• 2020年第3期文章目次
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      2020, 35(3).

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      摘要:

    • 封面

      2020, 35(3).

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      摘要:

    • >专家论坛
    • 机械通气在治疗新型冠状病毒肺炎中的生物力学问题

      2020, 35(3):265-270.

      摘要 (642) HTML (0) PDF 0.00 Byte (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:新型冠状病毒肺炎(coronavirus disease 2019,Covid-19)危重症患者常表现出急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS),乃至急性呼吸衰竭,需要通过机械通气提供呼吸支持。但临床观察发现,机械通气后患者死亡率非常高(>50%)。鉴于机械通气的力学本质,机械通气后的高死亡率很可能与通气条件下机械拉伸刺激引起的肺损伤相关,因而从生物力学的角度理解机械通气条件下呼吸系统的病理变化及其机理和潜在对抗措施,对完善Covid-19危重症患者的治疗方法具有十分重要的意义和紧迫性。Covid-19危重症患者治疗中机械通气导致的肺损伤涉及诸多生物力学因素及作用机制,包括机械通气力学参数的变化、炎症因子风暴、纤毛-黏液系统、气道平滑肌的作用、肺纤维化、细胞对于拉伸的感应机制等。这些生物力学问题应当得到高度重视和深入研究,以为完善新冠肺炎等呼吸疾病的治疗方案提供新思路。

    • >论著
    • 基于形态学和血流动力学的B型主动脉夹层病发机理分析

      2020, 35(3):271-275.

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      摘要:目的 结合形态学分析与计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)方法探索Stanford B型主动脉夹层病发机理,为有效预测B型主动脉夹层发生提供依据。方法 对6例初发夹层患者(夹层组)CTA数据和6例正常志愿者(对照组)MRI黑血成像数据进行图像分割和三维重建,获得个体化的主动脉三维模型。使用压缩算法去除假腔,获得夹层病发前主动脉形态,与对照组进行对比。比较两组形态学参数和血流动力学参数之间的差异。结果 与对照组相比,夹层组主动脉弓降交界处的截面积呈现明显增大[(892.03±263.78) mm2 vs (523.67±64.10) mm2, P=0.036];左锁骨下动脉和主动脉之间的夹角明显减小(66.62°±20.11° vs 100.40°±15.35°, P=0.036);主动脉弯曲度显著增加(0.37°±0.07° vs 0.21°±0.51°, P=0.011);夹层组平均壁面剪切力(time-averaged wall shear stress, TAWSS)明显高于对照组;发生夹层区域的血液呈现低速漩涡流动状态;且夹层区域的震荡剪切指数(oscillating shear index, OSI)也明显升高。结论 研究结果可用于指导临床B型主动脉夹层病发初期诊疗决策。

    • 先天性心脏病相关性肺动脉高压血流动力学特异性研究

      2020, 35(3):276-283.

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      摘要:目的 先天性心脏病相关性肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension related to congenital heart disease, PAH-CHD)是肺动脉血流动力学异常所致的一种疾病。研究肺循环血流动力学特异性,有助于了解PAH-CHD发生发展的生物力学因素。方法 对5例PAH-CHD 患儿和5例无PAH(Non-PAH)的先天性心脏病患儿通过临床及影像资料收集,重建三维血管模型,利用计算流体动力学模拟肺动脉血液流动,对比分析肺动脉血流动力学相关速度流线、壁面剪切应力(wall shear stress, WSS)及单位体表面积平均能量损失(E·)差异。结果 血流动力学相关指标显示,PAH-CHD患儿左右肺动脉分支处流速和WSS明显升高,主肺动脉处WSS明显降低,E·呈显著增加趋势且与肺动脉直径及入口流量呈明显正相关。结论 PAH-CHD患儿较Non-PAH患儿肺动脉分支处流速和WSS明显升高,主肺动脉WSS降低,E·增加,表明这些血流动力学因素与PAH-CHD密切相关,是临床评估PAH-CHD的潜在血流动力学指标。

    • 右冠状动脉起源于左冠状窦的血流动力学分析

      2020, 35(3):284-288.

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      摘要:目的 通过计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)分析右冠状动脉起源于左冠状窦(anomalous origin of the right coronary artery from the left coronary artery sinus, AORL)的血流动力学参数,从而有效评估疾病。方法 选取正常右冠状动脉(right coronary artery, RCA)和AORL两例个体病例,在Mimics软件中重建两个病例的血管模型,并将模型导入ANSYS CFX软件中进行血流动力学模拟计算,比较正常和AORL两种模型的血流动力学情况。结果 AORL模型右冠状动脉入口截面具有较小的血流量(9.35 cm3/s),有可能会导致右冠状动脉下游供血不足;AORL模型右冠状动脉急性拐角处的压力(13.78 kPa)相比于正常模型右冠状动脉(14.9 kPa)较低;AORL模型壁面剪切力(12.83 Pa)大于正常模型(9.74 Pa);AORL模型血管壁变形量较大。结论 AORL入口流速及拐角处压力均比正常RCA小,从而可能导致缺血症状发生。研究结果对临床上有效评估缺血等疾病具有理论指导意义。

    • 基于3D打印和CT三维重构数值模拟上呼吸道气流状态的研究方法

      2020, 35(3):289-295.

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      摘要:目的 建立物理模型实验和数值模拟相结合的方法,用于研究上呼吸道气流状态。方法 基于网上公开CT医学图像,重建人体上呼吸道三维模型。基于3D打印技术,建立上呼吸道实验模型,进行呼吸的流量过程测量实验;通过对上呼吸道三维模型进行网格划分,采用湍流Realizable k-ε数值模型进行计算。结果 首先进行与实验工况对应的数值模拟对比研究,得到与实验吻合的结果。数值模拟结果表明,呼吸过程中的气流的流动轨迹呈抛物线形状,呼气和吸气阶段的流场、壁面压力和涡结构分布很大区别,呼吸交换过程中上下鼻道有空气残留。另外,通过脉线、压力分布和涡结构分布情况,初步分析气流对上呼吸道生理环境的影响。结论 该方法具有针对性、快速性和准确性的特点,充分发挥了物理实验可靠和数值模拟精细的优点,适用于不同个案上呼吸道不同问题的研究,对临床个性化诊疗具有价值。

    • 基于计算流体动力学的新型电磁驱动搏动式灌注血泵泵头优化分析

      2020, 35(3):296-303.

      摘要 (287) HTML (0) PDF 0.00 Byte (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 应用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对电磁驱动搏动式灌注血泵流场进行仿真分析,通过改进泵头结构改善血液在血泵的流动状态,提升其抗溶血性能。方法 应用Fluent 17.0分析泵头结构变化对泵内流场的影响,通过血液流入和流出的4次仿真实验,分析内部液体的流线分布、中轴面上的湍流动能分布、血液流经泵头的压力损失和模型表面受到的切应力。结果 在4次实验中,泵头入口与出口管路对称且与对称轴的夹角α=30°时,液体流线无明显紊乱,湍流程度较低;实验1中压力损失最小,为376.8 Pa;实验1、2中的最大切应力分别为258.6、302.8 Pa,符合压力损失和溶血程度等血泵生物力学性能要求。选择α=30°模型为该电磁驱动搏动式灌注血泵的泵头结构,并通过3D打印技术进行制作。结论 经过对泵头的优化分析,血泵溶血性能得到改善。研究结果可以运用到新型电磁驱动搏动式灌注血泵的设计与实验中。

    • LASIK手术对人眼角膜生物力学性能的影响

      2020, 35(3):304-310.

      摘要 (304) HTML (0) PDF 0.00 Byte (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究人眼角膜在准分子激光角膜原位磨镶术(laser in situ keratomileusis, LASIK)术后生物力学性能的变化并预测术后角膜刚度。方法 利用可视化角膜生物力学分析仪(Corvis ST)的测量结果,计算表征角膜刚度的瞬时刚度系数(STSC)和表征黏性的能量吸收面积(Aabsorbed),分析屈光术后角膜刚度和黏性的变化规律。结果 LASIK术后角膜STSC和Aabsorbed较术前差异具有统计学意义(P<0.05),获得角膜刚度预测公式为:S术前=1.055bIOP术前+ 0.015CCT术前,S术后=0.937S术前+ 0.019CCT术后。结论 LASIK手术不仅改变角膜厚度,也降低角膜的刚度和黏性。预测术后角膜刚度可为临床手术的设计提供指导,提高手术安全性。

    • 壁冠状动脉周向应力体外加载装置的研制

      2020, 35(3):311-318.

      摘要 (322) HTML (0) PDF 0.00 Byte (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 设计并研制壁冠状动脉周向应力体外模拟装置,实现不同程度心肌桥压迫下壁冠状动脉周向应力的体外加载。方法 利用心肌桥冠状动脉血液动力学体外模拟装置,实现壁冠状动脉周向应力的体外测量。依托上述实验数据,实现不同程度心肌桥压迫下壁冠状动脉周向应力的体外加载。结果 通过体外测量实验发现,壁冠状动脉近心段周向应力最大值、平均值以及波动值都会随着心肌桥压迫程度的增加而显著增大。通过壁冠状动脉周向应力的体外加载实验,验证加载波形与周向应力体外测量实验波形基本吻合。结论 该装置可以实现壁冠状动脉周向应力的体外加载,为探究壁冠状动脉近端血液动力学异常对动脉粥样硬化产生及斑块破裂的影响,提供一个尽量接近在体环境、多种参数可调控的体外模拟平台。

    • 基于牙颌模型的正畸弓丝初始回复力口外测量技术

      2020, 35(3):319-324.

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      摘要:目的 利用模拟牙颌模型实现正畸弓丝初始回复力的口外测量。方法 以1例临床病例作为研究对象,通过3D打印制作与患者真实牙列分布相一致的上颌牙颌模型,并以此为基础利用Nano17 F/T力学传感器搭建矫治力测量系统,测量直径为355.6 μm标准圆镍钛弓丝佩戴在牙颌模型上后施加在患者2颗上颌中切牙上的初始回复力。结果 患者上颌中切牙21受到的初始矫治力较中切牙11更大,且2颗中切牙所受到的矫治力系均不利于牙齿的理想移动,需要添加辅助装置改善牙齿受力状况。在优化正畸治疗方案后,患者在治疗18个月后获得满意的矫治效果。结论 利用患者的模拟牙颌模型可以准确测量正畸弓丝作用在目标牙齿上的矫治力系,预估牙齿的移动形式,并以此为基础改进牙齿矫治方案。矫治力的口外测量技术为临床正畸治疗提供重要参考,为矫治方案的优化设计开创新思路。

    • 兔脊柱节段压缩的生物力学研究

      2020, 35(3):325-330.

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      摘要:目的 通过进行动物脊柱的轴向压缩实验,探究脊柱损伤的病理机制,为脊柱损伤的治疗、预防和研究提供参考。方法 通过轴向压缩实验对兔脊柱节段进行生物力学研究,同时利用数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术记录压缩过程并进行应变分析。结果 沿脊柱从上向下,节段的极限载荷和承载能力均不断增加;相对应的单椎体的平均极限载荷明显大于节段;椎间盘在水平和竖直方向的应变明显大于上下椎体。结论 在脊柱承受压应力的过程中,应重点考虑椎间盘的承载能力,脊柱节段的损伤主要表现为椎间盘异常。研究结果有助于脊柱压缩性骨折的预防和治疗,以及相关治疗器械和辅助器械的设计。

    • 流体剪切力下趋化因子CXCL12诱导Jurkat T细胞的钙响应机制

      2020, 35(3):331-337.

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      摘要:目的 探究流体剪切力(fluid shear stress, FSS)条件下趋化因子诱导Jurkat T细胞钙响应的力-化学耦合调控机制。方法 通过流动腔系统与荧光显微镜结合,在静止或流场条件下,观察分析有或无胞外Ca2+时固定化趋化因子CXCL12诱导的Jurkat T细胞钙响应过程,提取相应特征参数。结果 CXCL12可以介导Jurkat T细胞的稳定黏附且呈现浓度依赖性;力是细胞钙响应的开关,当FSS从0提高到20 mPa时,钙响应激活比率从约4%提高到约75%;在20 mPa FSS下,胞外Ca2+可以通过缩短延迟时间(缩短约23 s)加快钙响应,增加爬坡时间(约7 s)和半衰期(约20 s)提高钙响应强度。结论 FSS和胞外Ca2+协同作用,加快、加强CXCL12介导的Jurkat T细胞钙响应,提示一条依赖机械敏感钙离子通道的“外钙内流-内质网钙库释放”的快速通路。研究结果有助于深入理解T细胞的活化过程,为相应病理和药物研究提供参考。

    • 中央型腰椎管狭窄症患者间歇性跛行症状出现前后的足底压力分析

      2020, 35(3):338-346.

      摘要 (310) HTML (0) PDF 0.00 Byte (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 研究中央型腰椎管狭窄症(lumbar spinal stenosis,LSS)患者出现间歇性跛行(neurogenic intermittent claudication, NIC)症状前后的足底压力变化情况及跌倒风险,为足底压力分析应用于LSS患者行走功能判定提供理论与数据参考。方法 选取12名患有腰L4~5节段中央型LSS患者作为实验组,同时以12名同年龄健康成人作为对照组,采用Footscan足底压力测试系统进行动态足底压力测试,通过比较实验组运动前后与对照组运动前后站立相时间(contact time, CT)及各分期时间百分比(CT%)、步向角(foot progression angle, FPA)、足底各分区接触面积百分比(CA%)和压强时间积分(pressure-time integral, PTI),评估行走状态下患者足底压力的变化情况。结果 实验组症状出现前与对照组相比,足跟触地期(initial contact phase,ICP)CT%减小,前足离地期(forefoot push-off phase,FFPOP)CT%增高,总接触时间、FPA、第1~3跖骨头区PTI以及第2、第3跖骨头区CA%增加;实验组运动至NIC症状出现后,其全足触地期(foot flat phase,FFP)与前足离地期CT%、总接触时间、FPA、第1~4跖骨头区PTI和CA%、足趾区CA%增加,足跟触地期与前足触地期(forefoot contact phase,FFCP)CT%、足跟区PTI和CA%均减小。结论 中央型LSS患者在行走时足底压力分布向前足转移,站立相时间周期出现异常。这些异常可因NIC症状出现而进一步加重,患者具有更高的跌倒风险。

    • 全膝关节置换前后患者下肢肌骨模型步态模拟与分析

      2020, 35(3):347-354.

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      摘要:目的 比较分析全膝关节置换患者术前、术后步态周期站立相下肢肌肉激活规律和膝关节受力。方法 基于OpenSim平台建立1名健康受试者和3名单侧全膝关节置换(total knee arthroplasty,TKA)患者术前、术后下肢肌骨模型。使用三维动作捕捉系统和测力台采集受试者步行期间下肢运动学数据和地面反作用力作为输入参数,模拟计算下肢肌肉激活和膝关节受力。结果 肌骨模型计算结果与基于三维动作捕捉系统的逆动力学计算结果基本一致。不同于健康受试者,患者股直肌在承重反应期、支撑相中期激活,3名患者术后股四头肌的激活时间与激活程度较术前明显不同。患者TKA术前关节受力峰值为3.15、2.95、3.43倍身体质量(body weight, BW),支撑相中期维持2倍BW以上载荷。TKA术后关节受力峰值分别2.09、2.48和3.73倍BW。结论 所建肌骨模型计算结果具有一定的可靠性,该模型今后可为TKA治疗提供生物力学的辅助手段。

    • 神经肌肉疲劳前后运动鞋对下肢落地冲击的生物力学影响

      2020, 35(3):356-363.

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      摘要:目的 探讨神经肌肉疲劳前后缓冲型运动鞋对落地动作下肢冲击力特征,以及对运动学和动力学的影响。方法 比较15名篮球专项运动员在疲劳干预前后,穿不同缓冲性能的运动鞋从60 cm高落地时的冲击力、负载率、下肢运动学、关节力矩、关节/下肢刚度等。结果 疲劳前高缓冲鞋仅使后跟处负载率峰值减小,且到达后跟负载率时间比对照组更短。疲劳后高缓冲鞋显著减小后跟处冲击力峰值、负载率峰值和前脚掌的负载率峰值,同时显著延长到达冲击力和后跟负载率峰值的时间;穿高缓冲鞋使得踝关节触地角度、最小角度显著增大。在下肢刚度、踝关节峰值力矩和刚度方面两组鞋并未发现显著性的改变。结论 在疲劳后,当人体下肢神经肌肉控制策略减弱时,高缓冲鞋能够有效地衰减冲击,进而有利于避免或减小潜在的冲击性运动损伤。

    • 下肢力线与膝关节软骨下骨板杆结构和软骨退变的关系

      2020, 35(3):364-371.

      摘要 (327) HTML (0) PDF 0.00 Byte (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 利用骨小梁分割技术(individual trabecula segmentation,ITS)和组织学方法分析膝关节骨关节炎(osteoarthritis,OA)的胫骨平台骨软骨标本,研究下肢力线与软骨下小梁骨显微结构以及软骨退变的关系。方法 接受全膝关节置换术病人术前进行下肢全长X线平片拍摄,进行髋-膝-踝(hip-knee-ankle, HKA)角测量。收集术中切除的胫骨平台标本进行显微CT扫描,利用ITS分析软骨下骨小梁结构。通过组织学方法评价软骨退变。对下肢力线与软骨下骨显微结构参数改变和软骨退变进行相关性分析。结果 胫骨平台软骨下骨小梁体积分数(BV/TV)、骨小板(pBV/TV)体积分数、骨小杆体积分数(rBV/TV)及轴向骨小梁体积分数(aBV/TV)、骨小板及骨小杆体积比值(P/R)、骨小板数量(pTb.N)、骨小板厚度(pTb.Th)、骨小板表面积(pTb.S)、骨小杆长度(rTb.L)、骨小板-骨小板连接密度(P-P Junc.D)、骨小板-骨小杆连接密度(P-R Junc.D)与软骨退变程度和下肢力线角度显著相关。HKA角度绝对值越大,受累侧胫骨平台软骨下骨小板增厚,骨小板数量增加,骨小板-骨小板以及骨小板-骨小杆的连接性越强,同时软骨退变OARSI评分也越高。结论 下肢力线异常可能通过改变膝关节正常的应力分布而导致胫骨平台软骨下骨小梁显微结构异常,尤其是骨小板和轴向骨小梁的显著增多和增厚可能是进一步加重被覆软骨退变、导致OA进展的危险因素。因此,通过改变力线和调节软骨下骨代谢有望成为早期干预骨关节炎发生和发展的切入点。

    • 服用非变性Ⅱ型胶原蛋白对骨性膝关节炎患者膝关节活动度的影响

      2020, 35(3):372-377.

      摘要 (296) HTML (0) PDF 0.00 Byte (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:目的 通过步态分析评估口服非变性Ⅱ型胶原蛋白对膝关节骨性关节炎的康复效果。方法 受试者为16位Ⅰ、Ⅱ级膝关节骨性关节炎患者,以WOMAC问卷了解患者膝关节的不适症状,使用KneeKG红外线三维膝关节评估系统分析患者患肢膝关节的运动学特征,通过配对t检验分析服用非变性Ⅱ型胶原蛋白3个月后的运动学数据差异。结果 服用非变性Ⅱ型胶原蛋白后,患者膝关节疼痛感、僵硬感、日常生活困难度皆明显降低(P<0.05),膝关节屈伸角度由51.8°±15.2°增加至58.4°±10.7°(P<0.05),着地时膝关节内翻角度降低至2.1°±4.8°,膝关节内翻症状的改善率达82%。结论 服用非变性Ⅱ型胶原蛋白3个月对膝关节骨性关节炎患者起到康复作用,膝关节活动角度接近健康老年人水平,同时改善了膝内翻的症状。

    • >综述
    • 肺内液黏度和表面张力测量的临床意义与测量方法

      2020, 35(3):378-384.

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      摘要:肺内液主要指由气道黏液和肺泡内表面衬里液所形成的一连续液体薄层,对于维持肺的健康至关重要。介绍肺内液流变学特性在维持气道稳定性、保证肺正常的屏障与清除功能、避免呼吸机相关性肺损伤和新生儿呼吸窘迫综合征表面活性剂替代治疗等方面的临床意义,同时总结Langmuir-Wilhelmy天平法、捕获气泡法、毛细管黏度计和旋转黏度计等液体表面张力和黏度测量的经典方法,以及粒子追踪微流变仪、轴对称液滴边缘形状分析等新技术,比较这些方法的优缺点,为临床研究肺内液流变学特性辅助肺疾病的诊断和治疗提供重要参考。

    • 骨骼肌通过力学刺激对骨重建的影响

      2020, 35(3):385-390.

      摘要 (303) HTML (0) PDF 0.00 Byte (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:骨骼与骨骼肌作为运动系统最重要的组织,两者之间存在密切的联系。骨肌单元的概念提出已久,运动产生的力学负荷将两者紧密地联系在一起。骨骼为骨骼肌施力提供力学支撑,而骨骼肌收缩带动机体的运动。在机体运动过程中,骨骼肌充当力学负荷与骨骼之间的中间媒介,并通过内分泌因子以及力学信号调节骨骼的代谢活动,与机体内持续不断的骨重建密切相关,并维持骨骼良好的结构和功能。主要综述近年来骨骼肌通过对骨骼施加力学刺激影响骨重建作用的研究进展,为预防和治疗骨代谢疾病提供新的思路。

    • 角度基台生物力学影响的研究现状

      2020, 35(3):391-396.

      摘要 (263) HTML (0) PDF 0.00 Byte (0) 评论 (0) 收藏

      摘要:角度基台对种植体周围骨组织应力分布的影响是一个有争议的问题,目前比较一致接受的观点是在种植修复中使用角度基台会增加种植周围骨组织不利的应力分布。但是临床观察确没有发现角度基台对种植修复带来不良的影响。总结角度基台的临床应用及其影响、角度基台相关生物力学研究,发现角度基台的应用不会带来不良的临床影响,但基台角度变化确实会给种植体周围组织应力分布带来一些变化,增大和减小种植体周围组织应力分布都是可能的。因此,如何合理利用角度基台带来有利的应力分布是以后口腔种植临床研究的一个方向。

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