• 2012年第27卷第3期文章目次
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      2012, 27(3).

      摘要 (2066) HTML (0) PDF 605.78 K (2720) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • 封面

      2012, 27(3).

      摘要 (1968) HTML (0) PDF 939.17 K (2154) 评论 (0) 收藏

      摘要:

    • >论著
    • 人工髋关节无菌性松动失效的生物力学分析与诊断推理

      2012, 27(3):251-257. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.3.257.

      摘要 (2833) HTML (0) PDF 2.14 M (2184) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究人工髋关节置换术后无菌性松动失效的力学机理以及引发松动的具体原因,提出对临床中发生无菌性松动事件进行失效诊断的具体方法。方法 从骨水泥层强度、界面微动、应力遮挡、磨损与骨溶解等生物力学角度对无菌性松动的成因进行研究,分析无菌性松动失效与产品、临床和患者等因素的关系,并研究翻修术前检测松动的方法。结果 提出无菌性松动失效原因推理路线图,成功利用荧光透视分析(fluoroscopic analysis, FSA)技术在翻修术前对无菌性松动进行了在体测定。结论 无菌性松动失效分析推理路线图可以帮助展开失效事件的原因挖掘,应用FSA方法可以对松动进行在体测定与确认,辅助医生开展人工髋关节置换术后无菌性松动失效的诊治。

    • 年龄变化对人牙本质裂纹扩展升阻能力的影响

      2012, 27(3):258-263. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.263.

      摘要 (2200) HTML (0) PDF 1.81 M (2849) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过有限元数值计算的方法研究年龄变化对牙本质断裂力学行为的影响。方法 根据典型的紧凑拉伸试件形式建立有限元模型,采用内聚力模型分别模拟裂纹在年轻和老龄牙本质中稳态扩展的过程,并进行比较。结果 老龄牙本质的扩展断裂韧度和断裂韧度趋于恒定时的值分别为0.51、1.19 MPa?m1/2,显著小于年轻牙本质的相应值(7.48、1.71 MPa?m1/2);然而,这两者之间的初始断裂韧度相差比较微小,年轻和老龄牙本质的初始断裂韧度分别为0.51和0.38 MPa?m1/2。结论 随着年龄的增长,牙本质抵抗裂纹扩展的能力发生了明显的减弱。基于内聚力模型的数值方法能够很好地预测牙本质等力学性能与年龄相关的生物硬组织材料的裂纹扩展行为。

    • 髋臼几何形态对髋关节接触力学行为的影响

      2012, 27(3):264-269. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.269.

      摘要 (2201) HTML (0) PDF 13.47 M (2101) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究髋臼解剖几何形态对髋关节接触力学特性的影响。方法 建立人体天然髋关节的解剖学模型以及具有不同髋臼外形的简化模型,利用有限元分析方法研究步态载荷作用下髋关节的接触力学行为。结果(1)解剖学模型产生的接触主要在髋臼的中上部,沿身体前后方向分布,峰值接触应力出现在髋臼前上部。(2)与解剖学模型相比,旋转椭球形髋臼产生了类似的接触分布,而球形和旋转蚶线形髋臼产生的接触主要在髋臼中部,沿上下方向;(3)旋转椭球形髋臼具有最大的接触面积和最小的峰值接触压力和Von-Mises应力;(4)球形髋臼和旋转蚶线形髋臼具有类似的接触力学特征。结论 与球形和旋转蚶线形相比,旋转椭球形能够更好地描述髋臼的解剖形态及其接触力学行为。

    • 利用有限元研究非贯穿弹道冲击防弹衣后人体躯干的力学响应

      2012, 27(3):270-275. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.275.

      摘要 (9299) HTML (0) PDF 12.44 M (15021) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过建立人体躯干有限元计算模型,对弹头非贯穿性弹道冲击下人体躯干主要脏器的力学响应进行数值模拟。方法 利用正常成年男性的CT扫描数据,应用医学图像重建软件Mimics和有限元前处理工具HyperMesh进行人体躯干有限元建模,在显式动力有限元分析软件LS-DYNA中对速度为360 m/s 的9 mm手枪弹弹头撞击装配有软质防弹衣人体躯干的压力、加速度响应进行数值计算。结果 建立了包括胸廓骨骼结构、脏器、纵膈和肌肉/皮肤的人体躯干有限元模型,通过数值计算获得了心脏、肺脏、肝脏、胃的压力响应以及胸骨的加速度响应,发现不同脏器之间或同一脏器的不同位置,离弹头撞击点位置的远近决定了压力峰值的大小和出现压力峰值的时间。结论 装配有软质防弹衣的人体躯干有限元计算模型可作为非贯穿弹道冲击下人体力学响应的仿真分析工具,仿真结果可为防弹衣后钝性损伤机制和防护研究提供依据。

    • 不同病理学等级关节炎软骨的三相力学特性

      2012, 27(3):276-281. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.281.

      摘要 (2297) HTML (0) PDF 11.72 M (2006) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 基于超声膨胀观测技术与三相理论提取关节软骨的轴向弹性模量,探索不同等级关节炎软骨的三相力学特性。方法 对不同阶段的兔子关节炎软骨样本进行病理学分级,基于高频瞬态超声测量技术获取软骨因自由膨胀引起的组织应变量,结合组织的固定电荷密度和水体积分数,运用三相模型估计软骨的轴向弹性模量,并进行相关性分析。结果 正常软骨与关节炎软骨的轴向弹性模量存在着明显差异(P<0.05),不同等级软骨样本的轴向弹性模量存在明显差异(P<0.05)。正常软骨组织的平均弹性模量为(15.87±6.30) MPa,随着关节炎的发生与关节炎程度的加重,软骨的弹性模量逐渐减小,1、2、3级软骨样本的轴向弹性模量分别为(11.33±5.21)、(9.15±5.68)、(6.05±4.99) MPa。结论 不同病理学关节炎等级软骨样本的三相力学特性有明显差异,该研究为应用软骨组织的力学属性定量评判关节炎的严重程度提供了新的思路。

    • 旋后外旋型踝关节损伤有限元模型的建立与力学分析

      2012, 27(3):282-288. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.288.

      摘要 (2579) HTML (0) PDF 13.79 M (2525) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 模拟旋后外旋型踝关节损伤,建立踝关节三维有限元模型。方法 基于正常人体踝关节CT图像,建立包含韧带的踝关节三维数值模型;采用有限元方法对Lauge Hanson分型4种不同程度的旋后外旋型踝关节损伤进行分析,得到踝关节应力及胫距关节面的压力分布。结果 施加旋后外旋载荷时,应力最大值位于胫腓前韧带胫骨附着点;断裂胫腓前韧带后,则位于骨间膜;继续断裂骨间膜后,应力较大值位于踝关节后韧带;再断裂胫腓后韧带后,应力较大值位于三角韧带。压力较大值则位于腓骨远端、胫距下关节面后部。结论 建立的踝足部三维数值模型可用于旋后外旋型踝关节损伤的的力学机理分析,计算出的踝关节应力及胫距关节面的压力分布符合临床中Lauge-Hanson分型的描述。

    • 应用自适应骨重建理论研究股骨头缺血性坏死囊变引起的骨密度改变

      2012, 27(3):289-293. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.293.

      摘要 (2584) HTML (0) PDF 1.60 M (3068) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨股骨头缺血性坏死囊变对骨密度分布的影响。方法 采用Weinans Huiskes骨重建模型,运用有限元分别计算正常股骨头及囊变股骨头骨密度分布。结果 (1) 模拟生成了正常股骨上段内侧压缩小梁束M、横向张力小梁束L、粗隆间的斜向小梁束I和Ward三角。(2) 如果发生一个原发囊变,则原发囊变区外下方会出现继发囊变区,且继发囊变区骨的密度将随原发囊变区体积的增大而急剧减小。囊变还将改变股骨的承重桁架系统。结论 (1) Wolff定律与现代拓扑优化理论是吻合的;(2) 股骨头缺血坏死出现囊变后,应及时治疗以阻止继发新的囊变和股骨头塌陷的产生。

    • 优化设计颅内动脉瘤用梯形截面支架底边长度

      2012, 27(3):294-298. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.298.

      摘要 (2218) HTML (0) PDF 6.11 M (2094) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 为降低梯形截面丝支架植入颅内囊状动脉瘤后瘤腔破裂的风险,对支架丝截面底边长度进行优化设计。方法 构建38种不同底边长度的梯形截面支架及其植入动脉瘤后的有限元模型,利用流固耦合数值模拟计算得到38组最大瘤腔壁面压力梯度值,并应用广义回归神经网络及遗传算法对梯形截面底边长度进行优化,使植入支架后最大瘤腔壁面压力梯度降到最低。结果 优化结果显示,相对传统矩形截面支架,优化后支架将最大瘤腔壁面压力梯度降低了7.86%。结论 广义回归神经网络与遗传算法结合可以很好地解决支架优化方面的问题。

    • 周期性张应变对破骨前体细胞和破骨细胞增殖和抗酒石酸酸性磷酸酶的影响

      2012, 27(3):299-304. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.304.

      摘要 (7711) HTML (0) PDF 19.90 M (11430) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究不同强度的力学载荷对破骨细胞及其前体细胞增殖、分化和功能的影响。方法 以破骨诱导液培养RAW264.7破骨前体细胞,同时施加3 d的周期性张应变,然后培养4 d;另外一组RAW264.7细胞以破骨诱导液培养4 d,将其诱导为破骨细胞,再施加3 d的周期性张应变。结果 在不同张应变下,两组细胞增殖活性的变化大致相同,但细胞抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatage, TRAP)活性和破骨细胞(TRAP阳性多核细胞)数量的变化明显不同。在2 500 με的中等强度张应变下,第1组的TRAP活性降幅和破骨细胞数量减幅均最高,而后者TRAP活性降幅和破骨细胞数量减幅均最低。 结论 不同张应变对分化初期破骨前体细胞和已分化出破骨细胞的破骨前体细胞的破骨分化和功能状态的影响有明显差异。

    • 不同基底硬度对人肝癌细胞黏附、铺展和迁移的影响

      2012, 27(3):305-311. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.311.

      摘要 (3006) HTML (0) PDF 9.51 M (2176) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究不同基底硬度对肝癌细胞黏附、铺展和迁移行为的影响及对细胞骨架装配方式和细胞表面黏附蛋白整合素β1表达的调控,探讨基底的力学特性在肝癌细胞恶性转移过程中的作用。方法 通过调节丙聚酰胺和双丙烯酰胺的比率制备不同硬度的聚丙烯酰胺基底,并在基底表面裱衬2.5 μg/mL纤维连接蛋白为细胞提供黏附位点;用显微观察并记录不同硬度基底上细胞黏附、铺展和迁移的变化,并用Image J软件定量分析;分别运用免疫荧光和流式细胞仪的方法检测不同基底硬度对肝癌细胞骨架装配和细胞表面整合素β1表达的影响。结果 硬基底利于肝癌细胞的黏附和铺展并缩短细胞的铺展时间。过软(1.1 kPa)或过硬(玻璃)的基底都不利于肝癌细胞的迁移,肝癌细胞在中间硬度的基底上(10.7 kPa)迁移速率最高。硬基底促进细胞骨架的装配和整合素β1表达。结论 基底硬度通过调节细胞骨架装配和整合素的表达从而影响肝癌细胞的黏附、铺展和迁移。

    • 基于MATLAB的海量人体运动学数据批处理方法

      2012, 27(3):312-316. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.316.

      摘要 (2487) HTML (0) PDF 1.56 M (3000) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 开发一种基于MATLAB的海量人群人体运动学数据批处理方法。方法 首先,基于MATLAB批读取运动捕捉系统测量的人体行为运动原始标记点坐标数据,对其进行插值处理,剔除误差点;其次,构建黏贴于人体上相邻刚体的连体基,将其作为相应关节运动学计算的刚体参考基和连体基;最后,基于刚体运动学、计算刚体姿态的基本描述和方向余弦阵,计算各关节的内外展、屈/伸、内外旋角位移、角速度和角加速度。结果 本文以上楼梯和深蹲为例,应用海量人体运动学数据批处理方法对人体下肢行为运动的关节运动学进行分析计算,验证了该方法的准确性和有效性。结论 基于MATLAB的海量人群人体运动学数据批处理方法能够快速、准确地对海量人群人体运动学数据进行处理,为人体测量学、人机工程学学等统计科学提供了分析工具。

    • 篮球鞋对主动与被动落地时冲击力特征和肌肉活化的影响

      2012, 27(3):317-323. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.323.

      摘要 (2416) HTML (0) PDF 2.20 M (2337) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨人体在主动和被动落地过程中,穿着篮球鞋对落地冲击力特征和下肢相关肌群活化程度的影响。方法 选取具备强缓冲性能的篮球鞋作为测试用鞋,并辅以对照鞋。12名球类专项男运动员作为受试者,在翻板器上完成包括由低到高3种下落高度和2种下落方式(主动落地反跳和被动着地)在内的着地动作。利用测力台和肌电分析系统同步采集冲击力和下肢5块主要肌群的EMG信号。结果 主动落地反跳时,穿着篮球鞋并没有对冲击力的振幅和频率以及下肢肌群的激活程度产生影响;但被动着地时,穿着篮球鞋却能够显著降低冲击力和负载率的峰值,减小冲击频率(P<0.05),同时显著降低下肢各主要肌群的后激活程度(P<0.05)。结论 在主动控制完成动作的情况下,运动鞋影响冲击力和肌肉活化的效果并不明显;然而当人体未完全控制着地状态时,篮球鞋能够改变输入于下肢的冲击力信号,达到缓冲避震并适当减小肌肉活化的效果,为避免落地时运动损伤的发生及机能节省化起到了积极的作用。

    • 局部振动刺激对肱二头肌血红蛋白的影响

      2012, 27(3):324-328. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.328.

      摘要 (2316) HTML (0) PDF 1.55 M (2698) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨局部振动刺激过程对肱二头总血红蛋白和氧合血红蛋白的影响。方法 利用手臂振动按摩带对12名女性志愿者进行局部振动刺激,用非侵入性近红外光谱仪于振动开始前10 min、振动中10 min与振动停止后15 min采集肱二头肌之总血红蛋白和氧合血红蛋白的数值,并了解每分钟变化趋势;以单因素方差分析进行统计检验。结果 振动停止后15 min会使手臂肱二头总血红蛋白显著性增加(P<0.05),振动中10 min与振动停止后15 min均会使手臂肱二头氧合血红蛋白显著性增加(P<0.05);在变化趋势方面,总血红蛋白和氧合血红蛋白约在振动中10 min的第5 min出现最大峰值,且在振动停止后15 min仍持续高于振动刺激前,并呈现稳定状态。结论 局部振动刺激会实时提升肱二头总血红蛋白和氧合血红蛋白;此外,必须至少持续振动刺激5 min以上总血红蛋白和氧合血红蛋白数量才会达到最大峰值。

    • 足支撑时相跟腱不同拉力负荷时足底压力的分布

      2012, 27(3):329-332. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.332.

      摘要 (2442) HTML (0) PDF 1.22 M (2743) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨足支撑时相跟腱不同拉力负荷过程中足底前、后部压力分布的变化。方法 将6个新鲜足标本置于Bose材料试验机上,保持足标本中立位,调整垂直压力350 N不变,通过砝码分别给予跟腱0~80 kg不同级别(0、100、200、300、400、500、600、700、800 N)的拉力;分别放置两个秤在足底前、后部,记录足底前、后部在不同跟腱提拉力下的压力值。结果 在跟腱不同提拉力下,前足底的压力值不断增加,后足底的压力值不断降低,前足底和后足底压力值占整个足底压力值的百分比与跟腱拉力呈线性关系(P<0.01, R2=0.996)。结论 本研究模拟了人活体状态下足的支撑时相,探讨了支撑期足底前、后部压力值的变化趋势,为临床上一些由于跟腱收缩紊乱引起足底压力变化而导致的疾病(如糖尿病足底溃疡、跖骨痛)提供理论基础。

    • 三Endobutton技术解剖重建喙锁韧带与改良Weaver-Dunn术式的生物力学分析

      2012, 27(3):333-338. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.338.

      摘要 (2358) HTML (0) PDF 2.03 M (2340) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 对比三Endobutton技术解剖重建喙锁韧带与改良Weaver Dunn术式的生物力学表现。方法 12具新鲜冰冻尸肩,分别从前、后及上3个方向对标本施加70 N应力,测量锁骨相对于肩胛骨的位移,完成后以25 mm/min的速率向上进行破坏试验,记录破坏负荷及断裂模式。将标本随机分为Endobutton组和改良Weaver-Dunn组,分别进行三Endobutton重建和改良Weaver-Dunn重建,重建后进行移位试验和破坏试验,比较不同情况下肩锁关节稳定性和力学强度。结果 Endobutton组比改良Weaver-Dunn组向前((8.72±1.41) mm vs (37.03±5.05) mm)及向后((8.03±3.68) mm vs (14.85±1.89) mm)的移位更小(P<0.05),与重建前喙锁韧带完整时(向前(7.81±2.22) mm,向后(7.16±1.95) mm)接近。向上移位各组间无明显差异。改良Weaver-Dunn组的破坏负荷为(172±9) N,明显低于Endobutton组(687±115) N和韧带完整组(685±234) N(P<0.05)。结论 三Endobutton解剖重建喙锁韧带较改良Weaver-Dunn术式向前、向后移位更小,稳定性更接近于原完整韧带,且强度与喙锁韧带相近,能更好地恢复喙锁韧带的功能。

    • 利用镍钛记忆合金椎体复位器治疗椎体压缩性骨折

      2012, 27(3):339-343. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.343.

      摘要 (2589) HTML (0) PDF 1.81 M (3039) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 探讨一种全新设计的镍钛记忆合金椎体复位器用以治疗椎体压缩性骨折的可行性。方法 采用成人新鲜冷冻尸体标本,制成实验性胸、腰椎压缩骨折单位模型后分成对照组、经皮椎体后凸骨水泥成形术组(PKP组)及经皮置入镍钛记忆合金椎体复位器术组(镍钛复位器组)。分别在手术操作前后测量椎体高度,比较两种不同术式对压缩椎体复位程度的影响;以对照组为测量基值,分别测量两种手术后椎体标本的峰值载荷并加以比较。结果 与对照组相比,两种手术组均能显著地复位塌陷的椎体终板,PKP组和镍钛复位器组的椎体高度分别从术前的(2.01±0.21)和(2.00±0.18) cm复位至术后的(2.27±0.18)和(2.31±0.17) cm。PK P组和镍钛复位器组的椎体峰值载荷分别为(2 880.75±126.17) 和(2 888.00±144.69) N,均显著高于对照组(2 017.17±163.71) N,但两种术式之间无显著性差异。结论镍钛记忆合金椎体复位器能有效地复位塌陷的椎体终板,并保持足够的即刻脊柱生物力学稳定性,减少椎体后凸成形术时因使用骨水泥所带来的副反应。

    • PVA /HA复合水凝胶力学性能分析及有限元模拟

      2012, 27(3):344-350. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.3.350.

      摘要 (2401) HTML (0) PDF 6.22 M (2450) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过实验与有限元模拟对羟基磷灰石(HA)改变聚乙烯醇/羟基磷灰石(PVA/HA)复合水凝胶的力学性能本质及其承载特性进行研究。方法 在UMT试验机上进行PVA/HA复合水凝胶的压缩及应力松弛实验。通过模拟与实验结果相结合,研究PVA/HA复合水凝胶的承载特性及HA对其性能的影响。结果 随着HA含量的增加,PVA/HA复合水凝胶的压缩模量先增大后减小,而渗透系数先减小后增大;HA含量为3%的PVA/HA复合水凝胶压缩模量最大、渗透系数最小,分别为1.25 MPa和1.59×10-3 mm4?N-1?s-1。PVA/HA复合水凝胶的液体承载比例随着施载时间的增加呈现先增加后减小的非线性变化,加入HA的PVA/HA复合水凝胶的液体承载比例明显增加。应力松弛速率随着HA含量增加呈先上升后下降趋势,下压相同位移HA,含量为3%时,PVA/HA复合水凝胶所能分散的应力更多。结论 PVA/HA复合水凝胶内部的承载特性影响着其力学性能,HA含量为3%时的PVA/HA复合水凝胶力学性能最优,更接近于天然关节软骨的力学性能。

    • >临床研究
    • 应用静态进展性牵伸方法治疗膝关节挛缩

      2012, 27(3):351-354. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.354.

      摘要 (2614) HTML (0) PDF 1.17 M (2973) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 报道应用等速测力仪静态进展性牵伸治疗膝关节挛缩的方法及疗效。方法 选取因骨折术后造成膝关节挛缩的患者16例,其中股骨干骨折2例,股骨远端骨折5例,髌骨骨折4例,胫骨平台骨折5例。术后平均病程13.7周。在等速测力计上实施静态进展性牵伸。每次关节活动在一个方向上牵伸,每次分5组牵伸,每组治疗时间5 min,组间休息1 min,下一组关节角度渐增。患者每日接受SPS治疗2次,每次治疗时间30 min,每周5 d,治疗疗程2月。分别在治疗前、治疗后、治疗后6月使用角度计测量伸膝角度E、屈膝角度F和关节活动度R。结果 治疗后以及治疗后6个月,膝关节E、F、R 3个指标较治疗前均有明显改善(P<0.05)。 结论 应用等速测力仪静态进展性牵伸可以治疗膝关节挛缩。

    • >综述
    • 原子力显微镜在细胞与生物大分子超微结构和力学研究中的应用

      2012, 27(3):355-360. DOI: 10.3871/j.1004-7220.2012.03.360.

      摘要 (8824) HTML (0) PDF 12.98 M (23143) 评论 (0) 收藏

      摘要:作为微纳米科学理论与技术迅猛发展的代表,原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)在其25年的发展过程中极大地推进了生物学在微纳米尺度上的拓展,为微纳米生物学的诞生与发展提供了重要技术手段。本文在介绍AFM基本原理和检测模式的基础上,结合作者在该领域的研究成果和工作经验,从生物结构与形态学研究、表面物化性质表征、生物大分子的力学操纵三方面综述了AFM在细胞与生物大分子超微结构与生物力学特性研究中的具体应用,并重点探讨了AFM在细胞与生物大分子科学研究中亟待改进和解决的科学与技术问题,提出了一些探讨性的见解和建议。

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