• 2013年第28卷第5期文章目次
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      2013, 28(5).

      摘要 (1931) HTML (0) PDF 324.78 K (3077) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 封面

      2013, 28(5).

      摘要 (1875) HTML (0) PDF 653.28 K (2998) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >力学生物学
    • 下腰椎L4/5与L5/S1节段Coflex动态固定的有限元模型试验设计

      2013, 28(5):477-483. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.483.

      摘要 (2942) HTML (0) PDF 3.63 M (2868) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 模拟临床手术,探讨Coflex动态稳定装置在下腰椎L5/S1退变性疾病中应用的可行性。方法 在第2代中国数字化人体“男性23号”数据集平台上,选取下腰椎骶骨数字模型,运用CAX相关软件建立下腰椎及Coflex应用于下腰椎的3组有限元模型(健康者下腰椎模型、Coflex固定L4/5节段模型及Coflex固定L5/S1节段模型);根据脊柱三柱加载理论和下腰椎生理运动,采用直立、前屈和后伸3种生理载荷分别进行计算、验证和对照分析。结果 建立了健康者下腰椎骶骨有限元模型、Coflex固定L4/5节段有限元对照模型、以及Coflex固定L5/S1节段有限元试验模型。根据3组有限元模型对照试验的稳定性和相容性等各种生物力学指标,发现两种动态内固定方式的下腰椎具有相近的生物力学效果。结论 本有限元模型对照试验的设计为研究下腰椎L5/S1节段Coflex动态固定手术提供了生物力学循证依据,对Coflex植入L5/S1节段这一新手术的临床应用具有指导意义。

    • 半侧上颌骨缺损赝复体修复固位方案的生物力学评价

      2013, 28(5):484-489. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.489.

      摘要 (2464) HTML (0) PDF 3.77 M (2271) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 对3种单侧上颌骨缺损赝复体修复方式——卡环固位、一根/两根颧种植与卡环联合固位进行生物力学评价。方法 基于CT扫描数据建立正常人颅骨的三维有限元模型,通过三维有限元法计算分析3种重建模型中上颌复合体的应力分布,综合比较赝复体、基牙、卡环、种植体、颧骨的应力水平。结果 单一的卡环固位,基牙应力峰值达130.7 MPa,赝复体产生位移4.439 mm,卡环应力峰值达452.4 MPa,健侧眶缘应力为23.32 MPa;加入一根颧种植后,卡环应力减小至118.1 MPa,基牙应力峰值为31.12 MPa,健侧眶缘应力仅为5.387 MPa。两根颧种植体固位方式下,颧骨应力由66.11 MPa减小到48.12 MPa;颧种植体上的最大应力也由500.2 MPa降至313.8 MPa。 结论 颧种植与卡环联合固位,颌面骨骼应力分布更符合咬合力传导规律。研究结果将为人体上颌单侧缺损重建方案设计和优化提供重要参考数据。

    • 建立剪切应力导致椎间盘退变模型

      2013, 28(5):490-495. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.495.

      摘要 (2455) HTML (0) PDF 2.77 M (2505) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 建立剪切应力导致椎间盘退变的在体动物模型,探索剪切应力与椎间盘退变之间的关系。方法 20只成年日本大耳白兔随机平均分成2组。加载组通过手术在动物L4/5节段植入自行研制的剪切应力加载装置,并加载50 N的剪切力4周;对照组只植入加载装置但不加载剪切力。4周后处死所有动物并对所有相关节段的椎间盘做病理检查。结果 术后的影像学检查显示加载装置位于动物腰椎,手术过程和植入的加载装置对实验动物的日常活动与饮食均无影响。病理学检查发现加载组椎间盘的纤维环组织排列紊乱,正常髓核细胞明显减少。结论 新型装置的设计减少了对动物椎体的创伤,并且可以提供可靠的剪切应力;在体动物模型的建立揭示一定的剪切应力可导致动物椎间盘退变,对进一步研究载荷与椎间盘退变间的关系具有较大的意义。

    • 基于PIV技术的人体上呼吸道流场测量实验装置的构建

      2013, 28(5):496-501. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.501.

      摘要 (2341) HTML (0) PDF 2.40 M (2596) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的针对人体上呼吸道气流运动形成涡结构、流动分流、二次流等特点,研制基于粒子图像测速(particle image velocimetry, PIV)技术的人体上呼吸道流场测量实验装置,为开展人体上呼吸道流场特性实验研究提供平台。方法 基于完整人体上呼吸道医学扫描图像制备透明的实物模型,通过选择合适的气路系统,结合二维PIV系统搭建整套实验装置,并利用该装置对人体上呼吸道流场速度进行初步实验,将实验结果和数值仿真结果进行对比。结果呼吸流量为30 L/min稳态呼吸模式下,实验装置测得的气流在口腔上部有涡结构的形成,口腔下部贴近舌苔上部及口腔中部的气流速度较高,其他部位气流速度较低,与数值仿真结果较为一致。结论 基于PIV技术的人体上呼吸道流场测量实验装置合理可行,运行可靠,可用于人体上呼吸道内气流组织形式和涡量分布等测量,并能够实现对数值仿真的验证。

    • PMMA模型股骨与防腐股骨生物力学性能的差异

      2013, 28(5):502-508. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.508.

      摘要 (2368) HTML (0) PDF 2.31 M (2405) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 对比轴向载荷下PMMA模型股骨与防腐股骨的生物力学性能差异,为实验工作者提供较为可靠统一的股骨替代模型。方法 选取PMMA模型股骨和防腐股骨各10根,分别在两种股骨的内外两侧共粘贴49枚应变片,轴向动态连续加载1.2 kN载荷,记录各点应变值及载荷-位移变化情况。结果 两种股骨内外侧的应变变化情况相近,载荷-位移关系均呈线性,不同载荷下两种股骨的轴向位移有统计学差异(P<0.05); PMMA模型股骨和防腐股骨的轴向抗压刚度分别为(259.84±24.63)、(600.40±78.56) N/mm,有统计学差异(P<0.01);两种股骨在股骨近端的应变集中部位相同,但平均应变值应变片1~5号:PMMA模型股骨和防腐股骨分别为(-3 420.63±373.31)、(-1 289.42±417.89) με;26~27号:PMMA模型股骨和防腐股骨分别为(1 748.67±193.98)、(673.42±104.49) με;7~ 10号: PMMA模型股骨和防腐股骨分别为(-4 028.25±267.27)、(-1 139.01±288.83) με;30~36号:PMMA模型股骨和防腐股骨分别为(1 599.02±194.68)、(590.52±153.18) με,有统计学差异(P<0.01)。两种股骨在股骨远端的应变集中部位不同,内外应变正负转变的部位相近;2、26号、6、29号、8、33号应变片的应变值均与载荷呈线性关系,但是两者应变值的差异有统计学意义(P<0.05)。结论PMMA模型股骨在一定程度上可以替代防腐股骨进行股骨中上部的轴向生物力学研究。在股骨获得日益困难的情况下,它为实验工作者提供了较为可靠统一的股骨替代模型。

    • 真实人体口喉模型内气流喷射诱导涡结构演化

      2013, 28(5):509-514. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.514.

      摘要 (2348) HTML (0) PDF 2.62 M (2702) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究咽喉部位射流所诱导的涡结构特征及其演化,加深对咽喉部位气流喷射运动特性以及咽喉部位疾病防治的认识。方法 运用CT扫描和三维重建技术,构建真实人体口喉三维模型,运用大涡模拟数值仿真方法对模型内的涡结构演化过程进行精细模拟。结果 吸气过程中,气流在口腔中部形成多个涡管结构,气流在声门部位形成强烈射流;呼气过程中,气流在咽喉部位产生较为复杂的涡结构。结论 吸气过程中,气流在咽部发生湍流转捩,气管前壁处出现了类似于马蹄形状的“马蹄涡”;呼气过程中,咽喉后壁处射流受到阻碍,形成了“拱状涡”。

    • 腹主动脉瘤的自动化分割及其二维网格剖分技术

      2013, 28(5):515-522. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.522.

      摘要 (2366) HTML (0) PDF 5.61 M (3085) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 讨论腹主动脉瘤断层图像的分割方法及其网格剖分技术,建立可用于有限元计算的二维数值分析模型。方法 采用完全基于形态学的方法完成图像中各个部分的分割,针对每个分割得到的闭合曲线,计算其符号距离函数,然后根据各个曲线的集合关系得到一个最终符号距离函数,在这个距离函数和一个平衡关系的控制下不断使用Delaunay算法,当满足平衡关系或者达到设定的条件时,网格划分终止,有限元模型建立完成。结果 实现血管内腔的自动化分割以及血管壁、钙化点等的半自动化分割;对血管内的不同成分划分网格,并可以控制网格的类型和密度;建立血栓与血管壁耦合以及血栓与血管壁、钙化点耦合的两种有限元模型,并进行相关的应力分析。结论 分割过程中不需要复杂的计算且不需要提供初始化曲线,分割快速、准确;网格划分算法可以产生高质量的网格,网格的生成易于控制;产生的网格可用于实际的计算。

    • 非线性模型在椎间盘黏弹性特性分析中的应用

      2013, 28(5):523-527. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.527.

      摘要 (2320) HTML (0) PDF 768.45 K (3096) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 构建变参数非线性模型,研究人体椎间盘在循环应变状态下的应力松弛特性。方法 采用变参数非线性模型结合椎间盘应力松弛和蠕变反应的实验数据,研究循环应变状态下椎间盘的应力松弛特性,比较线性与非线性模型在循环状态下椎间盘黏弹性特性的差异。结果 采用变参数非线性模型得出的循环模量和松弛系数在0.01Hz循环状态下与实验模型非常接近,得出的循环模量在0.1和1 Hz下也与实验值相近,但是得出的松弛系数在0.1和1 Hz下失真严重。结论 在压缩应变作用下椎间盘经历的是一个非线性的应力行为,非线性变参数模型更符合研究在循环应变下椎间盘应力松弛反应的需要。

    • 关节盘移位对颞下颌关节内应力分布的影响

      2013, 28(5):528-532. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.532.

      摘要 (2278) HTML (0) PDF 983.73 K (3034) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过对不同关节盘移位的数值模拟,探究各种移位情况下颞下颌关节(temporomandibular joint,TMJ)内各结构的应力分布规律。方法 依据CT图像,建立包含下颌骨、全牙列、关节盘和关节软骨的正常TMJ三维有限元模型;参考关节盘前、后、外、内移位的临床特征,建立对应的4个模型。关节盘与关节软骨间考虑接触,用缆索元模拟下颌韧带和关节盘附着,施加正中咬合荷载。结果 前移位将导致关节盘中带产生过高的压应力,达到3.23 MPa;后、内、外移位时关节盘的整体应力水平比前移位和正常TMJ高;各种移位都使关节结节后斜面的应力值大幅度增加,但对髁突关节面的影响却不大。结论 各种移位都将导致关节盘和关节结节后斜面产生过高的应力,且后、内、外移位更为危险,更容易造成关节结构和功能的损伤。

    • 湿骨内压电电压的测试技术

      2013, 28(5):533-537. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.537.

      摘要 (2527) HTML (0) PDF 904.82 K (3511) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 解决测量湿骨内压电效应的方法,实现湿骨内压电效应的测量。方法 设计湿骨压电电压测试系统,采用铂铱电极测取压电信号,并利用超高输入阻抗的生物放大器放大压电信号;由于液体中几乎没有电流流动,即使电极不接触骨试样也可以测量到试样两侧的压电电压。结果 在梯形波加载方式下测量到了电压曲线,并实验证明所测结果为骨试样的压电曲线。试验测量6个骨试样,结果显示湿骨压电电压只有在动态加卸载时才能表现出来,该现象与干骨压电特征相符合。结论 采用铂铱电极测取压电信号和超高输入阻抗的生物放大器实现了湿骨内压电效应的测量。压力加载至9 N时的试样压电电压峰值在-0.75~-1.69 mV。本研究有助于进一步探索骨生长与电信号的关系,最终为临床骨愈合的研究提供理论依据。

    • 采用镜头套筒进行水下数字图像测量

      2013, 28(5):538-541. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.541.

      摘要 (2362) HTML (0) PDF 1.69 M (3064) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究适用于水环境的生物材料力学测试技术。方法 基于数字图像相关法(digital image correlation, DIC)设计独特的镜头套筒,避免水下摄影的畸变,并将该技术应用到鱼鳞的力学性能测试中。结果 水槽平移实验表明:使用镜头套筒可以有效减小水下测量的误差,测试精度可靠。鱼鳞的力学性能测试表明:鱼鳞不同部位的力学性能具有明显差异,而失水后这种差异的显著性降低。结论 设计的镜头套筒能够有效地运用到图像采集系统中,利用DIC技术实现水下生物材料的力学测试。

    • 动态咬合下牙周膜的生物力学分析

      2013, 28(5):542-547. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.547.

      摘要 (2427) HTML (0) PDF 1.77 M (3044) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 分析动态咬合下加载时间、角度因素对牙周膜应力和位移的影响。方法 采用逆向工程技术建立牙周膜厚度为0.2 mm的下颌前牙—牙周膜—牙槽骨的三维模型,在与牙体长轴分别成0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°,由颊侧向舌侧的动态咬合载荷作用下,分析不同周期下牙周膜的应力、位移变化状况。结果 在单周期下,由不同角度载荷引起的牙周膜最大残余应力极大值与最小值之比为5.5,最大位移极值之比为8.1;由5周期引起的最大位移极大值与极小值之比在1.02~1.35内随载荷角度增加;由不同角度载荷引起的最大残余应力极大值与极小值之比在1.86~3.00内随咬合周期数增加;不同角度下最大应力均集中在颈缘舌侧区域, 最大残余应力位置分布随时间在颈缘不同部位间变动;0°载荷下牙根的应力累积最严重。结论 下前牙固定桥基牙选择的临床应用中,应注意牙周膜应力累积情况以及最大残余应力分布的不确定性;临床治疗中,应避免对牙齿施加大角度载荷,尽量减少连续咬合较硬食物。

    • 改进的液电式体外冲击波聚焦粉碎结石术的数值模拟

      2013, 28(5):548-553. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.553.

      摘要 (2408) HTML (0) PDF 2.27 M (2476) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 模拟Dornier HM3碎石机椭球反射体的边缘位置附加不同角度反射器时体外冲击波聚焦粉碎结石术(extracorporeal shock wave lithotripsy, ESWL)的压力场变化。方法 利用空间轴对称Euler方程和混合网格改进的CE/SE数值格式,对ESWL中附加反射器所改变的冲击波聚焦压力场进行模拟。结果 对不同角度附加反射器焦点附近的压力值进行比较发现,附加反射器使整个流场的正负压力峰值显著增大,与没有附加反射器的结果相比增大近50%;压力场中压力峰值随着附加反射器角度的增大而逐渐减弱,45°比0°峰值减少了约25%。结论 在碎石初始阶段,附加反射器带来的能量汇聚效应将结石粉碎成更细的小块,因而可以降低放电轰击频率而达到同样或者更高的碎石效率。数值模拟结果为ESWL碎石机的改进和临床应用提供了可靠的数值计算结果和有益的参考。

    • 兔眼房水引流至不同部位的降眼压效果

      2013, 28(5):554-558. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.558.

      摘要 (2396) HTML (0) PDF 1.08 M (3388) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 观察并比较3种途径(引流至角膜缘、赤道部及眼后节)植入医用硅胶管降眼压的效果。方法 选择健康新西兰白兔45只,单眼植入医用硅胶管将房水引流。根据植入途径分为角膜缘组、赤道部组和眼后节组,每组15只。结果 对各实验组术前、术后眼压值进行统计对比,术后4周内眼后节组降眼压幅度最大(26.6%),赤道部组次之(16.2%),角膜缘组最小(1.2%);术后1、2和4周,赤道部组、角膜缘组、眼后节组的术前、术后眼压值比较差异均有统计学意义(P<0.01);术后4周,眼后节组眼压下降幅度最大,且各组间眼压值差异均有统计学意义(P<0.01)。结论 将房水引流至眼后节时眼压下降幅度大,可为临床手术提供参考。

    • 双层蛛丝蛋白血管支架的制备及其生物力学性能与细胞相容性研究

      2013, 28(5):559-566. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.566.

      摘要 (2523) HTML (0) PDF 1.74 M (3106) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 应用静电纺丝法制备一种双层蛛丝蛋白血管支架,观察血管支架的微观结构,并研究其生物力学性能和细胞相容性。方法 配制纺丝液,通过静电纺丝,以旋转接收棒为收集装置,制备(pNSR16/PCL/CS)/(pNSR16/PCL/Gt)双层蛛丝蛋白血管支架。探讨质量分数和管壁厚度对血管支架孔隙率、爆破强度、拉伸性能、缝合强度和水渗透性的影响,并检测血管支架的细胞毒性和细胞黏附性能。结果 血管支架的微观结构为纤维随机分布的三维多孔网状,爆破强度、拉伸强度和缝合强度大小均与支架的质量分数和管壁厚度成正比,孔隙率、水渗透性和断裂伸长率大小与支架的质量分数和管壁厚度成反比。血管支架爆破强度的范围为43~183 kPa,高于生理血压;缝合强度高于0.19 N,符合体内移植要求;拉伸强度高于人体桡动脉血管,满足体内移植的要求;水渗透性为0.3~0.6 mL?min-1?cm-2。血管支架无细胞毒性,并有利于内皮细胞细胞黏附及增殖。结论 使用静电纺丝法制备的双层蛛丝蛋白血管支架是可行的,其优异的生物力学性能和生物相容性能表明其能应用于体外组织工程血管的构建,具有进一步应用于血管移植物研究的前景,为临床应用奠定了一定的基础。

    • vWF-A1A2A3介导的循环血小板的翻滚运动

      2013, 28(5):567-573. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.573.

      摘要 (2477) HTML (0) PDF 1.25 M (3290) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 揭示血流剪应力对vWF-A1A2A3介导的循环血小板翻滚行为的调控机制。方法 利用平行平板流动腔实验技术,在不同流体剪应力条件下,观察和分析血小板在铺有200 μg/mL的 A1A2A3流动腔底板上的翻滚黏附行为,提取细胞滚动特征参数。结果 血小板在底板vWF-A1A2A3上的翻滚速度和时间、停留时间、停留频率和停留时间比率等参数均呈现双相力依赖的特性,剪应力阈值或拐点均发生在0.8 Pa左右;在剪切阈值水平之下,剪应力的增加可降低细胞滚动速度并增加滚动的稳定性。结论 流体壁面剪应力主要通过调节血小板在A1A2A3上的停留时间来影响其翻滚速度,提示相应的力学调节机制与GPIbα/ A1A2A3黏附键从“逆锁键”向“滑移键”的转化过程相关。

    • 生物型空心松质骨螺钉的力学强度研究

      2013, 28(5):574-579. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.579.

      摘要 (2560) HTML (0) PDF 895.93 K (3325) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研发生物型空心螺钉并评价其力学性能,为今后经螺钉尾部注射富集骨髓干细胞并经螺钉扩散治疗骨折,特别是促进股骨颈骨折术后骨愈合、预防股骨头坏死提供理论基础。方法 对用于股骨颈骨折治疗的内固定TC4钛合金空心松质骨螺钉(直径7.3 mm)进行改良,设计研制封堵尾帽,并在长900 mm的空心松质骨螺钉的螺杆上设计侧孔,侧孔沿螺钉轴线排列,第1侧孔距钉尖20 mm,以后每个侧孔间距10 mm,依次为侧孔0~6个不等。侧孔为0的螺钉作为对照,其余分成平行于孔加力A组和垂直于孔加力B组,应用Instron材料试验机对螺钉进行3点弯曲测试,统计分析侧孔的数量及加压方向与螺钉力学强度的关系。结果(1) 平行于孔加力A组,即当螺钉侧孔方向面对受力方向,侧孔数量为0、1、2个时,螺钉受压应变达到3 mm,最大载荷和弹性模量均没有统计学差异;而当侧孔数量增加至3个以上时,最大载荷和弹性模量均出现明显下降,有统计学意义(P<0.05)。(2) 垂直于孔加力B组,即当螺钉侧孔方向垂直于受力方向,侧孔数量为0、1、2个时,螺钉受压应变达到3 mm,最大载荷间没有统计学差异(P>0.05),侧孔数量为0、1、2、3个时,螺钉的弹性模量间没有统计学差异(P>0.05);而当侧孔数量增加时,最大载荷(≧3个侧孔)、弹性模量(≧4个侧孔)均出现明显下降,有统计学意义(P<0.05)。(3) 当侧孔数≧3个时,垂直于孔加力组螺钉所能承受的最大载荷和弹性模量均高于同等侧孔数目螺钉受到平行于孔加力时的结果(P<0.05)。结论(1) 直径7.3 mm钛合金空心松质骨螺钉的侧孔数目控制在2个以内,对螺钉的力学性能无明显影响;(2) 若螺钉侧孔数≧3个,螺钉侧孔方向垂直于载荷方向较平行于载荷方向,能提供更强的力学性能。本研究为今后生物型空心螺钉的临床开发和使用提供了理论依据和支持。

    • >感觉系统生物力学
    • 初级纤毛在骨组织力学信号传导中的作用

      2013, 28(5):580-583. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.583.

      摘要 (2336) HTML (0) PDF 711.04 K (3386) 评论 (0) 收藏

      摘要:骨组织不断接受力学刺激并保持骨形成和骨吸收的动态平衡。目前,人们仍不清楚骨组织如何感知力学刺激。越来越多的研究表明初级纤毛可能是骨组织力学刺激感受器,并将细胞外的力学刺激信号转化为细胞内的生化信息,最终骨组织实现其结构的重塑。在此,本文将对初级纤毛研究现状进行综述,并预测初级纤毛未来的研究趋势, 为利用初级纤毛来防治骨质疏松症打下基础。

    • 有限元法在脊柱生物力学应用中的新进展

      2013, 28(5):584-590. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2013.05.590.

      摘要 (2990) HTML (0) PDF 746.56 K (3373) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文归纳整理了近3年来使用有限元分析方法研究脊柱生物力学的主要工作,总结了有限元建模方法在建立微观结构以更细致化、常见椎骨参数权重的个性化研究、采用新标定校准和赋值方法使模型更准确化、自动化分网赋值方法4个方面的发展,及其在植入器械设计评估、椎间盘生物力学、异常脊柱结构生物力学、动态仿真4个脊柱生物力学应用方向的主要研究进展。并结合最新的研究趋势,对有限元法在创伤机理研究、手术模拟、新药评估等方面的应用前景进行展望。

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