摘要:

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摘要:在主动健康中，生物力学发挥着不可替代的作用。运动通过肌肉和关节活动对人体组织和器官形成力学刺激，促进健康，也可能导致损伤或病变。另外，在辅具设计与评价、康复临床诊疗中都涉及生物力学。主动健康生物力学的发展需要体育和医学的融合，考虑更多动力学、疲劳和力学耦合问题。在将来的研究中，一方面需要借鉴其他生物力学方向的经验，另一方面结合科技发展前沿开拓生物力学新方向。

摘要:目的 针对高弓足等有足底减压需求的人群，设计一种具有分区域梯度硬度的定制化鞋垫。方法 设计一种功能梯度结构，应用于定制化鞋垫，使鞋垫不同区域具有梯度变换趋势的硬度特征。通过力学试验，研究结构单元参数和模量之间的关系。采集志愿者足部几何形状和足底压力分布数据，根据压力等高线对足底区域进行划分，以此组装结构单元。设计4种定制化鞋垫：普通平板鞋垫、优化平板鞋垫、普通全接触鞋垫、优化全接触鞋垫。通过熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）打印，再进行足底压力测试实验，验证分区域的优化设计。结果 所设计的鞋垫可使高弓足测试者足部峰值压力在静态站立、步态状态下分别降低52.8%、18.43%。结论 该方法可用于设计定制鞋垫，如针对糖尿病足、高弓足的功能鞋垫，提供更好的减压功能。研究结果为临床保守治疗有减压需求的足部疾病提供参考。

摘要:目的 通过一维统计参数映射（statistical parametric mapping, SPM）对比分析男、女性跑者及左右侧地面反作用力（ground reaction force, GRF）差异。方法 30名男、女性跑者在测力跑台上以12 km/h速度进行跑步测试，记录连续5个支撑期GRF，采用一维统计参数映射独立样本t检验与配对样本t检验分别对比男、女性跑者及左右侧GRF差异。结果 男、女性跑者的垂直平均负荷加载率（vertical average loading rate，VALR）左右侧均存在不对称，且男性跑者左侧VALR显著高于女性，而右侧无显著差异；男女性跑者右侧垂直GRF在蹬离期及横向GRF在落地期存在差异，男、女性跑者左侧横向GRF在落地期及支撑中期存在差异；男性跑者左右侧前后GRF在蹬离期、垂直GRF在落地和蹬离期及横向GRF在落地期均在存在差异；女性跑者左右侧GRF仅在垂直方向的落地期和蹬离期存在差异。结论 介绍SPM在GRF数据分析中的应用，阐释相关步骤及原理，对比SPM连续值检验与特征值检验的差异，并讨论参数性SPM与非参数性SPM的差异与特征，为该方法在运动生物力学研究中的应用提供参考。通过对男、女性跑者间及左右侧GRF对比分析发现在落地期、支撑中期及蹬离期等阶段的性别差异及左右侧对称性差异，相关结果为后续进一步探究跑步相关损伤原理及防治措施铺垫基础。

摘要:目的 基于人机工程学和生物力学仿真技术，对人体肌肉进行生物学评价，研究摆幅可调型足部康复机器人的康复策略。方法 在AnyBody中建立人体和摆幅可调型足部康复机器人的人机耦合模型，并对耦合模型进行运动学仿真，将仿真结果与理论计算结果相比，验证耦合模型的可靠性；再利用AnyBody中的参数研究机制对验证后的耦合模型进行生物力学仿真，以足部康复机器人的运动速度和摆幅为变量，分析在不同变量组合下的肌肉活动度和肌肉力。结果 在康复运动中足部相关肌肉的拉伸性能得到有效训练，不同的运动速度和摆幅对肌肉的影响不同，并得出运动速度和摆幅调节的安全范围。结论 实现了不同运动速度和摆幅下肌肉活动度和肌肉力的组合分析，研究结果对足部康复机器人的临床应用和被动康复模式下康复策略的制订具有一定指导意义。

摘要:目的 建立手部抓握的骨骼肌生物力学模型并进行逆向动力学仿真，得到不同受力时手部抓握过程各参与肌肉的最大肌肉力。方法 选择1名志愿者对其手部进行CT扫描，将得到的手部CT数据导入Mimics软件进行三维重建，获得各节骨模型，通过Geomagic Studio重新调整模型坐标后导入AnyBody软件，建立手部骨骼运动学模型。添加参与各手指屈曲的相关肌肉，建立手部骨骼肌模型。使用该模型进行手部抓握的逆向动力学仿真。结果 分别在各远节指骨上施加5～30 N不同外力后，得到各肌肉在整个运动过程中的最大肌肉力。随着力的增加，各肌肉最大肌肉力也呈线性趋势增大，如拇长屈肌的最大肌肉力从18.49 N增加到110.93 N；且在外力5 N时，手指抓握过程中拇短屈肌、拇长屈肌、拇收肌、小指短屈肌的最大肌肉力分别为7.70、18.49、9.49、8.39 N，指浅屈肌、指深屈肌在各手指运动过程的肌肉力远大于其他肌肉，对手部抓握起主要作用。结论 参与手部抓握各肌肉在不同阻力时的最大肌肉力，以及主要肌肉的肌肉力与关节角度的关系，可为评价脑卒中患者手部康复效果提供指导及参考，也可为康复设备制造提供一定的理论依据。

摘要:目的 分析比较亚洲蹲和西方蹲动作中下肢关节运动学和肌肉激活程度的差异。方法以11名健康成年人为研究对象，采用三维运动捕捉系统、测力台和表面肌电同步采集两种下蹲动作的运动学、动力学和肌肉激活信息，并通过OpenSim计算下肢肌力。结果 在膝关节弯曲角度峰值时刻，亚洲蹲骨盆前倾，而西方蹲骨盆后倾；此外，与亚洲蹲相比，西方蹲具有显著较小的髋关节屈角、较大的膝关节屈角、较大的髋关节外展角和内旋角。在自重深蹲的下降期和上升期中，西方蹲的比目鱼肌力峰值均显著大于亚洲蹲，西方蹲的胫骨前肌力均显著小于亚洲蹲，峰值时刻未见统计学差异。结论 在亚洲蹲中，胫骨前肌激活和近侧端关节前屈可能有利于稳定；而在脚跟抬起的西方蹲中，比目鱼肌激活显著，但两者近端肌肉激活模式相同。研究结果为临床深蹲康复方案制定或深蹲训练方式的选择提供理论指导。

摘要:目的 分析痉挛型脑瘫患者功能性选择性脊神经后根切断（functional selective posterior rhizotomy, FSPR）手术前后的步态特征，客观量化评估手术疗效。方法 选取15名将要进行FSPR手术治疗的痉挛型脑瘫患者，应用VICON三维运动捕捉系统结合AMTI三维测力台对患者进行手术前后的步态采集，分析手术前后步态的时空、运动学及动力学参数。结果 手术后，左、右支撑时间均大于手术前，左侧步长明显大于手术前，步高、步速及冠状面重心偏移均小于手术前；着地时的膝关节矢状面角度（即屈伸角度）出现明显提高，髋、踝关节未见明显差异。手术后，步行过程中左右侧髋、膝、踝关节活动范围（range of motion, ROM）在矢状面均出现不同程度的提高，且有统计学差异；右踝关节冠状面ROM也出现明显提高。手术后，右膝关节最小屈曲角度及左、右踝关节最大跖屈角度均出现显著减小；左、右侧支撑相最大垂直力较手术前明显提高，而下肢关节力矩未见明显差异。结论 三维步态分析可以在一定程度上评估痉挛型脑瘫患者FSPR手术的疗效。术后痉挛型脑瘫患者的痉挛得到缓解，对步态的时空参数及下肢关节运动学参数改善比较明显，而对于动力学参数改善相对不明显，需进行进一步康复治疗。

摘要:目的 考察太极拳运动姿势对膝关节载荷的影响及肌肉协调收缩策略。方法 募集20名具有3年以上健康太极拳习练者，借助红外高速运动捕捉系统和三维测力台，采集太极拳上步弓步动作支撑腿内收角、胫骨角、关节力、关节力矩等参数，通过仿真方法获取股四头肌和腓肠肌肌肉力。比较惯用步、外展步和内收步肌肉力表现、募集模式和激活方式特征。结果 外展步胫骨角和内收力增大，而内收步不变；外展步股内肌、半膜半腱肌及外侧腓肠肌力增大；内收步股外肌和内侧腓肠肌力增强，腓肠肌比股四头肌被优先激活，肌群募集方式发生改变。结论 太极拳运动姿势改变肌肉力募集方式，影响膝关节功能，规范动作可作为骨性关节炎运动疗法借鉴，具有临床应用意义。

摘要:目的 探讨着鞋类型（裸足、普通鞋、极简鞋）与步行速度（快步走、常速行走）对膝关节生物力学指标的影响，为科学健身提供理论参考。方法 采用Vicon三维运动捕捉系统、Kisler三维测力台同步采集10名男性在裸足、穿着不同鞋常速行走与快步走时下肢运动生物力学指标。采用双因素（2种行走方式×3种着鞋类型）重复测量方差分析对各指标进行统计分析。结果 相对于快步走，常速行走时足底压力中心（center of pressure, COP）向外偏移较大，额状面膝关节力臂、膝关节内收外力矩和第1峰值负载率均较小，但额状面膝关节冲量矩较大；相对于穿着普通跑鞋，裸足或穿着极简鞋时，步幅变小，COP向外偏移较大，额状面膝关节力臂、膝关节内收外力矩、第1峰值负载率和额状面膝关节冲量矩较小。结论 为降低额状面膝关节冲量矩以及峰值负载率，建议着极简鞋采用小步幅进行快步走锻炼。

摘要:目的 研究脂肪组织在中等应变率下本构模型及其参数反求。方法 基于脂肪组织力学性能实验，通过有限元方法重构脂肪组织压缩实验，并对常见表征脂肪组织的本构模型进行参数筛选。结合最优化方法中的可行方向法（method of feasible direction, MFD），进行中应变率下脂肪组织本构模型相关参数的反求。结果 中应变率（260 s-1）下黏弹性本构模型相比Ogden本构模型更适合表征脂肪组织的力学响应，并反求得到适用于仿真的本构模型参数。结论 中等应变率下黏弹性本构模型更适合表征脂肪组织力学响应。研究结果为汽车碰撞有限元仿真中探究人体脂肪组织对人体损伤的影响提供参考。

摘要:目的 提出一种基于理想几何的单向流固耦合计算方法，用于分析多层裸支架干预后主动脉夹层假腔内的血流动力学和假腔壁面应力特征。方法 根据假腔是否累及分支动脉将模型分为两类，建立单向流固耦合仿真模型以考察流体域对固体域的影响。模拟不同手术策略干预下，术后假腔内的血流动力学和壁面应力状态，并对血栓形成前后的假腔壁面应力状态进行对比分析。结果 忽略支架释放过程对假腔壁面应力的计算影响较小。仅用多层裸支架无法有效缩小假腔内的高流速、高壁面剪切力（wall shear stress, WSS）区域；仅用覆膜支架封堵近端入口，远端将维持高流速、高WSS区域；覆膜支架和多层裸支架联合使用会使假腔内出现最大范围的低流速和低WSS区域，最大程度降低假腔内的压力和壁面应力。与有分支动脉模型相比，无分支动脉模型术后更易形成低流速、低WSS区域，但其术后假腔内血压更高。假腔内血栓的形成可大幅降低血栓覆盖区域的壁面应力。结论 所提出的计算方法可同时分析术后假腔内的血流动力学和壁面应力特征，为研究多层裸支架引发假腔血栓化及主动脉再膨大的力学机理提供支撑。

摘要:目的 采用纳米压痕测试方法，测量人体主动脉瓣取出物的钙化组织的材料力学性能。方法 采集5名主动脉瓣狭窄患者的瓣叶取出物，选取钙化瓣叶进行纳米压痕测试，获得钙化组织弹性模量、硬度等材料力学参数。结果 瓣叶钙化组织的弹性模量为(15.69±3.89) GPa，硬度为(0.59±0.15) GPa。结论 通过纳米压痕测试方法得到瓣叶钙化组织的弹性模量和硬度，为瓣膜的生物力学研究提供实验数据参考。

摘要:目的 探索病变后主动脉夹层的血流动力学性能，为胸主动脉夹层(thoracic aortic dissection，TAD)患者治疗提供更加科学的依据。方法 基于1例复杂Stanford B型主动脉夹层患者的计算机断层扫描血管造影（computed tomography angiography，CTA）影像数据，建立个性化主动脉夹层近心端不同破口形态（H、O、V型）的夹层模型，结合计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）与形态学分析方法，分析破口截面速度、血流状态、壁面压力以及壁面剪切力（wall shear stress， WSS）分布。结果 H型破口类型在破裂入口处的流速、最高压强差、WSS占比都表现出较其他两种类型较大的血流动力学参数，H型破口类型夹层破裂风险最大，V型次之，O型最小。结论 研究结果为病例进一步数值分析和制定治疗方案提供有效的参考。

摘要:目的 对比股骨干骨折治疗采用的新型与传统锁定加压接骨板（locking compression plate, LCP）的生物力学性能，为选择更有效的接骨板提供理论依据。方法 对接骨板进行弯曲强度与疲劳测试，再结合ANSYS Workbench对接骨板变形、应力及寿命进行有限元分析。结果 新型LCP平均弯曲屈服载荷与弯曲强度均为传统LCP的1.4倍，新型、传统LCP平均循环次数分别为106次与47 091次，使用寿命相差33.8%。结论 使用新型LCP固定股骨干骨折失效可能性小于传统LCP，新型LCP拥有更有效的生物力学稳定性。

摘要:目的 探讨预期条件下不同角度侧切触地过程中膝关节运动学、地面反作用力（ground reaction force, GRF）特征以及软骨、半月板的应力状态。方法 采集14名受试者在预期条件下分别进行45°、90°和135°侧切时的运动学和GRF数据，通过Visual 3D逆动力学计算获取膝关节反作用力，基于膝关节三维有限元模型分别对3种侧切角度下触地过程进行数值仿真。结果 预期条件下3种侧切角度在触地过程中的膝关节运动学特征存在显著性差异（P＜0.001），膝关节屈曲程度随侧切角增大而增加；垂直GRF随侧切角增加而显著减小（P＜0.001），水平GRF呈现出相反的趋势；3种侧切角度下，90°侧切时髌骨软骨以及股骨软骨接触应力峰值较大, 前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）接触点主应力峰值较大，其次为135°和45°侧切；3种侧切角度下，外侧股骨软骨接触应力峰值均大于内侧。结论 90°侧切运动时膝关节损伤风险更大，135°侧切时膝关节内部的应力状态与90°侧切相比较为良好。预期条件下膝关节损伤风险并不随侧切角增大而升高。

摘要:目的 建立内镜柔性器械腱鞘系统的推力传动模型，研究影响传动效率的关键因素。方法 建立腱鞘系统在器械推送作用下力和位移的传动模型并进行仿真计算；搭建腱鞘系统传动测试的实验平台以验证模型的准确性，研究传动速度、腱鞘直径比、弯曲半径等对传动效率的影响。结果 腱鞘传动过程中存在显著的非线性传递现象，传动模型仿真与实验结果基本符合；传动速度、腱鞘直径比、弯曲半径均对内镜柔性器械的推力传动有较大影响，对位移传动的影响相对小一些。结论 该模型可用于内镜柔性器械中腱鞘系统推力传动的计算，提供给医生器械工作末端的力反馈，以保证器械的安全操作和提高手术效果；在内镜柔性器械的精准控制中需要综合考虑传动速度、腱鞘传动比、弯曲半径等对运动传递的影响。

摘要:目的 设计一种具有多孔和支撑结构的个性化钛下颌修复体，通过有限元分析其应力分布特征，评估修复体的临床应用价值及应用前景。方法 拔除比格犬右侧下颌第4前磨牙及磨牙，愈合3个月后拍摄螺旋CT并建立下颌三维模型，模拟手术过程切除3 cm下颌骨并用个性化修复体重建，该修复体由基牙、支柱、实体单元、多孔单元及固位单元组成。建立个性化钛下颌修复体有限元模型A，分析负荷时修复体的峰值应力，当构成假体每部分的最大应力均小于其材料的屈服强度时进行下一步研究；构建假体、下颌骨以及螺钉装配完成的有限元模型B，加载咀嚼力，记录下颌骨的应力、应变及位移分布。结果 当基牙垂直加载载荷100 N时，修复体实体、多孔结构的峰值应力分别为147.03、75.36 MPa，均小于其材料的屈服强度；皮质骨、松质骨的的峰值应力分别为53.713、4.216 7 MPa，应变分别为3.753 6、3.562 5；修复体最大位移338.3 μm。结论 以犬下颌骨为例，通过有限元分析表明，设计的具有多孔和支撑结构的个性化修复体应力分布均匀，具有较好的力学性能。研究结果为修复下颌骨缺损的假体设计提供了一种新方法。

摘要:目的 研究循环肿瘤细胞（circulating tumor cells，CTC）在血液中的运动过程以及CellCollector取样针对CTC的捕获机理，揭示CTC检出数量与体内实际浓度的关系。方法 基于Fluent和EDEM软件，应用单向流固耦合的两相流计算方法，建立血流动力学模型及CTC组分运输模型，开展不同CTC浓度工况下的捕获特性仿真。结果 CellCollector取样针的CTC捕获数量与体内CTC浓度呈明显正相关。CTC浓度较低时，只能在少数时间区间内捕获到CTC颗粒，捕获有一定的偶然性；随着浓度增加，CTC捕获数在时间上的均匀性变好，同时捕获总数也随之增加。结论 通过拟合仿真结果，初步获得CTC捕获数量与体内浓度的量化解析关系，为CellCollector的临床使用提供理论依据及力学机制阐释。

摘要:目的 在射频能量的作用下，通过新型压力可控电极对猪小肠(回肠部分)进行焊接，验证能量组织焊接技术对于肠道结构重建的可行性和安全性。方法 将新鲜猪小肠按“黏膜-浆膜”嵌套在负电极上，通过施压圆锥体对正电极施加不同的压合压强（497、796、995、1 194、1 492 kPa），在射频能量作用下完成肠道组织的焊接，通过撕脱力和爆破压测试研究焊接吻合口的生物力学特性，并对组织热扩散和微观组织结构进行检查。结果 在能量输出功率160 W，压合压强995 kPa，焊接时间为13 s时，肠道吻合口呈现最优的生物力学特性，其撕脱力和爆破压分别达到(8.73±1.11) N和(8.29±0.41) kPa，且组织微观结构较完整，并能观察到少量游离胶原蛋白。结论 射频能量组织焊接技术具有良好的应用前景，能够实现肠道组织快速、稳定的连接，对缩短手术时间、简化操作流程并提高手术质量,具有重要意义。

摘要:目的 探究不同鞋条件（极简鞋和传统跑鞋）对跑步时跟腱负荷特征的影响。方法 招募16名健康男性后跟着地跑步爱好者，要求其以3.16~3.50 m/s速度在两种鞋条件下完成跑步实验。采用超声影像仪获取跟腱横截面积成像。采用运动捕捉系统和三维测力台获取踝关节矢状面运动学和地面反作用力数据，并计算踝关节和跟腱的力学参数。采用配对样本t检验比较两种鞋条件对各因变参数（踝关节角度、触地角度、跟腱力、应力、应变等）的影响。结果 与传统跑鞋相比，穿着极简鞋时的足触地角度显著降低39.9%。同时，踝关节力矩、跟腱力峰值、跟腱负载率峰值和平均负载率均显著增加，而达到跟腱力峰值的时间显著减小。穿着极简鞋时的跟腱应力峰值、跟腱应变峰值及其应力率和应变率峰值也显著增加。结论 习惯穿着传统跑鞋并采用后跟着地的跑者在穿着极简鞋后显著增加了跟腱的负荷特征，建议该类跑者循序渐进地过渡至极简鞋，以适应性地提高跟腱承受负荷的能力。

摘要:目的 探讨羽毛球运动员足踝落地瞬间生物力学特征对运动风险的影响，为避免初学者踝关节高频次、高强度触地发生运动风险提供参考。方法 采用三维测力台和动作捕捉系统，对30名羽毛球运动初学者（实验组）和30名高水平运动员（对照组）在进行蹬转（1步）起跳动作时踝关节落地瞬间的运动学与动力学数据进行采集。结果 实验组跖屈背屈角度均显著小于对照组，实验组内翻和内旋角度均显著大于对照组，外翻和外旋角度不存在显出差异。实验组向左右方向力均显著大于对照组，实验组与对照组前后方向力和垂直方向力不存在显著性差异。实验组外翻、外旋力矩均显著大于对照组，对照组内旋力矩显著高于实验组。结论 相比初学者，专业运动员踝关节运动具有良好的动态稳定性和灵活性，左右方向较小的活动幅度和受力就可以完成缓冲任务，并且专业运动员跖屈背屈角度增大，也是良好训练效果的体现，使缓冲时间稍微加长，以防止踝关节突然落地时刻的冲击。

摘要:晚期糖基化终末产物（advanced glycation end-products，AGEs）是大分子物质的游离氨基与还原糖之间发生的非酶促反应产物。AGEs在骨组织中积聚会通过与骨组织细胞表面受体的结合改变骨组织细胞活性及功能，引起骨重建过程异常。AGEs积聚还会改变骨胶原原有结构及矿物质沉积，影响骨组织的微观力学性能，造成骨强度及韧性的降低，增加骨折风险，导致骨疾病的发生，危害人体健康。概述AGEs的产生原因及检测方法，并从微观和宏观层面综述AGEs在生物体骨组织内积聚对骨生物力学影响的研究进展，为临床上对骨疾病的早期诊断与治疗提供参考。

摘要:骨稳态是骨的形成与吸收维持相对平衡的过程。信号转导和转录活化因子3（signal transducer and activator of transcription 3, STAT3）参与多条细胞内外的信号转导通路，与骨稳态息息相关。STAT3参与由众多因素调控的成骨细胞分化过程；也可通过调控破骨细胞的募集、分化和活性等维持骨稳态；还影响骨稳态中成骨-破骨细胞的交互通讯。STAT3突变的患者则表现出多种遗传性骨代谢疾病。此外，STAT3在机械应力介导的骨重建中也起重要作用。机械力刺激通过上调或激活STAT3促进成骨分化和骨生成，进而调控骨重建。综述STAT3在维持骨稳态中的作用以及可能的作用机制，并探讨骨重建中机械力刺激与STAT3的联系，为骨疾病的治疗提供潜在药物靶点。

摘要:骨细胞是骨组织主要的力学感受及转导细胞，它们通过众多突触结构相互连接，形成庞大的骨稳态细胞调控网络，联系着成骨细胞、破骨细胞等骨基质表面细胞。骨细胞通过旁分泌途径影响成骨细胞骨形成和破骨细胞骨吸收来调节骨代谢，维持骨更新。针对骨细胞在受到力学刺激后分泌或释放的一些信号分子或蛋白因子对成骨细胞和破骨细胞生长分化的影响，本文综述近年来关于受力学刺激的骨细胞如何与成骨/破骨细胞进行通讯，为骨细胞生物力学研究提供新思路。

摘要:钛质网笼作为颈前路椎体次全切除减压融合术（anterior cervical corpectomy and fusion,ACCF）中使用的融合器之一，不仅能够在术中即刻重建颈椎稳定性、维持椎间高度及生理曲度，而且可以避免自体取骨造成供骨区并发症的问题，故成为ACCF术中较为常用的内植物。但传统钛笼多存在应力遮挡、钛笼下沉等问题，在一定程度上影响了手术效果，甚至导致严重术后并发症，需要行翻修手术。目前已有多种新型钛笼问世，一定程度上解决了传统钛笼带来的问题。生物力学评价及其测试方法是评判一款新型脊柱融合器能否应用于临床必不可少的过程。综述颈椎解剖相关生物力学、传统钛笼与新型钛笼生物力学特性的相关研究，为传统钛笼的改进以及新型钛笼的研发提供新思路。