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2017年第32卷第2期文章目次

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    医用生物力学编辑部
    2017, 32(2).
    [摘要](2472) [HTML](0) [PDF 366.48 K](2522)
    摘要:
    2  封面
    医用生物力学编辑部
    2017, 32(2).
    [摘要](2538) [HTML](0) [PDF 1.25 M](2906)
    摘要:
    3  6岁儿童胸部改进人体模型的建立与验证
    应龙 ,  葛如海 ,  张学荣 ,  周进宝
    2017, 32(2):103-108.
    [摘要](1928) [HTML](0) [PDF 1.69 M](1126)
    摘要:
    目的 提升MADYMO儿童人体模型中原始胸部柔体模型的生物仿真度，深入研究儿童乘员胸部各部位损伤。方法 采用CT图像逆向建模方法，建立6岁儿童胸部有限元模型。通过替换MADYMO假人库中6岁儿童人体模型的柔体胸部，建立带有胸部生物力学模型的改进人体模型。模型采用Kroell成人胸部碰撞试验的Irwin与Mertz缩放通道法，以及Ouyang的儿童尸体胸部冲击试验联合验证。结果 所建胸部模型的响应与缩放通道法和尸体试验数据都较为吻合，胸部模型比原始柔体模型更加准确，且在回弹阶段与尸体试验吻合。结论 所建模型有效性得到验证，可进一步用于车辆正面碰撞乘员损伤的研究。
    4  上楼梯对人工膝关节假体磨损影响的有限元研究
    王川 ,  赵峰 ,  丁文宇 ,  孙艳 ,  樊瑜波
    2017, 32(2):109-114.
    [摘要](2187) [HTML](0) [PDF 2.42 M](1204)
    摘要:
    目的 通过有限元磨损模型研究上楼梯对衬垫磨损的影响，对完善人工膝关节的磨损评估方法、指导假体设计等具有重要的理论和实际意义。方法 基于Archard磨损理论建立人工膝关节衬垫磨损的有限元模型并验证，然后加载正常水平行走（ISO14243标准）和上楼梯的载荷，对比分析上楼梯对衬垫磨损的影响。 结果 水平行走步态载荷下，模型预测的磨损结果与文献实验报道结果一致，模型具有较好的有效性。上楼梯的体积磨损率为每1×106次循环（million cycle, MC）37.10 mm3，显著高于水平行走步态的体积磨损率（16.94 mm3/MC），线性磨损也具有类似的结果。上楼梯内侧平台的磨损区域主要集中在后部，与水平行走时内侧平台的磨损主要发生在中部区域有明显不同。结论 上楼梯作为高载荷、高屈膝角度的日常运动之一，对人工膝关节衬垫的磨损有较大影响，其磨损率和磨损区域与水平行走有明显差异，在人工膝关节的磨损检测和评估中应该给予适当的重视。
    5  波峰数目对Z型覆膜支架生物力学性能影响
    于凯 ,  谷雪莲 ,  胡方遒 ,  李中华 ,  宋成利
    2017, 32(2):115-121.
    [摘要](2212) [HTML](0) [PDF 3.33 M](1160)
    摘要:
    目的 分析Z型覆膜支架波峰数目对覆膜支架生物力学性能，尤其对径向支撑性能及柔顺性影响，为Z型覆膜支架设计以及临床选择提供理论支持。方法 通过有限元方法，建立5、8、10、12四种不同波峰数目的Z型覆膜支架有限元模型，分别施加径向位移载荷和绕z轴40°转动变量以完成压握和弯折的模拟，并提取支架应力、径向支撑力、覆膜应变、横截面变形程度及弯矩作为评价参数。结果 相比波峰数目较多的覆膜支架，压握过程中5波峰覆膜支架具有最大的径向力，提供良好的径向支性能；5波峰覆膜支架在弯折模拟中产生了68 N?mm的最小力矩及67.5%的最小弯折横截面变形程度，并且在弯曲过程中覆膜的拉伸应变较小。结论 Z型覆膜支架波峰数目对覆膜支架生物力学性能的影响显著。波峰数目相对较少的Z型覆膜支架在径向支撑性能及弯曲力矩、横截面形变程度等柔顺性评价方面表现出优势，有利于覆膜支架在血管内的固定贴合，对减少血栓和内漏等并发症具有积极意义。研究结果可以指导Z型覆膜支架优化设计及手术最优选择。
    6  高重力下成骨细胞的力学生物学响应
    李军 ,  孙明林 ,  宋光明 ,  张春秋 ,  李瑞欣 ,  张西正 ,  黃揆 ,  刘迎节
    2017, 32(2):122-129.
    [摘要](2032) [HTML](0) [PDF 1.71 M](1127)
    摘要:
    目的 探讨高重力对前成骨细胞MC3T3-E1形态和成骨功能的影响。方法 将MC3T3-E1细胞按不同高重力分为对照组、5 g组、10 g组、15 g组、20 g组，实验组每次加载30 min连续加载3 d，对照组同步置于除g值外相同的环境中。鬼笔环肽染色考察细胞骨架蛋白形态；ALP活性检测试剂盒检测ALP含量；实时定量PCR检测碱性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)、Ⅰ型胶原(collagen Ⅰ, ColⅠ)、骨钙素(osteocalcin, OC)、runt相关转录因子(runt-related transcription factors, Runx2)的基因表达；Western blot 检测ColⅠ、OC蛋白表达。结果 高重力条件下成骨细胞胞体变薄，细胞表面积明显增大；细胞骨架排列结构变得疏松、松散，微丝肌动蛋白束状结构减少，微丝呈弥散状，有序性降低。成骨分化相关指标ALP、ColⅠ、OC、Runx2的基因均显著上调；ColⅠ和OC蛋白亦呈现高表达。对照组茜素红染色只有极少量面积很小的桔红色结节，高重力加载后各组细胞明显形成面积大小不一的桔红色结节。结论 高重力下成骨细胞可通过骨架结构发生重排引起细胞形态的改变，并近一步通过上调分化相关基因和蛋白表达，有效刺激成骨细胞成熟分化。
    7  矩形微缺损关节软骨在压缩载荷损伤演化的数值分析
    蒋彦龙 ,  门玉涛 ,  陈玲 ,  叶金铎 ,  张春秋 ,  伏虎
    2017, 32(2):130-136.
    [摘要](1766) [HTML](0) [PDF 3.43 M](1068)
    摘要:
    目的 研究软骨在压缩载荷作用下的损伤扩展行为和演变机制。方法 采用有限元方法建立微缺损的纤维增强多孔弹性的软骨模型，对压缩载荷作用下损伤演化过程进行模拟和参数研究，获得不同损伤扩展阶段软骨基体和纤维的应力、应变分布规律。结果 软骨损伤表层和损伤前沿的应变随压缩量的增大而显著增大，两者呈明显的正相关性；在软骨演化过程中同时存在向深层和左右两侧扩展的趋势；软骨中的裂纹和损伤优先沿着纤维切线方向延伸，随着损伤的加剧，软骨横向扩展度明显快于纵向扩展速度。结论 软骨损伤演化过程与纤维的分布有着密切的关系，基质和纤维的损伤相互促进,骨演化速度和程度在不同层区和不同阶段存在变化。研究结果可为软骨创伤性退变的预测及修复提供定性的参考,为临床解释损伤退变病理现象和治疗提供理论依据。
    8  新型内镜连续缝合器械的结构改进及分析
    李明阳 ,  葛书晨 ,  艾辽元 ,  宋成利 ,  胡 冰
    2017, 32(2):137-142.
    [摘要](1719) [HTML](0) [PDF 1.25 M](1039)
    摘要:
    目的 设计一种新型内镜连续缝合器械，用来克服现有内镜缝合器不能一次性连续释放金属夹的不足，并对内镜缝合器的抓钳提出两种改进方案，通过有限元分析方法，验证其改进后的组织抓持效果。方法 比较分析对齿（原有，抓钳A）、交错齿（抓钳B）、折角交错齿（抓钳C）3种结构抓钳在抓取胃壁组织时，组织受到的压力大小及其分布；然后对组织施加7.5 mm拉伸位移，模拟闭合时器械运动以及组织回弹过程的影响。结果 抓钳A、B闭合组织时，最大应力发生在距离转轴最近的第1对齿上，分别为10.39、10.11 kPa。抓钳C闭合组织时，最大应力发生在第2对齿上，为11.35 kPa。抓钳A、B作用的组织，距离转轴越远，其受到抓钳齿的压力越小。而在抓钳C作用下，器械-组织接触面的压力峰值几乎没有变化。在拉伸位移的作用下，抓钳C没有滑脱；而抓钳A、B拉伸位移分别达到5、6.5 mm时从组织上滑脱。 结论 折角交错齿结构的抓钳闭合时对组织的压力峰值较为稳定，在远离转轴的组织上也能提供充分接触，增大了器械-组织界面的摩擦力，使得抓钳具有更好的抗滑脱能力，提高连续缝合器械的闭合效果。
    9  髌股关节紊乱行关节镜手术治疗对髌股关节生物力学改变的三维有限元分析
    钱文多 ,  张开伟
    2017, 32(2):143-147.
    [摘要](1640) [HTML](0) [PDF 1.23 M](960)
    摘要:
    目的 采用三维有限元方法分析关节镜下行外侧髌骨支持带松解、内侧髌骨支持带紧缩手术前、后髌股关节应力分布的改变情况。方法 建立髌股关节紊乱患者关节镜手术前、后髌股关节三维模型，并计算分析在加载200 N载荷下模型在不同屈膝角度（30°、60°、90°、120°）时的髌股关节最大应力和应力分布。结果 关节镜术后模型不同屈膝角度的髌股关节最大应力较术前明显减小；术前髌股关节应力集中在髌股外侧关节面，而术后髌股关节应力得到重新分配。结论 关节镜下外侧髌骨支持带松解、内侧髌骨支持带紧缩手术后，髌股关节不同屈膝角度的应力得到改善，为关节镜手术方法可以有效恢复髌股关节内外侧关节面压力平衡提供客观理论依据。对于临床上存在力线异常的早期髌股关节紊乱患者，建议应尽早手术干预。
    10  膝关节置换术中胫骨截骨厚度对胫骨截面的生物力学影响
    陈清 ,  盛华均 ,  李杏芮 ,  郭玲 ,  杨清华 ,  朱淑娟 ,  吕发金
    2017, 32(2):148-153.
    [摘要](1734) [HTML](0) [PDF 1.27 M](1104)
    摘要:
    目的 获得不同截骨厚度及不同活动状态下胫骨截面的生物力学情况，为临床膝关节置换术截骨厚度及指导患者术后活动提供理论基础。方法 重建下肢骨性三维立体模型，依据全膝关节置换术截骨原则将胫骨近端分别截骨0、5、7、9 mm，对截骨后胫骨模型进行材料属性赋值，并分析站立、慢步、快跑、上楼4种活动状态下的胫骨截面的应力、应变情况。结果 在相同活动状态下，随着截骨厚度的增加，胫骨截骨面的最大应力和位移呈增长趋势。在同一截骨厚度下，随着活动强度的增强，胫骨截面的最大应力和位移总体上呈增长趋势。结论 临床全膝关节置换术时胫骨截骨厚度越大、术后活动强度越强，胫骨截面的应力及应变越大。术中应避免过多截骨、术后应避免高强度活动，可减少胫骨平台的应力及应变，进而有利于假体的长期寿命。
    11  着鞋和触地方式对慢跑时足部受力特征的影响
    杨洋 ,  王熙 ,  傅维杰
    2017, 32(2):154-160.
    [摘要](1905) [HTML](0) [PDF 1.68 M](1080)
    摘要:
    目的 探讨穿鞋和裸足跑在不同触地方式下对足部受力特征的影响。方法 利用Medilogic鞋垫式足底压力测试系统和Kistler三维测力台采集并比较12名健康男性受试者在着鞋与裸足情况下分别进行后跟触地与前掌触地慢跑（3 m/s）时的受力特征，包括冲击力峰值、最大负载率、足底压力峰值以及冲量。结果 （1）后跟触地时，穿着运动鞋可以显著降低最大负载率，并且延缓冲击力峰值出现的时间。前掌触地时，穿鞋时的最大蹬地力量要显著大于裸足；（2）不同触地方式对于足底各区域压力峰值参数的影响相较于着鞋条件更多，主要表现为两种触地方式之间对于足中区和足后区足底压力峰值和出现时间的差异。结论 不同触地方式对于慢跑时的足部受力影响更为显著。穿鞋后跟触地跑能降低冲击负荷，而裸足前掌触地跑则会使足底压力过度集中于足前部，提示慢跑时无论采用何种触地方式均可以通过选择合理的运动鞋来减小足部受力。
    12  颈部肌肉作用下颈椎牵引的生物力学特性
    杨腾飞 ,  王金武 ,  胡志刚 ,  赵为民 ,  叶堃 ,  黄文杰 ,  戴尅戎
    2017, 32(2):161-166.
    [摘要](1785) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](0)
    摘要:
    目的 建立C1~7全颈椎三维有限元模型，研究其在颈部肌肉作用下颈椎牵引的生物力学特性，为临床颈椎牵引的治疗提供参考。方法 建立正常颈椎的三维非线性有限元模型，在此基础上结合临床颈椎牵引的方法，利用生物力学分析软件进行建模仿真，在牵引重量一定的情况下，用后伸0°、10°、20°、30°、40°进行牵引，获得关节力和肌肉力，筛选合适的关节力和肌肉力对颈椎模型进行有限元分析。结果 颈椎后伸牵引过程中，在肌肉力的作用下，颈椎椎体、椎间盘、钩椎关节的平均最大等效应力分别增加4.86、1.79、0.69 MPa, 颈椎椎体的平均最大相对位移在矢状轴、垂直轴方向上分别增加5.53、0.63 mm。颈椎后伸牵引的生物力学特性与文献中的有限元分析结果相近。结论 颈部肌肉对颈椎各椎体、椎间盘以及钩椎关节应力及位移的增加具有较大的促进作用。临床上行颈椎后伸牵引时，应考虑到颈部肌肉的作用，牵引角度不宜过大，推荐0°~20°是颈椎牵引初期相对安全的角度范围。
    13  高压下中耳结构动力损伤研究
    袁银胜 ,  姚文娟
    2017, 32(2):167-173.
    [摘要](1706) [HTML](0) [PDF 959.25 K](1041)
    摘要:
    目的 研究高压对中耳结构造成的损伤。方法 基于CT扫描建立中耳结构有限元数值模型,对模型施加随时间变化的压力，分析鼓膜以及镫骨足板的应力、应变和位移变化。结果 获得的计算结果与相关文献中的试验数据吻合，验证了所建中耳模型的准确性。高压对中耳造成的损伤，随着压力的增加，损伤加重；快速加压使得中耳损伤严重，对内耳的影响较小；慢速加压，也能导致中耳损伤，但在中耳损伤前，内耳会损伤。结论 高压容易导致人耳出现损伤，为避免听力受到影响，在加压过程中要控制好加压速率。
    14  完全磁悬浮心室辅助装置的体外模拟循环系统实验研究
    黄柊喻 ,  党维国 ,  陈琛 ,  马骁 ,  缪进静 ,  徐博翎
    2017, 32(2):174-180.
    [摘要](2012) [HTML](0) [PDF 1.68 M](1073)
    摘要:
    目的 研究我国自主研发的第3代完全磁悬浮心室辅助装置（CH-VAD）对于心衰患者的循环辅助效果。方法 建立一套体外模拟循环系统（mock circulatory system，MCS）。该系统能够模拟人体健康休息状态以及心力衰竭状态，并与CH-VAD协同工作，测试CH-VAD在连续流状态下的辅助效果。另外，对CH-VAD的搏动流控制方法进行测试，该模式采用正弦波速度波形，使CH-VAD的运行与MCS心室周期同步。结果 CH-VAD在正常连续流状态下能够使心衰状态的血流动力学参数（动脉压、心排量）恢复到正常范围。初步的搏动流测试结果显示，当前的速度搏动幅值对血流动力学影响较小，搏动流状态下与连续流状态所对应的平均动脉压、动脉脉压、平均心排量与心排量波形等差异不大。结论 CH-VAD能够通过搏动控制器产生一定程度的速度搏动，提供足够的心室辅助，并可以进一步改良优化，提供符合生理条件的搏动血流。所研制的MCS能够提供心室辅助装置以及其他机械循环辅助装置一个有效、可控的体外测试平台，是机械循环辅助装置设计、优化和验证的重要工具。
    15  牵张应变诱导人牙周膜细胞凋亡过程中Caspase蛋白酶表达的初步研究
    吴雅琴 ,  赵丹 ,  庄嘉宝 ,  胥春
    2017, 32(2):181-188.
    [摘要](1746) [HTML](0) [PDF 1.99 M](1089)
    摘要:
    目的 研究在牵张应变诱导人牙周膜细胞凋亡过程中caspase蛋白酶表达的变化。 方法 对体外培养的人牙周膜细胞分别施加20%牵张应变6、24 h，采用流式细胞术测定细胞凋亡率，采用免疫印迹技术检测caspase-3、-5、-7、-8、-9的蛋白表达，并采用分光光度比色法测定caspase-3、-5、-8、-9的蛋白酶活性变化。 结果 20%牵张应变加载6、24 h可诱导人牙周膜细胞发生凋亡。caspase-3的蛋白表达及蛋白酶活性和caspase-7的蛋白表达在24 h牵张应变作用下较对照组增加，caspase-5、-8、-9的蛋白表达及蛋白酶活性在6、24 h牵张应变作用下较对照组增加。结论 20%牵张应变能诱导体外培养的人牙周膜细胞凋亡，此过程中伴随发生了caspase-3、-5、-7、-8、-9蛋白酶的活化。
    16  流体剪应力作用下VWF-A1A2A3介导的血小板P-选择素的原位表达
    刘思璐 ,  刘晓玲 ,  吴建华 ,  方颖
    2017, 32(2):189-193.
    [摘要](2228) [HTML](0) [PDF 971.69 K](1016)
    摘要:
    目的 探讨流体剪应力（fluid shear stress, FSS）对VWF-A1A2A3介导的血小板表面P-选择素表达的影响。方法 利用平行平板流动腔实验系统，以CD62P：FITC作为血小板表面P-选择素表达的指示剂，采用荧光显微镜观察分析在不同FSS条件（0、1、2 Pa）下，血小板经由VWF-A1A2A3特异介导黏附后P-选择素表达随时间的变化过程，提取特征参数。结果 FSS扣动了血小板激活并产生P-选择素表达的扳机，激活比率受FSS大小和持续时间的正向调节，在1 Pa和2 Pa时的最高激活比率分别为9.42%和14.59%；P-选择素表达水平随FSS作用时间的延长先提高后降低，呈现一个“双相”的变化过程，最佳作用时间为7.5 min；P-选择素表达的荧光峰值随剪应力的增加而上升。结论 血小板P-选择素表达受FSS和VWF-A1A2A3的协同调控，表达水平与力信号的持续时间相关。
    17  不同形状血管中医用支架扩张力学行为的研究进展
    申祥 ,  邓永泉 ,  谢中敏 ,  纪松
    2017, 32(2):194-198.
    [摘要](1815) [HTML](0) [PDF 537.92 K](1122)
    摘要:
    血管支架介入术由于其微创性和高效性成为目前治疗由血管狭窄所引发的冠心病的主要治疗手段，但支架内再狭窄却是影响支架远期效果的最大障碍，严重制约了其实际疗效。首先从支架内再狭窄的形成机制出发，从固体力学的角度回顾了力学环境对再狭窄的影响，并主要阐述近年来支架在圆直、锥形、分叉、弯曲4种不同形状的血管内扩张的研究进展，特别是从支架扩张对血管应力及血管形状的改变与再狭窄间的相关关系方面进行综述。最后，针对不同的血管形状对支架扩张的影响，提出一个旨在提高支架扩张性能及减少再狭窄的血管支架多目标优化设计方法。
    18  骨质疏松性椎体压缩骨折的生物力学研究进展
    张晓刚 ,  赵希云 ,  宋敏 ,  曹林忠 ,  张宏伟 ,  王志鹏
    2017, 32(2):199-204.
    [摘要](1922) [HTML](0) [PDF 693.28 K](1068)
    摘要:
    骨质疏松有关的椎体压缩骨折经常发生在胸腰段的移行区域，是老年患者最早由骨质疏松恶化的骨折迹象，这种骨折可以看作是椎体负荷应力超过本身结构强度时发生的力学事件。对于骨质疏松患者，防止骨质疏松性骨折的发生是所有预防措施、治疗以及研究骨质疏松症的主要目标。通过综述近年来在生物力学方面研究骨质疏松性椎体压缩骨折的新进展，倡导骨质疏松患者及早预防椎体压缩骨折的发生，并在日常生活中避免一些超出椎体负荷安全范围的活动，预防椎体骨折级联的发生。

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