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2018年第33卷第1期文章目次

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    医用生物力学编辑部
    2018, 33(1).
    [摘要](1689) [HTML](0) [PDF 325.72 K](3169)
    摘要:
    2  封面
    医用生物力学编辑部
    2018, 33(1).
    [摘要](1621) [HTML](0) [PDF 682.78 K](2613)
    摘要:
    3  锁骨接骨板预弯塑形的生物力学研究
    彭远来 ,  马新硕 ,  危紫翼 ,  杨展宗 ,  李梅 ,  霍尔凡 ,  朱保璋 ,  祁昕征 ,  王慧枝 ,  郑诚功
    2018, 33(1):1-5.
    [摘要](2116) [HTML](0) [PDF 1.35 M](1331)
    摘要:
    目的 比较解剖型锁骨板与重建型锁骨板的生物力学特性，并探究预弯塑形及反复弯制对重建型锁骨板生物力学性能的影响，为临床治疗锁骨中段骨折提供生物力学依据。方法依据解剖型锁骨板的形状对重建型锁骨板分别进行1、2、3、5次弯制，通过静态压缩实验测试并比较各组试件的生物力学差异性。结果 解剖型骨板固定刚度和强度显著优于重建型未弯制骨板。人工预弯１次后的重建型骨板与解剖型骨板间固定刚度和强度差异不明显。弯制对骨板力学性能有较大影响，且弯制1次后骨板固定刚度和强度明显提高。骨板仅弯制1次后再弯制会明显降低骨板的力学性能。结论 与锁骨贴合度更高的解剖板和弯制1次的解剖型重建板与未塑形重建板相比，固定刚度和强度更佳。建议术者在使用重建型锁骨板进行骨折固定手术时，应根据患者锁骨解剖形态进行适当的预弯塑形，并尽量减少重复弯制次数，以维持骨板的刚度与强度。
    4  骨水泥对椎体成形术治疗胸腰椎骨质疏松压缩性骨折的生物力学影响
    李家琼 ,  王冬梅 ,  孙璟川 ,  杨勇 ,  史建刚
    2018, 33(1):6-12.
    [摘要](2346) [HTML](0) [PDF 1.60 M](1118)
    摘要:
    目的 运用有限元方法模拟椎体成形术中骨水泥剂量对不同骨质疏松程度胸腰椎T11～L3生物力学影响，为术前骨水泥注射量的选择提供理论依据。方法 基于CT图像建立胸腰椎T11～L3有限元模型并验证。建立12个不注射骨水泥的不同骨质疏松程度椎体对照组模型，向椎体L1分别注射1.8、3.6 mL骨水泥，建立24个不同骨质疏松程度的骨水泥增强椎体有限元模型。在椎体T11上表面施加500 N垂直载荷和7 N·m力矩并计算分析椎体在垂直、后伸、前屈、侧弯及扭转工况下的应力和位移。结果 注射骨水泥后，扭转载荷下椎体应力和位移变化最大。与对照组模型相比，注射1.8 mL骨水泥时，随椎体骨质疏松程度加重，扭转载荷下椎体L1应力从增加55.0%上升到87.7%，位移从减小6.5%上升到32.0%；最大骨质疏松程度的椎体T12和L2扭转应力变化率分别为3.6%和5.7%。注入3.6 mL骨水泥时，随椎体骨质疏松程度加重，扭转载荷下椎体L1应力从增加288.5%上升到313.8%，位移从减小8.9%上升到44.7%；最大骨质疏松程度的椎体T12和L2扭转应力变化率分别为7.3%、7.6%。结论 骨质疏松程度的加重和骨水泥注射量的增加会引起椎体应力增加，特别是扭转载荷下椎体应力变化最大。对骨质疏松程度严重的骨折椎体选择小剂量骨水泥以避免较大的应力增加，且应限制病人的扭转活动。
    5  动力气囊压垫纠正桡骨远端AO C3.1型骨折残余侧方移位的三维有限元分析
    魏成建 ,  陶宝琛 ,  张满臣 ,  夏均青 ,  梅伟
    2018, 33(1):13-17.
    [摘要](2163) [HTML](0) [PDF 1.34 M](1037)
    摘要:
    目的 运用有限元分析法对动力气囊压垫纠正桡骨远端AO C3.1型骨折手法复位后残余侧方移位的压强调整进行量化研究，验证其纠正侧方残余移位的有效性。方法 采用Imageware 13.0、 Mimics 15.0、ANSYS Workbench 15.0等建模、分析软件，高效仿真模拟动力气囊压垫纠正桡骨远端骨折手法复位后残余1 cm侧方移位，对纠正残余侧方移位距离与动力气囊压垫压强的相关性进行量化分析。结果 气囊扎带约束载荷恒定情况下，在动力气囊压垫的压强调整过程中，应力主要分布在骨折断端气囊压垫放置部位。纠正桡侧1 mm残余移位所需压强约为2.4 kPa，纠正背侧1 mm残余移位所需压强约为1.3 kPa。残余移位复位后，动力气囊压垫进行泄压，此时气囊扎带的恒定约束载荷与骨折断端的摩擦载荷可有效防止其再移位。结论 在气囊扎带恒定约束载工条件下，智能气囊小夹板可通过动力气囊压垫进行压强调节，有效纠正桡骨远端AO C3.1型骨折手法复位后的残余侧方移位，并防止其再移位。
    6  室间隔缺损封堵器的有限元建模及分析
    李逸明 ,  孙锟 ,  宋成利
    2018, 33(1):18-23.
    [摘要](1942) [HTML](0) [PDF 1.69 M](1243)
    摘要:
    目的 分析编织角度与材料对室间隔缺损（ventricular septal defect, VSD）封堵器使用效果的影响，为器械设计提供理论依据与指导。方法 建立3种编织角度（30°、45°、60°）封堵器的有限元模型，分析比较两种编织材料镍钛合金（nickel titanium, NiTi）、聚对二氧环已酮（poly-p-dioxanone, PPDO）封堵器在腰部分别受径向和轴向载荷下的支撑效果。结果 5 kPa径向载荷下，30°、45°、60°NiTi封堵器的腰部径向刚度分别为8.60、1.51、0.99 mN/mm3，45° PPDO封堵器腰部径向刚度为7.35 mN/mm3。0.5 rad轴向弯曲下：30°、45°、60° NiTi封堵器腰部最大径向形变分别为1.17、1.24、0.22 mm，45° PPDO封堵器腰部最大径向形变为0.54 mm。结论 同种材料情况下，编织角度为60°的封堵器腰部径向刚度最小，径向支撑性能最佳；60°封堵器腰部最大径向形变最小，轴向弯曲性能最佳，顺应性最好。同种编织角度情况下，NiTi封堵器腰部径向刚度较小，径向支撑性能较佳；PPDO封堵器腰部最大径向形变较小，轴向弯曲性能较佳，顺应性较好。
    7  失水后干豆荚的结构与力学性能
    曾羽涵 ,  徐鹏 ,  师凡迪 ,  崔莹莹 ,  王丽珍 ,  樊瑜波
    2018, 33(1):24-29.
    [摘要](2271) [HTML](0) [PDF 2.14 M](1304)
    摘要:
    目的 研究失水后豆荚的结构与力学性能，探究豆荚扭转开裂而撒射种子的生物力学机制。方法 通过组织学、显微结构材料学观察、力学性能测试和高速摄像，分析绿豆荚的分层情况以及各个细胞层细胞尺寸和方向的区别，观察豆荚弹射过程，并总结豆荚弹射的原理。结果 豆荚弹射过程是从豆荚的尾部开始出现裂痕，从下往上逐渐裂开。同一个豆荚的不同两片细胞排布相反，每片豆荚分为4层，其中外层上表面和中层细胞互相正交, 且在两层正交的细胞层中间有一层细胞壁破裂的细胞。在豆荚成熟失水过程中，外层纤维发生收缩，中层纤维发生拉伸。结论 豆荚纤维在正交方向失水收缩，累积弹性能，产生预应力，最终通过豆荚开裂来释放。
    8  个性化足跟痛缓冲鞋垫的生物力学研究
    章浩伟 ,  李磊 ,  刘颖 ,  任筱倩
    2018, 33(1):30-36.
    [摘要](1746) [HTML](0) [PDF 1.68 M](1181)
    摘要:
    目的 研究带有不同结构后跟垫的个性化鞋垫对足跟痛患者足部应力集中的作用效果。方法 结合统计学和有限元分析方法，建立足跟痛患者足部及个性化鞋垫有限元模型，仿真模拟不同鞋垫对足跟痛患者足部软组织内外及足底筋膜应力的作用效果。结果 足部软组织内部所受应力高于足底表面，足底筋膜应力在第3根筋膜上的应力最高。裸足站立时足跟区软组织内部应力峰值是表面峰值的1.34倍，足底第3根筋膜的应力为1.50 MPa。通过正交试验得到的优化鞋垫模型能够降低足跟区软组织内部应力峰值51.0%，同时缓解足底第3根筋膜应力11.3%。结论 带有竖轴椭圆形、蜂窝状孔槽结构后跟垫的个性化缓冲鞋垫方案较优，后跟垫能辅助跟骨脂肪垫吸收或缓冲震荡，较好地减轻足底应力分布集中的同时具有缓解足底筋膜张力的作用。结果有助于认识足跟痛足部的应力分布情况，对研究足跟痛的病理和治疗具有重要的意义。
    9  基于有限元法的跟骨生物力学分析
    林娟颖 ,  刘晓颖 ,  邢立杰 ,  郝艳华 ,  黄贤伟
    2018, 33(1):37-41.
    [摘要](1942) [HTML](0) [PDF 1.45 M](1224)
    摘要:
    目的 基于有限元方法分析跟骨的生物力学特性。方法 通过CT扫描，利用Mimics、Geomagic等软件，建立跟骨有限元模型，并分析在正常站立和外力冲击下跟骨的应力分布和位移趋势。结果 在正常站立情况下，跟骨应力、应变整体分布均匀，应力、应变均较小；在受到外力冲击作用下，跟骨的整体应力、应变有明显的上升，其跟骰关节面的应力、应变明显增大。结论 通过有限元方法分析跟骨中立位时在不同加载情况下跟骨的应力、应变情况，进一步探讨跟骨的生物力学特性以及跟骨骨折发生机制，为临床跟骨骨折治疗提供一定的理论依据。
    10  楼梯行走足底压力与表面肌电参数研究
    张峻霞 ,  蔡运红 ,  窦树斐
    2018, 33(1):42-47.
    [摘要](1713) [HTML](0) [PDF 1.45 M](1226)
    摘要:
    目的 探究上下楼梯时的足底压力和表面肌电参数，为动力式助行器足部结构设计、动力元件选型和安装位置分布提供理论支撑。方法 招募10名健康男性青年进行楼梯行走，利用运动捕捉系统、足底压力系统和表面肌电系统采集足底压力的峰值压强、压力中心轨迹（COP轨迹）和各块下肢肌肉的肌电参数。结果 与平地行走相比，楼梯行走时站立相时间占整个步态周期的百分比增大；上楼时前足部分峰值压强增大，下楼时足趾区域的峰值压强减小；楼梯行走时，股直肌、股二头肌、内外侧腓肠肌对人体稳定性起主要作用。结论 在设计动力式助行器足部结构时应充分考虑足底压力的分布情况，选择动力式助行器动力元件的安装位置和型号时应考虑主要肌肉的作用。
    11  皮质骨切开辅助大鼠正畸牙齿移动有限元分析
    张维奕 ,  王超 ,  杨崇实
    2018, 33(1):48-54.
    [摘要](1600) [HTML](0) [PDF 1.88 M](997)
    摘要:
    目的 仿真模拟大鼠皮质骨切开后正畸牙齿移动，分析切开手术对大鼠牙颌结构力学分布的影响。方法 建立大鼠正畸牙齿移动三维有限元模型，模拟皮质骨切开手术，并根据加载方向及牙根部位对牙周膜及根周牙槽骨进行细分，计算磨牙与切开骨块初始位移及各细分区域内牙周膜、牙槽骨的应力、应变分布。结果 上颌第1磨牙在正畸力作用下近中倾斜移动，最大位移集中于牙冠远中尖；皮质骨切开能增加牙槽骨块初始位移。牙周膜最大主应变集中于近远中颈部，最小主应变集中于远中根尖部；皮质骨切开对牙周膜应变的分布及水平有明显影响；皮质骨切开能够明显增加牙槽骨中应力水平，并使高应力区集中于牙根近中牙槽嵴。结论 皮质骨切开能够改变正畸矫治力在牙齿及牙周组织中的分布，使其有利于局部牙槽骨改建，实现快速正畸牙齿移动。研究结果有助于从生物力学角度认识皮质骨切开辅助正畸牙齿移动机制。
    12  压应力对破骨细胞活化的影响
    张玲莉 ,  赵一龙 ,  雷乐 ,  郭健民 ,  邹军
    2018, 33(1):55-61.
    [摘要](1628) [HTML](0) [PDF 1.83 M](988)
    摘要:
    目的 建立3D水凝胶细胞模型，同时采用不同强度、频率、时间压应力作用于破骨细胞，观察压应力对破骨细胞分化的影响，探讨抑制破骨细胞分化的适宜压应力方案。方法 M-CSF和RANKL诱导骨髓单核细胞成破骨细胞，3D细胞水凝胶种板后，次日进行压应力干预，设计不同强度、频率压应力梯度方案对细胞水凝胶进行干预，对照组细胞不进行干预。分组如下：G0（对照组）、G1（1%，0.5 Hz，4 h）、G2（2%，0.5 Hz，4 h）、G3（3%，0.5 Hz，4 h）、G4（1%，1.0 Hz，4 h）、G5（2%，1.0 Hz，4 h）、G6（3%，1.0 Hz，4 h）。在此基础上，通过统计学计算出有效的强度和频率压应力方案后，按照不同干预时间施加压应力，分组如下：D1（4 h）、D2（8 h）、D3（12 h）、D4（16 h），每组两个孔。加压干预结束后即刻收集细胞，将RNA反转录为cDNA，再对样本中的Ctsk mRNA、NFATc1 mRNA、TRACP mRNA、M-CSF mRNA和RANK mRNA进行定量检测。结果 RANK表达水平显著依赖于压应力的强度和频率（P＜0.01）；TRACP的表达水平显著依赖于压应力的强度（P＜0.01），且强度和频率两者对TRACP的表达量出现交互作用（P＜0.01）；Ctsk的表达量水平显著依赖于压应力的强度（P＜0.05）和频率（P＜0.01），且两者之间出现交互作用（P＜0.01）。加压8 h M-CSF的表达量比加压12 h（P＜0.01）和16 h（P＜0.05）的低。加压8 h RANK的表达量比加压12 h（P＜0.05）和16 h（P＜0.01）的低。加压16 h Ctsk和NFATc1的表达量比加压4 h和8 h的高（P＜0.05）。结论 在3D水凝胶模型中，以1%强度、0.5 Hz频率、8 h的压应力干预方案能够抑制破骨细胞的分化。研究结果为通过适宜的运动预防骨质疏松、提高峰值骨量奠定理论基础。
    13  基于正交试验的股骨干骨折内固定系统螺钉布局的参数化研究
    盛伟 ,  纪爱敏 ,  陈长胜 ,  方润心
    2018, 33(1):62-69.
    [摘要](2082) [HTML](0) [PDF 1.35 M](977)
    摘要:
    目的 评估锁定钢板固定股骨干骨折时不同螺钉布局对股骨干骨折内固定系统稳定性的影响，为股骨干骨折内固定系统螺钉布局的临床研究提供指导。方法 针对4组螺钉的3个参数化水平进行正交试验方案设计，分别对9组不同螺钉布局的股骨干骨折内固定系统进行生物力学有限元分析，得出各组试验的4项考察指标：接骨板最大等效应力、螺钉最大等效应力、股骨最大等效应力及内固定系统最大轴向位移，并利用权矩阵分析方法进行正交试验数据分析。结果 不同组别螺钉参数对内固定系统稳定性的影响权重不同，4组螺钉参数中对内固定系统稳定性影响的最大权重分别为13.86%、7.57%、7.53%及5.91%。结论 正交试验中螺钉布局的最佳方案为第1组螺纹孔不固定螺钉，第2组螺纹孔固定单皮质螺钉，第3、4组螺纹孔固定双皮质螺钉。
    14  林氏腰椎提拉旋转斜扳手法力学特点分析
    范志勇 ,  李黎 ,  田强 ,  王金玲 ,  赖淑华 ,  郭汝松 ,  吴山
    2018, 33(1):70-75.
    [摘要](1618) [HTML](0) [PDF 1.31 M](999)
    摘要:
    目的 采用多点薄膜压力测试系统研究腰椎提拉旋转斜扳手法，以阐明手法的力学特点。 方法 21名男性推拿操作者分专家组、熟练者组、初学者组，连续在压力测试系统上操作7次，每人均重复3次，将收集的图形及数据指标进行处理分析。结果 专家组手法操作时间-力曲线的图形规律，平均预加载力为(147.25±26.04) N，持续时间为(0.98±0.20) s，谷值平均值(79.22±9.50) N，最大冲击力(706.26±56.21) N，扳动时间(0.44±0.09) s，扳动速度(1 666.33±411.91) N/s，冲量(310.95±56.67) N·s。熟练者手法与专家组手法图形基本相似，各组指标相差不大，但平均最大冲击力相对较小，为(464.51±53.49) N。初学者手法图形轨迹大致可分为3类，Ⅰ类杂乱无章型，无规律可循；Ⅱ类只有冲击相无预加载相，且最大冲击力大小不一；Ⅲ类既有冲击相又有预加载相，且力量较稳定，但两者力度均偏小。结论 多点薄膜压力测试系统可很好地显示林氏腰椎提拉旋转斜扳手法力学特点，是林氏手法动力学参数量化研究较理想的测试工具。试验结果为手法的直观显示、量化、标准化提供了科学依据。
    15  跑鞋与着地方式对跑步损伤的影响
    张力文 ,  马云茹 ,  朱晓兰 ,  刘卉
    2018, 33(1):76-81.
    [摘要](1820) [HTML](0) [PDF 1.20 M](1695)
    摘要:
    长跑是骨骼肌肉系统损伤发病率最高的运动健身项目之一，与跑鞋和着地方式有很大关系。在百链云图书馆和谷歌学术数据库中检索有关跑鞋和着地方式与跑步损伤关系的生物力学研究，最终选择42篇进行文献综述，发表时间为1981～2016年。跑鞋所宣称的缓冲和动作控制的作用并未得到证实，裸足跑作为更自然的跑步方式得到提倡。前脚掌着地的跑步方式对膝关节的损伤更小，但踝关节和跖骨的负荷较大；后跟着地则相反。因此，跑步者应根据自身情况选择适合的跑步方式。但转变跑步方法对跑步者下肢生物力学特征的影响尚未明确，这方面的研究会对跑步者转变跑步方式提出更好的建议。
    16  有限元法在腰椎融合术与置换术生物力学研究中应用进展
    张振军 ,  孙艺萄 ,  廖振华 ,  孙学君 ,  刘伟强
    2018, 33(1):82-88.
    [摘要](1706) [HTML](0) [PDF 1.42 M](963)
    摘要:
    回顾近年来有限元法（finite element method, FEM）在腰椎椎间融合术与人工椎间盘置换术生物力学中的研究进展，并对其应用前景进行展望。通过归纳整理，得出FEM在腰椎椎间融合术与人工椎间盘置换术生物力学中的研究要点是手术方案的优化选择、植入器械的性能评价和临床手术的效果预测。最后依据当前的研究要点和发展方向，对FEM在个性化手术模拟、弹性内固定性能评价和新型术式效果预测等方面的应用前景进行展望。通过对FEM在腰椎椎间融合术与人工椎间盘置换术生物力学研究中的应用进展进行回顾和展望，以期为临床腰背痛疾病的手术治疗提供更加全面和系统的理论指导。
    17  Notch信号通路在骨重建中的作用
    何子豪 ,  于志锋
    2018, 33(1):89-94.
    [摘要](1778) [HTML](0) [PDF 1.22 M](1092)
    摘要:
    Notch信号通路在胚胎发育、神经系统、血管系统、内分泌系统及肿瘤等领域具有广泛的影响。近年来的研究表明，Notch对于骨组织代谢尤其是骨重建有着重要的调控作用，而骨重建的调节紊乱和骨质疏松、骨关节炎等疾病的进展密切相关。Notch信号通路可以通过调控骨组织不同细胞的功能从而影响骨重建过程，但其在不同细胞中具体的参与方式仍然未知。综述近年来Notch信号通路在骨重建中的作用研究进展。

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