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2019年第34卷第1期文章目次

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    • 1  目录
    医用生物力学编辑部
    2019, 34(1).
    [摘要](1315) [HTML](0) [PDF 543.13 K](2281)
    摘要:
    2  封面
    医用生物力学编辑部
    2019, 34(1).
    [摘要](1222) [HTML](0) [PDF 305.09 K](2156)
    摘要:
    3  安全气囊点爆展开时儿童颈部约束对颅脑损伤的影响
    阮世捷 ,  王海东 ,  李海岩 ,  吕文乐 ,  崔世海 ,  贺丽娟
    2019, 34(1):1-6.
    [摘要](1569) [HTML](0) [PDF 3.97 M](1001)
    摘要:
    目的 探讨在交通事故中安全气囊点爆展开时儿童颈部约束对颅脑损伤的影响。方法基于已构建并经过有效性验证的3岁儿童头部有限元（finite element, FE）模型，采用FE方法模拟气囊点爆展开对离位（out-of-position, OOP）状态儿童乘员头部的冲击过程，研究颈部约束对交通事故中儿童颅脑响应及其损伤机制的影响。结果 颈部约束的头部在受到安全气囊点爆展开的冲击之后，其运动状态与无颈部约束有很大差异，会导致儿童脑组织最大Von Mises应力明显减小，儿童颅脑损伤程度减弱。儿童头部与安全气囊距离为20、25 cm时，有颈部约束的头部脑组织最大颅内压小于没有颈部约束的头部。结论 颈部约束对儿童颅脑损伤响应有较大的影响，用FE方法预测儿童颅脑损伤时应考虑颈部约束的影响。
    4  几何参数对Z型覆膜支架柔顺性的影响
    赵艺文 ,  闫士举 ,  司逸 ,  宋成利
    2019, 34(1):7-13.
    [摘要](1479) [HTML](0) [PDF 2.54 M](1340)
    摘要:
    目的 分析治疗胸主动脉瘤的常用Z型覆膜支架的几何参数对支架柔顺性能的影响及主次顺序。方法 通过SolidWorks软件建立波峰数目、波峰高度、丝径及顶端圆角半径4种因素变化的覆膜支架模型，并导入ANSYS有限元软件进行仿真分析，对支架施加弯曲60°的转动变量，根据最大等效应力、节点反力、弯矩3个评价参数分析支架柔顺性。结果 支架弯曲后，最大应力集中在弯曲内侧；减小支架丝径、波峰高度与波峰数目，支架的柔顺性增强；增大波峰顶端圆弧半径，支架柔顺性增强；丝径与波峰数目对支架柔顺性的影响强于顶端圆弧半径与波峰高度。结论 波峰数目、波峰高度、丝径及顶端圆角半径对覆膜支架柔顺性均有显著影响。研究结果为以后临床支架的选择及优化设计提供理论依据，对减少新发破口等并发症的发生具有积极意义。
    5  镁合金冠脉支架支撑性能分析及其优化
    张宏辉 ,  冯海全 ,  李治国 ,  韩青松
    2019, 34(1):14-20.
    [摘要](1355) [HTML](0) [PDF 8.13 M](1298)
    摘要:
    目的 利用有限元法对支架支撑性进行模拟分析，选用Kriging代理模型理论优化支架结构，为支架的临床治疗及设计开发提供更加科学的参考。方法 通过惩罚函数法建立接触模型，选用广义变分原理作为数值模拟仿真的理论基础，并以Kriging代理模型理论对支架刚度进行有限元优化，研究周向支撑体数目、支撑体长度和初始直径对支架支撑性能的影响。结果 支架的支撑力随着周向支撑体数目和支撑体长度的增加呈现下降的趋势，而随着初始直径的增大呈现上升的趋势；利用Kriging代理模型理论从7款支架中得出：支撑体数目为6个、支撑体长度为1.15 mm、初始直径为1.65 mm是支撑刚度最优支架结构。结论 数值分析与体外实验结果吻合较好，误差在5%以内，实验重复性误差率在0.5%以内，验证了有限元分析的有效性和合理性。镁合金支架支撑性能的优化为新型支架设计及开发提供重要参考依据。
    6  心包纤维取向对压缩性能的影响
    吴泽斌 ,  金昌 ,  王丽珍 ,  唐笑兰 ,  钟生平 ,  樊瑜波
    2019, 34(1):21-26.
    [摘要](1420) [HTML](0) [PDF 4.13 M](1220)
    摘要:
    目的 探究不同纤维取向心包组织压缩后的力学性能，评估对经导管瓣膜耐久性的影响。方法 将心包条分为横、纵、斜向的心包条各12 组，每组中包含3条，其中1条不压缩，另外两条分别在12.5、25 N下压缩1 h。利用单轴拉伸方法对压缩后的心包进行测试，分析其力学性能的变化。结果 不同纤维取向心包在压缩前后均表现出明显的各向异性。压缩前后的割线模量、弹性模量以及极限拉伸强度，总体上都表现为纵向＞斜向＞横向。纵、斜向牛心包在25 N压缩后的平均拉伸强度比值分别为0.92和0.87，压缩前后的拉伸强度比值均有显著性差异（P＜0.05）。横向牛心包25 N压缩后的平均拉伸强度比值为0.97，压缩前后的拉伸强度比值无显著性差异（P＞0.05）。结论 不同纤维取向心包在低应力、短时间下压缩损伤都很小。在经导管瓣膜的设计和制造过程中，应该充分考虑心包纤维取向和压缩后强度变化对瓣膜性能的影响。
    7  基于OpenSim的腰部肌骨系统在体前屈状态下生物力学分析
    詹晓彤 ,  陈强 ,  李志勇
    2019, 34(1):27-34.
    [摘要](1431) [HTML](0) [PDF 6.12 M](1633)
    摘要:
    目的 基于OpenSim软件建立完善的腰部肌骨系统模型，深入了解体前屈状态下腰部肌群的受力情况。方法 在软件现有腰部肌骨模型基础上，通过修改椎间约束，将腰椎还原为六自由度模型。同时，根据Thelen模型对肌肉参数进行修改，建立30岁成年人和70岁老年人肌肉模型，并添加椎间刚度矩阵和等效集中力表征的腹压模型。针对体前屈状态，探究手臂摆动、运动快慢、腹压改变、肌肉老化等因素对腰部九大肌群受力的影响。结果 建立了包含九大腰部肌群的多刚体肌骨系统模型。基于前屈0°～70°的计算发现，手臂的摆动会明显减少腰大肌和腹外斜肌的受力，在完成前屈70°并恢复直立时，运动时间从5 s减小至2.5 s会明显增加腰大肌、腹外斜肌、腹直肌和竖脊肌的受力；其中，在5 s运动情况下，增加腹压能减少腰大肌的受力，而相应的腹外斜肌、腹内斜肌和腹横肌受力则有所增加。在2.5 s运动情况下对比不同状态下30、70岁两种肌肉模型的计算结果，没有发现明显区别。结论 所建模型有效地分析了腰部肌群的受力情况，随着基本理论的更加完善，其在运动力学和康复医疗的应用前景十分广阔。
    8  腰椎经皮内镜下不同部位关节突成形对相关节段活动度的影响
    余洋 ,  樊效鸿 ,  顾党伟 ,  吴卫东
    2019, 34(1):35-39.
    [摘要](1172) [HTML](0) [PDF 3.86 M](930)
    摘要:
    目的 利用三维有限元法评估腰椎经皮内镜下不同的关节突成形部位对椎体活动度（range of motion, ROM）的影响。方法 建立正常L3～5三维有限元模型，模拟腰椎经皮内镜技术分别在L5上关节突“尖部”或“基底部”做直径0.75 cm圆柱状骨切除以模拟椎间孔成形，从而获得正常L3～5模型、关节突尖部成形模型和关节突基底部成形模型。给予特定加载条件，比较3种模型在前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转工况下L3～4、L4～5节段ROM变化情况。结果 L5上关节突尖部成形后，在后伸、左右侧屈、左右旋转状态下L4～5节段ROM均较正常明显增大，以左旋最为明显；L5上关节突基底部成形后，在左右旋转状态下L4～5节段ROM较正常稍微增大。L5上关节突尖部、基底部成形后在6种不同运动状态下临近节段L3/4的ROM均无明显变化。结论 腰椎经皮内镜技术下，L5上关节突尖部成形较关节突基底部成形对L4～5节段ROM影响较大。L5上关节突成型对临近节段L3～4的ROM无明显影响。
    9  微创手术机器人机械臂结构设计与工作空间分析
    李良敏 ,  何超 ,  宋成利 ,  袁帅 ,  张志阳 ,  陈力
    2019, 34(1):40-46.
    [摘要](1522) [HTML](0) [PDF 6.84 M](1481)
    摘要:
    目的 现有双平行四边形机构设计的机械臂需要串联一个伸缩自由度机构，导致机械臂体积增大，运动灵活性降低，持镜臂与持器械臂发生干涉。针对这一问题，提出一种新型机械臂结构，增强运动灵活性、减小机械臂的体积。方法 采用5连杆机构、滑块与滑轨的低副机构和丝传动机构设计机械臂，实现末端执行器的伸缩运动，建立机械臂的运动学模型，以MATLAB为仿真工具验证零位关节角D-H参数的正确性，求解出机械臂的运动方程；同时运用蒙特卡洛算法，得到末端执行器的三维工作空间范围，并对3条机械臂作术前动物实验规划；最后，在猪体内进行胆囊切除等操作，验证机械臂的双5连杆2自由度设计的合理性和可操作性。结果 蒙特卡洛算法在MATLAB环境下得到的工作空间范围为：-650.4 mm＜x＜649 mm,163.8 mm＜y＜1 202 mm,-254.6 mm＜z＜829.8 mm，并成功完成16例猪的胆囊切除实验，平均操作时间为51 min。结论 新型设计的双5连杆2自由度机械臂在猪体内成功完成胆囊切除等操作，且猪术后无其他不良症状，机械臂之间的运动无干涉，充分验证了所提出的微创手术机器人机械臂设计方案的可行性。
    10  基于LabVIEW与6轴机械臂的脊柱生物力学测试系统构建及初步可靠性研究
    晏怡果 ,  谢勇 ,  王程 ,  姚女兆 ,  薛静波 ,  欧阳智华 ,  谭菁华 ,  浣溢帆 ,  齐蔚霖 ,  王文军
    2019, 34(1):47-56.
    [摘要](1162) [HTML](0) [PDF 8.19 M](898)
    摘要:
    目的 构建基于LabVIEW与6轴机械臂的新型离体脊柱生物力学测试系统，进行初步的可靠性研究，为下一步耦合运动测试研究做准备。方法 通过LabVIEW平台编程，用以太网及Profibus通讯的方式，将机械臂的数据实时与计算机进行通讯，实现位移控制、载荷控制，实时读取机械臂末端位置和旋转角度，通过力/扭矩传感器和数据采集卡实现数据采集、处理、储存等功能；使用数显千分表和特制固定夹具完成6个方向平移精准度测试，并对数据进行分析；使用该平台对羊脊柱标本进行屈伸、侧屈和旋转测试，绘制出载荷-位移曲线，分析对比并获得实验结果，验证该生物力学平台的有效性。结果 开发并建立了一套基于LabVIEW与6轴机械臂的高精准度离体脊柱生物力学测试系统，其平均平移精密度为8.1 μm，平均平移准确度为56.7 μm。编写相关机械臂控制及数据采集、处理、储存程序，并有效完成羊脊柱生物力学测试。结论 该基于LabVIEW与6轴机械臂的脊柱生物力学测试系统能高精准度地完成常规的脊柱三维运动测试，可用于下一步开展耦合运动测试研究。
    11  叶片倒角对FDA标准血泵流场和溶血预测的影响
    王晨 ,  徐博翎 ,  吴鹏
    2019, 34(1):57-63.
    [摘要](1320) [HTML](0) [PDF 3.81 M](1158)
    摘要:
    目的 采用计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）方法研究FDA标准离心血泵叶片倒角对流场和溶血的影响。方法 针对FDA标准离心泵，模拟3个工况下水力学性能、流场形态、溶血指数等血泵关键性能，并进一步比较叶片结构有、无倒角时对前述模拟结果造成的影响。结果 血泵叶轮倒角对血泵压头（无倒角特征与有倒角特征压头计算值最大百分比差异为57.38%）、流场等均有影响，从而导致溶血预测值也有显著差别（两者最大误差超过1个数量级）。结论 对叶轮进行有倒角处理有助于优化血泵的性能。研究结果对更好使用CFD辅助血泵的血液相容性设计具有重要意义。
    12  血流切应力对血管内皮细胞PCP信号通路与初级纤毛发生的影响
    刘月华 ,  生燕 ,  欧刚卫 ,  生欣
    2019, 34(1):64-68.
    [摘要](1267) [HTML](0) [PDF 1.99 M](1021)
    摘要:
    目的 研究不同血流切应力（fluid shear stress, FSS）对内皮细胞平面细胞极性通路（planar cell polarity, PCP）的调节作用，进一步探讨FSS、PCP信号通路以及纤毛发生之间的关系。方法 建立可调控FSS的流体动力学细胞培养模型，qPCR以及免疫荧光检测不同FSS作用下PCP信号通路核心蛋白Dvl2及纤毛装配蛋白IFT88的mRNA表达与细胞定位以及两者的共定位，Western bolt (WB) 检测不同FSS作用18 h时Dvl2蛋白表达。结果 qPCR结果显示，与1.5 Pa比较，Dvl2 mRNA的表达量在0.1 Pa FSS作用6 h和18 h时均升高(P＜0.05)、12 h时显著升高(P＜0.01)；IFT88 mRNA表达量在0.1 Pa FSS作用18 h时显著升高(P＜0.01)。WB结果显示，与0 h比较，Dvl2蛋白的表达在0.1 Pa FSS作用18 h时升高(P＜0.05)，在1.5 Pa FSS作用18 h时显著降低(P＜0.05)；与1.5 Pa FSS比较，Dvl2 蛋白的表达在0.1 Pa FSS作用18 h时升高(P＜0.05)。免疫荧光结果显示，Dvl2蛋白阳性表达随 FSS作用时间的增加增多，且逐渐聚集于细胞核周边一点；IFT88蛋白阳性表达在0.1 Pa FSS作用下逐渐由细胞核向细胞质转移并聚集为一点，1.5 Pa FSS作用下逐渐减少且解聚；蛋白Dvl2、IFT88在0.1 Pa FSS作用下均定位于细胞的同一位置，在1.5 Pa FSS作用18 h内均定位于细胞的同一位置，18 h后由于蛋白IFT88发生解聚，未观察到共定位。结论 层流 FSS作用能够抑制PCP信号通路的转导并阻碍纤毛发生，低 FSS促进其转导，且PCP信号通路可能通过Dvl2调控FSS诱导的初级纤毛发生。
    13  microRNA-214-3p在周期性张应变诱导内皮祖细胞分化和增殖中的作用
    李娜 ,  汪文斌 ,  阎靖 ,  齐颖新 ,  韩悦
    2019, 34(1):69-76.
    [摘要](1247) [HTML](0) [PDF 5.60 M](1035)
    摘要:
    目的 探讨microRNA-214-3p（miR-214-3p）在周期性张应变诱导内皮祖细胞（endothelial progenitor cells, EPCs）分化和增殖中的作用。方法 采用FX-5000T细胞周期性张应变加载装置对EPCs施加生理水平的周期性张应变（5%幅度、1.25 Hz频率）, 加载时间24 h。应用miRNAs芯片筛选周期性张应变调控下差异表达的miRNAs，并挑选miR-214-3p进行深入研究。实时荧光定量PCR方法检测EPCs 内平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells, VSMCs）相标志分子的表达，BrdU 结合酶联免疫吸附ELISA法检测EPCs增殖功能。之后，使用miR-214-3p抑制剂抑制miR-214-3p的表达，检测EPC内VSMC相标志分子表达及EPCs增殖。结果 周期性张应变显著抑制miR-214-3p 表达，并抑制EPCs向VSMC相分化，同时显著促进EPCs增殖。在静态条件下，使用miR-214-3p抑制剂干扰miR-214-3p的表达，miR-214-3p水平下降同样会抑制EPCs向VSMC相分化，并且诱导EPCs增殖能力显著上升。结论 生理水平的周期性张应变能够抑制EPCs内miR-214-3p表达，从而抑制EPCs向VSMC相分化，并且促进EPCs增殖。研究结果为血管损伤的治疗提供新的治疗靶点。
    14  可降解高纯镁骨钉在体降解分析
    哈彤 ,  江雄 ,  张阔 ,  高元明 ,  王丽珍 ,  樊瑜波
    2019, 34(1):77-82.
    [摘要](1274) [HTML](0) [PDF 3.17 M](935)
    摘要:
    目的 通过动物实验研究两种高纯镁骨钉的在体降解速率，为高纯镁骨钉的结构设计提供建议。方法 将有、无螺纹的高纯镁骨钉分别植入新西兰大白兔左、右侧股骨髁处。24只实验兔随机分为3组，分别在术后8、12、16周被执行安乐死。通过micro-CT扫描及Skyscan CT-analyser软件分析，比较两种不同形状骨钉的在体降解速率，并分析骨钉降解过程中的应力变化。结果 有螺纹骨钉的初始表面积［(31.70±0.06) mm2］显著大于无螺纹骨钉的初始表面积［(29.56±0.22) mm2］。两种高纯镁骨钉植入8、12、16周后，有螺纹骨钉的降解体积比依次为(26.01±3.44)%、(33.35±5.05)%、(36.84±6.99)%，无螺纹骨钉的降解体积比依次为(22.53±4.78)%、(31.12±6.59)%、(43.22±9.31)%，在相同时间点，两种骨钉的降解体积比之间不存在明显差异。在骨钉植入的16周内，无螺纹骨钉的降解体积与植入时间呈线性关系，有螺纹骨钉的降解体积随植入时间的增加逐渐减小。结论 在低承力环境下，高纯镁骨钉的不同形状设计对其在体降解速率的影响不明显。
    15  剪切流下VWF-A1介导的血小板钙响应
    高绪强 ,  刘晓玲 ,  吴建华 ,  方颖
    2019, 34(1):83-90.
    [摘要](1130) [HTML](0) [PDF 6.39 M](961)
    摘要:
    目的 探讨血流剪切率和VWF-A1偶联介导的血小板钙响应。方法 以Flou-4 AM为胞内钙离子的荧光指示剂，结合平行平板流动腔实验系统和荧光显微镜，实时观测血小板在不同剪切率下流经不同浓度VWF-A1底板滚动、黏附后胞内钙离子浓度的变化。分析力、化学信号对钙响应强度及快慢的影响。结果 在流场条件下，VWF-A1可特异性介导血小板的黏附并发生钙响应。血流剪切率和底板分子浓度正向调节血小板的激活比率，反向调节钙响应的延迟时间。剪切率500 s-1时激活比率是静息条件下的37倍。底板VWF-A1的浓度从60 mg/L提高到240 mg/L，钙响应延迟时间缩短10 s。结论 血流剪切率和VWF-A1协同调控血小板的钙响应。研究结果有助于深化对血流环境下血小板凝血止血反应过程的理解。
    16  一种基于加速度信号的步态稳定性研究
    李晨迪 ,  吴昱 ,  戴尅戎 ,  顾冬云
    2019, 34(1):91-97.
    [摘要](1320) [HTML](0) [PDF 2.20 M](1172)
    摘要:
    目的 通过不同工况下头部和腰部的加速度信号分析人体步态稳定性，与质心（center of mass，COM）-压力中心（center of pressure, COP）法进行对比，探讨应用可穿戴设备进行步态稳定性分析的可靠性。方法 应用基于加速度信号的谐波比（harmonic ratio, HR）参数分析18名健康青年人在3种工况下（穿鞋自然行走、裸足自然行走、不同步速裸足行走）的行走稳定性，并与COM-COP法的评估结果比较。结果 自然步速下步态最稳定，此时HR最大；裸足比穿鞋行走时HR显著减小（P＜0.05），步态稳定性降低。该结果与COM-COP法分析结果一致。综合步速和穿鞋影响因素，基于加速度的HR参数与COM-COP法的步态稳定性评估结果呈显著负线性相关（R2＞0.50），其中腰部HR具有更显著的线性相关性（R2 ＞0.60）。结论 应用基于加速度信号的分析算法可以有效且可靠地评估人体步态稳定性，其中腰部加速度对步态稳定性更敏感。
    17  多模式镇痛下持续髂筋膜间隙阻滞与收肌管阻滞对老年人全膝关节置换术后镇痛及早期康复的影响
    余桂芳 ,  蒋超
    2019, 34(1):98-102.
    [摘要](1171) [HTML](0) [PDF 1.72 M](879)
    摘要:
    目的 观察多模式镇痛下持续髂筋膜间隙阻滞（fascia iliaca compartment block, FICB）和收肌管阻滞（adductor canal block，ACB）在老年人全膝关节置换（total knee arthroplasty，TKA）术后镇痛效果及对早期康复的影响。方法 选择60例行TKA术患者（男34例，女26例），年龄60～75岁。随机分为两组，术后超声引导下0.25%罗哌卡因240 mL自控镇痛泵连续FICB 30例与连续ACB 30例。所有患者以前均未做过膝关节手术。记录TKA术后6、12、24、48 h静息状态和被动屈膝时视觉模拟评分（visual analogue scale，VAS），不同时间评定术后康复训练依从性、膝关节主动活动度（range of motion, ROM）、膝关节功能。结果 ACB组与FICB组患者术后6、12、24、48 h静息痛、活动痛的VAS评分差异无统计学意义（P>0.05）。ACB组与FICB组术后康复训练依从性、膝关节ROM及HSS评分比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）。结论 超声引导下持续ACB可促进TKA术后早期康复。
    18  跟腱运动功能与生物力学特征的研究进展
    张希妮 ,  王俊清 ,  傅维杰
    2019, 34(1):103-109.
    [摘要](1457) [HTML](0) [PDF 853.43 K](2508)
    摘要:
    跟腱是连接足跟和足跖屈肌的关键结构，主要承担运动时小腿三头肌肌力的传递，是下肢在跑、跳时有效完成力/能量储存和释放的关键。现阶段，着地过程中跟腱的非同源性载荷以及过载后的无法完全恢复是跟腱损伤的首要原因，然而，针对预防跟腱损伤的相关手段并不能达到完全康复的效果。针对跟腱的运动功能及其在国内外生物力学领域的应用进行综述，重新考量跟腱在人体跑、跳运动中所起的作用，包括运动中跟腱内/外力学因素的系统关系、训练跟腱的有效方案。积极提升跟腱的力学特性，改善跟腱承受力，使之在一个较优范围，并最终达到提高运动表现，从源头上减少跟腱损伤，将是未来探究跟腱力学运动功能的关键
    19  腔静脉滤器应用现状及生物力学研究进展
    陈颖 ,  邓小燕
    2019, 34(1):110-114.
    [摘要](1241) [HTML](0) [PDF 1.30 M](1404)
    摘要:
    在治疗下肢深静脉血栓的同时为了预防肺动脉栓塞的发生，腔静脉滤器已经在临床上得到广泛的应用。总结腔静脉滤器的应用现状，包括腔静脉滤器的植入方式、滤器分类、滤器植入的适应证和存在的问题（禁忌证、并发症等），分析可降解滤器、药物涂层滤器等新型滤器研究的前沿问题，并阐述近年来国内学者关于滤器结构的血流动力学研究。研究结果为进一步优化滤器结构以及临床应用提供参考。

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