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2017年第32卷第4期文章目次

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    • 1  目录
    医用生物力学编辑部
    2017, 32(4).
    [摘要](3087) [HTML](0) [PDF 367.54 K](2986)
    摘要:
    2  封面
    医用生物力学编辑部
    2017, 32(4).
    [摘要](2980) [HTML](0) [PDF 787.85 K](3318)
    摘要:
    3  运动损伤生物力学研究
    郝卫亚
    2017, 32(4):299-306.
    [摘要](2787) [HTML](0) [PDF 888.38 K](1220)
    摘要:
    所有专业和业余运动员都承受着各种急性或者慢性运动损伤，损伤形式随项目不同而各异。生物力学研究是确定运动损伤危险因素和损伤机制的关键。运动损伤生物力学研究一般采用实验、建模仿真以及统计模拟3种方法。从运动损伤的流行病学特征出发，对相关生物力学研究进行较为全面的整理和总结，希望为开展运动损伤生物力学研究、运动损伤防护研究、临床与康复治疗等提供理论基础。
    4  具有详细解剖学结构的1岁学步儿童头部有限元模型构建及验证
    贺丽娟 ,  毋乃卿 ,  阮世捷 ,  李海岩 ,  王春祥 ,  崔世海
    2017, 32(4):307-312.
    [摘要](2495) [HTML](0) [PDF 2.13 M](1167)
    摘要:
    目的 构建详细的1岁学步儿童头部有限元模型，探究其颅脑损伤机制，完善人体有限元生物力学模型数据库。 方法 基于我国1岁儿童真实详细的头部CT数据，借助医学软件Mimics获得头部几何结构数据，利用逆向工程软件划分NURBS曲面片和构建工程模型，利用有限元前处理软件划分网格，参照解剖学和尸体实验等数据，验证1岁学步儿童头部有限元模型的有效性并初步分析其损伤机制。 结果 构建了中国男性1岁儿童头部有限元模型，模型包括并区分了大脑及小脑的灰质和白质、海马体、囟门、矢状骨缝、冠状骨缝、脑干、脑室等，几何尺寸符合解剖学统计数据。利用头部模型重构了儿童头部静态压缩尸体实验和跌落尸体实验，结果表明，该头部模型与尸体实验表现了相近的力学特征，验证了模型的有效性。计算表明不同压缩速率下颅骨刚度不同，会导致不同损伤结果。结论 所构建的包含详细解剖学结构的1岁儿童头部有限元模型具有较高的生物仿真度，借助构建的模型可分析深部脑组织各部位的详细损伤情况，特别是闭合性颅脑损伤，为相关研究及临床应用提供有效的工具和手段。
    5  生物软组织超弹性及夹持过程仿真分析
    董红建 ,  张勤河 ,  刘明 ,  谭磊 ,  张洪才
    2017, 32(4):313-318.
    [摘要](2681) [HTML](0) [PDF 1.71 M](1239)
    摘要:
    目的 确定生物软组织的超弹性本构方程，并在此基础上研究生物组织夹持过程的力学响应规律。方法 以新鲜的猪肝脏组织为研究对象进行破坏性单轴拉伸实验，并在ABAQUS中对单轴拉伸实验过程进行仿真，通过对比仿真结果与试验数据确定猪肝的超弹性本构方程。以此为基础分别选用尖齿形及波浪齿形夹头对组织的夹持过程进行有限元仿真。结果 采用4阶Ogden模型开展拉伸实验的仿真结果与试验数据吻合度较高。组织夹持仿真结果表明，采用尖齿形夹头更容易产生应力集中。结论 可以采用4阶Ogden模型描述猪肝的超弹性，并确定相关参数。采用尖齿形夹头更容易造成组织夹持损伤，且组织应力与夹持进给量基本成线性关系。研究结果为手术钳头的设计提供参考。
    6  肿瘤生长过程中时间延迟在肿瘤免疫系统中的作用
    解静辉 ,  赵同军 ,  郝芳芳 ,  封贺
    2017, 32(4):319-324.
    [摘要](2444) [HTML](0) [PDF 1.73 M](1170)
    摘要:
    目的 通过理论的方法研究肿瘤生长过程中时间延迟在肿瘤免疫系统中的作用。方法 建立肿瘤与免疫系统相互作用的数学模型，在肿瘤Logistic生长函数中引入时间延迟，通过解析和数值的方法研究免疫系统与肿瘤细胞相互作用的过程。分析肿瘤的状态与时间延迟的关系，并与肿瘤免疫编辑过程的各阶段相对应。结果 理论分析和数值模拟表明，当时间延迟量很小时，肿瘤免疫系统处于稳定状态。当时间延迟量变大时，肿瘤免疫系统进入肿瘤免疫编辑过程中的平衡和逃逸阶段，进而描述了肿瘤的状态从休眠发展为恶性的过程。结论 在肿瘤免疫系统相互作用过程中，时间延迟起到关键的作用，不同的时间延迟能够导致不同的肿瘤状态。研究结果有助于加深临床上对肿瘤免疫系统相互作用的理解，为分析肿瘤的状态和治疗提供参考。
    7  淫羊藿苷对过载损伤后成骨细胞凋亡和骨架的影响
    刘迎节 ,  侍才洪 ,  陈凡平 ,  郝宝辉 ,  李昊 ,  李军 ,  徐云强 ,  李瑞欣 ,  张西正
    2017, 32(4):325-330.
    [摘要](2108) [HTML](0) [PDF 1.89 M](1165)
    摘要:
    目的 研究淫羊藿苷对过载损伤后成骨细胞的凋亡和细胞骨架的影响。 方法 应用四点弯曲加载装置模拟过载损伤力学环境，建立过载损伤模型，依据力学加载前后是否加入药物干预，实验分为空白对照组、单纯给药组、单纯损伤组、预防给药组和损伤治疗组。应用细胞流式术进行细胞凋亡检测。应用特异性荧光染料分别标记微丝蛋白和细胞核，在激光共聚焦显微镜下观察细胞骨架的变化。 结果 与对照组比，过载损伤组的凋亡率最高，单纯给药组最低（P<0.05）；在过载处理组中，与单纯过载损伤组比，预防给药组的凋亡率最低（P <0.05）。单纯过载损伤组的细胞皱缩变形，微丝排列紊乱，骨架排列疏松，轮廓模糊，骨架甚至出现破碎等现象。预防给药组细胞骨架形态变化不大，细胞核未见明显变化。 结论 淫羊藿苷可以在一定程度上抑制过载损伤后成骨细胞的凋亡，维持细胞骨架稳定。
    8  植体弹性模量变化对牙种植体和骨组织应力分布的影响
    吕越 ,  徐侃 ,  王立强 ,  傅远飞
    2017, 32(4):331-335.
    [摘要](2329) [HTML](0) [PDF 741.73 K](1096)
    摘要:
    目的 通过三维有限元法分析，探讨植体弹性模量变化对牙种植体和骨组织应力分布的影响，为新型牙种植系统的研究提供实验依据。方法 应用螺旋CT数据，建立下颌骨和种植体模型。设定植体弹性模量分别为110、90、70、55和40 GPa，模拟咬合状态，在垂直、水平、斜向分别施加300、100、130 N的静止载荷，计算并分析各组在3种载荷下植体周围骨组织和牙种植体各部分的应力。结果 随着植体弹性模量的降低，水平和斜向载荷下牙种植体周围皮质骨受到的应力会随之降低，种植体的应力也呈逐渐减小趋势。结论 降低牙种植体材料的弹性模量有利于载荷在种植体和周围骨组织中的传导，降低种植义齿晚期失败的风险。
    9  利用动网格技术模拟动脉粥样硬化 发展过程
    徐翔宇 ,  郭攀 ,  王小峰 ,  唐永斌 ,  敦勃文 ,  李倩
    2017, 32(4):336-341.
    [摘要](2126) [HTML](0) [PDF 1.82 M](1199)
    摘要:
    目的 通过在FLUENT计算流体动力学分析软件中调用自主开发的用户自定义函数（user defined function，UDF）动网格程序，实现网格节点根据壁面切应力（wall shear stress，WSS）判据进行移动更新,并将此方法应用于模拟动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）的发展过程中。方法 二次开发的UDF程序能够在计算过程中提取壁面各节点处WSS结果，若满足阀值判据条件则进行移动调整。采用弹性光顺与局部重构相结合的网格再生方法调控网格模型的更新，保证变形过程中的网格质量。结果 UDF程序成功提取出WSS并调整网格进行相应变形。初始狭窄造成的尾部涡流导致血管壁出现近端局部扩张，远端再狭窄的形貌特征，临床血管造影存在相似形貌。结论 自主开发的UDF程序达到了预期效果，勾勒出了WSS影响下AS的形貌特征。在今后研究中可以考虑在动网格的变形控制方面添加更多影响因素,为AS临床预后及风险评测提供数值依据。
    10  大肠组织端端吻合的有限元建模与分析
    艾辽元 ,  葛书晨 ,  许晶晶 ,  李明阳 ,  毛琳 ,  宋成利
    2017, 32(4):342-347.
    [摘要](2434) [HTML](0) [PDF 1.37 M](1106)
    摘要:
    目的 分析吻合钉成钉高度与组织损伤和吻合压力之间的关系，为医生选择合适的吻合钉钉匣及成钉高度提供理论依据和指导，提高手术的安全性。方法 分析吻合钉与大肠组织交互作用，并建立大肠端端吻合的有限元模型，比较壁厚为1.0~1.5 mm的大肠组织在4种不同成钉高度时的应力分布以及径向平均应力变化。结果 壁厚为1.2、1.3、1.4、1.5 mm的大肠组织，在对应成钉高度为1.0、1.1、1.2、1.5 mm时，吻合面径向平均应力分别为56.0、58.6、59.7、57.3 kPa，与最佳吻合压力58.8 kPa接近；最大应力出现在吻合钉与组织接触位置，其值分别为2 783、1 750、1 940、2 030 kPa。结论 吻合手术不能完全避免组织损伤，应力集中一般存在于组织与吻合钉接触的区域；将组织压缩50%~60%时成钉，吻合效果最优。
    11  起床过程中腰椎应力动力学响应
    张涵 ,  朱卫平
    2017, 32(4):348-354.
    [摘要](2299) [HTML](0) [PDF 1.59 M](1074)
    摘要:
    目的 揭示起床过程中腰椎间盘的应力响应特征。方法 根据实验数据，建立并验证考虑材料非线性和各向异性属性的全腰椎有限元模型，在此基础上模拟并计算人体从仰卧、起身、左转到坐在床沿完整过程中腰椎主要结构的应力分布和动态变化情况。结果 起床过程中腰椎间盘纤维环、髓核及终板的应力大小和分布不断变化，各节段的应力集中在背侧，L4~5上最大，应力峰值出现在当躯干从仰卧起转过35°~62°之时，分别是坐稳时的3倍、仰卧时的17倍。结论 L4~5椎间盘后侧是损伤和退变高发区，在日常活动中实际承受的应力可能要比以往按静态测算的应力更高，影响范围也更大。动力学模拟能更全面深入地了解腰椎间盘的负载特点，为防治相关腰椎疾病提供科学依据。
    12  不同运动状态下模拟人体腰椎结构特征变化的有限元分析
    秦大平 ,  张晓刚 ,  聂文忠 ,  宋 敏 ,  曹林忠 ,  蒋宜伟 ,  杨学锋 ,  赵文韬 ,  张宏伟
    2017, 32(4):355-362.
    [摘要](2332) [HTML](0) [PDF 1.96 M](1079)
    摘要:
    目的 比较不同运动状态下正常与退变腰椎节段三维有限元模型的应力变化特点及量效关系，分析中医推拿手法对退变腰椎节段力学调衡作用机制。方法 建立完整、真实人体脊柱退变腰椎节段（L4~5）三维有限元模型，模拟腰椎节段前屈与后伸的生理活动。在加载外力即中医推拿手法作用下，分析退变腰椎节段的应力变化特点以及外加载荷逐渐递增过程中退变腰椎节段的应力变化，并与正常腰椎节段在不同运动状态下的应力、应变改变趋势进行对比。结果 在不同运动状态下，人体腰椎节段椎间盘内应力分布、髓核、纤维环等结构的弹性模量随着腰椎退变程度的增加呈逐渐增大的趋势。中医推拿手法作用后能改变椎间盘内的应力分布，一定程度地增大椎管内的空间，使神经根所受的应力减小，椎体、小关节应力、椎弓根应力后伸位大于前屈位；椎间盘内部应力前屈位大于后伸位；且均由上至下呈逐渐增大的趋势。结论 中医推拿手法对人体退变腰椎节段力学环境的调衡起到改善和治疗腰椎间盘病变的目的。同时，与人体正常腰椎节段三维有限元模型对比，从生物力学环境与特性改变角度研究腰椎退变的过程，能够为中医推拿手法在临床中预防和治疗脊柱退行性疾病的推广应用提供科学依据，也为中医推拿手法有效地预防和治疗脊柱腰椎节段病损的生物力学机制的研究提供新研究思路。
    13  随动载荷对腰椎小关节接触力的影响
    都承斐 ,  李俊伟 ,  刘海英 ,  黄云鹏
    2017, 32(4):363-368.
    [摘要](2004) [HTML](0) [PDF 1.50 M](947)
    摘要:
    目的 研究不同大小随动载荷在腰椎不同姿态下对小关节接触力的影响。方法 建立非线性三维有限元腰椎模型（L1~S1）,并考虑小关节软骨的非均一厚度和非线性材料特征。对腰椎模型施加不同大小的随动力预载荷（0、0.5、0.8、1.2 kN）以及7.5 N?m不同方向上（前屈、后伸、侧弯、轴向旋转）的纯力矩，对比各运动节段两侧小关节上在不同加载工况下的接触力，并定量研究随动载荷对小关节不对称性的影响。结果 随动载荷的应用会增大屈伸以及侧弯（同侧）状态下的小关节接触力，而减少侧弯（对侧）时的小关节接触力，而且这种增大（或减小）效应会随着随动载荷本身的增大而减弱。对于轴向扭转，预载荷对小关节力几乎没有影响。在腰椎不同的姿态下，随动载荷对于小关节接触力不对称性的影响按大小排列依次为：侧弯（同侧）、前屈、侧弯（对侧）、后伸、轴向扭转。结论 随动载荷对腰椎小关节接触力的影响随腰椎运动姿态的不同而不同。在腰椎的生物力学研究中，小关节的不对称性需要被充分考虑，尤其是在考虑生理载荷时对腰椎的后部结构研究中。
    14  典型中耳病变对圆窗激振听力补偿性能影响的数值分析
    周凯 ,  刘后广 ,  饶柱石 ,  杨善国 ,  赵禹 ,  徐丹
    2017, 32(4):369-374.
    [摘要](2034) [HTML](0) [PDF 1.55 M](1075)
    摘要:
    目的 研究典型中耳病变对圆窗激振听力补偿效果的影响，为圆窗激振式人工中耳的优化设计提供参考。方法 利用CT扫描和逆向成型技术建立包括中耳和耳蜗的有限元模型，并验证模型的可靠性。再基于该模型，通过改变相应组织的材料属性，分别模拟镫骨环韧带硬化、镫骨不正常发育和锤骨前韧带硬化3种典型中耳病变。通过对比相应的基底膜响应，分析3种病变对圆窗激振听力补偿效果的影响。结果 镫骨不正常发育主要在高频处降低圆窗激振的效果，镫骨环韧带硬化和锤骨前韧带硬化主要恶化圆窗激振低频段的响应。3种病变中，镫骨环韧带硬化对圆窗激振听力补偿效果影响较大，等效声压的减小量可高达17 dB。结论 中耳病变恶化圆窗激振的听力补偿效果，且恶化量较大，设计圆窗激振式人工中耳时需要针对性地提高其作动器的输出量。
    15  多聚甲醛固定对大鼠椎骨黏弹性影响的实验研究
    颉天阳 ,  程朋真
    2017, 32(4):375-379.
    [摘要](1937) [HTML](0) [PDF 1012.79 K](1035)
    摘要:
    目的 观察多聚甲醛固定对大鼠椎骨黏弹性力学性能的影响，从生物力学角度寻找松质骨样品的最佳保存方式。方法 选择8周龄健康雌性SD大鼠20只，手术分离获得完整的腰椎L4和L5共40只，随机平均分为固定组和对照组,固定组置于4%多聚甲醛中固定72 h，对照组置于5 mL EP管内-20 ℃冷冻保存。两组随机各取10只分别行应力松弛和蠕变实验，7 200 s后收集样品并通过显微CT分析其微观结构变化。结果 固定组松弛蠕变曲线相比对照组更加平滑，达到稳态的时间较短，且500 s和7 200 s的松弛蠕变总量明显降低（P＜0.01）。显微CT结果显示松弛蠕变实验会引起骨小梁断裂，且固定组比对照组骨小梁破坏更加严重。结论 多聚甲醛固定法显著降低大鼠椎骨的黏弹性，在力学负荷下更易造成其微观结构破坏，不利于松质骨保存。
    16  一指禅推法的图形和动力学参数测定
    李黎 ,  谢美凤 ,  黄淑云 ,  王金玲 ,  吴山 ,  范志勇 ,  郭汝松 ,  赖淑华
    2017, 32(4):380-383.
    [摘要](2197) [HTML](0) [PDF 1.03 M](1520)
    摘要:
    目的 对一指禅推法动力学参数进行测定，为手法的评价和衡量标准提供量化依据。 方法 应用多点薄膜压力测试系统，检测并记录术者进行手法操作过程中的动态图形，并保存分析相应的参数数据。结果 一指禅推法的平均最大作用力为(11.75±0.88) N，频率为(111.7±6.98) 次/min，周期为(539±35.73) ms，有效做功时间比均大于0.28，波形的均匀性均大于0.927。 结论 通过图形和量化指标可以客观衡量一指禅推法 “持久、有力、均匀”的手法要求，但“柔和、渗透”还缺乏衡量和评价的量化指标。
    17  喙肩弓对肩关节前上方稳定性作用的生物力学研究
    潘昭勋 ,  闵小军 ,  孙超 ,  杜德凯 ,  钟彬 ,  顾长水
    2017, 32(4):384-387.
    [摘要](2043) [HTML](0) [PDF 581.74 K](1036)
    摘要:
    目的 探讨对喙肩弓进行不同程度破坏时肩关节前上方稳定性所受到的影响。方法 选取新鲜成人冷冻肩关节尸体标本36个，随机平均分为3组后进行不同的处理。组1，保留完整的喙肩韧带；组2，破坏一半喙肩韧带；组3，将喙肩韧带全部破坏。然后分别将肩关节标本固定生物力学试验机上进行力学实验；对肱骨干施加轴向压力时，肱骨头向前上方移动，记录肱骨头在50 N压力时的位移距离。结果 在50 N压力作用下，组1、2、3肱骨头位移距离分别为(2.50±0.59)、(5.38±0.71)、(6.49±0.81) mm。3组数据组间比较均存在明显统计学差异(P<0.05)。结论 喙肩弓的破坏会影响肩关节前上方的稳定性。喙肩弓的破坏程度越大，肩关节前上方的稳定性就越差。
    18  骨生物力学特性在骨质疏松症中的改变
    刘奋斗 ,  丁海
    2017, 32(4):388-392.
    [摘要](2070) [HTML](0) [PDF 409.34 K](1097)
    摘要:
    骨质疏松症是一种以系统骨量、骨强度及骨微结构损害为特征常导致骨折风险增加的疾病,是绝经后妇女常见且严重的情况。骨的生物力学特性取决于骨材料数量、质量及其空间结构，主要受骨皮质、骨松质和骨胶原蛋白的影响。当骨质疏松症发生时，骨皮质、骨松质和骨胶原蛋白均发生相应改变，从而导致骨生物力学特性的变化。重点对骨质疏松时骨皮质、骨小梁和胶原蛋白的变化加以概述，以全面认识骨生物力学特性在骨质疏松症中的改变。

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