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冲击载荷作用下骨盆三维有限元分析及其生物力学意义
目的:探讨骨盆受到冲击载荷作用的力学行为特征,为临床分析及判断骨盆骨折类型、力学分布、冲击载荷影响提供力学基础.方法:采用计算机仿真模拟方法,将所构建骨盆三维实体模型导入三维有限元分析软件AN.SYS 7.0,计算单侧髂前上棘和单侧髂骨正后方部位冲击载荷作用下骨盆的力学行为表现,冲击载荷为0～8000N,峰值8000N,时间自0～40ms,分析主应力值、应力分布情况以及主应力方向上骨盆单元的位移.结果:冲击载荷作用于单侧髂前上棘时,0～10ms主要的应力沿髂后上棘到髂前上棘分布,在冲击后期10ms以后,骶髂关节、髋臼和耻骨支都会产生较大的应力分布;作用于单侧髂骨正后方部位时,0～20ms主要的应力沿髂骨纵行传导,应力分布并没有在冲击峰值10ms时达到大,而是从20ms之后,应力开始向骶髂关节、双侧耻骨支、坐骨支以及髋臼等部位传导并可见到明显的应力分布.结论:分析冲击载荷作用下骨盆各部位应力分布以及骨盆各个单元在应力作用下的位移变化,有助于临床上进行骨盆损伤内固定力点的选择以及进一步明确骨盆内在应力值分布.
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垂向冲击膝部的试验研究
目的 通过生物力学试验,验证穿盖弹射过程中人体膝部受到舱盖玻璃及其碎片撞击时的损伤程度,为穿盖弹射救生装置的设计、研制、鉴定验收提供生理学依据. 方法 在落锤式冲击台上模拟穿盖弹射时舱盖对膝部的冲击力.根据之前试验设计的预值,打击7具下肢标本的膝部.用弹射力载荷测量系统记录打击力的值及作用时间,并计算冲力和冲量.用X线影像判断损伤程度. 结果 7次打击的峰值力为5.214～9.526 kN,长作用时间为33.0 ms,大冲量为91.8 N·s,大平均冲力为4.478 kN.X线影像学诊断显示标本均未发生骨折. 结论 本次落锤冲击试验中,坐姿人体膝部(股骨远端)可承受小于9.5 kN且作用时间不超过20 ms,或小于91N·s的垂直于股骨的冲击载荷.本试验结果对确定穿盖弹射时的冲击力限值具有参考价值.
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冲击损伤后兔胫骨微结构的变化与硬骨素的表达
目的 研究冲击损伤后兔胫骨微结构的变化与硬骨素(sclerostin)的表达.方法 以新西兰兔为实验动物,将其双侧后肢随机分成实验侧和对照侧,在实验侧胫骨近心端内侧面在0.2ms内分别施加冲击力为500N、1000N的冲击载荷,在冲击损伤后第7、14、21、28天分批处死动物,取冲击处骨组织经HE染色和sclerostin(Scl)免疫荧光染色,研究冲击损伤后骨小梁微结构变化以及sclerostin的表达.结果 冲击加载后兔胫骨表面无明显变化,但损伤后骨组织微结构发生改变,骨小梁出现断裂,冲击载荷越大,微结构变化越显著.在骨组织损伤与改建过程中,sclerostin的表达也出现变化且与载荷大小和损伤程度相关,在损伤后第14天表达量达到大值后逐渐下降.结论 冲击加载会引起骨组织微结构的损伤和sclerostin表达的改变,sclerostin的表达与冲击后骨组织的损伤与改建过程相关.
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冲击载荷作用下运动员下肢动态响应的逆向动力学仿真
目的 分析冲击载荷作用下羽毛球运动员下肢关节肌肉的动态响应变化.方法 基于AnyBody Modeling System软件建立人体肌骨模型,采用实测表面肌电信号进行验证,以运动捕捉系统和测力台测量数据进行模型驱动,对羽毛球右前场蹬跨步上网过程中下肢肌肉肌力、关节力和关节力矩进行逆向动力学仿真与分析.结果 所建人体下肢肌骨模型经肌电信号验证有效.羽毛球蹬跨步上网过程中,髋、踝关节Z方向内力峰值显著高于X和Y方向内力峰值,而膝关节X方向内力峰值显著高于Y和Z方向内力峰值;缓冲期,髋关节X、Y、Z方向依次表现为内收力矩、伸髋力矩和内旋力矩,膝关节X、Y、Z方向依次表现为外展力矩、屈膝力矩、外旋力矩,踝关节X、Y方向依次表现为内翻力矩、跖屈力矩,且髋、膝、踝关节X方向力矩峰值显著高于Y和Z方向;股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧在对抗地面冲击载荷时的肌力发挥较大,股直肌、半膜肌、比目鱼肌发挥的作用相对较小.结论 建立的下肢肌骨模型可为冲击载荷作用下运动员下肢生物力学特性分析提供技术平台.为避免运动损伤,类似羽毛球前场蹬跨步上网冲击动作中尤其要重视触地瞬间地面反作用力载荷对髋、膝、踝关节前后及内外侧方向生物力学性质的影响,同时在对羽毛球运动员进行专项训练时切勿忽视对股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌的专项力量发展.
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冲击条件下骨盆动脉损伤有限元模型的建立及验证
目的 构建并验证含动脉的骨盆-股骨-软组织复合体的三维有限元模型,研究骨盆动脉在侧向冲击条件下的力学响应.方法 基于1名女性志愿者的骨盆CT图像,建立骨盆及其动脉的三维有限元模型,包括骨、动脉、周围软组织以及骶髂关节、髋关节和耻骨联合等骨盆关节软骨和韧带.采用线弹性实体单元模拟骨骼,采用非线性的弹性连接单元模拟韧带,软组织包括软骨、包裹软组织和动脉等采用超弹性材料和实体单元仿真.以22.1 kg的冲击质量,3.13和5m/s的冲击速度对坐位下的复合体进行侧面碰撞,记录模型的输出.结果 计算结果与文献报道的实验结果一致.3.31和5m/s冲击速度下动脉的大等效应力分别为98和216 kPa,大拉伸应变为14.9％和20％,但不至于导致动脉断裂.结论 所建立的骨盆-股骨-软组织复合模型可用于冲击载荷下骨盆动脉的动态响应和损伤分析,为预测动脉损伤程度提供生物力学依据.
关键词： 骨盆-股骨-软组织复合体 有限元分析 动脉血管 冲击载荷 生物力学 -
无牙下颌不同厚度黏骨膜能量传递率三维有限元分析
目的:分析在冲击载荷下无牙下颌不同厚度黏骨膜能量缓冲能力的大小.方法:利用无牙下颌标准模型建立三维有限元模型,计算不同黏骨膜厚度时能量传递率的大小.结果:随着黏骨膜厚度的增加(0～5.0mm),黏骨膜能量传递率由100%降至22.55%.结论:黏骨膜的能量缓冲能力随着其厚度的增加而增大.
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抗冲击性人工髋关节的生物力学比较
目的探讨自研设计的抗冲击性人工髋关节的生物力学特点及其意义.方法以新鲜人尸股骨为对照组,取其相关生物力学参数后在股骨距上12 mm处截骨,将自研设计的抗冲击性人工髋关节假体(以下简称抗冲击性假体)和常用的Moore型人工髋关节假体(Moore型假体)分别安装在新鲜人尸股骨上,固定后分别测试两组在静态时的应力分布状况及动态时的冲击载荷的大小.结果抗冲击性假体的应变值的分布接近于股骨对照组,抗冲击性假体所承受冲击载荷远大于Moore型假体.结论自研设计的抗冲击性假体更符合生物力学要求.
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用于冲击动力学响应分析的人体颈部有限元模型建立和验证
根据冲击动力学响应分析要求,建立了中国人C1-C7颈椎及T1胸椎复合体三维有限元模型.该模型以中国50百分位成年健康男性为建模素材,通过螺旋CT扫描生成DICOM格式图像数据;利用Materialisc mimics、逆向软件及Pro-E进行三维重建;运用TrueGrid划分网格,模型由椎骨、椎间盘、小关节、韧带和肌肉等结构组成:共得到15 023个单元和24 916个节点,其中实体单元14 626个、杆单元19个、索单元378个.在LS-DYNA中仿真,所得结果与前碰撞志愿者实验数据基本相符.我们提出了一种快速、逼真建立复杂有限元模型的方法,高质量的八节点六面体单元,提高了计算的速度和稳定性.进行模型的冲击动力学响应分析,对于研究中国人颈部损伤具有重要意义.
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颅脑在加速和减速冲击载荷下的动应力分析
通过测定和研究颅脑在冲击载荷下的动应力变化情况.运用冲击波压力对颅骨各测点产生的频响函数和相干函数,对脑损伤以生物力学的观点作了进一步的研究,得到了一些临床医学无法得到的数据.
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人体小腿受冲击载荷作用时的生物动力响应
建立了人体下肢大腿固定而小腿在矢状面内运动时的生物动力模型,并对这类数学模型的求解,发展了一种有效且易于使用的解法技术.作为应用,计算了当小腿在胫骨质量中心遭受冲击载荷时,由此而引起的膝关节咬合接触力、膝关节处的4个主要韧带所承受的张力以及膝关节股骨与胫骨咬合时的接触点的位置、小腿的前后屈伸位移和运动轨迹等.
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冲击载荷作用下种植体周围牙槽骨组织的动力学分析
目的:研究冲击载荷作用下种植体周围牙槽骨组织的受力情况和损伤特点.方法:应用逆向工程软件建立包含种植体、皮质骨和松质骨的有限元模型;然后在Abaqus有限元软件中设置载荷-时间历程曲线,并导入冲击载荷波形来实现冲击载荷加载,分析不同冲击载荷作用下骨组织受力情况和动力学特征.结果:当种植体受到冲击载荷作用时,种植体颈部皮质骨首先出现应力变化,然后应力波从颈部向颊舌侧松质骨内扩散;在整个加载过程中,种植体颈部和底部的牙槽骨组织为主要受力区,其Mises应力值明显大于静载荷并随载荷方向而改变,当水平向加载时种植体周围的骨组织受力大.结论:冲击载荷作用下,骨组织所受应力明显大于静载荷作用,其对骨组织造成的损伤在种植体颈部皮质骨和种植体周围牙槽骨处.
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碰撞生物力学基础及其应用
碰撞生物力学亦称为损伤生物力学，是汽车被动性安全研究中人体防护的重要理论基础。在碰撞事故过程中，人体暴露在一个机械冲击载荷的环境中，在惯性力和接触力的作用下，人体的各部分组织将产生一定的生物力学响应。若生物力学响应使人体组织超过可以恢复的限度或导致解剖学组织破坏，或导致正常生理功能变化或丧失，这时就发生了人体损伤，人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学问题就称之为损伤生物力学。笔者从汽车安全性研究出发，介绍损伤生物力学的一些基本概念和有关的研究方法。
