骶椎切除重建的三维有限元模型建立及其研究进展

全骶椎切除术足治疗侵犯到第一骶椎的肿瘤的有效方法.术后骨盆环的破坏,常导敛腰椎与骨盆分离,临床则需进行生物学重建.重建后植入物的松动以及断裂是临床上常出现的问题.为了对临床的重建方法进行力学评价,解决重建后骨及植入物的应力集中问题,通常利用有限元的牛物力学研究为临床提供可靠依据.本文综述了近年来完整骨盆及骶椎切除后的缺损骨盆有限元模型、骶椎切除后重建结构有限元模型的建立及其研究进展.

水下爆炸引起舰船冲击人体损伤生物力学模型研究进展

水下爆炸在极短的时间内产生强大的加速度,导致舰船结构破坏和人员严重损伤,严重影响舰船的作业能力.集中参数模型、多体动力学模型、有限元模型等常用于研究由于水下非接触爆炸引起的舰船冲击运动产生的舰船人员的生物力学响应.每一种模型都有其优点和局限性,基于较精确人体响应数据基础上建立的多体动力学模型可提供有用的信息;相对实际水下爆炸冲击试验而言,有限元模型是一种可行的、经济有效的方法.集中参数模型则侧重于获取人体动力学响应的整体宏观信息.通过合并有限元模型和集中参数模型得到的混合型人体模型,即增加分析的精度和空间分辨率,又降低了计算时间.通过合并多体模型和有限元模型得到的混合人体模型则弥补了两种模型的不足,充分发挥两者的优越性.

臼假体位置对全髋关节置换术后假体受力及磨损的影响

全髋关节置换时臼假体的位置安放不当可导致术后脱位、增加骨-假体的应力,加快假体磨损.髋臼假体安放于轻度内上的位置可增加骨-假体界面的接触,从而降低了接触面应力,临床预后更好.计算机辅助导航系统广泛用于骨科手术中,它对空间长度和角度的定位有很好的精度.髋臼假体的外展角和前倾角显著影响THA术后假体的受力及磨损.本文还简要回顾了超高分子量聚乙烯材料磨损机制的研究进展.

周期性机械牵张对人肺泡上皮细胞穿透素-3表达的影响

目的 探讨人肺泡上皮细胞穿透素-3(PTX3)在呼吸机相关性肺损伤巾的可能作用.方法 应用FX4000T细胞应变加载系统,对体外培养的人肿泡上皮细胞A549剧期性施加20%应变,频率为0.3 Hz,加载时间为1、2、4、6h,然后采用实时定量RT-PCR检测肿泡上皮细胞PTX3表达的变化、Western blot榆测分泌到培养液卜清PTX3蛋白,同时检测细胞活性.结果 (1)周期性牵张诱导肺泡上皮细胞表达PTX3;(2)牵张引起肺泡上皮细胞的凋亡;(3)PTX3的水甲与肺泡上皮细胞的凋亡水平显著相关.结论 本研究提示PTX3在呼吸机相关性肺损伤的发病机制中可能起重要的作用.

具有梯度的流体切应力促进血管内皮细胞增殖

目的 探讨流体切应力(shear stress,SS)对血管内支架边缘内皮细胞(endothelial cells,Ecs)增殖的影响.方法 应用具有切应力梯度的平行平板流动腔(梯度切应力组)和普通矩形平行平板流动腔(恒定切应力组),分别对Ecs施加0.566～1.438Pa和1.137Pa的切应力,加载时间6h,以未施加切应力的Ecs为静止对照组.流式细胞仪检测各组Ecs细胞蒯期的变化.结果 梯度切应力组Ecs在受力6h后进入S期与G2+M期细胞明显多于静止对照组与稳定切应力组(P＜0.05);恒定切应力组的Ecs受力后进入S期与G2+M期细胞明显少于其他两组(P＜0.05).结论 梯度切应力促进Ecs进入分裂增殖期,而稳定的层流切应力则产生对Ecs细胞周期的抑制作用.提示血管内支架植入后,继发的血流切应力改变诱导细胞进入分裂、增殖期,这可能是引起支架内再狭窄过程中血管内膜增生的原因之一.

小口径微孔聚氨酯人造血管生物力学性能研究

目的 分析小口径聚氨酯人造血管的微观形态,探讨聚氨酯人造血管管壁厚度对其渗透性能和拉伸强度的影响.方法 通过在直径为4mm玻璃棒模具上复合均匀厚度的聚氨酯膜,并加入一定量的致孔剂,研制出具有微观多孔结构的小口径聚氨酯人造缸管.采用扫描电镜表征其微观多孔结构,根据ISO7198国际标准设计了一套人造血管渗透性能的测试装置来测试其水渗透性能,并通过INSTRON万能强力仪(型号:5566)测试其拉伸强度.结果 小口径的聚氨酯人造血管的内、外表面以及截面均呈微孔结构,微孔的大小在100μm以下,大小和分布比较均匀,并且随着人造血管壁厚度的增加,其渗透性能逐渐减小,拉伸强度先增大后减小,实验测试结果均与国外研究在同一范围.结论 用聚氨酯材料研制的小口径人造血管在部分生物力学性能方面能满足人体血管置换要求.

人牙本质的动电效应研究

目的 探讨人牙本质的流动电位现象,初步考察其影响因素.方法 利用实验室自制的微型动态加载装置,结合应变仪和材料力学性能试验机,建立流动电化连续测量系统,测量人牙本质在模拟人体生理环境的介质中的流动电位,并研究不同的加载频率(0.2、0.1、0.05 Hz)和牙试样上人为引入的小通孔对于流动电位的影响.结果 人类牙本质呈现流动电位效应,载荷频率越高,测得的流动电位越大.这是因为频率越高,液体通过牙本质小管的流速越快,样品上下表面的压力差值越大,使流动电位增大.并且样品上人为钻一个小通孔(模拟龋齿)会使其流动电位峰值减小.结论 人类牙本质具有动电效应,并且加载频率越高流动电位越高,在相同加载频率下引入小通孔样品的流动电位较低.

新型半硬性椎弓根螺钉内固定器稳定性的实验研究

目的 设计并探讨新型半硬性椎弓根螺钉固定器的力学稳定性.方法 收集6具新鲜小牛脊柱标本,截取T11-L1作为试件,建立失稳模型后顺次安放新型硬性椎弓根钉固定器(new rigid device,NRD)、新型半硬性椎弓根螺钉同定器(new semirigid device,NSRD)及硬性椎弓根固定器(rigid device,RD),进行脊柱三维运动测试.结果 3种椎弓根螺钉内固定器均能在各个运动方向上显著增加失稳节段稳定性;屈伸及右旋转时,RD固定后明显增加了相邻节段的活动范围,而存各个运动方向上,NRD、NSRD固定后下相邻节段的活动范围均没有变化.结论 NSRD在为失稳的脊柱节段提供即刻的稳定性同时,不会影响相邻节段的活动范围,符合半硬性固定的原则.

钉道局部点状固化技术强化椎弓根螺钉固定的生物力学研究

目的 探讨钉道局部点状同化技术在体外强化椎弓根螺钉固定的效果.方法 选用30个新鲜成年山羊腰椎.每一个椎体一侧椎弓根常规置钉(空白组);另一侧对钉道局部进行点状同化处理后拧入螺钉(实验组).24 h后,随机选取10个椎体行轴向拔出实验,其余20个椎体行周期抗屈实验.结果 螺钉大轴向拔出力(Fmax):空白组(637.60±109.95)N,实验组(816.50±134.88)N:螺钉拔出的能量吸收值:空白组(1.268±0.252)J,实验组(1.631±0.269)J,两组间差异均有统计学意义(P＜0.05).周期抗屈试验中,实验组的螺钉能够耐受更大的负荷或者在同等负荷下所产生的位移较小.结论 钉道局部点状固化技术可以显著增加椎弓根螺钉固定的稳定性,为临床解决螺钉松动问题提供了新的研究方向,具有较好的临床应用前景.

椎体成形治疗胸腰段压缩骨折的力学研究

目的 探讨体位复化结合椎体成形治疗创伤性压缩骨折的生物力学及形态学变化.方法 6具新鲜小牛T12-L3的L1制作创伤性压缩骨折模型后,采用体位复位结合椎体成形强化.于完整、损伤、成形即刻、3000次疲劳后测试并观察标本的生物力学及形态学变化,数据行统计学处理.结果 体位复位结合椎体成形即刻L1椎前高度、应变与完整状态无显著差异(P＞0.05),脊柱标本稳定性恢复至完整状态(P＞0.05).3 000次疲劳后L1椎前高度及应变无明显变化(P＞0.05).生理载荷作用下垂直压缩、后伸时标本刚度值与完整状态无统计学筹异(P＞0.05),前屈、左/右弯屈时标本刚度值达不到完整状态(P＜0.05),左,右旋转时部分维持标本的稳定性.疲劳后在4 N·m的纯力偶矩的作用下,T12-T13、L2-L3各向运动范围和完整状态一致(P＞0.05).T13-L1后伸、左,右旋转与完整状态相比无差异(P＞0.05),前屈时达不到完整水平,但与损伤状态有显著性差异(P＜0.05),左,右弯曲与损伤状态相比无差异(P＞0.05);LI-L2后伸、左,右旋转与完整状态相比无差异(P＞0.05),前屈与损伤状态相比无筹异(P＞0.05),左/右弯曲疲劳后运动范围增加,但和损伤状态有显著性差异(P＜0.05).强化和完整椎体抗极限压缩强度无差异(P＞0.05).形态学示疲劳后伤椎仍呈解剖复位,未见骨水泥断裂现象发生.结论 体位复位结合椎体成形术后即刻可以有效稳定创伤性压缩骨折,3 000次疲劳载荷循环后脊柱标本的生物力学性能出现不同程度的下降.

关于本刊对一稿两投问题处理的声明

国家自然科学基金委员会数理学部生物力学高级讲习班在沪成功举办

直丝弓矫治器滑动法关闭间隙的三维非线性有限元建模及数值分析

目的 建立直丝弓矫治器滑动法关闭间隙的三维非线性有限元模型,并分析其生物力学特点.方法 采用激光扫描、计算机三维重建和计算机辅助设计技术几何建模,生成全牙列的牙齿及其牙周组织、矫治器、矫治弓丝的整体三维有限元模型,并将弓丝与托槽、牙齿与牙齿之间设定为接触关系,进行非线性分析计算.结果 实验条件下牙周膜绝大部分的应力为73～145 kPa,应力分布均匀,高应力集中区小;第一磨牙上接触点1个,接触正压力为1.4 N;前牙向后的初始位移大于后牙前移,这些特点均有利于弓丝滑动.结论 该有限元模型运算的结果与临床结果基本一致,初步验证了本模型的有效性,为进一步研究连续弓丝的其他矫治力学特点奠定基础.

基于CT的脑动脉瘤三维重建的有限元模型

目的 建立脑动脉瘤三维重建的有元模型,为临床脑动脉瘤破裂力学机制分析捉供基础.方法 依据临床脑动脉瘤患者CT数据,结合MIMICS 8.1数字化医学影像处理软件,运用三维重建技术构造脑动脉瘤的实体结构,后导入ANSYS有限元通用软件完成脑动脉瘤的有限元建模与力学分析.结果 建立临床上适用于脑动脉瘤患者血流动力学分析的有限无模型.结论 模型具有数字化、个性化特征,可用于脑动脉瘤血流动力学性能计算,分析临床脑动脉瘤患者动脉瘤的破裂机制.

人体主动脉弓内三维血流动力学数值分析

目的 阐明基丁二核磁共振数据进行数值建模的关键技术,利用计算流体动力学方法对人体主动脉弓内的血液流场进行了三维数值模拟.方法 通过对临床核磁共振成像进行图像处理完成主动脉弓及分支血管的三维数字化重构,结合相关脉动血流量,模拟主动脉弓在心动周期不同时刻的血液流动细节.结果 计算得到了人体主动脉弓内的血液流动在心动周期不同时刻的速度场、压力、壁面剪切应力的分布特征.结论 基于核磁共振数据进行数值建模的关键技术有利于生物流体力学研究的深入开展,对主动脉弓进行血液流场的数值模拟有利于临床动脉粥样硬化、主动脉夹层的诊断和治疗.

两种人造心血管生物力学性能的比较

目的 对法国产InterGard针织人造心血管和苏州产机织人造心血管这两种人造心血管试样的力学性能进行测试,为人造血管的研制及临床应用提供参考.方法 对两种人造心血管试样分别进行拉伸强度、应力应变、应力松弛以及蠕变的力学性能测试,并对结果进行统计分析处理.结果 法国产InterGard针织人造心血管的力学性能优于苏州产机织人造心血管的力学性能结论人造心血管的力学性能主要取决于它所用的材料、结构等因素.

人耳鼓膜病变数值分析

目的 研究鼓膜厚度和硬度对人耳传声的影响.方法 利用CT获取志愿者耳部结构临床资料,使用Matlab软件提取相关结构的边界,将边界文件导入ANSYS建立人耳结构数值有限元模型.结果 利用本文人耳数值模型,在外耳道口施加105dB声压,进行200～8000Hz频率范围的谐响应分析.以此研究在鼓膜病变情况下,鼓膜和镫骨底板位移幅值的变化规律.结论 用数值方法解释了鼓膜病变对传声的影响,为鼓膜修补提供了力学参考.

个性化全骨盆三维有限元建模及骶髂关节骨折脱位模拟

目的 建立高度仿真的个性化的完整骨盆三维有限元模型,并在此基础上进行骶髂关节骨折脱位的模拟.方法 从CT精确重建独立的左、右髋骨和骶骨实体模型,要据髋骨和骶骨的外形特征,利用专门的流线型生物力学有限元网格划分器生成规则的体网格模型,并进一步建立骶髂关节的终板、软骨、关节接触面,和骨盆上的主要切带组织及耻骨间盘.在建立的完整模型上去掉一侧的骶髂关节切带群进行骨折脱何模拟,并与正常的情况进行对比.结果 建立了高精度的个性化全骨盆的三维有限元模型,包括左右髋骨和骶骨的皮质骨、松质骨,骶骼关节的终板、软骨和带摩擦的关节接触面,韧带包括骶髂骨间韧带、骶髂前切带、骶骼后韧带、骶棘韧带、骶结节韧带、耻骨上韧带和耻骨弓状韧带,以及耻骨间盘.正常模型的加载模拟和骶髂关节骨折脱位模拟的预测结果均与文献试验生物力学结果相符合. 结论利用专门的牛物力学有限元建模工具能建立史复杂更精确的三维有限元模型,成为全骨盆生物力学分析研究的平台和基础.

实体肿瘤药物输运与给药方式的集中参数模型及实验研究

目的 研究不同给药方式对实体肿瘤抗痛药物疗效的影响,并通过动物实验验证.方法 分别建立体内药代动力学和肿瘤内药物输运的集中参数模型,模拟单次快速注射和等时间间隔三次快速注射时肿瘤间质组织药物浓度C1随时间的变化.实验小鼠分为两组,分别进行抗癌药羟基喜树碱(HCFT)单次快速注射和等时间间隔3次快速注射,观察其肿瘤内药物平均浓度.对数值模拟结果和动物实验结果进行比较.结果 数值模拟结果显示,对于相同总量药物,等量等间隔的三次给药,肿瘤间质组织药物浓度Ct高于单次给药.动物实验的实测结果相同.结论 3次给药的效果显著优于单次给药.集中参数模型基本能够定量反映不同给药方式的效果.