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不同角度牵引治疗腰椎间盘突出症354例
我们在李晶氏[1]颈椎力学模型的启导下,将其原理应用于指导腰椎牵引,对354例腰椎间盘突出症(LDP)患者分组治疗,重点对牵引角度进行了观察对比,在临床LDP的治疗中获得令人满意的疗效.现分析报告如下.
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扩张-伸缩式机器人在肠道中的力学特性研究
目的 肠道机器人内镜是新一代肠道疾病诊疗设备,为了提高这类设备在肠道内自主运动的效率,本文研究了机器人运动机构与肠道之间的相互作用力对设备自主运动的影响.方法 针对扩张-伸缩式机器人的运动原理提出了两个模型,分别是扩张机构与肠道之间的力学模型、机器人机身与肠道之间的力学模型,并在猪体外肠道环境下开展了实验验证.结果 机器人机身与肠道之间的阻力在0.1～0.4N之间;扩张机构与肠道之间的阻力在0.1～1.8N之间,且与扩张直径成正比.扩张机构的扩张直径大于肠道直径超过10 mm后,扩张机构受到的肠道阻力将明显大于0.1～0.4 N,有利于有效驻留的产生.结论 这种利用腿式结构在肠道内产生力学差使机器人实现在肠道内自主运动的方式,以及腿式结构与肠道之间的力学可以为能对胃肠道机器人的设计提供参考.
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基于咬合力中心重建力学模型的种植定向设计方法研究
种植牙植入方向的确定是关系到种植远期成功的重要因素之一.本研究提出一种基于咬合力中心重建模型的种植定向初步设计方法.利用患者的CT数据、牙颌石膏模型数据、咬合记录数据及咬合力测量数据,构建咬合力中心平衡模型,对患者种植区域咬合力进行定量化研究,完成种植植入方向的初步设计.本方法为种植定向设计提供了重要参照标准和力学理论依据,为进一步完善现有口腔种植系统外科导向模板设计提供了新思路.以1例三单位桥缺失患者和5例单冠缺失患者为试验对象,完成了种植定向设计过程及终种植规划.实验结果显示,近远中向和颊舌向倾角偏差都小于10°～15°的平均种植方向调整量,验证了本方法的有效性和可行性.
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颅-脑在头部受直接撞击时相对位移的模拟研究
颅脑相对运动所产生的相对位移是造成头部损伤的原因之一.以往的研究均是采用真实实验的方法,这样做不仅成本提高,而且也会引起一些社会伦理问题.本研究利用二维的颅脑弹簧-质量系统模型和2个二维颅脑有限元模型,模拟了颅脑在受到撞击时所产生的相对位移.在这些模型中,脑、颅骨通过脑脊液耦合成为一个整体.其中,在弹簧-质量系统模型中,脑脊液以弹簧和阻尼组成的黏弹性系统模拟;而在有限元模型中,脑脊液以线弹塑性模拟.3个模型都有效地求得了与实验相吻合的颅脑大相对位移.对有限元模型与弹簧-质量系统模型的模拟结果也进行了比较分析.终得出:在受到外界冲击时,颅脑之间产生的相对位移不超过5mm.
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腰椎三维有限元生物力学分析的技术应用进展
有限元分析(finite element analysis,FEA)是一种理论生物力学的研究方法,即以数学力学模型来进行数值力学分析,还原工程系统的数学行为特征,应用数学形式模拟物体的数学特征,包括依据物理原形所得的节点、单元、材料属性、载荷、边界条件等,改变部分结构、参数和载荷,就能模拟任意处的位移和应力,获得全域性的信息.有限元分析作为生物力学研究方法之一,已经广泛用于脊椎各种组织的生物力学分析,目前已成为腰椎生物力学研究的热点.
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人体系统变质量力学模型基础研究
以人体系统为原型,开展了人体系统运动过程中的人体系统变质量力学基础研究.主要内容有人体系统变质量力学基本概念;人体系统变质量块体质点动力学基本方程;人体系统变质量块体质点动力学微分方程;人体系统变质量块体质点的动量定理;人体系统变质量块体质点的动量矩定理和人体系统变质量块体质点的动能定理,为建立人体系统变质量力学的数字化模型提供理论基础.
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数字人体力学模型
笔者阐述了数字人体的力学模型,主要内容是数字人体的多体系统力学模型、非完整系统力学模型、变质量系统力学模型、碰撞系统力学模型、破坏系统力学模型、流体系统力学模型、热动力学系统模型和数字人体的突变模型等,为数字人体的动力学研究提供了理论基础.
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腰椎间盘髓核突出症成因的理论生物力学分析
通过建立脊柱前屈的力学模型,定量计算腰骶椎间盘承受的应力.结果表明:无论脊柱前屈至何种姿位,腰骶椎间盘几乎均受压缩应力作用.压缩应力大小与体重成正相关(约为体重的1～4倍),与脊柱长度无关.远离躯体的前屈提物动作及前屈度较大的长时间的静力性动作,可能使椎间盘髓核突出症的发病率上升.
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生物力学模型在医学研究中的应用与展望
力是人类生存不可回避的自然因素,生物体时刻处在力学环境之中,力学因素调控机体组织、器官、细胞及分子各层次的生物学过程.因此力学模型的建立理应综合考虑力学因素的影响,现代科学实验技术的逐步深入,为我们了解生物体多级别的生物力学特性提供了条件,本文就生物力学模型在医学研究应用进展作一综述.
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超声空化效应在缺血性心脏病治疗中的应用
缺血性心脏病又称冠状动脉粥样硬化性心脏病,是指因冠状动脉狭窄、供血不足而引起的心肌机能障碍及器质性病变.超声治疗开始于20世纪30年代,它主要是利用超声波的生物效应来治疗某些疾病,超声波的生物效应主要包括机械效应、热效应及空化效应等,其中超声空化(ultrasonic cavitation)在超声的诊断和治疗中具有重要作用.本文参阅国内外相关文献,对缺血性心脏病中超声治疗的空化作用进行系统性综述.一、超声空化及其生物学效应1894年,英国海军发现螺旋桨转动时产生大量气泡,这些气泡随即又在水的压力作用下收缩内爆,致使螺旋桨产生剧烈振动,这是历史上首次对空化效应的物理本质进行描述.1917年,Rayleigh发表了名为"液体中球形空腔崩溃时产生的压力"的论著,为近百年来的空化理论研究奠定了基础.上世纪50年代,Noltingk和Neppiras建立了空化泡运动的力学模型.80年代,Gaitan和Crum首先采用了声悬浮技术进行了单泡空化的测量,使之接近于真实的空化条件.2002年3月,美俄科学家在Science杂志上联合发表"气泡核聚变"实验的报告,初步验证了超声空化可能引发核聚变的推测[1].
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膝关节屈伸运动形态的有限元分析
背景：三维有限元分析在骨科中被广泛应用，在膝关节屈曲运动中的研究不多。目的：对膝关节屈曲运动的生物力学特性进行三维有限元分析。
方法：建立膝关节的三维有限元模型以及膝关节屈曲30°，60°以及120°时的三维有限元模型，分析膝关节不同屈曲位股骨前移情况、股骨内移情况、胫骨内旋情况和胫骨内翻情况。
结果与结论：①股骨前移：在膝关节屈曲30°，60°和120°时股骨均出现后移，膝关节屈曲60°时的股骨后移值大于屈曲30°和屈曲120°(P<0.05)；膝关节屈曲120°股骨后移值大于屈曲30°，但差异无显著性意义(P>0.05)；②股骨内移：在膝关节屈曲30°时股骨外移，在膝关节屈曲120°时膝关节内移，膝关节屈曲120°时股骨内移值明显大于屈曲30°和屈曲60°时(P<0.05)；膝关节屈曲30°和屈曲60°时外移值比较差异无显著性意义(P>0.05)；③胫骨内旋：在膝关节屈曲30°，60°和120°时胫骨均出现内旋，3者比较差异均无显著性意义(P>0.05)；④胫骨内翻：在膝关节屈曲30°，60°和120°时胫骨均出现内翻，其中屈曲120°时胫骨内翻不明显，膝关节屈曲60°时胫骨内翻度数大，明显高于屈曲120°时(P<0.05)；膝关节屈曲30°时胫骨内翻度数大于屈曲120°时，但差异无显著性意义(P>0.05)；⑤结果表明，膝关节在屈曲60°时股骨后移明显，膝关节屈曲120°时股骨内移值大，膝关节屈曲30°和屈曲120°时胫骨内旋明显，膝关节屈曲60°时胫骨明显内翻。 -
基于Zener模型的生物组织剪切模量测量
目的 克服基于Voigt模型的超声振动检测方法的不足,使用Zener模型更加准确地测量生物组织剪切模量,为组织定征提供有效的手段.方法 利用基于力学模型本构关系的剪切波传播速度公式,在获得剪切波在多个频率上速度的前提下,通过数学方法估计出介质的剪切模量.实验对象为不同浓度的凝胶模型和不同程度热力学损伤的猪肝脏,通过超声辐射力振动产生剪切波,获取剪切波在不同实验介质中的传播速度.结果 分别用Voigt模型和Zener模型对速度值进行拟合,结果均显示Zener模型描述的准确性更高,并且所估计出的剪切模量能够很好地区分不同浓度的凝胶模型或不同损伤程度的猪肝.结论 本方法为无创测量生物组织剪切模量提供了潜在的手段,对医学上的组织定征和疾病诊断有着重要的意义.
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长骨骨干的力学模型:Ⅰ轴向变形
基于长骨骨干的生理学特性,建立了长骨骨干的力学模型,其中包括骨膜和骨髓对骨干承载的影响,得到了轴向外载荷作用下的本构形式.为进一步研究长骨的承载特性奠定了基础.
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生物反应器的设计与组织工程肌腱的构建
目的设计一套生物反应器,能构建具有较好形态和机械力学性能的肌腱组织.方法根据肌腱细胞体内的生物和力学环境,建立了细胞和可降解材料复合物的力学模型,设计了一套能够模拟体内力学环境的生物反应器,采用鸡肌腱为种子细胞培养扩增后接种于聚羟基乙酸(PGA)材料上,形成细胞-材料复合物并置于反应器中培养.设静态培养对照组,通过实验取材进行大体观察、组织学和生物力学检测.结果生物反应器能够构建出具有一定组织结构和机械强度的肌腱.检测结果显示恒定交变应力作用下培养的肌腱优于静态培养的肌腱组织.结论细胞和可降解材料复合物的力学模型具有一定的正确性,通过分析也存在某些局限性;应力作用下可以促进肌腱细胞基质的分泌,蠕变特性成为促进胶原定向排列的重要因素.
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心脏力学模型结合核磁共振图像预测血管再造术后心功能改善
本文采用心脏力学模型结合核磁共振图像(MRI)预测心功能失常患者,在动脉再造术后(evasculari-zation)后,心功能的提高量.这一新方法可协助心脏学家预测手术效果,免除不必要手术.选择能受益患者实施手术.从而提高再造手术的有效率.降低患者风险,降低医疗费用.
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一种描述骨质疏松的力学模型
本文的目的是利用定量的骨功能适应性模型建立一种描述骨质疏松的力学模型.目前国内外,尤其是国外,对于骨质疏松的研究很多,但大都集中在药物对骨质疏松的治疗,通常以骨质疏松结构的生化指标为研究对象,对骨质疏松进行的实验研究较多,建立定量模型的基础性理论研究还未见报道.
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足部骨骼的三维应力分析
传统的足部应力分析多采用实验和力学模型的手段.但是通过这两类方法得到的结果往往局限于足底的压力分布模式,或足部一些特殊结构,如足底腱膜,韧带等的生物力学特性,无法得到足部骨骼的整体应力分布情况.然而,应用有限元分析的方法,通过对足部骨骼建立三维真实模型,可以得到足部骨骼的应力分布情况,为了解一些足部疾病的病理和防治足部疾病提供有用的信息.
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静脉移植桥血管中血液振荡流的速度和切应力
静脉移植术中被移植到动脉环境下的静脉桥血管的重建问题一直受到人们的广泛关注.手术后在动脉高压环境下,静脉血管段扩张;而在吻合口处则容易由于缝线或者外科损伤引起的急性凝血形成局部的僵硬和狭窄.这都引发血液流动情况异常,使血管所处的力学环境发生特异性变化.力学因素中影响血管重建的主要是粘性血液流动所引起的壁面切应力和血管壁所承受的周向张应力.桥血管中切应力分布的信息对血管病理学研究十分必要.由于至今很难直接检测活体血管壁上的切应力分布,因而本文致力于建立力学模型,用可以无创伤检测的力学参量(近心端动脉血管轴心处的轴向流速波形和管壁径向位移波形、血管壁的几何方程)来获取血管内壁上切应力分布的数值结果.
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生物医学上现实的心脏储备模型的研究和展望
心脏建模不但具有理论和方法学意义,也具有重要的临床意义,例如,某些临床指标离开了心脏的几何模型将无法计算.在心脏建模中至少存在四个问题:(1)在心脏的几何模型的临床应用中存在着个体化的困难,例如,把具体病人心脏的影象检测数据与理想的几何形状拟合所报告的射血分数值所带来的误差;同时,心脏超声检查心腔体积定量计算研究报告中缺少金标准的选择和对照;(2)在心脏的力学模型方面,心肌收缩能力概念本身至少存在两个严重缺陷,即缺乏能在原位检测而又无可非议的有力指标,特别是缺少可接受的无创性指标,不能区别心肌收缩能力改变与负荷和心率改变在细胞层次上机制,这限制了心脏力学模型的实用性;(3)对不同层次上的心脏模型作生物医学上现实的整合亟待进行,以期对临床心脏病学作出更大支撑;(4)缺少心脏储备建模的研究,而作为心脏病的严重后果的心力衰竭的基本问题正是心脏储备的降低.
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有限元方法在临床骨科生物力学研究中的应用
股骨头结构的复杂性与其力学特性的相关性在一个半世纪之前曾有人研究过,Koch[1]1917年用梁理论进行了应力分析,但对股骨力学响应和力学模型的建立未进行深入的探索.1943年,Courant首创了有限元素法,1956年Turner[2]将其用于飞机结构的分析,此后相继在航空航天、交通运输、化学化工、建筑工程中得到了应用.相继60年代有限元方法几乎在所有各个领域中得到广泛应用.Brekelmans和Rybicki[3]在1972年第1次将有限元方法应用于骨科生物力学的研究.20多年来发展非常迅速,尤其随着计算机和软件技术的突飞猛进发展,在骨科生物力学研究中占主导地位,成效显著,具有广阔的发展前景.
