• 2014年第29卷第4期文章目次
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    • >力学生物学
    • 髋臼假体放置角度对髋臼周围应力分布的影响

      2014, 29(4):299-305. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.305.

      摘要 (2454) HTML (0) PDF 2.90 M (2332) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究全髋关节置换(total hip arthroplasty, THA)髋臼侧重建中不同髋臼假体安放角度对髋臼周围内外应力分布的影响,探索提高THA术后髋臼假体稳定性的方法。方法 基于材料属性的非均匀赋值模型和由不同髋臼假体前倾角(15°,20°,25°)与外展角(40°,45°,50°)的9种组合方式构建包括正常髋模型在内的10种有限元模型,并以正常步行模式单支撑相中的髋关节最大接触力为载荷条件进行求解。以正常髋模型分析结果为对照,按照从定性到定量原则对比分析各模型的内外应力。结果 当髋臼假体的放置角度与正常髋臼的解剖角度(前倾19°、外展46°)最接近时,髋臼周围的应力遮挡现象最明显。此外,当髋臼假体的外展角放置于45°,前倾角在15°~25°变化不会对模型整体应力分布造成较大的影响;而且在15°前倾角条件下,模型不仅在应力分布方面具有良好稳定性,同时在皮质骨和松质骨上应力遮挡现象相比于处于正常髋臼解剖角度时明显改善。结论 对于髋臼的正常解剖形态未发生明显改变且需要接受THA手术的患者,应把髋臼假体放置在正常外展角45°,而前倾角应小于正常解剖前倾角5°左右并居于15°~20°之间。

    • 脊髓受压损伤机制的三维有限元分析

      2014, 29(4):306-312. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.312.

      摘要 (2463) HTML (0) PDF 1.77 M (3446) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 建立胸腰段脊髓的三维有限元模型,通过生物力学实验研究爆裂骨折时脊髓损伤的机制。方法 利用有限元仿真技术,对爆裂骨折时脊髓受压情况进行仿真模拟,并通过与已经验证的模型及体内、体外实验结果相对比的方式对仿真结果进行检验。结果 在爆裂骨折初期,脊髓白质的应变高于灰质。随着骨碎片位移的增加,灰质的应变逐渐上升,最终在骨碎片位移达到峰值时,白质的应变高于灰质。结论 脊柱发生爆裂骨折时,脊髓损伤的严重程度取决于脊髓后部组织的受累情况。脊髓前角(运动功能区)和后角(感觉功能区)发生创伤的顺序也对脊髓损伤的程度有重要影响。临床上,可以通过评估脊髓运动功能区和感觉功能区发生损伤的严重程度,更加准确判断患者病情。对于脊髓损伤过程中应变分布的进一步研究,能够在应对脊髓损伤时采取更为有效的治疗与预防措施。

    • 脑动脉Willis环局部低温的体外模型研究

      2014, 29(4):313-319. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.319.

      摘要 (2350) HTML (0) PDF 2.58 M (2516) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 评价脑动脉低温时Willis环结构对脑组织温度的影响。 方法 基于患者脑血管CT图像构建脑Willis环体外模型,并通过灌流实验经右侧颈内动脉以30 mL/min的速度注入20 ℃冷水至中脑动脉,15 min后停止注入,通过27根和1根空间排布的热电偶观察中脑动脉周围区域以及流体的降温及复温特性,并通过注入染色溶液对冷水影响区域进行可视化。 结果 由右侧颈内动脉进行低温诱导时,冷水溶液主要影响右侧区域,也有少部分通过前脑交通动脉进入前脑动脉;离冷流体所经过的血管越近的区域在较快获得低温的同时,也会有较快的复温速率;由于受多个分叉血管的影响,垂直于中脑动脉流动方向对称区域的温度分布呈非对称性。结论 本文首次运用物理模型对脑动脉低温进行验证,为研究血管结构对脑动脉低温的影响以及设计个性化低温治疗方案提供依据。

    • 药物洗脱支架植入病灶部位后的血流特性

      2014, 29(4):320-326. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.326.

      摘要 (2322) HTML (0) PDF 1.98 M (3253) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究冠脉内植入药物释放支架后的血液流动特性,为临床应用及改善药物洗脱支架的设计提供理论指导。方法 建立病灶部位植入药物洗脱支架后的数值模型,利用计算流体动力学方法进行药物浓度分布及壁面剪切力分布的数值分析研究,并将计算结果与裸金属支架植入后的计算结果进行比较。结果 药物洗脱支架在血流过程中产生的低壁面剪切力区域几乎都伴随着较高的药物浓度分布,而低药物浓度区域则伴随的是较高的壁面剪切力分布,显著地减少了低壁面剪切力区域或低药物浓度区域独立存在的区域。理论上,药物释放支架在药物释放阶段比植入裸金属支架具有优越性。结论 药物洗脱支架能够显著降低支架内的再狭窄率。详细了解药物洗脱支架的流场分布规律将有利于改善药物洗脱支架的设计,进一步提高支架的整体性能,为临床应用提供理论依据。

    • 不同固位技术修复单侧上颌骨缺损的生物力学研究

      2014, 29(4):327-333. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.333.

      摘要 (2350) HTML (0) PDF 2.78 M (2148) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 采用三维有限元分析方法研究卡环、附着体以及颧种植体3种不同固位技术对上颌骨单侧缺损修复的生物力学影响。方法 利用医学图像处理软件Mimics重建单侧缺损上颌骨模型,采用镜像技术生成修复体模型,并建立使用不同固位技术修复的上颌骨有限元模型,模拟口腔咬合状态下上颌骨受力状态。结果 采用颧种植体固位修复的上颌骨健侧及修复侧上腭应力最大,分别为7.399、4.864 MPa;而且采用颧种植固位使得健侧及修复侧上颌骨应力最小,分别为10.46和10.86 MPa;颧种植体自身应力也最小,为15.25 MPa。结论 不同固位技术修复对单侧上颌骨缺损修复效果影响较大。卡环固位及附着体固位由于带有支架可用于分担作用上腭的力,颧种植体固位可通过传递力至颧骨,故可分担作用于上颌骨的力。

    • 儿童切牙整体移动诱导方案的验证和评价

      2014, 29(4):334-338. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.338.

      摘要 (2245) HTML (0) PDF 1.62 M (3619) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 对切牙整体移动的儿童诱导方案进行可行性、有效性分析和评价,估算和分析牙齿表面所受力的大小、方向以及位置。方法 采用CT扫描一个正畸儿童患者的下颌,由此建立下颌切牙、牙周膜、牙槽骨的三维实体模型。然后,通过有限元软件Abaqus计算得到牙周膜外表面的初始应变分布,并将牙周膜外表面的正应变作为牙移动的外部骨重建激励,模拟分析连续更换两次诱导器的诱导效果。结果 牙齿的每周移动量约为0.27 mm,1个诱导周期即1个月移动的总位移量约为1 mm,与实际临床上诱导的效果吻合。结论 本研究结果验证了儿童诱导器对切牙的整体移动具有可行性,为临床的诱导方案制定和优化提供了参考。

    • 膝关节交叉韧带功能束空间曲线长度的三维动态研究

      2014, 29(4):339-345. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.345.

      摘要 (2560) HTML (0) PDF 1.53 M (3360) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 分析前、后交叉韧带功能束在膝关节运动过程中的变化规律,为研究交叉韧带损伤机制和移植物重建提供依据。方法 选取5具无病理改变的膝关节节段标本作为研究对象,精确解剖膝关节前、后交叉韧带的功能束在股骨与胫骨附着点,然后分别于膝关节在0°、30°、60°、90°、120°进行CT扫描,应用Mimics及ANSYS软件对数据进行三维重建,建立包含交叉韧带附着点的膝关节三维有限元模型,最后应用ANSYS及CATIA软件确立前、后交叉韧带功能束附着部及功能束各平行切面的中心点,连接各中心点的长度,拟合得到以上5个角度各功能束中心点之间的曲线距离,即韧带的真实长度。结果 前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)的前内侧束(anterior medial bundle, AMB)在0°~ 90°的范围内随着屈曲角度增加距离逐渐增大,到120°时距离稍有减小;其后外侧束(posterior lateral bundle, PLB)在0°~90°的范围内随着屈曲角度增加距离逐渐减小,到120°时距离稍有增加。后交叉韧带(posterior cruciate ligament, PCL)的前外侧束(anterior lateral bundle, ALB)和后内侧束(posterior medial bundle, PMB)在0°~120°的范围内随着屈曲角度增加距离逐渐增大。交叉韧带各功能束的长度变化在总体上有统计学差异(P<0.05)。结论 在膝关节的屈曲过程中,ACL双束之间起到交互作用,而PCL双束之间起到协同作用。通过建立膝关节交叉韧带功能束的有限元模型,更能真实反映交叉韧带的实际长度,为研究交叉韧带各功能束在运动中的真实长度变化提供了合理的方法。

    • 基于飞行仿真的Herbst机动飞行员过载分析

      2014, 29(4):346-350. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.350.

      摘要 (2326) HTML (0) PDF 1.98 M (2976) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 利用飞行仿真获取Herbst机动中飞行员生理坐标系下的各方向过载,并对获得的典型数据进行分析。方法 依据典型4代机设计参数,在CAD软件中建立飞机三维几何模型,通过飞行仿真获取机体质心6个关键运动参数,根据中国飞行员人体测量数据建立人体三维几何模型;依据座舱和座椅在飞机中的位置建立飞机与人体装配模型;通过人机系统运动学分析获取机动飞行时人体不同部位的各方向过载,对3 km高度、90 m/s速度下开展的Herbst机动进行过载分析。结果 人体胸部、足部和头部各方向过载基本一致,但手部与胸部Gy曲线相差很大,手部过载峰值约为1.6 g;在人体三向过载中+Gx峰值最大,约为3.0 g。结论 使用机体质心过载曲线代替人体过载曲线会带来较大误差,在研究多轴向载荷对操控行为的影响时手部Gy过载曲线不能使用其他部位过载代替。

    • 晕船适应性的指数模型

      2014, 29(4):351-354. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.354.

      摘要 (2409) HTML (0) PDF 540.03 K (2910) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 建立晕船适应性数学模型,为科学制定晕船适应性训练计划提供定量化研究工具。方法 基于晕船适应性规律,建立晕船发生率(MSI)指数模型,以通过拟合训练数据提取航海适应率(AMSI)和适应速率(μ)等晕船适应性参数,并模拟AMSI和μ对MSI的影响。结果 模型能够较好地拟合2次海上适应性训练数据,AMSI和μ在间断性训练中的拟合结果为0.87和0.048,而在连续性训练中则为0.81和0.34。提高AMSI和μ可增强晕船适应性训练效果。 结论 本文建立的MSI模型可用于晕船适应性训练的效果评估和最优策略制定。

    • 足踝生物力学动态仿真实验台的多轴运动和力协同控制系统

      2014, 29(4):355-362. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.362.

      摘要 (2420) HTML (0) PDF 1.04 M (3160) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究足踝生物力学动态仿真实验台的控制问题,提出一套完整的多轴控制算法使实验台在模拟自由度、时间和精度、负荷重量、调试效率等指标上与国际同行相比具有竞争力。方法 设计人体足踝步态实验台,通过5个伺服电机驱动的机构模拟步态的运动过程(5个自由度)。基于对整个步态过程中力加载的科学分析和合理简化,在Matlab中对此多自由度力加载的过程进行建模。提出运用PID迭代学习算法来控制力,并在Simulink中进行仿真分析。基于仿真的参数,在实际搭建的系统上验证该算法的有效性与可靠性。结果 经过4~5次的迭代学习,实验台可以在5 s时间内完成1个支撑相的模拟,3个方向的足底反力(Fz、Fy、Fx)都具有重复性和可控性,在50%的人体体重下Fz和Fy输出曲线与目标曲线的均方根误差分别收敛到20 N和8 N,小于模拟负载的10%。结论 迭代学习控制方法可使足踝步态模拟实验台具有较强的力学模拟能力,提高了实验台的智能性,为后续进一步提高模拟速度和精度奠定良好的基础,其研制对尸体足踝生物力学实验具有重要意义。

    • 男性青年踝关节外侧副韧带损伤后行走步态分析

      2014, 29(4):363-369. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.369.

      摘要 (2602) HTML (0) PDF 1.75 M (3103) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 获取青年男性踝关节外侧韧带损伤者行走时踝关节的运动学和动力学参数,探讨损伤者行走步态的生物力学特性。方法 采用Qualisys MCU500三维运动影像捕捉系统与Kistler三维测力台,对踝关节外侧副韧带损伤者与健康者各15名的行走步态进行三维同步测试。结果 踝关节外侧副韧带损伤者竖直方向的地面反力变化平缓;在支撑时相中前期,损伤者前后方向的力要比健康者大;在步态周期的60%之前,损伤者左右方向的力明显大于健康者。损伤者关节跖屈力矩变化与健康者相似,患侧外翻力矩、外旋力矩最大,损伤者健侧输出功率最大。结论 损伤者踝关节的稳定性下降,行走时步态异常,为减少患侧负荷,健侧出现代偿效应,足着地瞬间加速过度到垂直支撑时相。本研究为预防踝关节以及损伤后的临床治疗以及康复训练等提供一定的理论参考。

    • 外置式人工关节控制下的家兔膝关节再生与功能恢复

      2014, 29(4):370-376. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.376.

      摘要 (2702) HTML (0) PDF 2.14 M (2140) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨仿生运动生物力学环境下关节再生的可能性。方法 采用实验家兔7只,在实验家兔一侧股骨干和胫骨骨干各穿2枚直径1.5 mm 克氏针,分别安装框架平台。然后在体外通过在膝关节内、外侧分别安装模拟膝关节矢状面运动轨迹的平面四杆机构,连接股骨和胫骨上已经安装好的框架平台。在股骨髁和胫骨平台同时截骨去除关节软骨、部分软骨下骨及十字交叉韧带和半月板等结构,但不损伤肌腱起止点,保留关节囊及囊外韧带,保留髌骨和籽骨。术后家兔自然活动。在关节截骨后的愈合过程中定期拍摄X线片,测量关节矢状面的活动度和骨性间隙。结果 7只实验家兔中6例成功安装外置式人工关节,截骨微创骨穿针仿生运动外置式人工关节控制下自然活动。膝关节被动活动范围分别为:术后第1周,极限屈曲位(144.7±15.62)°, 极限伸直位(44.2±25.77)°, 活动度(100.5±29.03)°; 术后第12周,极限屈曲位(139.4 ± 12.92)°, 极限伸直位(40.4±22.04)°,活动度(99.0±23.39)°。截骨术后第12周与截骨术后第1周相比,屈曲位、伸直位和活动度均没有显著差异。X线显示骨性关节间隙依然存在。截骨侧骨性关节间隙明显减小,由截骨术后第1周(4.03±1.84) mm 减小到第12周(2.32±1.05) mm,而对侧正常骨性关节间隙为(1.27±0.22) mm。术后16周拆除外置式人工关节,切开关节囊观察,发现新生白色软骨覆盖截骨再生表面,表面光滑,具有典型关节滑车结构,并且观察到类似韧带的纤维束从再生的股骨下端发出,终止于新生的胫骨上端。术后第25周,所有6只实验家兔截骨再生膝关节屈曲位(148.3±4.75)°,伸直位(48.30±17.57)°,活动范围(100.0±20.80)°;对侧(左侧)正常膝关节屈曲位(148.3±7.5)°,伸直位(21.6±9.09)°,活动范围(126.7±6.88)°。截骨侧、对侧骨性关节间隙分别为(1.4±0.59)、(0.92±0.35) mm。结论 外置式仿生运动人工关节为家兔膝关节再生保留了再生空间,提供了一种运动模拟环境、印证了骨折愈合过程的应力适应性。本研究结果提示仿生运动生物力学环境下,正常家兔膝关节内截骨后再生是可能的。

    • >航空航天生物力学
    • 基于Ilizarov技术原理矫正器在矫正肘关节屈伸挛缩畸形中的临床应用

      2014, 29(4):377-381. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.381.

      摘要 (2619) HTML (0) PDF 883.72 K (2788) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 基于Ilizarov技术原理,设计具有主动矫形力、符合生物力学原理的肘关节矫正器,并研究其临床疗效。方法 将44例创伤后肘关节功能障碍的患者随机分为2组,其中对照组22例给予连续被动运动(continuous positive motion,CPM)治疗,治疗组22例给予肘关节矫正器治疗;所有患者均在治疗3个月后评定治疗前、后肘关节的功能恢复程度。 结果 治疗组患者肘关节屈伸范围均明显优于对照组,有效率为90.91%,明显优于对照组的有效率(81.82%)。结论 本文设计的肘关节矫正器在创伤后肘关节功能障碍康复中有较好的治疗作用,值得临床进一步推广应用。

    • >感觉系统生物力学
    • 隐形矫治技术生物力学研究进展

      2014, 29(4):382-385. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.385.

      摘要 (2579) HTML (0) PDF 846.84 K (3113) 评论 (0) 收藏

      摘要:隐形矫治技术是最新的计算机图象处理和辅助设计技术、快速成形技术应用于口腔正畸领域的产物,它的出现顺应了人们追求美观、舒适、健康的现代治疗观,深受广大患者和医生的青睐,现已应用于临床各类错畸形的矫治,但有关该技术的临床疗效、生物学和生物力学机理的研究还不多。本文就隐形矫治技术生物力学研究进展做一综述,为临床上更加合理、科学、有效地应用隐形矫治技术提供理论依据。

    • 心血管介入虚拟手术力反馈技术

      2014, 29(4):386-392. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2014.04.392.

      摘要 (2383) HTML (0) PDF 1.71 M (2935) 评论 (0) 收藏

      摘要:心血管介入虚拟手术技术可用于心血管介入手术的手术培训、手术导航、手术优化和手术评价等方面。本文介绍了心血管介入虚拟手术系统的结构组成,对国内外虚拟心血管介入手术的研究现状进行讨论,并详细分析了几款代表性产品的工作原理。通过对虚拟心血管介入手术系统中力反馈技术的关键技术开展研究,探讨了心血管介入虚拟手术技术的发展方向,从而提高心血管介入手术的手术训练效果和临床成功率。

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