骨功能适应性数值模拟的若干进展

骨能够响应外部力学载荷,在特定位置生成或吸收骨组织不但可以提高骨的力学功能效率,而且还能及时修复日常载荷下骨内产生的微裂纹,以防止骨折并延长骨骼寿命,这称为骨功能适应性.与传统实验研究方法相比,计算机数值模拟具有可控性、可行性和可预测性等优势.鉴于骨功能适应性机制研究有重要的力学生物学理论意义和骨科临床的实用价值,本文对近年来国内外骨功能适应性数值模拟的新进展作一综述.

血流与动脉壁的流固耦合研究

动脉血管疾病与血流动力学之间存在密切的关系,研究动脉血管中血液的流动对于从力学角度解释和发现病因具有非常重要的意义.动脉血管流固耦合是血流动力学研究的热点和难点,在总结和分析研究现状的同时,指出了目前存在的问题,并在此基础上结合临床诊断和治疗的需要,提出今后研究中需要解决的问题以及相应的数值计算发展的方向.

髋臼的解剖形态及生物力学研究进展

临床应用伞髋关节置换手术已经超过30年.由于髋臼结构复杂,以往的生物力学和解剖学研究多集中于股骨上段.因为近年来发现髋臼假体松动是影响仝髋关节假体长期寿命的主要因素,所以开始重视髋臼的生物力学研究.本文就髋臼的解剖形态、生物力学特征等研究进展作一综述.

纳米磷灰石/聚D,L-乳酸生物复合材料制备与力学性能

目的 观察溶液共混热压制备法能否提高纳米磷灰石(HA)/聚D,L-乳酸(Poly D,L-lactide,PDLLA)复合生物材料的力学性能.方法 将HA/PDLLA分散至N,N-二甲基甲酰胺(DMF)有机溶剂中,在45℃下不断搅拌缓慢去除有机分散剂,干燥后打碎,放入模具中经100℃热压,获得纳米HA/PDLLA复合材料薄膜.结果 透射电子显微镜(TEM)对不同含量的HA复合材料观察发现,纳米HA能被分散在PDLLA基材中.随着HA含量在复合材料中增加,HA出现了明显团聚现象,但总体上呈均匀的分布状态,说明热压前溶液共混处理有利于HA在复合材料中的分散.力学性能测试结果表明,上述溶液共混热压制备法能够增加HA与PDLLA的界面结合力,在合适的HA含量下,提高了材料的弹性模量、断裂应力及拉伸应力.结论 溶液共混热压制备法能改善HA/PDLLA复合材料的力学性能.

弯曲颈总动脉内流场的模拟实验研究

目的 模拟研究弯曲颈总动脉定常流动速度剖而的不对称性.方法 用粒子图像测速技术(PIV)测量并分析曲率分别为1:60和1:20的90°弯管模型在颈总动脉生理平均雷诺数、峰值雷诺数和极限雷诺数条件下,在不同位置的弯曲平面及其垂直方向的轴向速度剖面.结果 当颈总动脉的曲率等于1:60时,在人生理平均流动雷诺数条件下,颈总动脉的速度剖面可用偏斜的抛物面来近似;当颁总动脉曲率增大或流动雷诺数增大时,弯曲平而上的速度剖面中部出现下凹趋势,垂直方向上出现M型速度刮面;沿管轴不同位置上的速度剖面形状不同.结论 为确定颈动脉分叉定常流动不对称入口速度剖面条件,认识速度剖面的形状如何随流动雷诺数、弯管曲率和截面位置变化提供实验依据.

成年离体猪气管生物力学特性的实验研究

目的 对成年离体猪气管进行生物力学实验研究,评价其生物力学特性,为生物型人工气管支架的生物力学研究提供实验方法与依据.方法 应用TY8000系列50-5000N伺服控制拉力试验机对成年离体猪气管作抗弯刚度、径向支撑、纵向拉伸以及残余应力、顶破强力的测试评价.结果 数据显爪离体猪气管环存在残余应力,50 mm长气管直径压缩50%时径向支撑力约10N,气管顶破强力从咽部约180 mmHg逐渐降低至隆突处约110 mmHg,气管向前与左右弯曲50°时,应力分别为0.296～0.131N和0.254～0.150N.计算机描绘猪气管应力-应变曲线显示50%应变时应力很小.结论 猪气管存在残余应力,内壁压力不断增高时气管膜部发生破裂.同时,猪气管具有良好的径向支撑、弯曲与拉伸性能.

青年女性穿不同高跟鞋自然行走的步态研究

目的 研究不同高跟鞋给青年女性步态带来的影响,为高跟鞋的设计提供科学量化的理论依据.方法 常速摄像和footscan USB甲板测试系统相结合,对10名平均年龄(19.2±0.42)岁的青年女性进行裸足及穿不同高跟鞋行走时步态的同步测试,比较分析儿种情况下的运动学和动力学参数.结果 (1)随着鞋跟的增高,步速、步长、步频以及F肢关节角度都减小;(2)随着鞋跟的增高,支撑期、双支撑期占步态周期百分比增大,摆动期占步态周期百分比减小; (3)随着鞋跟增高,足前掌压力峰值越来越大,足前部和足中部的冲量所占相对百分比值也越大;(4)行走时的步态特征不仅与鞋跟商度有关,还与鞋跟的粗细有关.结论 穿高跟鞋行走极易造成足部疲劳、疼痛甚至损伤,或造成足的发育畸形.

2008年全国生物流变学与生物力学学术会议会议纪要

空心加压螺钉治疗股骨颈骨折的轴向拔出实验研究

目的 通过实验,研究影响空心钉在股骨头内稳定性的重要因素,为临床中空心钉治疗股骨颈骨折选择理想的手术方案提供理论依据.方法 31枚股骨头标本,空心螺钉按照治疗股骨颈骨折的方法植入股骨头.记录年龄、测量股骨头直径、测量股骨头骨密度、测量钉尖到关节面软骨的距离;同时同定股骨头和螺钉帽,通过实验机进行空心钉轴向拔出实验,记录大拔出负荷.用SPSS11.5软件包对实验数据进行多元逐步同归分析.结果 股骨头骨密度和钉尖到关节面软骨的距离与大拔出负荷相关,前者呈正相关(P=0.002),而后者呈负相关(P=0).钉尖到关节面大于8 mm组和小于8mm组的人拔出负荷之间有显著差异(P=0.004).结论 股骨头骨密度越高,一定范围内螺钉植入越深,越有利于内固定的稳定.

基于MRI的全膝有限元模型建立与前交叉韧带重建术模拟方案

目的 建立完整的人体膝关节三维有限元模型,并在此基础上建立了用于前交叉韧带重建模拟的胫股骨隧道和人工韧带模型,为进一步分析打下基础.方法 以MRI图像作为数据源,运用逆向工程软件Geomagic及有限元分析软件ANSYS 9.0,参考大量有关实验测试数据的文献报道,建立所需三维有限元模型.结果 建立的膝关节三维有限元模型包括胫腓骨上段、股骨下段、胫股骨软骨层、胫股骨隧道、内外侧半月板、后交义韧带、内外侧副韧带和髌韧带,几何形状良好.胫腓骨隧道和人工韧带的模拟巧妙简便,基本可以满足有限元分析的需要.结论 采用MRI图像建立膝关节三维有限元模型切实可靠,能很好地模拟膝关节内部的真实解剖结构及前交叉韧带重建术中的胫股骨隧道.

人工颈椎复合关节系统优化设计的研究

目的 对人工颈椎复合关节系统进行优化设计研究.方法 建立人工颈椎复合关节系统的三维模型,并对其进行网格划分,设置植骨孔特征尺寸的变化范围.模拟假体系统在体负载情况对模型进行优化设计分析.对不同尺寸特征的假体系统进行应力、应变分析,并评价系统安全因数.结果 计算结果显示系统大应力出现在植骨孔下方中间区域,小安全系数出现在上方椎问盘假体和衬垫接触部分.随着植骨孔的扩大,大应力逐渐增大,小安全冈数呈抛物线变化.结论 综合考虑系统的稳定性和植骨需要,认为当植骨孔特征尺寸为3 mm时,系统整体效果优.

三椎体与二椎体复位固定治疗腰椎滑脱症螺钉局部受力的生物力学评价

目的 比较脊柱滑脱中两种后路固定方法中螺钉局部受力情况.方法 采用6其新鲜成人尸体脊柱标本(L1-L5),Panjabi法制备腰椎滑脱模型,固定器械为SINO椎弓根钉及固定棒.应用电阻应变测量法及生物力学测量方法,通过INSTRON 5567材料实验机对标本进行垂直压缩、前屈、后伸、左右侧屈5种状态的测试.实验分为二椎体固定组(A组)和三椎体固定组(B组).结果 二椎体固定组在垂直压缩、前屈、左右侧弯运动时提拉钉所受应力大于三椎体固定组(P＜0.05).结论 三椎体固定时提拉钉根郎所受应力小于二椎体固定,能够有效降低螺钉因疲劳产生应力集中而发生断裂的概率.

自体骨软骨移植修复兔膝关节软骨的早期生物力学评价

目的 采用自体骨软骨移植系统(Osteochondral Autograft Transfer System,OATS)修复软骨缺损,术后12 W比较修复软骨与正常关节软骨的压缩力学特性,观察修复软骨的组织学结构.方法 18只新西兰兔右膝股骨滑车造成骨软骨缺损,取滑车临近部位相同直径和厚度的骨软骨柱修复缺损,左膝作为正常对照.术后12 W取修复软骨和左膝对应部位正常软骨标本,12只动物的软骨标本采用非限制性压缩实验,分别应用线弹件模型和线性双相性模型计算修复软骨和正常关节软骨的杨氏模量和平衡压缩模量,记录应力松弛时间和蠕变时间,采用配对t检验对两组软骨的力学参数进行比较.另3只动物的软骨标本分别行HE染色和甲苯胺蓝染色,光镜下观察修复软骨的组织学结构.结果 两组软骨的杨氏模量和平衡压缩模量、应力松弛时间、蠕变时间的差异均没有显著性(P＜0.001).修复软骨光镜下的组织学结构与正常软骨无明显差别.结论 OATS修复关节软骨缺损的近期效果比较满意,但中远期修复效果还需进一步研究.

新型钛合金人工腰椎间盘的生物力学研究

目的 研制一种新型钛合金人工腰椎间盘并评价其生物力学特点.方法 设计一种新型两部件球窝关节人工腰椎问盘,使用新犁低弹性模量钛合金(50 Gpa)制造,应用生物材料试验机分别进行压缩刚度、扭转刚度、疲劳强度生物力学检测.结果 新型钛合金人工腰椎间盘具有前屈、后伸、左右侧弯功能.压缩刚度为不锈钢的1/3,约为50～66.7 Gpa:扭转刚度为388.54 N·m/(°);经过1×107次反复压缩疲劳测试,并未发生明显的变形及损坏.比较测试前、100、200、500、1000万次疲劳测试后压缩刚度没有统计学差异.结论 新型钛合金人工腰椎间盘符合人体力学要求.

腰椎矢状面固定角度对相邻节段应力强度影响的实验研究

目的 通过体外生物力学实验评价腰椎矢状面固定角度对相邻节段应力强度的影响.方法 9具成人新鲜尸体腰椎标本L1～S2用于实验.完整脊柱测试后,在每个标本的L3、4、5用椎弓根螺钉随机顺序地进行矢状面三种角度的固定:①原位(前凸10°);②后凸位(后凸5°);③超前凸位(前凸25°).每组分别进行加载,记录相邻节段L2/3、L5/S1椎问盘和关节突的应力强度,并加以比较.结果 在前屈试验中,所有同定组的相邻节段应力强度均显著高于完整脊柱组(P＜0.05),后凸位固定组的应力强度高.在后伸试验中,后凸位固定的应力强度显著高于其他固定组(P＜0.05);但原位固定和超前凸固定组间无显著差异(P＞0.05).侧屈位试验变化规律与后伸试验相似.结论 脊柱固定可导致相邻节段的应力强度增加,并且矢状面异常固定角度更破坏其生物力学环境.在腰椎稳定重建同时,应该获得正常腰椎前凸角.

X线立体摄影测量分析法:技术原理与临床应用

在手术后前两年里,骨科植入物相对于骨组织的累积微动情况是可以测量的,测量结果可以预测植入物的机械松动.用于三维微动测量的精确的X线成像方法是x线立体摄影测量分析法(RSA).已证灾的RSA方法的精确度为在移动方面是在0.05 mm和0.5 mm之间,在转动方面是在0.15度和1.15度之间.RSA方法用来研究植入方法的改变、覆盖物的增加或新型骨水泥等对假体稳固性的影响.RSA方法的优点是一般采用较少病人数量(25位病人)和较短时间的临床研究(2年)就足以预测很长时间内的植入物机械松动情况.这就促使RSA方法成为假体设计和开发研究中的重要检测工具,从而避免使大量病患处于新方法的潜在危险之中.在奉文中,作者解释了RSA方法的基本原理,并列举了RSA的临床研究实例以阐释其临床应用.