摘要:

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摘要:随着对生物力学与力学生物学机制理解的深入,力学如何应用于疾病治疗受到越来越多的关注,由此产生了力治疗学这一新兴领域。 生物材料与力治疗学的结合,为疾病的力学治疗提供了多样化的干预途径与丰富的技术手段。 本文结合 2022 年度生物材料在力治疗学中应用的最新进展,着眼于多尺度的力治疗途径分析,从器官与组织、微组织、细胞与亚细胞和分子 4 个尺度,探讨生物材料如何服务于力治疗学应用,以期助力多学科交叉研究发展、推动力治疗研究的转化与应用。

摘要:水凝胶是生物医用领域的重要生物材料，也是近年来的研究热点。但人体内的细胞与组织的微环境和调控机制非常复杂，水凝胶应用于再生修复领域仍存在一些待解决的科学问题。随着生物力学的发展，越来越多的研究者发现除了关注水凝胶的材料学及生物学特性以外，其生物力学特性也是调控细胞功能、影响组织再生修复的关键因素之一。因此，本文总结了水凝胶材料的生物力学研究进展，并对未来的研究工作进行了展望。

摘要:目的 探讨坐姿下臀部压力性损伤易发部位以及不同软组织的生物力学响应,为有效预防深层组织压力性损伤提供参考。 方法 基于臀部 CT 扫描数据,建立坐位臀部有限元模型,包括骨骼、肌肉、脂肪和皮肤组织及坐垫模型,利用生死单元模拟组织损伤。 对比实验坐垫界面压力测量数据与有限元模拟结果,验证模型有效性。 模拟坐位力学状态,研究软组织的应力、应变情况,分析不同软组织中的压应力及超出极限值后可能造成的损伤情况。结果 通过对比坐垫模型仿真结果与实验界面压力测量结果,证明模型有效。 坐位时坐骨结节下方软组织区域出现应力集中现象。 其中,臀大肌组织中的横向压应力峰值约为 38 kPa,剪切应力峰值约为 3. 4 MPa;而脂肪组织中的最大压应力与剪切应力峰值分别为 22 kPa 与 4. 5 MPa,均未出现在坐骨结节正下方。 结论 软组织受到一定时间和大小的压力载荷作用,可能出现深层组织损伤。 当保持坐姿一定时间后,应及时变换体位,以降低压力性损伤出现的概率。 研究结果为预防压力性损伤提供生物力学依据,具有重要的临床研究价值。

摘要:目的 探索功能性踝关节不稳(functional ankle instability, FAI)人群在地面行走时的下肢协调性和协调变异性。 方法 12 名右侧 FAI 男性受试者(FAI 组)及配对招募 15 名健康男性受试者(对照组),以自选速度在地面上行走,运用 Qualisys 红外高速光学运动捕捉系统采集 5 min 步行的运动学数据,运用 Matlab 软件自编代码计算下肢关节间的耦合角及耦合角标准差。 耦合角采用圆形分布资料统计,耦合角标准差采用独立样本 t 检验。 使用Cohen’s d 评价效应量。 结果 FAI 组髋-膝关节矢状面耦合角在步态支撑中期前 1 / 2 和摆动期最后 1 / 4 均大于对照组;FAI 组髋-踝关节矢状面耦合角在支撑末期前 1 / 2 也大于对照组;膝-踝关节矢状面耦合角在支撑中期后 1 / 2和支撑末期前 1 / 2 均小于对照组。 FAI 组髋-踝关节冠状面耦合角在承重期 FAI 组比及摆动期最后 1 / 4 小于对照组。 在支撑末期及预摆期,FAI 组髋-踝关节冠状面和膝-踝关节矢状面耦合角标准差大于对照组。 结论 FAI 患者与正常人群的步态模式存在差异。 协调模式表现为某种代偿保护策略。 支撑末期及预摆期较大的协调变异性提示 FAI 患者踝关节感觉知觉的变化使髋、膝、踝关节的运动控制发生适应性变化

摘要:目的 探讨不同站姿时足底压力分布与足弓结构特征之间的相关性。 方法 对 13 名健康成年男性进行足底压力测试,并进行足部 CT 扫描和足骨模型重构,建立足弓数字化表征。 在此基础上,分析足底压力测量指标与足弓特征测量参数之间的相关性。 结果 前足峰值压力(forefoot peak pressure, FPP)在 0°站姿时与内外侧纵弓高度、内外侧纵弓指数和体质量正相关,与内外侧纵弓角负相关;在 30°站姿时与内外侧纵弓长度、内侧纵弓高度、足底三角形面积和体质量正相关;在 60°站姿时与内外侧纵弓高度和内侧纵弓指数正相关,与内侧纵弓角负相关。 中 足峰值压力(midfoot peak pressure, MPP)在 0°站姿时与内外侧纵弓长度和足底三角形面积正相关;在 30°站姿时与内外侧纵弓长度、内外侧纵弓角和足底三角形面积正相关,与内外侧纵弓指数负相关;在 60°站姿时与内外侧纵弓长度、足底三角形面积和体质量正相关。 后足峰值压力(rearfoot peak pressure, RPP)在 0°站姿时与内外侧纵弓高度、内外侧纵弓指数和体质量正相关,与内外侧纵弓角负相关;在 30°和 60°站姿时仅与体质量正相关,与足弓特征参数无关。 结论 不同站姿时的足底压力分布与足弓特征存在不同相关性。 研究结果可为临床诊断、治疗和预防因不同站姿引起的足部病理提供理论基础。

摘要:目的 分析太极拳转体与弓步动作中下肢关节活动顺序性、肌肉力表现和肌肉激活程度的差异,揭示太极拳转体动作的特征。 方法 募集 20 名练习时长超过 3 年的健康太极拳练习者,采用三维运动捕捉系统、测力台和表面肌电同步采集转体与弓步两种动作运动学、动力学和肌肉激活信息,并通过 OpenSim 仿真软件获取下肢肌力。结果 与弓步相比,转体动作髋、踝关节外旋幅度显著增大;膝关节外展和外旋力矩显著增大,股二头肌、半腱肌和内外侧腓肠肌峰值肌力显著增强,股二头肌、内外侧腓肠肌峰值肌力时刻显著提前,而股内外侧肌和胫骨前肌峰值肌力显著减小,胫骨前肌肌力最早达到峰值;股二头肌、股内外侧肌和内侧腓肠肌的平均激活水平和激活时间显著增加。 结论 太极拳转体动作由踝、髋关节依次转动组成,肌肉力表现的独特性在于重心两次转移致使支撑腿内外侧肌力曲线呈双峰型,因为全足着地延迟方式引发了腓肠肌与股四头肌激活顺序和肌肉平均激活水平改变。研究结果提示全足着地延迟方式具有调节肌肉激活顺序的作用,合理利用有助于提升临床康复效果。

摘要:目的 通过对有、无跌倒史老年人进行步态运动学和动力学同步测量,对比步态生物力学特征,为老年人跌倒预防提供理论及实践依据。 方法 在居民社区及老年公寓招募 284 名 60 岁以上老年人作为测试对象,严格按照纳入和排除标准,按照既往 12 个月跌倒史分为跌倒组(有跌倒史)和非跌倒组(无跌倒史)。 采用三维录像解析和动态足底压力测量获取受试者自然行走步态的运动学和动力学参数。 测试数据采用独立样本 t 检验进行组间各因素差异性对照分析。 结果 跌倒组老年人自然行走步态过程中左足第 1 跖骨峰值力、双足足跟外侧冲量、右足大拇趾冲量等动力学参数与非跌倒组相比,差异均有统计学意义(P<0. 05);跌倒组老年人自然行走步态过程中右足第 2 跖骨受力面积、左足缓冲期接触时间、右足前脚掌触地时间、右足横向压力中心(center of pressure, COP)轨迹、左足触地髋角、双足峰值压力点重心位移等运动学参数与非跌倒组相比,差异均有统计学意义(P<0. 05)。 结论 与无跌倒史老年人相比,有跌倒史老年人行走过程中第 2 跖骨受力面积减小,足底触地时间延长,过渡期支撑稳定性下降,COP 横向位移增大,行进方向 COM 位移减小,意味着老年人下肢肌力下降,足侧向摆动增大,步行推进力减小,可导致姿势控制策略发生代偿性改变,潜在跌倒风险增大。 在临床评估中,应重点关注有跌倒史老年人群步态足底压力及运动学特征。

摘要:目的 对比社区脑卒中患者单任务步行与不同类型和不同负荷双任务步行时步态参数及其对称性的差异。方法 利用 Simi Motion 三维动作分析系统采集 20 名处于慢性恢复期的社区脑卒中患者在单任务步行及不同负荷认知双任务步行和运动双任务步行时步态参数,并间接计算出其对称指数。 采用单因素重复测量方差分析对比单任务步行与不同双任务步行时步态参数及其对称性差异。 结果 与单任务步行相比,社区脑卒中患者在高低负荷认知任务介入时步速、患侧步长、健侧摆动相占比均降低,困难认知任务介入时健侧步宽和健侧、患侧支撑相占增加、健侧步长和患侧摆动相占比降低,摆动相占比对称指数减小(P<0. 05)。 结论 社区脑卒中患者主要通过降低步速、缩减步长、降低摆动相占比、增加步宽和支撑相占比,改变步态模式来应对认知任务干扰,对于步态稳定性,高负荷认知任务的介入,会增加社区脑卒中患者摆动相占比的不对称性程度,降低其步态稳定性。

摘要:目的 对老年男性在穿着实验改良鞋进行快走运动时的鞋舒适性和安全性进行评估,为老年鞋具的设计提供数据参考。 方法 16 名 55~ 65 岁男性受试者穿着 3 款不同老年运动鞋,使用视觉模拟评分法( visual analoguescale,VAS)和足底压力参数从主观舒适性和生物力学进行综合评价。 使用垂直地面反作用力( vertical groundreaction force, vGRF)、压力中心(center of pressure, COP)位移和摩擦因数分别从冲击衰减特性、步态稳定性和鞋防滑性三方面对老年运动鞋的安全性进行评价。 结果 在第 2 ~ 5 趾骨区,B 鞋的平均压力、峰值压强均显著低于 A 鞋;在第 2~ 4 跖骨区,B 鞋峰值压强显著低于 C 鞋;在第 5 跖骨区,C 鞋平均压力、峰值压强均显著低于 A、B 鞋;在足弓内侧区,C 鞋平均压力显著高于 A、B 鞋;外侧区,B 鞋平均压力显著低于 C 鞋,峰值压强显著低于 A 鞋。 3 双鞋 vGRF 第 1 峰值力存在显著性差异;B 鞋 vGRF 第 2 峰值力显著低于 C 鞋。 C 鞋足底 COP 在从触地到 vGRF 第 1峰值力产生时间段内左右方向上的位移变化量(COPX-LR)显著高于与 A、B 鞋,而在整个支撑期左右方向上的位移变化量(COPXD)显著高于 B 鞋。 B 鞋脚掌蹬伸摩擦因数峰值显著高于 A、C 鞋,C 鞋着地阶段峰值时刻显著慢于 B 鞋。 结论 B 鞋安全性较高,但仍需进一步的改进以减少第 5 趾骨区的足底压力。 在设计老年人鞋具时,为达到减震缓冲效果而仅采取厚底设计,可能会给老年人的步态稳定性带来负面影响。

摘要:目的 量化非预期条件下前交叉韧带重建(anterior cruciate ligament reconstruction, ACLR)术后运动员侧切动作中膝关节生物力学特征,探讨运动员前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)损伤潜在风险。 方法 应用红外运动捕捉系统和三维测力台同步采集 30 名 ACLR 男性运动员在预期和非预期条件下侧切动作中健侧、患侧下肢运动学和动力学数据。 应用双因素方差分析对关节角度、关节力矩、地面反作用力( ground reaction force, GRF)等测试指标进行统计分析。 结果 患侧肢体的膝关节屈曲角度、外翻力矩和屈曲力矩显著低于健侧肢体,内旋力矩和胫骨前剪切力显著高于健侧肢体。 与预期条件相比,非预期条件下膝关节屈曲角度、内旋力矩、胫骨前剪切力显著增加。 患侧肢体膝关节外旋角度在预期和非预期条件下均显著高于健侧,非预期条件下健侧肢体侧向 GRF 和前后 GRF 显著小于预期条件,患侧肢体侧向 GRF 显著高于预期条件。 结论 ACLR 运动员进行侧切动作时,相比于健侧,患侧表现出较小的膝关节屈曲角度,较大的膝关节内旋力矩和胫骨前剪切力的生物力学特征,可能存在较大的 ACL 潜在损伤风险;在非预期条件下,ACLR 运动员双侧下肢均表现出膝关节内旋力矩增大,侧向 GRF 增大和胫骨前剪切力增大的生物力学特征,提示 ACL 潜在损伤风险不仅限于患侧,健侧下肢也应加强侧切动作中 ACL 损伤预防。

摘要:目的 定量分析前交叉韧带重建(anterior cruciate ligament reconstruction, ACLR)术后关节粘连患者在体胫股关节 6 自由度的运动学特征。 方法 纳入 15 例 ACLR 术后关节粘连患者和 15 例健康受试者,运用便携式膝关节三维运动分析系统采集受试者负重屈膝和非负重屈膝时胫股相对于股骨的运动轨迹,获取胫股关节 6 自由度的运动学数据。 结果 与健康人相比,负重屈膝 30°、45°、60°和 75°时,膝关节粘连患者患侧胫骨内旋角度明显减少(P<0. 001);负重屈膝 30° 和 45° 时,膝关节粘连患者患侧胫骨相对于股骨的外翻角度较健康人明显减小(P<0. 05)。 非负重屈膝 75°时,膝关节粘连患者患侧胫骨内移距离较健康人明显减少(P<0. 05)。 结论 关节粘连限制了胫骨相对于股骨的旋转和内外移,对于胫骨相对于股骨的前后移动影响不大。 因此,临床上应该利用各种治疗手段松解股骨内外侧沟的粘连和外侧副韧带挛缩,解决旋转和内外移动受限的问题,以最大程度恢复膝关节功能。

摘要:目的 分析患者前交叉韧带重建(anterior cruciate ligament reconstruction, ACLR)术后早期与术后 1 年在视觉因素影响下足底压力中心面积(center of pressure area, COPA)和压力中心速度(center of pressure speed, COPS)等参数的变化。 方法 纳入 ACLR 患者 17 例,于术后早期和术后 1 年测试足底 COPA 和 COPS 等数据;匹配 17 例健康受试者作为对照组。 进行睁、闭眼不同视觉状态站立平衡测试,对各测量状态进行相关性分析。 结果 双足站立测试时,短期组 COPA 和 COPS 在睁眼和闭眼对比均有统计学差异(P<0. 05);长期组 COPS 睁眼和闭眼对比有统计学差异(P<0. 001)。 健侧站立时,各组间差异具有统计学意义(P<0. 05),伤侧站立时各组间差异无统计学意义(P>0. 05)。 健侧站立睁眼条件下,长期组 COPA 高于短期组和对照组,对照组 COPS 低于短期组和长期组(P<0. 01)。 健侧站立闭眼条件下,对照组 COPA 低于短期组和长期组,对照组 COPS 低于长期组(P<0. 01)。 双足睁眼与双足闭眼之间、双足睁眼与伤侧睁眼之间、健侧睁眼和伤侧睁眼之间、健侧闭眼和伤侧闭眼之间在 COPA 和COPS 上均呈正相关。 结论 通过对 ACLR 患者站立位压力中心相关数据的分析,发现视觉对姿势稳定控制有重要影响。 术后 1 年患者双足和单足站立时对比正常人稳定性波动较大,提示在临床上要加强术后长期训练以巩固康复效果,并对开展长期评估和制定精准训练计划具有一定的指导作用,以防止术后长时间功能退化和降低再次损伤的风险。

摘要:目的 建立青少年特发性脊柱侧凸患者的个性化脊柱运动学和动力学建模方法并验证其准确性,为脊柱侧凸的非手术矫形治疗提供治疗机制分析与效果评估的工具。 方法 基于患者影像学数据计算并调整 Schmid 开发的 OpenSim 青少年脊柱模型的骨骼与肌肉参数,使模型与特定患者相匹配;基于文献数据添加椎间刚度并在侧凸 段进行修正,使模型符合脊柱侧凸患者椎关节力学特征,进而建立患者侧凸脊柱的个性化运动学和动力学仿真分析模型;基于运动捕捉数据计算逆运动学,并使用静态优化计算肌肉激活度,将计算结果与影像学及肌电(electromyogram,EMG)数据进行对比验证。 结果 站立状态逆运动学计算得到的各椎骨冠状面角度平均误差为0. 164°,符合运动学误差要求;站立状态胸椎段与腰椎段竖脊肌凸侧与凹侧肌肉激活度比值分别为 0. 489 与0. 631,与 EMG 数据吻合;侧屈运动中对椎间刚度进行修正后的模型与未修正模型相比,肌肉激活更接近 EMG 数据。 结论 本文方法建立的模型满足运动学与肌肉力的准确性要求。

摘要:目的 建立考虑斜方肌的脊柱侧凸有限元模型,探究斜方肌对脊柱的力学特性影响。 方法 建立脊柱侧凸患者胸腰椎及骶骨的有限元模型,并进行模型有效性验证。 之后加入肩胛骨和斜方肌,模拟分析上躯干不同工况下斜方肌对 Lenke1 型侧凸脊柱各部分的影响。 结果 脊柱-肌肉模型侧屈活动度比脊柱模型小 0. 23% ,椎间盘轴向旋转平均降低 0. 078°;软组织应力在小关节上分布更均匀,软组织所受应力变化更平稳;6 种工况中 87. 5% 的腰椎小关节所受应力减小。 结论 斜方肌可以增强脊柱抵抗变形的能力,同时使应力在脊柱上更符合循序渐进的分布,腰椎受力更小使得人体可以承受更多的外载荷。 所建脊柱-肌肉模型更贴合实际,对于临床具有一定的参考价值。目的 建立考虑斜方肌的脊柱侧凸有限元模型,探究斜方肌对脊柱的力学特性影响。 方法 建立脊柱侧凸患者胸腰椎及骶骨的有限元模型,并进行模型有效性验证。 之后加入肩胛骨和斜方肌,模拟分析上躯干不同工况下斜方肌对 Lenke1 型侧凸脊柱各部分的影响。 结果 脊柱-肌肉模型侧屈活动度比脊柱模型小 0. 23% ,椎间盘轴向旋转平均降低 0. 078°;软组织应力在小关节上分布更均匀,软组织所受应力变化更平稳;6 种工况中 87. 5% 的腰椎小关节所受应力减小。 结论 斜方肌可以增强脊柱抵抗变形的能力,同时使应力在脊柱上更符合循序渐进的分布,腰椎受力更小使得人体可以承受更多的外载荷。 所建脊柱-肌肉模型更贴合实际,对于临床具有一定的参考价值。

摘要:目的 探讨不同弯形青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis, AIS)患者站立位及行走时脊柱、骨盆运动学特征,为康复形体训练提供可参考建议。 方法 使用 Diers 4D motion 模块测量 45 名单弯、45 名双弯AIS 患者及 27 名健康青少年站立位及行走状态下胸曲角、腰曲角,以及骨盆旋转和骨盆倾斜参数。 结果 站立位健康组胸曲角(40. 67°)和腰曲角(39. 68°)角度最大,步行时双弯组胸曲增大角度(6. 1°)最大,健康组胸曲增大角度(-10. 37°)最小;站立位下单弯组的骨盆倾斜方向与主弯同向。 结论 相对于站立位,步行时 3 组胸曲角运动趋势主要以减少为主,且受到侧弯类型的影响,腰曲角则在 3 组中均表现为减少;两侧弯组站立位骨盆三维形态受腰椎代偿弯影响,且步行时骨盆旋转功能与腰椎代偿弯和骨盆初始位置有关。 建议治疗师在进行患者骨盆功能评估和训练时,应充分考虑侧弯弯形可能带来对结果的影响,并有针对性地对盆活动度不足侧进行松解和功能训练,提高骨盆运动功能的对称性。

摘要:目的 研究不同标记线制备工艺对脊柱后路内固定系统连接棒疲劳性能和系统压缩疲劳性能的影响。 方法根据 YY/ T 0119. 4—2014 标准对脊柱连接棒进行 4 点弯曲疲劳测试。 在一定应力作用下,依据 YY/ T 0857—2011 对 激光标记线连接棒和双色彩氧标记线连接棒进行系统压缩疲劳试验。 结果 在 715 MPa 应力下,自制激光标记线连接棒和竞品厂家激光标记线连接棒疲劳寿命较无标记线连接棒分别下降了 95% 和 98% ;与未标记连接棒相比,激光标记连接棒疲劳强度由 742 MPa 下降至 342 MPa,降低了 54% 。 双色彩氧连接棒的疲劳寿命和疲劳强度与无标记线连接棒相当。 双色彩氧连接棒系统压缩疲劳强度较激光标记连接棒提高约 20% 。 结论 激光制备标记线显著降低了脊柱连接棒的疲劳性能和系统的压缩疲劳强度,改进的双色彩氧工艺制备标记线对连接棒的疲劳性能无影响,能有效降低临床断裂风险,为连接棒的性能改善和工艺开发提供参考。

摘要:目的 通过有限元方法比较不同固定方式对不同高度的不稳定型儿童肱骨近端骨折稳定性的影响。 方法建立不同高度(P1、P2、P3、P4)的儿童肱骨近端横行骨折模型,使用弹性髓内针(髓内针组)及不同构型的克氏针进行固定(4 针组、3A 组、3B 组),然后导入 ANSYS 2019 中,模拟上肢重力以及前屈、后伸、内收、外展、内旋、外旋 7 种工况,分析肱骨远端最大位移、内固定最大应力的平均值。 结果 所有高度肱骨远端最大位移的平均值均在 4 针组最小,内固定物最大应力的平均值在 P1 和 P4 高度时弹性髓内针最低,P2 和 P3 高度则是 4 针组。 结论 弹性髓内针固定在骨折面较低时优于 3 针固定,4 枚克氏针则在所有高度优于弹性髓内针固定。

摘要:目的 运用静力学分析、试验设计法以及布谷鸟-支持向量机预测建立关于 C1_1、C2_1、C3_1 型桡骨远端骨折夹板固定不同厚度压垫下骨折缝应力关系的数学模型。 方法 在 CT 影像中获得前臂中各个组织的形状,建立对应的实体模型,进行降噪、装配等过程实现建模;在 Workbench 中根据实验测定的载荷数据对模型施加载荷,获得一种情况下的骨组织力学情况;再通过试验设计法对多种施加载荷情况下的骨组织力学情况进行模拟;最后,通过布谷鸟改进支持向量回归预测,获得关于各骨折类型的数学模型。 结果 对 B 曲面划分的 12 个压垫固定位置施加载荷,通过试验设计法对 460 个样本在 Workbench 中 DOE 模块中进行求解,460 个样本中随机抽取 400 个作为训练集得到数学模型,用剩余 60 个样本作为测试集与数学模型预测结果进行对比,即可建立高精度的有关夹板固定中压垫固定位置上不同载荷和骨折缝处载荷情况的数学模型。 通过已知压垫固定区域施加不同厚度压垫的固定力对骨折缝应力的预测,预测值与仿真值进行对比模型预测精度最高达到 99. 66% ,最低达到 95. 653% 。 从精度上分析,压垫载荷与骨折缝处载荷存在模糊的数学关系,即支持向量机预测模型有效。 结论 通过研究压垫固定作用方式和压垫固定力对骨折缝的影响,有利于传统固定夹板与现代科学技术相结合,为临床骨折治疗桡骨远端骨折时固定器的选择和外固定器械设计提供参考。

摘要:目的 探讨 3 种不同建模方式对髋关节有限元模型生物力学特性的影响,研究出更符合实际的髋关节的材料属性赋值方法。 方法 对髋关节模型进行三维重建,分别采用皮-松质骨赋值法、均一赋值法和灰度赋值法完成材料参数赋值,设定相同的边界条件和载荷,模拟单腿站立位状态下髋关节受力情况,对比 3 组模型的髋关节应力和形变情况。 结果 3 种不同建模方式下髋关节应力均集中于股骨颈内侧,皮-松质骨赋值法、均一赋值法、灰度值赋值法模型 von Mises 应力峰值分别为 11. 04、3. 91、4. 25 MPa。 皮-松质骨赋值法模型最大形变位于股骨大粗隆上部,髋臼与股骨头处最大形变值为 0. 27 mm。 均一赋值法模型及灰度值赋值法模型最大形变位于髋臼与股骨头处,最大形变值分别为 0. 11、0. 12 mm。 结论 根据髋关节 CT 数据灰度值进行梯度赋值,使得髋关节模型材料属性分布更接近骨骼真实的材料属性。

摘要:目的 研发一种基于膝关节协会评分(knee society score, KSS)的远程自助-互助式功能评估系统,并验证其对膝关节置换(total knee arthroplasty,TKA)术后患者的有效性。 方法 选取 10 名接受 TKA 手术患者,利用功能评估系统记录其术前以及术后当天(0 d)、4 d 和 30 d 的功能情况。 系统自动计算患者的数据,包括 KSS 得分、屈曲总范围、屈曲挛缩、伸直迟滞、膝关节对线、疼痛和膝关节稳定性。 结果 比较医生凭借经验进行人工 KSS 评分结果与系统评估的 KSS 评分结果发现,二者评分差异无统计学意义,存在一致性。 结论 远程自助-互助式功能评估系统所采集的 KSS 分数与临床医生测评结果一致,该系统为 TKA 术后患者居家评估和远程术后康复指导提供了一种可靠、便捷的方法。

摘要:目的 基于一种新型髋关节假体柄设计,分析其在站立、行走、跑步和坐姿工况下的应力分布差异。 方法 基于人体 CT 数据,建立 7 组不同柄植入后的髋关节模型,利用有限元分析方法计算不同工况下假体柄和股骨应力情况。 结果 与植入传统假体柄相比,站立时新型假体柄植入后假体柄应力峰值降低 23%、股骨应力降低 72%。 7 种假体柄结果显示,假体柄高度为 86. 5 mm 的新型设计最符合患者需求。 多工况结果显示,患者处于坐姿,柄承受应力最小,使用寿命更长。 结论 新型假体柄有助于延长假体使用寿命,减小骨损伤风险。 髋关节假体模型为后期柄的设计及患者术后康复提供科学理论支撑。

摘要:目的 研究球扩式主动脉瓣膜支架植入后的抗迁移力学行为。 方法 建立球扩式瓣膜支架介入主动脉瓣膜后的抗迁移力学模型,采用数值模拟方法研究不同瓣环椭圆率、摩擦因数、瓣膜支架材料及自体瓣叶钙化情况对瓣膜支架抗迁移力的影响规律。 结果 当主动脉瓣环椭圆率为 0. 2、0. 3、0. 4、0. 5 时,对应的最大抗迁移力分别为12. 37、10. 94、8. 50、4. 75 N;当摩擦因数为 0. 1、0. 2、0. 3 时,瓣膜支架的最大抗迁移力分别为 8. 98、11. 00、13. 10 N;L605 钴铬合金制成的瓣膜支架的锚定性要优于 316L 不锈钢制成瓣膜支架的锚定性,其对应的最大抗迁移力分别为 13. 10、9. 82 N;当自体瓣叶发生钙化时,最大抗迁移力为 13. 1 N,而未钙化时最大抗迁移力仅为 5. 51 N,相比而言降低了 57. 9% 。 结论 随着主动脉瓣瓣环椭圆率不断增大,瓣膜支架的锚定性逐渐降低;随着瓣膜支架与组织间的摩擦因数不断增大,最大抗迁移力也不断增大;L605 钴铬合金制成的瓣膜支架比 316L 不锈钢制成瓣膜支架的锚定性能优异;瓣膜发生钙化情况下瓣膜支架的锚定性要优于未发生钙化时的锚定性。 研究结果为抗迁移瓣膜支架的结构设计和临床选择提供重要的科学依据。

摘要:目的 基于一种确定的冠脉支架设计,分析不同材料的适应性,建立支架设计-材料选择的评价方法。 方法针对可能应用的 5 种支架材料,利用有限元数值模拟方法分析支架在血管中的扩张性能,考察支架设计和材料的安全性及可用性。 针对不可降解材料重点考察支架在长期植入后的耐疲劳性能;对可降解材料分析其降解过程中 的支撑力变化,明确支架所能提供的支撑力的规律。 结果 针对确定的冠脉支架设计,模拟显示 316L 不锈钢和L605 钴铬合金支架的径向回弹率分别是 26% 和 19% ,轴向缩短率分别为 0. 22% 和 0. 28% ,最大等效应力分别为551. 2、829. 1 MPa,疲劳动态安全系数分别为 1. 36 和 1. 67,针对可降解材料 AZ31 镁合金、铁和左旋聚乳酸(PLLA),基于该设计的支架的模拟破坏时间分别为 30 h 和 180、270 d。 结论 基于本文的支架设计,L605 钴铬合金具有最佳的扩张性能和耐疲劳性能,可以满足临床需求。 相较于 AZ31 的快速降解破坏,铁支架和 PLLA 支架的力学性能接近,但仍需结构优化后才能满足临床需求。 有限元数值模拟,尤其是扩张性能和耐疲劳性能分析,可以有效模拟支架力学行为,并为支架制造材料选择和设计优化提供依据。

摘要:目的 探讨容量负荷试验前后脓毒症休克患者血流动力学参数的变化及对患者发生容量反应的预测价值。方法 选取脓毒症休克患者 98 例进行临床研究,根据补液治疗前后患者的每搏输出量变化值(ΔSV)分为容量负荷阳性组(ΔSV≥15% )53 例、容量负荷阴性组(ΔSV<15% )45 例,对比两组患者容量负荷试验前后脉搏指数连续心 输出量( pulse-indicated continuous cardiac output,PICCO)、超声心动图相关指标,并采用受试者工作曲线( receiveroperating curve,ROC)分析具有统计学意义的指标对于脓毒症休克患者发生容量负荷试验反应性的价值,采用Logistics 回归模型分析各项参数与容量负荷试验反应的关系。 结果 在容量负荷试验前,两组患者心排量( cardiacoutput,CO)、心脏指数( cardiac index,CI)、每搏输出量变异量( stroke volume variation,SVV)、中心静脉压( centralvenous pressure,CVP)、心率(heart rate, HR)测定值比较,差异均无统计学意义(P>0. 05);试验后,容量负荷阳性组CO、CI、CVP 测定值均高于容量负荷阴性组(P<0. 05),HR、SVV 均低于容量负荷阴性组(P<0. 05)。 容量负荷试验前,两组患者左室流出道(left ventricular outflow tract, LVOT)内径时间积分(VTI)峰值流速呼吸变异度、VEpeak 测定值比较,差异均无统计学意义(P>0. 05);试验后,容量负荷阳性组 LVOT VTI 测定值高于容量负荷阴性组(P<0. 05),LVOT 峰值流速呼吸变异度低于容量负荷阴性组(P<0. 05);ROC 曲线结果显示,HR、CO、CI、CVP、SVV、LVOT 峰值流速呼吸变异度、LVOT VTI 各项指标预测容量负荷反应阳性的曲线下面积(area under the curve, AUC)分别为 0. 515、0. 560、0. 556、0. 499、0. 898、0. 912、0. 922;Logistic 回归模型结果显示,APACHEⅡ评分越高、SOFA 评分越高、CO 越低、CI 越低、CVP 越低、SVV 越高、LVOT VTI 越低、LVOT 峰值流速呼吸变异度越大,是脓毒症休克患者容量负荷试验阴性的独立危险因素(P<0. 05)。 结论 密切监测脓毒症休克患者的相关血流动力学参数,对于预测患者容量负荷反应性具有临床价值,可以指导患者临床液体复苏。

摘要:目的 探索竞技跆拳道运动员在使用电子护具时双飞踢动作的下肢运动生物力学特征。 方法 利用电子护具计分系统、表面肌电测试设备、三维运动捕捉设备和三维力台,采集 14 名竞技跆拳道运动员双飞踢动作有效得分时下肢关节运动学、动力学和表面肌电数据,使用 Visual 3D 软件计算动作时间、重心位移、下肢关节活动范围和 速度、地面反作用力等参数。 结果 两次击打总用时为 0. 583 s,优势侧和非优势侧的进攻时长一致。 重心偏移较小,优势侧和非优势侧均具有较好的击打平衡控制能力。 两侧下肢关节运动角度和角速度变化的趋势一致;在击打前膝关节屈曲阶段,进攻腿膝关节屈曲角度的不足可以在伸展阶段加大伸展角速度而获得有效击打;在击打前膝关节屈曲和伸展阶段,下肢两侧腓肠肌内侧头募集程度最大。 结论 双飞踢技术具有较好的连续性和左右对称性,在第 2 次击打时减小进攻时间有助于得分。 在双飞踢动作的训练中应加强踝关节灵活性以及腓肠肌、臀大肌的力量训练,避免不必要的运动损伤,以适应穿戴电子护具的比赛模式。

摘要:目的 从实验方法学角度研究不同的长宽比对皮肤条状试样单轴拉伸力学特性的影响。 方法 以新西兰大白兔腹部皮肤为研究对象,取其从头到脚(0°)和与之垂直(90°)的两个方向,获取长宽比从 2 ∶1~ 6 ∶1的多个条状试样,进行单轴拉伸测试至试样破坏。 经过实验数据处理,得到兔腹部皮肤单轴拉伸的 Kirchhoff 应力-Green 应变数据,利用一维 Fung 模型 S = cEexp(αE2)对其进行拟合,从而得到相应的材料参数 c、α,并对参数进行统计学分析。结果 两个方向上 c 值差异不明显(P= 0. 151),α 值差异比较大(P = 0. 001)。 两个方向上不同长宽比兔腹部试样参数 c、α 无显著性差异(P>0. 05)。 结论 在 2 ∶1~ 6 ∶1长宽比范围内,兔腹部皮肤试样不同长宽比对单轴拉伸力学特性无影响。

摘要:目的 研究自动紧急制动(autonomous emergency braking,AEB)对公交车内儿童乘员的颅脑损伤影响。 方法 使用 Prescan 软件搭建公交车 AEB 测试场景,通过仿真得到 60 km/ h 初速度下公交车 AEB 制动工况下的减速度曲线。 基于已经验证的公交车模型和具有详细解剖学头部结构的 6 岁儿童混合有限元模型,选取车内儿童乘员典型的 4 个乘坐位置,使用 LS-DYNA 软件对公交车有、无 AEB 制动工况下儿童乘员头部损伤进行仿真。 以儿童乘员头部损伤指标 HIC15 、大脑灰质处压力、脑组织 von Mises 应力及剪切应力等生物力学响应为损伤评价指标,对儿童乘员的颅脑损伤进行分析。 结果 各组仿真试验中,位置 1 和 2 前方设置挡板时,儿童乘员大脑灰质处压力超过其损伤阈值,其余各位置儿童乘员的各项损伤指标均远小于对应的损伤阈值。 结论 AEB 能有效降低公交车内儿童乘员头部碰撞损伤,公交车内位置 3 处的儿童容易发生碰撞损伤风险,位置 1、2 处设置广告牌挡板会增加儿童乘员的颅脑损伤风险。

摘要:一氧化氮(nitric oxide,NO)在鼻腔内参与抗菌、抗病毒、促进鼻黏膜纤毛摆动、调节鼻黏膜血管扩张等多种生理功能。 NO 浓度异常会导致多种鼻腔疾病的发生,已成为临床常规检测气道炎症的生物学指标。 随着医学与力学等领域的深入交叉,运用数值研究方法,与传统的实验方法相结合,对鼻腔内 NO 浓度分布进行分析,可量化鼻腔内各处 NO 浓度,获得鼻腔内 NO 的分布规律,辅助相关鼻腔疾病的临床诊疗,有助于推动精准医疗的发展。 本文对鼻腔内 NO 浓度分布实验研究及数值研究的进展进行综述,并对未来研究方向进行展望。

摘要:肩关节置换术是治疗肩关节疾病最有效的方法之一。 术后短期内人工肩关节存活率高,患者恢复效果好,但长期而言,人工肩关节磨损产生的无菌性松动会大大增加手术失败的机率。 肩关节结构复杂、典型运动不明确,目前国际上仍未公布人工肩关节的磨损试验标准。 因此,需要研究、分析总结出肩关节的生物力学环境并建立相应的运动曲线,为人工肩关节磨损试验方案及标准的制定提供依据。 本文基于人体肩关节活动规律,采用日常活动(activities of daily living,ADL) 量表将肩关节活动能力划分为基本或躯体日常生活活动能力( basic or physicalactivities of daily living,BADL or PADL)和工具性日常生活活动能力(instrumental activities of daily living,IADL),并对其中几种特定运动规律建立了肩关节运动曲线。 本文研究结果为人工肩关节磨损试验方案及标准的制定奠定了基础。

摘要:慢性非特异性腰痛(nonspecific chronic low back pain, NSCLBP)是一种常见疾病,已经引起了广泛关注,但发病机制尚不明确。 近年来,借助相关设备研究 NSCLBP 发生发展的生物力学机制越来越受到重视。 本文以腰椎核心功能屈伸运动为重点,综述国内外关于 NSCLBP 腰椎屈伸生物力学特征的研究进展,通过对具体研究方法及观察指标的深入探讨及总结展望,发现患者运动学、动力学、表面肌电等参数存在异常征象,为探索 NSCLBP 发病机制及其科学防治开拓思路。

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