• 2023年第38卷第1期文章目次
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      2023, 38(1). DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0000

      摘要 (135) HTML (0) PDF 417.45 K (614) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 封面

      2023, 38(1). DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0000

      摘要 (75) HTML (0) PDF 16.68 M (700) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >述评
    • 脊柱生物力学专栏论著评述

      2023, 38(1):1-3. DOI: 10.16156/j.1004-7220.2023.01.001

      摘要 (247) HTML (0) PDF 864.50 K (688) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >专家论坛
    • 关节软骨生物力学与力学生物学 2022 年研究进展

      2023, 38(1):4-13. DOI: 10.16156/j.1004-7220.2023.01.002

      摘要 (2058) HTML (0) PDF 7.98 M (1846) 评论 (0) 收藏

      摘要:关节软骨是动关节内骨表面具有弹性的负重结缔组织,能提供低磨损润滑、缓冲震荡、传递载荷等支撑作用,具有层级纤维复合结构和优异的力学性能。 软骨内没有血管、神经和淋巴, 代谢缓慢, 损伤后难以实现自我修复。目前,高发的关节炎疾病仍是基础与临床研究的一大热点。 关节软骨是力学敏感组织,力学环境影响着组织不同方向的发展。 2022 年,学者们继续对关节软骨的生物力学与力学生物学开展大量研究;对软骨形态、功能与力学状态,以及不同条件下软骨力学状态的研究报道较多;研究设计了一些软骨相关的动物、组织及细胞水平的加载装置,也开展了体外及在体力学载荷下软骨退变、损伤的修复研究,获得了重要的修复方法及手段。 关节软骨的生物力学与力学生物学研究是关节炎、软骨缺损及修复的基础,关节软骨损伤修复定量力学条件的影响还需体内和体外深入研究。

    • 旋转运动下脑组织致伤机制研究

      2023, 38(1):14-29. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0014

      摘要 (859) HTML (0) PDF 1.17 M (926) 评论 (0) 收藏

      摘要:创伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)已造成严重的经济和社会负担,但因其异质性的特点,尚未有有效的治疗方法。 在各种程度的颅脑损伤中,弥漫性轴索损伤(diffuse axonal injury,DAI)的发病率很高,对 DAI 的研究有助于 TBI 诊治。 本文对 TBI 的分类和 DAI 相关研究现状进行总结,对动物实验研究和临床中常用的脑损伤检测方法、动物实验模型及其相关损伤准则和阈值进行综述。 结果显示,DAI 主要由旋转加速度产生,与角加速度、角速度和持续时间相关。 已有众多动物模型能够产生 DAI 病理特征,且已有惯性旋转模型可以产生纯旋转加速度。然而,这些模型均为瞬时旋转模型,旋转时间并不严格可控,且不能够提供更长时间的旋转时间,从而不能研究长时间旋转运动下的 DAI 程度。 本文建议,可开发时间可控的旋转脑损伤模型,用以确定长时间和短时间旋转加速度下的脑损伤阈值,并探究这些致伤条件下的病理机制。 这些研究可能对 DAI 的预防和治疗起到积极作用。

    • >专栏
    • 传统与皮质骨轨迹椎弓根螺钉内固定术的生物力学对比

      2023, 38(1):30-36. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0030

      摘要 (463) HTML (0) PDF 4.85 M (510) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 比较皮质骨轨迹(cortical bone trajectory, CBT)和传统轨迹( traditional trajectory, TT)椎弓根螺钉内固定对正常和骨质疏松性脊柱活动度和钉棒系统受力的影响。 方法 建立正常骨质和骨质疏松腰椎 L3 ~ S1 有限元模型,使用两种轨迹的螺钉钉棒系统对 L4~ 5 节段进行内固定,分别模拟人体前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转 6种生理载荷,对比两种内固定术式对正常和骨质疏松脊柱活动度( range of motion, ROM)和螺钉最大等效应力的影响。 结果 对于两种骨质情况,相比于未置钉的节段模型,CBT 和 TT 手术均显著降低了固定节段(L4 ~ 5)和下腰椎整个节段(L3~ S1)ROM;但是,CBT 组较 TT 组 ROM 下降的幅度略小,两者在屈伸时相近,而在侧弯和轴向旋转时差别明显;此外,在正常骨质模型和骨质疏松模型中,CBT 组螺钉最大等效应力均较 TT 组有明显增加,正常骨质模型中 CBT 组螺钉最大等效应力在屈伸、侧弯、轴向旋转时比 TT 组分别提高 27% 、268% 、58% 。 但在同时采用CBT 技术时,骨质疏松模型较正常骨质模型有更小的螺钉应力分布。 结论 骨质疏松条件下,相比于 TT 技术,CBT技术可以实现较高的螺钉应力,降低正常骨质条件下的螺钉应力集中;另外,CBT 技术略微增加了各节段 ROM,有利于术后脊柱生理功能的恢复。 侧弯和轴向旋转会产生负面的力学效果,应避免这两种生理载荷。

    • 不同后路内固定治疗颅底凹陷寰枢椎脱位的生物力学研究

      2023, 38(1):37-44. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0037

      摘要 (94) HTML (0) PDF 6.34 M (499) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨两种后路内固定治疗颅底凹陷寰枢椎脱位( basilar invagination with atlantoaxial dislocation, BIAAD)的生物力学差异。 方法 基于 BI-AAD 患者枕颈 CT 数据和临床手术方案,建立寰枢椎关节间融合器+后路枕骨板+C2 椎弓根螺钉(Cage+C2PS+OP)和 Cage+C1 侧块螺钉+C2PS(Cage+C1LMS+C2PS)有限元模型,分析不同运动工况下寰枢关节稳定性、C2 终板和植入器械应力分布特征。 结果 与 Cage+C1LMS+C2PS 模型相比,Cage+C2PS+OP 模型在前屈、后伸、侧弯和旋转工况下寰枢关节活动度分别降低了 5. 26% 、33. 33% 、43. 75% 、-5. 56% ,钉棒系统应力峰值分别降低了 47. 81% 、60. 90% 、48. 45% 、39. 14% 。 两种内固定方式下 C2 终板和融合器应力均主要分布于运动受压侧,螺钉与椎体接触处和螺钉尾部都承受较大的载荷。 结论 两种内固定方法都能提供相似的稳定性,但 Cage+C1LMS+C2PS 中钉棒系统应力集中较明显,螺钉松动和断裂发生的可能性较大。

    • 颈椎连续三节段 Hybrid 手术与融合术的生物力学研究

      2023, 38(1):45-51. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0045

      摘要 (510) HTML (0) PDF 5.84 M (499) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 比较颈椎连续三节段 Hybrid 手术[ 颈前路减压植骨融合( anterior cervical discectomy and fusion, ACDF)+人工颈椎间盘置换(cervical disc arthroplasty, CDA)]与三节段 ACDF 对颈椎生物力学的影响。 方法 基于 CT 数据建立 C1~ T1 颈胸椎有限元模型,通过植入 Prestige LP 和 Zero-P 假体模拟 3 种模型,包括两种 Hybrid 模型 (AFA:C3~ 4、C5~ 6 节段植入 Prestige LP,C4~ 5 节段植入 Zero-P;FAF:C3~ 4、C5~ 6 节段植入 Zero-P,C4 ~ 5 节段植 入 Prestige LP)和三节段 ACDF 模型(FFF)。 比较各模型前屈、后伸、侧弯以及轴向旋转时相邻节段及整体活动范围(range of motion, ROM) 以及相邻节段椎间盘内压力( intradiscal pressure, IDP) 及小关节接触力( facet contact force, FCF)的变化。 结果 AFA 模型相邻节段及整体 ROM 都更接近完整模型,FAF、FFF 模型相邻节段 ROM 最大 增幅分别为 15. 0% 和 23. 4% 。 AFA、FAF、FFF 模型相邻节段最大 IDP 最大增幅分别为 19. 0% 、66. 7% 、147. 6% ,FCF 最大增幅分别为 17. 4% 、55. 7% 、80. 1% 。 结论 研究结果为三节段 Hybrid 手术治疗连续三节段颈椎病提供生物力学基础。

    • 斜外侧椎间融合结合不同内固定方式治疗退变性腰椎侧凸的有限元分析

      2023, 38(1):52-58. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0052

      摘要 (292) HTML (0) PDF 5.12 M (436) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 运用三维有限元分析法验证斜外侧椎间融合(oblique lateral interbody fusion,OLIF)辅助不同内固定方式治疗退变性腰椎侧凸( degenerative lumbar scoliosis,DLS)的生物力学稳定性。 方法 建立 L1 ~ S1 三维有限元DLS 模型(模型 1),模拟 L2~ 5 连续三节段 OLIF 手术及其结合不同内固定方式,分别建立单纯 OLIF( stand-alone OLIF)模型(模型 2)、椎体钉棒固定模型(模型 3)、单边椎弓根螺钉固定模型(模型 4)和双边椎弓根螺钉固定模型(模型 5)。 在直立、前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转工况下,记录并分析各模型融合节段活动度( range of motion,ROM)、融合器及内固定的应力及其分布情况。 结果 6 种运动工况下,模型 2 ~ 5 融合节段整体 ROM 均小于模型 1;与模型 1 相比,模型 3、4 的 ROM 降幅大于模型 2、小于模型 5;前屈和后伸工况下,模型 4 与模型 5 的 ROM 降幅相仿;左右侧弯工况下,模型 3 与模型 5 的 ROM 降幅相仿。 在所有运动工况下,模型 3、4 融合器应力峰值大于模型 5、小于模型 2;其中,模型 3 的 L2~ 3、L3~ 4、L4~ 5 融合器应力峰值在左侧弯工况下较模型 5 增幅分别为 5. 52% 、10. 96% 、7. 99% ,而模型 4 的 L2~ 3、L3~ 4、L4~ 5 融合器应力峰值在前屈工况下增幅分别为 8. 70% 、7. 00% 、6. 99% 。在所有运动工况下,模型 5 的钉棒应力峰值均小于模型 3、4,且在直立状态下模型 3~ 5 钉棒应力峰值最小。 结论 OLIF 附加单边椎弓根钉棒固定以及侧方椎体钉棒固定的两种辅助固定方式均能够提供手术节段的生物力学稳定。研究结果为临床应用 OLIF 技术治疗 DLS 提供一定参考。

    • 不同腰椎退变程度下两种腰椎推拿斜扳法作用效果的比较研究

      2023, 38(1):59-64. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0059

      摘要 (505) HTML (0) PDF 1.36 M (488) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 比较研究腰椎不同退变程度下传统和改良腰椎推拿斜扳法的作用效果。 方法 建立质量-弹簧-阻尼系统腰椎生物力学模型,采集专业推拿医生的推拿作用力,将作用力作为模型的输入力,通过增大弹簧的弹性系数和阻尼的阻尼系数模拟腰椎退变。 运用 MATLAB/ Simulink 仿真技术,得到不同腰椎退变程度下推拿斜扳法的作用效果(最大相对位移和最大加速度),并进行比较分析。 结果 当腰椎未退变时,得到两种手法下各节段的最大相对位移和最大加速度。 随着腰椎退变程度的增大,两种手法下各节段的最大相对位移和最大加速度均呈下降趋势,并得到两种手法下腰椎各节段最大相对位移和最大加速度的衰减速率。 结论 当腰椎未退变时,传统斜扳法的有效性略优于改良斜扳法,但改良斜扳法的安全性明显优于传统斜扳法,宜采用改良斜扳法。 随着腰椎退变程度加剧,两种手法的作用效果均呈幂函数式衰减,改良斜扳法有效性的衰减速率明显快于传统斜扳法,说明在腰椎退变的情况下不宜采用改良斜扳法。

    • 颈椎整骨手法的运动学与动力学研究

      2023, 38(1):65-70. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0065

      摘要 (129) HTML (0) PDF 2.71 M (526) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 同步采集和分析两种颈椎整骨手法的运动学与动力学参数,归纳其生物力学特征。 方法 由 1 位高年资医师对 10 位健康受试者完成颈椎定位定向扳法和颈椎侧屈手法操作,施术者粘贴荧光标志球用于捕捉手法动作,并用压力触感手套和无线表面肌电系统采集并分析动力学参数和表面肌电信号。 结果 上臂肌肉是颈椎整骨手法的主发力肌,其中肱二头肌的贡献率最高。 颈椎定位定向扳法的运动幅度、速度、扳动作用力和时间都大于颈椎侧屈手法。 颈椎定位定向扳法中施术者各肌肉的积分肌电值( integrate electromyography,iEMG) 和均方根值(root mean square,RMS)都大于颈椎侧屈手法。 结论 颈椎整骨手法运动幅度、三维活动角度,扳动瞬间的载荷强度和时间,具备高速、低幅和力强的特点,体现出中医学中关于“寸劲”的生物力学特征。 研究结果可以为进一步规范手法教学、训练以及提升临床安全性提供参考。

    • 水平负向加速度对不同座椅靠背角假人模型颈部损伤的差异

      2023, 38(1):71-76. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0071

      摘要 (176) HTML (0) PDF 2.81 M (495) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 基于假人模型,研究水平负向加速度(-Gx)作用下不同靠背角与颈部损伤的关系。 方法 将假人模型面朝轨道方向,固定在加速度平台底座上,设置靠背角为 17°、22°、30° 3 个实验组,每个实验组按照相同的加速度曲线分别进行 10 次重复试验,比较相同-Gx 条件下颈椎上、下部加速度差异,通过曲线拟合计算并比较颈部损伤指数(neck injury criteria,NIC)。 结果 颈椎上、下部在前后向、垂直向的加速度变化曲线形态一致,存在峰值差异;在前后向(X 轴),靠背角 22°实验组的加速度峰值稍高于 17°、30°靠背角实验组的加速度峰值;在垂直向(Z 轴),靠背角 22°实验组的加速度峰值低于 17°、30°靠背角实验组的加速度峰值;在前后向及垂直向,靠背角 22°实验组测得的 NICmax 较小,靠背角 30°实验组测得的 NICmax 次之,靠背角 17°实验组测得的 NICmax 较大。 结论 靠背角度与颈部损伤之间呈非线性关系。 本实验中在-Gx 作用下,靠背角为 22°时假人模型的颈部损伤较小。

    • 持续性过载条件下飞行员峡部裂腰椎的动力学响应及损伤预测

      2023, 38(1):77-83. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0077

      摘要 (85) HTML (0) PDF 3.78 M (452) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 在腰椎有限元模型构建及验证的基础上,对飞行员腰椎正常、L5 单侧及双侧峡部裂模型动力学响应进行仿真计算和损伤预测,探究持续性飞行过载对飞行员腰椎正常及峡部裂状态下的影响。 方法 基于腰椎 CT 图像,采用逆向工程软件和计算机辅助工程(computer-aided engineering, CAE)技术建立人体腰椎精细的三维有限元模型;利用腰椎静态与动态体外实验验证模型的有效性;开展持续性过载条件下飞行员正常腰椎及部裂腰椎生物力学仿真分析,并结合动态响应指数(dynamic response index, DRI)损伤评价预测方法对脊柱损伤情况进行预测分析。 结果 单侧及双侧峡部裂模型的 L5 椎体峡部最大应力分别为 105. 29、126. 32 MPa,明显高于正常模型;峡部裂模型的 L4~ 5 和 L5~ S1 节段椎间盘相比正常模型更易出现过早退行性改变;结合 DRI 脊柱损伤预测方法,正常腰椎、L5 单侧及双侧峡部裂的脊柱损伤概率分别为 0. 001 4% 、2. 26% 和 3. 21% ,峡部裂发生后脊柱损伤概率明显升高。 结论 峡部裂加重了飞行过载下腰椎峡部的负荷。 研究结果为制定训练方案和防具开发提供更精确的数据支撑,保证飞行安全。

    • >论著
    • 不同填充块对内侧开放楔形胫骨高位截骨应力分布的影响

      2023, 38(1):84-89. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0084

      摘要 (244) HTML (0) PDF 2.92 M (446) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 分析填充块材料和尺寸对胫骨截骨模型应力分布的影响。 方法 建立 3 种不同材料(髂骨、松质骨和聚醚醚酮)、5 种不同尺寸填充块,分别植入胫骨截骨模型,对模型进行力学加载,分析模型的应力分布和边缘位移。结果 就 3 种材料而言,植入髂骨材料的填充块模型在胫骨近端、钢板的应力和边缘位移低于松质骨和聚醚醚酮材料,但髂骨材料的填充块应力最高;在不同尺寸填充块植入截骨间隙时,胫骨截骨各部分应力分布和边缘位移存在差异,特别是填充块宽度从 30 mm 减小到 10 mm,胫骨近端、钢板和填充块应力峰值平均分别增加了 49. 3% 、92. 7% 、54. 4% 。 结论 不同的填充块参数会影响胫骨截骨不同部位的应力分布。 研究结果为临床胫骨截骨填充块参数的选择提供理论依据。

    • 股骨柄髓外设计对髋关节接触力影响的骨肌多体动力学研究

      2023, 38(1):90-96. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0090

      摘要 (72) HTML (0) PDF 4.86 M (509) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨全髋关节置换(total hip arthroplasty,THA)假体股骨柄颈干角、偏心距和前倾角等设计参数对髋关节接触力的影响。 方法 基于 AnyBody 软件建立 THA 骨肌多体动力学模型,参数研究股骨柄颈干角在±10°、偏心距在±20 mm 和前倾角在±10°内变化时单因素或多因素对髋关节接触力的影响规律。 结果 偏心距减小 20 mm, 最大髋关节接触力增加 26. 08% 。 颈干角增加 10°,最大髋关节接触力增加 5. 99% 。 前倾角增加 10°,会减小步态周期 0% ~ 24% 时髋关节接触力,峰值减小 19. 16% ;但会显著增加步态周期 38% ~ 70% 时髋关节接触力,峰值增加67. 78% 。 结论 在进行股骨柄髓外个性化设计时,在重建患者解剖参数的基础上,可以适当增加股骨柄偏置距离,减小颈干角和前倾角,以避免增加髋关节受力。

    • 新型运动模式铰链膝关节假体磨损有限元分析

      2023, 38(1):97-103. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0097

      摘要 (153) HTML (0) PDF 5.09 M (575) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 对新型球轴运动模式铰链膝关节假体进行有限元分析,研究假体磨损仿真的方法及运动方式对假体磨损的影响。 方法 基于球轴假体接触力学有限元模型,根据 Archard 磨损理论,建立磨损有限元模型,以各种运动数据为加载条件,模拟生理活动下膝关节的力学环境,研究球轴假体磨损情况。 结果 对于胫骨衬垫,上下楼时平均和最大接触应力均高于步行,上楼时累积磨损体积大于下楼和步行,且磨损均主要发生在衬垫下表面。 对于球轴衬套,仅步行时存在短时间接触和磨损,累积磨损体积为 0. 19 mm3。 结论 铰链膝关节假体的球轴运动模式可改善置换后膝关节力学环境,降低衬套磨损,延长假体生存期。 有限元仿真可有效预测铰链假体的磨损,为其设计及改进提供理论支持。

    • 前外侧或后内侧辅助钢板结合髓内钉固定胫骨近端 1 / 3 骨折的生物力学研究

      2023, 38(1):104-109. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0104

      摘要 (457) HTML (0) PDF 2.35 M (365) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究髓内钉结合辅助钢板固定胫骨近端 1 / 3 骨折的稳定性,比较并观察胫骨近端 1 / 3 骨折后内侧辅助钢板与前外侧辅助钢板结合髓内钉固定的生物力学特点。 方法 选取 Sawbones 第 4 代人工胫骨模型。 根据辅助钢板位置分为后内侧钢板组和前外侧钢板组,每组 4 例,髓内钉远近端均 2 枚锁定钉固定,钢板远近端各 3 枚皮 钉双层皮质固定。 模拟 AO 分型 41-A2 型骨折,水平截骨平面位于胫骨髓内钉近端锁定钉远端 0. 5 cm 即近端关节面以远 5~ 6 cm 位置。 截骨完成后,通过生物力学试验机分别进行轴向压缩、三点弯曲、循环加载及极限应力测试,比较各组轴向刚度、三点弯曲刚度等结果。 结果 轴向压缩实验表明,后内侧钢板组平均轴向刚度低于前外侧钢板组,两组间差异无统计学意义。 三点弯曲实验表明,后内侧钢板组无论是对抗内翻应力(钢板位于骨折压力侧,t = 3. 679,P<0. 05)还是外翻应力(钢板位于骨折张力侧, t = 8. 975,P<0. 05),其弯曲刚度均优于前外侧钢板组。 论 辅助钢板结合髓内钉固定胫骨近端 1 / 3 骨折可以提高近端骨折块固定的稳定性,并允许患者更早负重。 钢板置于后内侧或者前外侧均能够提供足够的轴向强度,后内侧辅助钢板在生物力学上对抗内外翻应力比前外侧辅助钢板更有优势。 研究结果为辅助钢板结合髓内钉治疗胫骨近端骨折临床决策提供必要依据。

    • 空心螺钉不同固定方式治疗后踝骨折的生物力学研究

      2023, 38(1):110-115. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0110

      摘要 (332) HTML (0) PDF 4.10 M (496) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 基于有限元方法研究空心螺钉不同角度固定对后踝骨折的生物力学影响,确定空心螺钉的最佳固定方式。 方法 采用 CT 图像重建包含胫骨、腓骨、距骨以及相应软骨和韧带的踝关节有限元模型,在验证其有效性基础上建立 1 / 2 后踝骨折模型,分析空心螺钉不同固定方式对后踝骨折固定模型的生物力学影响。 结果 与螺钉0°、5°、10°、20°固定相比,螺钉 15°固定时模型位移最小。 螺钉 15°固定时,螺钉应力比螺钉 5°、10°、20°固定模型小,比螺钉 0°固定模型大。 但螺钉 0°固定时,踝关节接触应力峰值比正常踝关节接触应力峰值大得多,易造成创伤性骨关节炎。 结论 空心螺钉治疗累及关节面不超过 1 / 2 的后踝骨折安全有效;螺钉以不同角度固定时,模型的位移和应力不同。 螺钉固定角度为 15°时生物力学稳定性最好,可用于指导临床手术。

    • 颈动脉斑块的流固耦合数值模拟

      2023, 38(1):116-122. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0116

      摘要 (558) HTML (0) PDF 5.72 M (541) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 提出一种基于真实颈动脉狭窄患者的双向流固耦合计算方法,用于分析不同类型颈动脉斑块在病变处的血流动力学参数以及斑块自身的变形和应力变化。 方法 对颈动脉中度狭窄病人 CT 血管造影数据进行 3D建模,分离出颈动脉血管壁模型和斑块模型,并进行瞬态流固耦合计算。 模拟颈动脉粥样硬化的早期到形成斑块,将斑块类型分为增厚斑块、脂质斑块、混合斑块和钙化斑块,其中增厚斑块视为无斑块的情况,代表血管内膜-中膜的增厚,并对不同斑块类型的狭窄颈动脉进行对比分析。 结果 不同类型斑块对整体血流流动影响不大,但是脂质斑块病变处的壁面剪切应力低于其余斑块;以增厚斑块作为对照,斑块出现会抑制动脉的扩张,其中脂质斑块最为明显;钙化斑块有最高的平均结构应力,相反脂质斑块平均结构应力则是最低。 结论 本文所提出的计算方法能够同时对流体和固体区域进行分析。 研究结果有助于更好理解不同斑块类型对于颈动脉病变处的影响。

    • 红细胞在毛细血管中的运动特征分析

      2023, 38(1):123-128. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0123

      摘要 (103) HTML (0) PDF 2.35 M (463) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究不同力学特性的红细胞在毛细血管中的运动变形,对相关血液流变学参数进行分析。 方法 红细胞膜为超弹性膜,满足 Skalak 能量函数。 采用浸入边界法将细胞膜与流场耦合,采用二阶精度的有限差分方法求解三维流场。 同时,考虑了细胞膜内外的生理黏度比 λ= 5。 结果 得到在不同硬度下细胞在毛细血管中的稳定变形。 随细胞硬度的升高,细胞由轴对称形态转变为非对称屈曲形态。 细胞变形随着毛细血管数的降低而减弱流动阻力增大。 结论 细胞变硬,细胞出现非对称变形,血液阻力上升。 因此,在涉及红细胞硬度变化的疾病中,变硬的红细胞可能导致毛细血管堵塞,造成局部组织缺氧。

    • 左心室辅助装置与主动脉吻合角度对主动脉瓣膜影响的血流动力学研究

      2023, 38(1):129-134. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0129

      摘要 (572) HTML (0) PDF 5.55 M (398) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究左心室辅助装置(left ventricular assist device, LVAD)与主动脉吻合角度对主动脉瓣膜的血流动力学影响。 方法 分别构建 LVAD 与主动脉吻合角度为 45°、60°、90°的 3 个主动脉模型和主动脉瓣膜模型,体外搏动台用于体外实验。 运用粒子图像测速(particle image velocimetry, PIV)系统,选取心动周期中的 3 个时刻(T1 收缩峰值期,T2 瓣膜快速闭合时期和 T3 舒张峰值期)探究主动脉瓣膜处血流动力学状态。 结果 采用速度矢量、涡量、黏性剪切力指标评价 LVAD 吻合角度对主动脉瓣膜血流动力学的影响。 瓣膜快速闭合时期,吻合角度增大时,瓣膜近壁面血流速度、平均涡量和最大黏性剪切力均增大。 结论 吻合角度较低时,血流对主动脉瓣膜的冲击速度较小,瓣膜受到较小的剪切力,使瓣膜处于较好的血流动力学环境。 研究结果为临床手术中吻合角度的选择提供参考。

    • 涂布方式对柔性硅胶血管制作质量的影响

      2023, 38(1):135-141. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0135

      摘要 (78) HTML (0) PDF 9.02 M (502) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究比较不同涂布方法对复杂柔性硅胶血管仿体制作质量的影响。 方法 基于个性化前交通动脉瘤模型,采用喷涂和旋涂两种方法,制作多例硅胶血管仿体,定量比较两种方法在制作同一血管结构时的厚度增长、周向均匀以及透光性等指标。 结果 旋涂法在血管大曲率、变径位置和直管位置处的厚度控制以及厚度均匀性占优,且具有较好的光性和表面光滑性。 旋涂法厚度相对偏差较喷涂法分别降低 8. 9% 、10. 8% 和 16. 9% 。 结论 现阶段旋涂法在制作硅胶仿体模型时较喷涂法具有厚度均匀性优势和透光性优势,在大血管流体力学体外实验领域具有十分可期的应用前景。

    • 不同基质刚度三维丝素支架制备及其性能研究

      2023, 38(1):142-148. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0142

      摘要 (101) HTML (0) PDF 6.06 M (472) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 使不同浓度丝素蛋白(silk fibroin, SF)与胶原蛋白(collagen, COL)发生氢键结合,通过联合凝胶体系,制备出一种刚度可调的复合支架,并对其理化性质进行表征。 方法 分别将不同质量 SF 加入海藻酸钠溶液中溶解,然后分别加入不同浓度 COL 溶液和一定质量碳酸钙(CaCO3 )粉末。 取出混合溶液,加入一定质量葡萄糖酸内酯(gluconic acid lactone, GDL)粉末,成形后得到 SC1、SC2、SC3 组水凝胶,冷冻干燥后得到不同 SF 支架。 结果 成功制备刚度可调的 SF 支架,SC1、SC2、SC3 组压缩模量分别为(17. 31±2. 73)、(24. 12±1. 81)、(32. 54±1. 81) kPa。观察其内部结构,发现 SC1~ SC3 组材料孔隙越来越小,数量越来越少,材料亲水性能越来越好。 结论 通过改变SF 与 COL 溶液浓度可以制备具有不同基质刚度三维多孔支架,且 SF 和 COL 的浓度与 SF 支架材料的压缩模量、吸水率、保水率、溶胀率成正比,与孔隙率成反比。 研究结果有望为构建可用于诱导间充质干细胞成骨分化的适宜基质刚度骨支架提供理论指导。

    • 周期性牵张应变对大鼠骨髓间充质干细胞神经向分化的影响

      2023, 38(1):149-155. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0149

      摘要 (72) HTML (0) PDF 8.67 M (559) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究周期性牵张应变对大鼠骨髓间充质干细胞( rat bone marrow-derived mesenchymal stem cells,rBMSCs)向神经细胞分化的影响。 方法 对 rBMSCs 加载不同幅度周期性应变 24 h,然后继续培养 5 d,检测神经细胞标志物表达和相关信号通路蛋白磷酸化水平。 通过有限元分析牵张作用下细胞表面的应力分布。 通过转录组测序分析周期性牵张应变引起差异表达的基因。 结果 5% 幅度、0. 5 Hz 周期性牵张应变可以显著促进神经细胞标志物的表达,提高细胞内胞外信号调节激酶( extracellular-signal-regulated kinase,ERK)、蛋白激酶 B (AKT)和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)的磷酸化水平。 KEGG 通路富集分析发现,与细胞黏附、细胞外基质和受体相互作用相关的基因在周期性牵张作用后显著提高。 结论 周期性牵张应变可以改变细胞与细胞外基质的相互作用,激活 AKT/ mTOR 和 ERK 信号通路,从而促进 rBMSCs 向神经细胞分化。 了解力学刺激对间充质干细胞分化的影响有望提高干细胞向神经细胞分化的效率,有利于组织工程的装置设计,促进间充质干细胞在神经组织再生和修复的临床应用。

    • 周期性高张应变通过下调 PGC1α 表达抑制血管平滑肌细胞线粒体生物发生

      2023, 38(1):156-163. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0156

      摘要 (106) HTML (0) PDF 1.45 M (474) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨高血压背景下病理性高张应变对血管平滑肌细胞( vascular smooth muscle cells,VSMCs)线粒体生物发生的影响,以及 PGC1α 蛋白在这一过程中的作用。 方法 采用 Flexcell-5000T 体外细胞张应变加载系统对VSMCs 施加频率为 1. 25 Hz、幅度分别为 5% 和 15% 的周期性张应变,模拟正常生理情况和高血压病理情况下的力学环境;通过蛋白免疫印迹(Western blotting)和荧光定量 PCR(qPCR)方法检测正常生理和高血压病理力学条件下VSMCs 的 PGC1α 蛋白表达,以及柠檬酸合酶和线粒体 DNA(mitochondrial DNA,mtDNA) 拷贝数变化情况;应用PGC1α 特异性激活剂 ZLN005 和有效干扰片段 siRNA 检测 PGC1α 表达上调或下调对柠檬酸合酶和 mtDNA 拷贝数的影响。 结果 与 5% 生理性周期性张应变相比,15% 病理性高张应变显著抑制 VSMCs 的 PGC1α 和柠檬酸合酶的表达,mtDNA 拷贝数显著降低。 与对照组相比,对 VSMCs 转染 PGC1α 干扰片段 siRNA 或孵育 PGC1α 特异性激活剂 ZLN005,分别下调和上调 PGC1α 蛋白表达,VSMCs 的柠檬酸合酶表达和 mtDNA 拷贝数也相应地降低和增加。在加载生理性周期性张应变条件下,对 VSMCs 转染 PGC1α 干扰片段 siRNA 显著下调其蛋白表达;对 VSMCs 施加PGC1α 特异性激活剂 ZLN005 显著上调 PGC1α 蛋白表达,柠檬酸合酶表达和 mtDNA 拷贝数也被增加。 结论 高血压背景下病理性周期性高张应变通过抑制 VSMCs 的 PGC1α 蛋白显著下调 VSMCs 的柠檬酸合酶表达和 mtDNA拷贝数,进而导致 VSMCs 线粒体功能障碍。 PGC1α 可能是缓解高血压病理进程的潜在治疗靶向分子。

    • 一种基于微型传感器的鞋带拉力测试系统研制及可靠性研究

      2023, 38(1):164-169. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0164

      摘要 (55) HTML (0) PDF 2.54 M (593) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研发与验证一种鞋带拉力测试系统的可靠性。 方法 对 3 个拉力传感器分别施加 0 ~ 196 N 增量载荷,每种载荷重复测试 9 次,重复测试过程中卸去负载并间隔 30 s,采集每种负荷下传感器的输出电压。 使用线性回归分析探究采集的电压信号与增量载荷之间的线性关系,使用准确度、精确度和一致性区间来验证测量值与真实载荷的一致性,通过 Bland-Altman 分析和组内相关系数(intra-group correlation coefficient,ICC)分析验证拉力传感器的重复性和可靠性。 结果 传感器的输出电压信号与载荷之间显著线性相关(P<0. 000 1,R2 = 0. 999 9),3 个感器 ICC>0. 999(P<0. 000 1)。 不同载荷下 3 个拉力传感器测量值变异系数的均值分别为 0. 003 8、0. 002 2 和0. 003 5。 结论 该鞋带拉力采集系统具有较高的可靠性,可以用于鞋带拉力的实时采集。

    • 雄性大鼠四肢骨生物力学性能增龄性变化

      2023, 38(1):170-175. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0170

      摘要 (510) HTML (0) PDF 3.00 M (412) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨雄性大鼠肱骨、股骨和胫骨生物力学性能增龄性变化规律及其在年龄推断中的应用价值。 方法根据不同周龄,将 90 只健康雄性 SD 大鼠分为 2、4、6、8、17、26、52、78 和 104 周龄组,每组 10 只。 过量麻醉处死大鼠后分离肱骨、股骨和胫骨并剔除附着软组织,利用游标卡尺测量上述骨骼长度及中段(受压部位)直径,利用电子万能材料试验机进行三点弯曲试验以检测极限载荷和极限载荷下位移。 结果 不同周龄组雄性大鼠肱骨、股骨和胫骨极限载荷组间差异均具有统计学意义(P<0. 05)。 随着周龄增长,肱骨、股骨和胫骨极限载荷均呈先增大后减小趋势,且都在 52 周龄组达峰值,52 周龄前与周龄呈强正相关( r = 0. 884、0. 933、0. 929,P<0. 05)。 极限载荷下位移除股骨组间差异有统计学意义外(P<0. 05),肱骨、胫骨均无统计学意义。 股骨极限载荷下位移与周龄呈弱正相关(r = 0. 406,P<0. 05)。 52 周龄前大鼠肱骨、股骨、胫骨、3 种骨骼综合极限载荷自动线性建模的年龄预测准确度分别为 78. 2% 、86. 8% 、84. 1% 、88. 3% 。 肱骨、股骨、胫骨长度与极限载荷呈强正相关( r = 0.904、0. 897、0. 814,P<0. 05)。 肱骨、股骨、胫骨中段直径与极限载荷呈强正相关( r = 0. 759、0. 814、0. 745,P<0. 05)。 结论 雄性大鼠肱骨、股骨和胫骨极限载荷随周龄增长先增大后减小,在 52 周龄前与周龄呈正相关,可用于年龄推断。 3 种骨骼极限载荷综合推断年龄准确度最高,其次为股骨。 肱骨、股骨、胫骨长度/ 中段直径均与极限载荷呈强正相关。

    • 慢性非特异性腰痛患者足底压力特征分析和平衡研究

      2023, 38(1):176-181. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0176

      摘要 (428) HTML (0) PDF 1.20 M (426) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探究慢性非特异性腰痛( chronic nonspecific low back pain, CNLBP)患者和健康受试者的平衡能力差异,以及患者疼痛症状、腰椎灵活性、腹肌耐力、总体功能、生存质量和恐惧逃避心理与平衡能力的相关性,从而指导临床康复评价。 方法 选取 34 例 CNLBP 患者作为实验组,另选取 34 例无腰痛史健康志愿者作为对照组,使用足底压力测量系统采集两组受试者静止站立时前足/ 后足压力比、足底压力中心位移路径长度( L)、前后向位移长度(LAP )、侧向位移长度(LML )、平均速度(v)、前后向位移速度( vAP )、侧向位移速度( vML )、椭圆摆动面积( S)。 另外,实验组采用视觉模拟评分法(visual analogue scale,VAS)、指地距离(finger floor distance, FFD)、1 min 卷腹个数、Oswestry 功能障碍指数问卷表(Oswestry disability index,ODI)、健康状况调查简表(36-item short form survey,SF-36)和恐惧-回避信念问卷(fear avoidance beliefs questionnaire,FABQ) 进行评估,并与足底压力参数进行相关性分析。结果 两组受试者各项足底压力指标均有显著性差异(P<0. 05),其中实验组前足/ 后足压力比显著低于对照组(P<0. 05),L、LAP 、LML 、v、vAP 、vML 和 S 显著高于对照组(P<0. 05)。 在睁闭眼时,实验组 VAS 评分和 L、LAP 、LML 呈正相关关系(P<0. 05),FFD、FABQ 评分分别和 L、LML 正相关关系(P<0. 05);睁眼时,ODI 和 L、LAP 、LML 呈正相关关系(P<0. 05),SF-36 评分和 L、 LML 呈负相关关系( P < 0. 05);闭眼时,1 min 卷腹个数和 LAP 、 S 呈负相关关系(P<0. 05),ODI 和 L、LML 呈正相关关系(P<0. 05),SF-36 评分和 L 呈负相关关系(P<0. 05)。 结论 CNLBP 患者的静态平衡能力下降,且与疼痛症状、腰椎功能、生存质量和心理状态有一定的相关性。 研究结果可为功能活动的评估提供参考。

    • 基于 Kinect 探讨针刺结合康复训练对脑卒中患者上肢功能的影响

      2023, 38(1):182-188. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0182

      摘要 (526) HTML (0) PDF 2.21 M (406) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 用 Kinect 探讨针刺结合康复训练对脑卒中患者上肢功能的影响。 方法 将脑卒中后上肢功能障碍患者随机分为对照组(康复训练) 和治疗组(针刺+康复训练) 各 15 例。 比较两组患者治疗前后改良 Barthel 指数(modified Barthel index, MBI)、Fugl-Meyer 运动功能评估(Fugl-Meyer assessment, FMA)及 Wolf 运动功能测试(Wolfmotor function test, WMFT),用 Kinect 评估两组患者干预前后前臂放桌面、伸肘、喝水 3 个动作的运动时间(motortime, MT)、运动单位数量(motor unit number, MUN)、曲率指数( index of curvature, IC)、肘关节屈曲角度( elbowflexion angle, EFA)、肩关节屈曲角度( shoulder flexion angle, SFA) 与肩关节内收角度( shoulder adduction angle,SAA)的变化。 结果 经过 6 周治疗,治疗组患者 MBI 和 FMA 分数、WMFT 总分数及伸肘分数均高于对照组(P<0. 05);两组患者 MBI 和 FMA 分数、WMFT 总分数、前臂放桌面、伸肘及喝水分数组内比较均高于治疗前(P<0. 05)。 治疗组患者 3 个动作的 MT、MUN、IC、EFA、SFA、SAA 改善情况均优于对照组(P<0. 05);两组患者前臂放桌面、伸肘动作的 EFA 均较治疗前增加(P<0. 05),MT、MUN、IC、SFA、SAA 均较治疗前减小(P<0. 05);两组患者喝水动作的 EFA、SFA 均较治疗前增加(P<0. 05),MT、MUN、IC、SAA 均较治疗前减小(P<0. 05)。 结论 针刺结合康复训练可以提高脑卒中患者上肢功能。 Kinect 能精准反映脑卒中患者上肢功能的变化,适合运用于临床工作。

    • >综述
    • 微重力对细胞衰老影响的研究进展

      2023, 38(1):189-194. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0189

      摘要 (570) HTML (0) PDF 1.48 M (506) 评论 (0) 收藏

      摘要:微重力是太空环境的典型特征。 大量的太空飞行以及地基模拟实验显示,在微重力/ 模拟微重力效应刺激下细胞展现出细胞增殖减少和细胞周期停滞等衰老的典型生物学特征,但微重力/ 模拟微重力效应影响细胞衰老的分子机制尚不十分清楚。 加深对微重力环境影响细胞衰老机制的认识有助于探索太空微重力环境下的抗衰老策略和靶向干预手段。 近年来,国内外学者在微重力/ 模拟微重力效应对细胞衰老的影响和相关机制方面开展了较多的研究探索,本文就相关研究进展进行综述。

    • 特发性肺纤维化的生物力学特性

      2023, 38(1):195-201. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0195

      摘要 (86) HTML (0) PDF 990.58 K (640) 评论 (0) 收藏

      摘要:特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)是常见的慢性间质性纤维化疾病。 纤维化进程中,肌成纤维细胞异常活化,胶原蛋白大量沉积,肺组织生物力学特征发生显著变化。 研究表明,生物力学因素在 IPF 疾病发生发展中发挥重要作用。 本文对 IPF 进程中肺组织、细胞生物力学特性的变化以及生物力学信号的转导进行系统 综述,并总结 IPF 生物力学特征的体外再现及靶向生物力学的治疗策略,为 IPF 临床防治提供参考。

    • 经颅直流电刺激对下肢耐力表现影响的系统综述

      2023, 38(1):202-208. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2023.01.0202

      摘要 (199) HTML (0) PDF 2.46 M (455) 评论 (0) 收藏

      摘要:下肢疲劳是影响运动表现的重要因素之一,如何提升下肢在耐力运动过程中的抗疲劳能力是人体运动生物力学研究领域的重点。 本研究对经颅直流电刺激( transcranial direct current stimulation,tDCS)干预下肢耐力表现的相关文献进行系统综述,总结 tDCS 干预下肢耐力表现的效果,分析影响因素及潜在机制。 结果发现:tDCS 干预对下肢整体耐力表现有显著影响,对膝关节耐力表现的影响无统一定论,研究人员认为 tDCS 可提高初级运动皮层兴奋性从而降低辅助运动区激活,在耐力运动中产生更低的主观感觉疲劳分级,但却无法影响耐力运动中肌肉疼痛感知,且各研究中刺激方案不一,可能是部分原因。 该研究可为探究 tDCS 提升耐力表现的中枢机制、针对不同人群制定康复和运动训练方案及开发新型刺激设备以增强人体抗疲劳能力提供理论依据。

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