和足底中心压力（center of pressure, COP）的位移，并进行常规的参数统计分析。结果 重物在前时,背肌活动较强，并且负重后背肌做功百分比增大，腹肌活动减小；重物在后时，腹肌活动较强，背肌和腹肌的做功百分比接近相等，负重后腹肌的做功百分比增大，背肌活动减小；臀中肌负重后肌电活动增加，但做功百分比基本一致。结论 躯干在前屈后伸的动态动作中，肌肉活动随负载大小、位置的不同而变化。前方负重时背肌主动，腹肌拮抗；后方负重时腹肌主动，背肌协同。臀中肌在动态任务中起的是稳定作用。

摘要:目的 研究急性无氧功率自行车运动对不同性别人体颈总动脉弹性模量和局部血液动力学的影响。方法 以9名男性和8名女性20~30岁年龄段的健康志愿者作为研究对象，使用无氧功率自行车持续进行4组相同强度的急性运动训练。应用彩色超声多普勒分别检测静息状态及每组运动训练后的颈总动脉管径波形、轴心流速波形，用电子自动血压计同步检测心率和血压大小。运用经典血液动力学理论对检测数据进行分析，计算颈总动脉的弹性模量和局部血液动力学参数，包括压力应变弹性模量、流量率、周向应变、壁面切应力和振荡剪切指数。结果 运动后心率增加；随着运动的积累，颈总动脉弹性模量呈增加趋势；一个心动周期内轴心血流速度和流量率最大值与平均值上升，流速和流量率最小值下降；收缩压和平均压增高，舒张压无明显改变；周向应变无明显改变；切应力最大值有明显增加的趋势，切应力最小值下降趋势明显；振荡剪切指数也有增大的趋势。结论 急性无氧功率自行车运动可增加20~30岁年龄段不同性别志愿者的颈总动脉弹性模量，并对颈总动脉局部血液运动学和动力学功能参数产生明显的影响。本文结果将为无氧运动调控脑血管功能提供有用的血液动力学信息。

摘要:目的 基于有限元方法，建立骶髂关节融合和接触的模型，比较两模型的生物力学差异，探究骶髂融合治疗下腰痛的生物力学机理。方法 构建包含骨盆环、骶骨、部分股骨、关节软骨和关节连接的骨盆有限元模型两例，分别设定骶髂关节连接为接触和融合，探究在500 N载荷下，两例模型中骨盆环特别是骶髂关节处力学传导的差异。结果 在融合条件下骶髂软骨承受的应力及位移明显低于接触条件，在双侧骶髂软骨处尤为明显，其中左骶骨关节处，位移由0.83 mm减低为0.23 mm，减低幅度达约261%，等效应力由6.6 MPa减低至5.0 MPa，减低约32%。但融合条件下，骨盆环应力的传递相对更集中。结论 骶髂融合可能提供较好的疼痛治疗效果，但同时必须谨慎评估伴发骨盆损伤和股骨头损伤的危险性。

摘要:目的 研究以灰度值为基础的不同材料属性分配梯度对椎体有限元模型力学性能的影响。方法 对1位健康成人脊柱（T12~L5节段）进行快速CT薄层扫描，在MIMICS中对每节椎骨进行三维重建，通过Geomagic软件处理后，导入ANSYS中进行网格划分，再返回到MIMICS中按2、4、8、10、50、100、200、400份8种梯度对材料属性进行分配，最后重新导入ANSYS软件按照同一载荷条件进行有限元分析。结果2、4、400这3个分配梯度与其他分配梯度相比，应力情况存在显著性差异（P<0.05），而8、10、50、100、200梯度之间计算结果偏差不大。结论 有限元模型材料属性划分不宜过多或过少，10份左右的划分梯度既可以保证运算结果的精确性，也相对可以提高运算速度，尤其适用于临床个性化快速有限元建模。

摘要:目的 建立上气道、气管及部分支气管的生物力学模型，研究不同呼吸模式对气道内气流特性以及气道阻力的影响。 方法 根据CT扫描资料，建立包括鼻腔、口腔、咽、喉、气管和部分支气管在内的具有真实解剖结构形态的三维有限元呼吸道模型，针对现实中几种典型情况，数值模拟流经鼻、口的气流不同比例情况下气道内的气流特性。 结果 当仅有少量气流经由口腔吸入时，呼吸道内气流的分布规律以及各部位气道阻力的大小与完全经由鼻腔呼吸的情况相似。当口腔吸入或呼出大量气体，气流主要经由口腔与外界进行交换时，呼吸道内气流场、压力场和剪应力场分布规律明显不同，主要区别体现在鼻腔、口腔气道内。 结论 建立上气道与气管、支气管生物力学模型，可以从整体上了解呼吸过程中整个上气道至部分支气管中气流的分布情况，为了解与上气道结构相关疾病的发病机制建立数值研究平台。

摘要:目的 应用有限元方法分析锁骨中段骨折分别采用钛制弹性钉（titanium elastic nail，TEN）髓内固定和重建钢板固定后的应力分布、最大应力。方法 利用Mimics软件对锁骨的CT数据进行三维重建，建立无损锁骨、锁骨中段骨折，分别采用TEN髓内固定和重建钢板固定的三维有限元模型。运用Abaqus 6.9软件对建立的模型进行有限元分析，模拟锁骨远端250 N轴向载荷及250 N垂直载荷下，计算三者锁骨远端位移、最大应力及应力分布等情况。 结果 轴向载荷下锁骨远端轴向位移为TEN固定模型（0.23 mm）>无损锁骨模型（0.14 mm）>重建钢板固定模型（0.11 mm），垂直载荷下锁骨远端垂直位移为TEN固定模型（5.12 mm）>无损锁骨模型（3.71 mm）>重建钢板固定模型（2.25 mm）。轴向载荷锁骨最大应力为TEN固定模型（33.1 MPa）>重建钢板固定模型（18.7 MPa）>无损锁骨模型（15.5 MPa）；垂直载荷锁骨最大应力为TEN固定模型（146.3 MPa）>无损锁骨模型（64.1 MPa）>重建钢板固定模型（56.1 MPa）。两种载荷下TEN固定模型锁骨的应力分布均与无损锁骨模型较接近；垂直载荷下重建钢板固定模型锁骨的应力分布与无损锁骨模型明显不同。内植物最大应力，轴向载荷为TEN固定模型（191.5 MPa） >重建钢板固定模型（52.3 MPa），垂直载荷为TEN固定模型（1 248.0 MPa） >重建钢板固定模型（421.7 MPa）。结论 TEN髓内固定治疗简单的锁骨中段骨折，锁骨应力分布更接近于正常锁骨，但其骨折端锁骨及TEN应力均较大。重建钢板固定锁骨中段骨折，其固定效果更稳定，但应力遮挡效应更明显。因此，对于简单移位的锁骨中段骨折，建议采用TEN髓内固定治疗，但术后早期患肩应避免过度锻炼及持重。

摘要:目的 探讨不同脱细胞处理方法对猪尾椎间盘纤维环生物力学特性及组织结构的影响，为构建组织工程纤维环提供实验依据。方法 取新鲜猪尾纤维环60个，随机分为4组，每组15个。Triton X-100组（A组）：先将纤维环放入Tris-HCl低渗缓冲液中振荡48 h，再用TritonX-100、DNase Ⅰ和RNase A对纤维环脱细胞处理；SDS组（B组）：将纤维环冻融3次，接着用SDS、DNase Ⅰ和RNase A对纤维环脱细胞处理；胰蛋白酶组（C组）：用含胰蛋白酶、DNase Ⅰ和RNase A的Tris缓冲液对纤维环脱细胞处理；对照组（D组）：纤维环不做任何处理。采用HE染色与扫描电镜方法，观察各组脱细胞情况以及纤维环超微结构的变化；采用生物化学和生物力学方法检测各组纤维环的胶原含量、氨基葡聚糖（GAG）含量及力学参数。结果 与对照组比较，HE染色及扫描电镜可见A、B、C 3组均无细胞残留；A组纤维环超微结构未见破坏，C组纤维环超微结构可见轻度破坏，B组纤维环超微结构可见明显破坏。A、B、C 3组纤维环胶原含量与对照组比较无统计学差异（P>0.05），但GAG含量均明显低于对照组（P<0.05）。A、C两组的力学参数（极限载荷、极限应力、韧度、弹性模量、断裂功耗）与对照组无统计学差异（P>0.05），B组上述力学参数均低于对照组（P<0.05）。结论Triton X-100组处理后的猪尾椎间盘纤维环无细胞残留，结构无破坏，基质成分及力学性能保存良好，适合于构建组织工程纤维环。

摘要:目的 研究低渗联合冻干技术改良制备的脱细胞神经支架材料的组织学和生物力学特性。方法 采用低渗联合冻干技术对传统脱细胞神经支架材料进行改良，脱细胞完成后通过HE染色和扫描电镜观察各组神经组织的组织学结构；利用Mimics软件测定脱细胞神经支架的孔隙率及空隙直径；并采用Endura TEC ELF3200力学仪器测试各组神经的生物力学特性。 结果 改良组所获得的脱细胞神经的脱细胞效果与传统脱细胞方法组相似，但组织结构更为疏松；传统脱细胞组和改良脱细胞组平均孔隙率分别为34.5%、49.3%，空隙直径分别为11.96、17.61 μm；生物力学测试结果表明各组神经的生物力学特性（极限载荷、极限应力、极限应变、断裂功耗等）经检验无统计学差异（P＞0.05）。结论 低渗联合冻干技术制备的脱细胞神经可作为一种更有利于细胞复合的神经支架材料。

摘要:目的 在COMSOL关节软骨计算中引入胶原纤维增强特性，并分析引入前后模型结果的差异。方法以软骨中胶原纤维的走向为基础，对胶原纤维的应力单独建模，将胶原纤维的应力写入到原来软骨多孔弹性模型中。为避免应变2次项的出现采用了函数调用方式，同时提高求解器的迭代次数以更好收敛。结果 胶原纤维增强模型表面的Y方向初始位移仅为15 μm, 是非增强模型的17.6%。增强模型的X方向正应变仅为非增强模型的10%，而近表面的X方向正应力超过非增强模型的10倍。结论在COMSOL关节软骨计算中实现了胶原纤维增强特性的引入，为软骨胶原纤维损伤提供了计算模型和理论分析。胶原纤维通过横向增强约束了竖直方向的应变，提高了软骨承载能力，改善了软骨的力学性能。

摘要:目的 通过研制的飞行员颈肌训练器，测试并进行不同时段军机飞行员颈肌强度训练，评定颈肌强度训练的效果。方法 使用CME-1颈肌强度训练器，以等长和CVR训练模式对军事飞行员和军事锻炼员分别进行2、3和6周时段训练，测定不同时段训练后颈肌强度并评价训练效果。结果60名军事飞行员不同时段训练周期训练后前屈、后伸、左右侧屈4个方向平均颈肌强度、平均10 s最大冲量均值比训练前提高明显（P<0.05）；训练3周各肌群平均颈肌强度均值的相对增长率分别为47.3％、44.8％、70.5％和59.6％，平均10 s最大冲量均值的相对增长率分别为49.3％、41.3％、65.0％和55.5％。第3周时段训练后的后伸肌群平均10 s最大冲量均值比第2周时段训练后有所提高，但差异无显著性（P>0.05）。11名军事锻炼员经过6周颈肌强度训练后，各方向平均颈肌强度、平均10 s最大冲量均值比训练前明显提高（P<0.001）。训练6周后各肌群平均颈肌强度均值的相对增长率分别为71.1％、83.7％、78.6％和75.2％，平均10 s最大冲量均值的相对增长率分别为136.9％、138.5％、114.1％和114.4％。 结论 本研究为不同机种飞行员制定颈肌强度军标提供生理依据，对颈肌强度较低的飞行员颈肌训练提供方法，为高性能战机、舰载机飞行员的颈肌训练周期和颈肌强度训练目标提供参考。

摘要:力学微环境作为诱导骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs）分化的重要调控因素，逐步使干细胞研究体系在细胞生物力学层面进行深入拓展，导致对细胞生物力学特性、力学基础结构单元、细胞间力学网络架构的研究成为热点。本文通过综述BMSCs力学特性分析、整合素和钙粘蛋白的力学分子基础研究，结合隧道纳米管的内部骨架结构和力学几何性质，推测并构建了网络力学调控的主体框架，且探讨了力学网络微环境中上述重要力学结构协同作用的可能性。