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    • 应用随机森林与神经网络算法足底软组织本构参数的反演方法研究
    李烽韬 , 孙丽芳 , 陶雅萍 , 杨鹏 , 纪猛强 , 桑建兵
    录用日期: 2023-11-28
    [摘要](4) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](0)
    摘要:
    目的 基于随机森林算法和BP神经网络算法实现对足底软组织超弹性模型本构参数的预测，以提升本构参数获取方式的效率和准确性。方法 首先建立了足底软组织球形压痕实验的有限元模型，并对球形压痕实验过程进行仿真，得到了具有非线性关系的位移和压痕力的数据集。将数据集进行划分，得到训练集和测试集，分别对搭建好的随机森林(RF)模型和BP神经网络(BPNN)模型进行训练，通过实验数据对足底软组织本构参数进行了预测。最后，引入均方误差(MSE)和决定系数(R2)来对模型的预测准确性进行了评估，同时对比实验曲线验证了模型的有效性。结果 利用RF模型和BPNN模型结合有限元仿真是确定足底软组织超弹性本构参数的有效、准确的方法，训练后的RF模型的MSE达到了1.3702×10-3，R2达到了0.9829；BPNN模型的MSE达到了4.8581×10-5，R2达到了0.9993。反求得到了适用于仿真的足底软组织的超弹性本构参数，预测得到的两组本构参数的计算响应曲线与实验曲线吻合较好。结论 基于人工智能算法模型对足底软组织超弹性模型本构参数的预测精度很高，相关研究成果也可以应用于足底软组织的其他力学特性的研究。同时，本研究为足底软组织本构参数的获取提供了新方法，有助于快速诊断足底软组织病变等临床问题。
    可降解血管吻合器的结构设计与实验研究
    徐凯悦 , 蔡雪 , 胡钟欣 , 高钦贤 , 邢绪坡 , 宋成利 , 毛琳
    录用日期: 2023-11-28
    [摘要](8) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](0)
    摘要:
    目的 设计一种新型可降解血管吻合器,探究施压距离与吻合口生物力学性能之间的关系,以提高血管端端吻合的效率与质量。方法 本文设计的吻合器包含左、右内环和外环三个部分,均采用挤压态高纯镁制成,通过建立血管端端吻合的有限元模型,研究在不同施压距离(0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 mm)下,血管吻合端面应力分布情况及其变化规律,并通过离体组织吻合实验,研究操作时间、吻合口强度以及组织微观结构的变化。结果 当施压距离为0.6 mm时,吻合口力学性能最优,此时撕脱力为11.79±0.64 N、爆破压为39.32±2.99 kPa,满足临床上对组织吻合口强度的要求,同时组织的机械损伤较小。结论 本文所设计的新型可降解血管吻合器可以通过调节施压距离对组织进行吻合,能够有效提高组织吻合效率,减小组织机械损伤,从而提高吻合质量。因此,本文研究结果可以为可降解血管吻合器的设计提供重要的参考和依据。
    脑卒中患者运动过程中动力学特征的智能预测
    张楠 , 孟庆华 , 鲍春雨 , 周鲁星 , 崔帅琦
    录用日期: 2023-11-22
    [摘要](8) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](0)
    摘要:
    从脑卒中患者中获取垂直地面反作用力（vertical ground reaction force，vGRF）数据具有很高的挑战性，分析预测脑卒中患者的vGRF和髋膝踝关节力矩（Joint Moment）在运动生物力学中具有非常高的价值。目的 使用主成分分析（principal component analysis，PCA）和BP神经网络（BP neural networks）来预测脑卒中患者行走时患侧髋膝踝的关节力矩。方法 30例脑卒中患者（年龄61.5±3.5岁，体重68.2±2.4 kg，身高167.2±3.4 cm）通过8镜头Qualisys红外光点高速运动捕捉系统和Kistler三维测力台同步采集运动学数据和动力学数据。通过Opensim来计算脑卒中患者髋膝踝患侧关节力矩，采用PCA来筛选累积贡献率达到 99%的初始变量，采用标准均方根误差( normalized root mean squared error，NRMSE)、均方根误差( root mean squared error，RMSE )、平均绝对百分比误差（mean absolute percentage error，MAPE）和平均绝对误差（mean absolute error，MAE）、R2作为PCA—BP模型的评价指标。使用肯德尔 W（Kendall's W）系数评价计算关节力矩与预测力矩之间的一致性。结果 PCA数据显示躯干、骨盆、患侧髋关节、膝关节和踝关节在x、y、z轴（x、y、z分别为矢状、冠状、垂直轴）对患侧髋膝踝关节力矩具有显著影响。预测值与测量值间NRMSE为5.14%~8.86%，RMSE为0.184~0.371，MAPE为3.5~4%，MAE为0.143~0.248 ，R2为0.998~0.999。结论 建立的PCA—BP模型可准确预测脑卒中患者行走时的髋膝踝关节力矩，显著缩短测量时间。在脑卒中患者的步态分析中本模型可代替传统的关节力矩计算，为获得脑卒中患者生物力学数据提供新的途径，帮助脑卒中患者临床治疗提供有效的方法。
    双头螺钉对三柱截骨术后多棒结构稳定性的影响
    廖运钱 , 周宇 , 王政伦 , 刘永胜 , 李炜
    录用日期: 2023-11-22
    [摘要](5) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](0)
    摘要:
    目的 本研究通过有限元分析比较了双头螺钉多棒结构与传统连接器多棒结构在脊柱后路三柱截骨术后矫形固定的稳定特性。方法 基于重度脊柱角状后凸患者术后CT数据建立T3~L4胸腰椎有限元模型。在患者标准双棒模型（2R）基础上，分别建立双头螺钉多棒结构模型（double-head screws，4R-DHS）和传统连接器多棒结构模型（traditional connectors，4R-TC）。在300N的随动载荷和7.5N·m的力矩载荷下对模型进行评估，分析两种多棒结构的稳定性、主棒上的最大Von Mises应力及应力分布。结果 两种多棒结构的稳定性差异不大。相比于4R-TC，4R-DHS 除了后伸时主棒上的最大Von Mises应力略有增加外，其余运动中主棒上的最大Von Mises均有所下降（屈曲7.2%，左侧弯8.8%，右侧弯8.7%，左轴向旋转18.5%，右轴向旋转16.9%），并且应力分布更加均匀。结论 双头螺钉多棒结构相比于传统连接器多棒结构可以降低主棒上的最大应力，且不存在连接器附近主棒应力集中的问题，可以更有效降低内固定失效风险。
    泰森多边形多孔结构髋臼杯初始稳定性研究
    宜亚丽 , 于润泽 , 张金明 , 李姣 , 柴立平 , 金贺荣
    录用日期: 2023-11-22
    [摘要](7) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](0)
    摘要:
    目的 分析泰森多边形多孔结构髋臼杯与实体髋臼杯的初始稳定性差异，探究泰森多边形结构多孔层对髋臼杯初始稳定性的影响以及其在预防松动脱位方面的作用。方法 通过Grasshopper设计孔隙率分别为60%、70%的泰森多边形多孔结构支架，利用选区激光熔化技术（selective laser melting，SLM）制备实体髋臼杯与孔隙率为60%、70%的多孔髋臼杯样件各3个，在相同条件的聚氨酯块模型中进行杠杆试验，对得出的最大撬出力矩、偏转角度、界面刚度进行分析对比。结果 在压入力大小无明显差异的情况下孔隙率为60%、70%的多孔髋臼杯的最大撬出力矩分别比实体髋臼杯高278.82%、320.56%，偏转角度比实体髋臼杯高194.04%、269.23%，界面刚度比实体髋臼杯高18.58%、7.88%。在杠杆试验完成后，多孔髋臼杯所用的聚氨酯块半球腔内出现明显磨损。结论 泰森多边形多孔结构髋臼杯的初始稳定性指标均高于实体髋臼杯，说明泰森多边形结构多孔层能提高髋臼杯的初始稳定性。研究结果能够对髋臼假体的设计与选型提供一定的参考。
    形状记忆合金骑缝钉内固定在三关节融合术中的力学特性分析
    富荣昌 , 张怀悦 , 李寒
    录用日期: 2023-11-22
    [摘要](37) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](0)
    摘要:
    目的 研究加压空心螺钉及形状记忆合金骑缝钉在三关节融合术内固定中的生物力学差异，为形状记忆合金骑缝钉的临床应用提供参考。方法 选择1例重度僵硬型马蹄足患者的足部二维CT数据，通过Mimics和Geomagic软件构建三关节融合术后模型，并利用SolidWorks2021软件建立三关节融合内固定几何模型；根据使用固定钉类型和组合方式（加压空心螺钉和形状记忆合金骑缝钉）分为A、B、C、D四种固定方案；在Abaqus软件中仿真分析模拟在中立位生理载荷下不同内固定方案模型的生物力学特性。结果 方案D内固定模型距下、距舟、跟骰关节融合面端面最大位移值分别为1.161μm，3.163μm，1.005μm，0.6194μm，0.9099μm，0.7387μm，均大于方案A、B、C内固定模型融合面端面最大位移值；方案D内固定模型距舟关节、跟骰关节融合面内外侧位移之差分别为13.10%、13.60%，与其它三种固定方案相比融合面位移更接近于平行位移；方案D内固定模型距下、距舟、跟骰关节融合面最大Von Mises应力值分别为1.291MPa，2.673MPa，3.332MPa，均大于方案A、B、C内固定模型距下、距舟、跟骰关节融合面最大Von Mises应力值。结论 应用方案D（距舟关节和跟骰关节融合面使用骑缝钉内固定，距下关节融合面使用加压空心螺钉内固定）能够使三关节融合术后内固定融合面具有稳定性并为其提供近似平行微动，产生适当的融合面应力使融合端面接触更紧密，促进骨痂生长，获得更佳的融合效果。
    无创气道正压通气下呼气末测算气道阻力和胸肺顺应性实验研究
    袁越阳 , 解立新 , 陈宇清 , 胡兴硕 , 黄皓轩 , 李立雄 , 徐强
    录用日期: 2023-11-22
    [摘要](32) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](0)
    摘要:
    目的 在使用正压呼吸机进行通气治疗时，患者气道阻力（R）和胸肺顺应性（C）的连续监测，是保障保证合理设置通气参数、减少呼吸机相关肺损伤(VALI)的关键之一。为此，本研究通过采用呼气末压力短暂释放的方式，测算无创正压通气(NPPV)条件下的气道阻力和胸肺顺应性，并评估其测算精度。方法 首先，将测算方法程序移植到NPPV呼吸机的控制器，设计基于主动模拟肺ASL5000的通气实验平台。然后，模拟正常成人【R=5 (cmH2O)，C=50 [mL? (cmH2O) -1]】、急性呼吸窘迫综合征患者【R=10 (cmH2O)，C=30 [mL? (cmH2O) -1]】和慢性阻塞性肺疾病患者【R=20(cmH2O)，C=50 [mL? (cmH2O) -1]】的R和C进行实验。结果 测算所得R最大相对误差出现在对正常成人的测定，达到-12.67%，C最大相对误差出现在对急性呼吸窘迫综合征患者的测定，达到17.37%。采用均值配对双样本t检验法对每组测试数据进行分析得到P值均＞0.05。结论 本研究表明实验所得R、C与在ASL5000上的设置值相一致。NPPV下呼气末气道阻力和胸肺顺应性的测算方法具有良好的可行性，其实现与应用将有助于呼吸机通气治疗的精准化和个体化。
    内镜下单侧小关节分级切除对颈椎节段稳定性影响
    杨广南 , 刘江 , 蒋强 , 张晗硕 , 李土胜 , 马靖博 , 丁宇
    录用日期: 2023-11-22
    [摘要](6) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](0)
    摘要:
    目的 探究颈椎内镜下不同范围小关节切除对颈椎节段稳定性的影响，为临床手术提供生物力学理论基础。方法 基于CT数据建立颈椎C5-6正常有限元模型，并模拟颈椎内镜手术操作获得不同范围(0、25%、50%、75%、100%)单侧小关节切除椎板开窗模型，分析比较各组模型节段ROM及椎间盘von Mises应力情况。结果 除前屈工况外，M1、M2较M0各方向下ROM及椎间盘von Mises应力改变不明显，M3较M0各方向下ROM及椎间盘von Mises应力出现较为明显增加，ROM分别增加27%、4%、3%、13%、5%、16%，von Mises应力分别增加32%、4%、2%、5%、9%、5%。M4、M5较M0各方向下ROM及椎间盘von Mises应力增加显著， M4模型 ROM分别增加27%、14%、6%、24%、7%、167%，von Mises应力分别增加33%、13%、3%、32%、10%、130%；M5模型ROM分别增加27%、17%、6%、25%、7%、167%，von Mises应力分别增加33%、29%、8%、33%、12%、138%。。结论 随着单侧小关节切除范围的增加，颈椎节段ROM和椎间盘von Mises应力极值逐渐增加。当单侧小关节切除超过1/2时，颈椎出现较大的活动度增加及应力改变，临床手术中应尽量保留1/2以上颈椎小关节，避免医源性失稳。
    基于CT影像的胆囊体积计算方法及其运动功能研究
    郭佳雯 , 宋成利 , 顾倩芸 , 王波 , 蒋兆彦 , 胡海
    录用日期: 2023-10-30
    [摘要](17) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](0)
    摘要:
    目的 评价基于CT影像三维重建胆囊体积计算方法的准确性,并研究胆囊运动中的生物力学变化,探索胆囊动力学变化与胆结石形成的关系。方法 提出一种基于CT影像三维重建胆囊模型来计算胆囊体积的方法,并与椭球体法进行比较；构建胆囊有限元模型并进行流体力学分析,模拟胆囊出口胆囊管与胆总管汇合不同角度下及伴有结石状态下的胆囊运动功能变化。结果 比较50位患者的特异性胆囊模型体积和椭球体法体积,对应平均误差分别为7.26%和25.35%。梨形胆囊再充盈期最大压力、最大变形和最大流速都明显大于葫芦形胆囊。胆囊管与胆总管之间的夹角对胆汁流型影响不大,夹角为120°时胆汁流速最大。伴有结石胆囊的胆汁流速小于无结石胆囊,且在结石附近产生漩涡。结论 基于CT影像三维重建计算胆囊体积较传统椭球体法更准确。相对于梨形胆囊,葫芦形胆囊的胆囊壁收缩和胆汁流速较小,运动功能差。伴结石胆囊的胆汁流速较慢,更易导致结石增大或新结石形成。
    腰椎间盘突出症患者坐立过程的动力学特征分析
    周鑫 , 赵雄 , 曹奔 , 孔令军 , 吴志伟 , 朱清广 , 房敏
    录用日期: 2023-10-30
    [摘要](23) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](0)
    摘要:
    目的:研究腰椎间盘突出症(Lumbar Disc Herniation, LDH)患者在坐立过程中疼痛对腰椎和髋关节力矩的影响。方法:应用AMTI测力台采集20例健康对照与20例LDH受试者的动力学数据,通过统计参数映射(Statistical Parametric Mapping,SPM)分析两组在坐立任务中腰椎与髋关节在矢状面和冠状面的力矩差异。结果:1)在坐立任务中,LDH受试者腰椎最大屈曲力矩与髋关节最大内收力矩明显增高(p＜0.05)；2)SPM分析显示两组在站立初期(37-42%)阶段,LDH组的髋关节外展力矩大于健康对照组,存在统计学差异(p=0.007)。结论:LDH受试者在坐立过程中腰椎骨盆不够稳定,尤其站立静止阶段,难以使身体达到平衡状态,需增加髋关节外展力矩来维持骨盆稳定。在临床评估治疗中应重点关注脊柱与骨盆的稳定功能。
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