• 2018年第33卷第5期文章目次
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      2018, 33(5).

      摘要 (1413) HTML (0) PDF 318.32 K (1846) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 封面

      2018, 33(5).

      摘要 (1381) HTML (0) PDF 537.75 K (1549) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >力学生物学
    • 拦阻着舰过程中不同百分位人体颈部损伤风险的差异对比

      2018, 33(5):383-399.

      摘要 (1682) HTML (0) PDF 1.43 M (618) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 对比拦阻着舰过程中不同百分位人体颈部损伤风险的差异。方法 利用已建立的人椅背带系统动力学模型和头颈部力学模型,采用文献中典型拦阻着舰过程座椅底部的加速度曲线作为输入条件,开展数值仿真,验证模型的正确性,并得到假人颈部各关节的轴向力、剪切力和弯矩等力学参数。结果 第95百分位假人的剪切损伤Nkm指数高于第5百分位假人。假人上、下部颈椎的Nij指数小于0.2,Nkm指数约为0.65。结论 在拦阻着舰过程中,人体颈部更容易产生由于关节剪切力导致的损伤。研究结果可为评估不同百分位人体在典型拦阻着舰过程中的颈部损伤风险提供数据支持。

    • 膜单元与弹簧单元模拟韧带损伤的生物力学响应

      2018, 33(5):390-395.

      摘要 (1682) HTML (0) PDF 1.04 M (681) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 对比分析膜单元与弹簧单元对颈部韧带生物力学响应的影响。方法 基于现有的6岁儿童颈部有限元模型,将其中的韧带分别用膜与弹簧两种单元类型模拟,进行儿童颈椎C4~5椎段动态拉伸实验和全颈椎拉伸实验。同时采用膜单元模型进行弯曲仿真试验,并分析仿真效果。结果 在C4~5椎段动态拉伸实验中,膜单元仿真与弹簧单元仿真最终失效力分别为1 207、842 N,与尸体实验分别相差0.6%、30.6%;在全颈椎拉伸实验中,膜单元仿真峰值力与尸体实验相差1.8%,弹簧单元仿真峰值力为484 N,与尸体实验相差较大。膜单元弯曲试验仿真效果良好。结论 弹簧单元在模拟受力方面存在一定局限性,而膜单元具有较高的生物仿真度,更能体现韧带的生物力学响应。

    • 密质骨各向异性性质的力学实验及细观分析

      2018, 33(5):396-401.

      摘要 (1516) HTML (0) PDF 1.87 M (705) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究牛股骨密质骨的微观结构特征与其力学行为间的关系。方法 对牛股骨密质骨纵向和横向试样分别进行压缩实验;对破坏后的纵向和横向试样进行断裂路径、断裂表面微结构特征观察;基于复合材料细观力学的理论,分析密质骨中骨单元方向对骨纵向和横向弹性模量及断裂极限强度的影响。结果 纵向试样的压缩弹性模量和断裂极限强度均明显大于横向试样的压缩弹性模量和断裂极限强度;纵向试样的断裂路径与加载方向近似为0°,且比较平直,而横向试样的断裂路径与加载方向近似为45°,且比较曲折;纵向试样断面中存在许多与加载方向平行的条状结构,断面较为光滑,而横向试样断面存在许多圆弧形凹坑或凸起,断面较为粗糙。结论 牛股骨密质骨具有各向异性的力学性质,其各向异性力学性质与骨单元方向密切相关。

    • 仿骨小梁力学性能的多孔结构拓扑优化设计

      2018, 33(5):402-409.

      摘要 (1609) HTML (0) PDF 1.69 M (647) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 基于动物骨小梁结构设计多孔植入物,阐述骨小梁结构的力学性能特点,说明使用仿骨小梁多孔结构植入物在临床治疗中的重要意义。方法 基于动物骨小梁结构的各向异性力学性能,利用拓扑优化技术进行多孔结构设计。根据骨功能原理提出分区、分块重建原则,利用 Micro-CT 图像重建动物骨小梁模型结构;根据代表体元法对模型施加边界约束和外载荷,以求解的力学性能作为优化的目标函数,利用拓扑优化中的变密度法和均匀化方法进行多孔结构设计及优化。结果 骨小梁结构具有各向异性的力学特点。求解发现,松质骨的体积分数在同一截面的边缘到中间主压力位置呈现递增趋势;泊松比无明显变化规律,均匀分布在0.17~0.30 之间;而弹性模量和剪切模量在松质骨主压力位置明显大于其他位置;基于上述结果进行拓扑优化设计,结果显示,优化后模型的泊松比分布在 0.17~0.30,弹性模量误差在 14%以下,最小的仅为 3%,剪切模量误差范围在 8%以下,基本符合最初的设计目标。结论 利用拓扑优化方法设计的多孔结构具有与动物松质骨相同的各向异性特点,同时减少应力集中现象,可以实现特定性能的多孔结构设计,为后续设计临床应用的多孔植入物提供一种合理有效的方法。

    • 人工关节磨损颗粒的分形表征及分类特征分析

      2018, 33(5):410-416.

      摘要 (1231) HTML (0) PDF 1.67 M (674) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究膝关节模拟实验条件下超高分子量聚乙烯(UHMWPE)磨损颗粒的形态及分形表征,对磨损颗粒进行分类特征分析,探讨分形维数与磨损状态的相关性。方法 采用膝关节模拟器以实现模拟膝关节磨损运动,股骨、衬垫分别选用医用锻造CoCrMo合金和UHMWPE。磨损颗粒提取依据标准ISO 17853进行,利用磨粒轮廓自动提取与分形识别系统对磨损颗粒进行分形分析,采用网格划分、聚类分析和遗传模拟退火算法3种模型对磨粒进行分类识别。结果 UHMWPE单体磨粒的分形特征明显,尺寸较大的条形磨屑过渡到尺寸较小的类球形磨粒时,雷达分形维数不断减小,球状磨粒的分形维数 D接近0。遗传模拟退火算法模型磨粒群体分类划分的分形维数内加权误差平方和最小,聚类特征明显。当磨损运行周期较低时,分形维数较大的条状、针叶状和纤维状磨粒占比较大,磨损以犁沟和剥落磨损为主;随磨损周期的延长,大分形维数磨粒占比下降,低分形维数的片状、块状和类球状磨粒占比上升,磨损向疲劳磨损和黏着磨损转变,磨损状态过渡到复合磨损期。当进入稳定磨损期后,各类形态磨粒的占比例变化不大。由于小尺寸磨粒的数量增加,群体分形维数有所减小。结论 以改进雷达图分形方法为基础的磨粒轮廓自动提取与分形识别系统,可用于人工关节磨损颗粒的形态轮廓提取、分形维数计算和参数统计,为人工关节磨粒的识别和诊断提供新的数字化分析工具。

    • 高纯镁在体内定量载荷下的降解行为

      2018, 33(5):417-422.

      摘要 (1334) HTML (0) PDF 1.44 M (577) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 定量研究力学载荷对高纯镁在体内降解的影响。方法 将直径2 mm、长14 mm的圆柱状高纯镁(99.99 wt.%)试件装配到聚醚醚酮(PEEK)制成的圆环上。PEEK环可使镁试件分别处于3种应力状态:无应力、压应力[(6.2±0.6) MPa]和拉应力[(4.6±0.1) MPa]。将不同应力状态的试件植入SD大鼠背部皮下4周后取出。通过试件失重、剩余体积、表面形貌和周围软组织染色分析高纯镁的降解行为。结果 植入大鼠皮下的高纯镁试件均出现降解,并且被胶原纤维囊包裹。受到压、拉应力的试件与无应力试件在失重和剩余体积上无显著差别。在各应力状态下的试件都趋于均匀腐蚀。结论 在体内皮下环境中,PEEK环对高纯镁施加4~6 MPa压、拉应力对高纯镁降解行为无明显影响。研究结果为镁基可降解植入物的设计与临床应用提供理论依据。

    • 不同固定方法治疗Tile C 型骨盆骨折的生物力学稳定性比较

      2018, 33(5):423-428.

      摘要 (1261) HTML (0) PDF 1.67 M (574) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 比较不同固定方法治疗不稳定骨盆骨折的生物力学稳定性,为临床治疗提供参考。方法 使用三维有限元方法,建立一侧骶髂关节脱位合并耻骨支骨折的不稳定骨盆骨折模型(Tile C型),前方采用改良Stoppa入路(anterior pelvic Stoppa approach, ASA)、前方经皮入路(anterior pelvic approach, APA)、传统的髂腹股沟入路(anterior pelvic ilioinguinal approach, AIA)、外固定架(anterior pelvic external fixation, AEF)4种方法固定,后方采用骶髂螺钉固定(sacroiliac joint screw, SIJS)和经皮重建钢板(posterior tension-band plate,PTP)两种方法固定,并比较分析模拟站立状态时8种不同组合固定方法下骨盆环Von Mises 应力、应变分布情况。结果 加载竖直方向500 N载荷后,在前方内固定组中,骨折处的最大应力均被限制在10 MPa以下。内固定前、后方的最大应力分布ASA<AIA<AEF<APA;在相同应力下,平均位移为ASA<AIA<AEF<APA。而在后方固定组中 PTP组在骶髂关节处及内固定后方的最大应力明显小于SIJS组,且在骶髂关节和骨折处的最大总位移和垂直位移也比SIJS组要小。结论 不稳定性骨盆骨折在8种组合方法植入物的固定后均能得到明显改善,但采用ASA、AIA治疗前环损伤的生物力学总体性能要优于APA和AIA治疗的方法,PTP治疗后方损伤稳定性要优于SIJS固定。

    • 锁骨骨折单肩气囊外固定器的力学分析

      2018, 33(5):429-434.

      摘要 (1286) HTML (0) PDF 1.72 M (541) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 针对传统外固定器存在的问题,发明一种新型的单肩气囊外固定器,分析评价该新型单肩气囊外固定器所产生的复位拉伸力。方法 建立人体锁骨的三维有限元模型,对单肩气囊外固定器的加载状况及所产生的复位拉伸力进行全面系统分析,并与传统“8”字绷带外固定器的情况进行对比分析。同时,通过观察实验,对比分析单肩气囊外固定器和传统“8”字绷带外固定器的实际加载情况。结果 单肩气囊外固定器所产生的复位拉伸力比传统外固定器更均匀而且较大,并可由患者自己调节。结论 单肩气囊外固定器对人体肩部的作用力及加载方式更加利于锁骨骨折的拉伸复位和维持锁骨骨折复位位置,而且使得锁骨骨折患者更加舒适。

    • 接骨板不同螺钉布局下骨愈合过程有限元分析

      2018, 33(5):435-441.

      摘要 (1295) HTML (0) PDF 1.95 M (600) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究螺钉布局方式对骨愈合的影响,为相关的骨折治疗提供基础。方法 采用有限元方法研究不同螺钉布局方式下骨愈合过程;采用骨折块应变理论(interfragmentary strain theory, IFS)模拟骨痂的生长变化过程;利用Python语言对ABAQUS进行二次开发,使得迭代过程中骨痂所划分的每个单元都根据IFS理论更新弹性模量,从而模拟骨折愈合过程。结果 不同数量螺钉对骨愈合过程的影响小于不同接骨板工作长度对骨愈合过程的影响;稳定固定的前提下,接骨板工作长度一定时,螺钉数量变化对接骨板或螺钉的应力影响较小;接骨板工作长度不同,对接骨板及螺钉的应力影响较大,且工作长度变化对螺钉上应力变化的影响大于对接骨板的影响。结论 相较于螺钉数量,对于接骨板工作的长度应着重考虑,应当遵循在保证内固定系统稳定的前提下,减少接骨板上的螺钉数量,并对接骨板工作长度的选择进行恰当的选择。

    • 颅内动脉支架的疲劳强度

      2018, 33(5):442-446.

      摘要 (1188) HTML (0) PDF 1.65 M (599) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 分析颅内动脉支架疲劳强度与连接体长度的关系,探究支架发生疲劳断裂的准确位置。方法 采用疲劳断裂的有限元分析方法对3种脑动脉支架进行疲劳寿命分析,并运用Goodman 曲线绘制支架疲劳危险点分布图。基于美国材料与实验学会F2477-07标准,对3种支架的疲劳寿命进行测试。结果 支架连接体长度越长,支架危险点最大等效应力和平均应力越大,危险点分布越接近疲劳极限曲线,支架更容易发生疲劳断裂。Goodman疲劳极限曲线表明,3种血管支架在体内10年的使用时间里是安全的。有限元分析与实验结果表明,支架结构连接点附近区域疲劳寿命较低,支架危险点位于连接处的圆弧部位。结论 血管支架有限元分析的技术合理可行,有限元分析结果与实验数据基本吻合。在支架结构设计时,可以减少连接体的长度,从而提高支架的使用寿命。

    • 中耳结构动力响应对不同病理圆窗封闭的反馈

      2018, 33(5):447-452.

      摘要 (1132) HTML (0) PDF 2.13 M (574) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究耳蜗圆窗病变对中耳结构力学行为的影响。方法 依据临床健康志愿者右耳CT 扫描结果,将CT 扫描数据数值化导入PATRAN软件进行人耳三维有限元模型重建,并应用NASTRAN软件进行流固耦合频率响应分析,通过数值模拟方法探讨中耳结构动力响应对内耳耳蜗圆窗病变的反馈。结果 硬化症导致的圆窗封闭比先天性圆窗封闭使镫骨振幅下降更多,最大达到30.2 dB, 且后者不会对镫骨振动速度产生明显影响。相位角方面,硬化症情况下镫骨和圆窗均最多产生90°变化,且两者保持180°差值;而先天性圆窗封闭情况下镫骨最大有270°变化,同时圆窗相位角变化消失。结论 基于振幅、速度和相位角,镫骨动力行为会对先天性和硬化症导致的圆窗封闭形成不同的反馈表现,研究结果可为未来临床上诊断及修复圆窗病变提供理论支撑

    • 不同康复训练方法对术后拇外翻第1跖列的生物力学影响

      2018, 33(5):453-458.

      摘要 (1341) HTML (0) PDF 1.60 M (581) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究拇外翻术后不同康复训练对第1跖列的生物力学影响。方法 通过拇外翻医学影像数据建立完整的足部三维有限元模型,此模型包括骨骼、籽骨、软骨、韧带、软组织、跟腱等结构。模拟分析拇外翻患者术后被动跖屈和背屈、主动跖屈和背屈、站立位对截骨远端的生物力学影响。结果 被动训练情况下,截骨远端截骨面的应力分布较均匀,且峰值(7.78 MPa)较站立位和主动训练时大;被动训练时的最大位移量(0.98 mm)在前后方向上大于站立位(0.69 mm)和主动训练(0.38 mm)的位移量。结论 被动训练可促进截骨面的接触,并减少截骨端的愈合时间,有利于术后拇外翻患者的康复。

    • 痉挛型脑瘫儿童步态运动学特征

      2018, 33(5):459-464.

      摘要 (1324) HTML (0) PDF 1.31 M (541) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 基于步态分析方法研究痉挛型脑瘫儿童行走的运动学特征。方法 应用便携式步态分析仪对16例痉挛型脑瘫儿童和16例健康儿童平地常速来回行走的步态进行测试,比较痉挛型脑瘫儿童患侧与健侧、痉挛型脑瘫儿童与健康儿童的步态差异。结果 与健侧相比,痉挛型脑瘫儿童患侧单步时间、摆动时间和跖骨离地期显著长于健侧(P<0.05),患侧步频、步速、支撑相末期显著低于健侧(P<0.05)。痉挛型脑瘫儿童患侧步态周期时间、单步时间、站立时间、摆动时间、站立相所占百分比、支撑相中期、摆动前期和跖骨离地期相比于正常儿童均显著增加(P<0.05)。痉挛型脑瘫儿童跨步长、步速、步频、支撑相末期相比于正常儿童均显著降低(P<0.05),拔腿强度也降低(P=0.05)。结论 痉挛型脑瘫儿童行走时稳定性降低,其患侧单步时间、摆动时间、跖骨离地期和拔腿强度或许可以作为敏感指标应用于临床评估,指导脑瘫儿童的康复治疗。

    • >感觉系统生物力学
    • 腰椎椎间融合器及其在椎间融合术中的生物力学研究进展

      2018, 33(5):465-470.

      摘要 (1409) HTML (0) PDF 1.44 M (582) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对腰椎椎间融合术的生物力学研究背景和意义,回顾近年来椎间融合器及其在椎间融合术中的研究进展,并对其发展前景进行展望。主要归纳腰椎生物力学实验方法、椎间融合器和椎间融合术的最新进展,得出椎间融合术生物力学研究的主要方向为:有限元法的建模精细化、传统融合器的几何更优化、新型融合器的临床化和辅助固定方式的多样化。最后对椎间融合术生物力学的发展前景进行展望。通过对腰椎椎间融合术的生物力学研究进行回顾和展望,以期为腰椎疾患的临床手术治疗提供参考依据。

    • 中枢神经发育中的力学-生物学响应与网络形成

      2018, 33(5):471-476.

      摘要 (1355) HTML (0) PDF 1.24 M (540) 评论 (0) 收藏

      摘要:中枢神经发育与成熟过程中,生物力学因素长期以来并未受高度重视。近年来大量研究显示,力学环境等物理因素对神经细胞定向迁移、分化和成熟以及细胞间相互作用具有重要的影响作用。力学因素对脑和脊髓结构和功能的实现具有举足轻重的作用。简要回顾中枢神经发育过程中,神经细胞感受、寻路、调控以及网络塑形中的生物力学作用,并扼要介绍静态和动态力学对神经细胞力学-生物学反应,为未来重建修复中枢神经提供思路。

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