侧前方腰椎椎体间融合术中不同固定系统对腰椎振动力学特性的影响

目的探讨侧前方腰椎椎体间融合术的不同固定系统(侧方钢板固定系统、单侧椎弓根螺钉固定系统、双侧椎弓根螺钉固定系统和经椎小关节固定系统)对人体腰椎在全身振动条件下的振动特性的影响。方法通过有限元方法建立正常腰椎(L1~S1)有限元模型和具有5种不同固定系统的侧前方腰椎椎体间融合术有限元模型。施加了500 N压缩随动载荷和±40 N的正弦轴向垂直载荷,频率为5 Hz,持续时间为0.6 s。结果本研究通过对比固定系统等效峰值应力等相关生物力学数据,发现在全身振动下双侧椎弓根螺钉固定模型产生了较小的应力,例如对比固定系统等效峰值应力的动态响应的峰值和振幅,发现双侧椎弓根螺钉固定模型具体数值分别为13.669、11.518和2.151 MPa,而侧方钢板固定模型的动态响应最大,其峰值和振幅分别为36.209、29.481和6.743 MPa。结论在全身振动下抵抗融合器下沉和保持椎间盘高度能力最强的是双侧椎弓根螺钉固定模型。侧方钢板固定系统模型中产生了非常大的应力,不利于患者的后期恢复和减少并发症。本研究建议,经常处于振动环境中的司机和相关从业人员在进行侧前方腰椎椎体间融合术时建议选择双侧椎弓根螺钉固定系统进行辅助治疗,侧方钢板不建议被单独使用。

青少年特发性脊柱侧弯矫形器的量化设计研究

目的探究矫形器制作过程中修型量对脊柱侧弯矫正效果及人体软组织压力的影响,为临床矫形器的设计和修型提供数据支撑。方法选取1名Cobb角和顶椎T11旋转角度(AVR)分别为35.38°、21.72°的脊柱侧弯患者,基于该患者CT影像,建立包括脊柱、胸廓、肌肉软组织的有限元模型;将矫形器的施力区域进行离散,得到右肋、左肋、右后和左前4个修型区,并与躯干进行模拟分析。Group 1、2、3:在左前区、右后区修型量为20 mm的情况下,左、右肋区分别修型20、25、30 mm;Group 4、5、6:在左、右肋区修型量为25 mm的情况下,左前区、右后区分别修型15、20、25 mm,计算脊柱侧弯Cobb角和顶椎旋转角度及支撑界面压力。结果矫正后Group 1、2、3 Cobb角分别为26.44°、19.76°、17.47°,T11旋转角度分别为14.19°、15.04°、15.85°;Group 4、5、6 Cobb角分别为20.83°、19.76°、19.29°,T11旋转角度分别为16.48°、15.04°、12.09°。修型量均为25 mm的Group 6综合矫形效果最好,Cobb角矫正率为45.48%,顶椎T11去旋转率为44.34%,矫形器-躯干界面压力26.51 k Pa。结论左、右肋区施力对矫正Cobb角起重要作用,左前、右后区施力对脊柱去旋转起重要作用;修模量为25 mm综合矫形效果最好。

下肢植入式假肢假体多孔结构设计

因为疾病、交通事故、工伤等原因,我国下肢截肢患者超260万人。植入式假肢假体是一种更优异于传统接受腔式假肢的治疗方案,能极大地提升截肢患者的活动能力,改善其生活质量。目前应用于假体的材料主要为钛合金、钴铬钼合金等,假体与骨骼相比具有较高的弹性模量,假体-骨界面易发生应力遮挡效应。目的 根据残骨弹性模量对多孔钛合金进行多孔化设计,采用增材制造技术成型适配残骨的下肢植入式假肢假体,优化假体周围骨组织力学环境并增强假体-骨的结合。方法 建立四边形和六边形两种孔型,400、600、800和1 000μm 4种孔径的微结构结构和1.5和2.6 mm厚度假体-股骨有限元复合模型,运用有限元数值模拟和力学试验的方法,分析完整步态周期中假体及周围骨组织的应力特征,对自主设计的新型假体进行生物力学评价。结果 多孔与实体假体相比,股骨干四周应力遮挡率降低9.15%~17.54%,骨吸收率平均下降1.92%~6.20%,厚度2.6 mm六边形多孔设计与其他结构假体对比,在股骨干两侧力遮挡率最低,依次为13.63%、18.84%、13.22%、-6.20%、-7.68%和-6.08%。结论 多孔较实体假体可有效缓解骨周围组织发生应力遮挡效应和骨吸收;多孔设计中厚度2.6mm六边形结构假体植入后股骨在完整步态周期内的力学特性更优越。

冲击载荷下安全头盔不同佩戴方式对头部损伤的影响

目的通过有限元法模拟了冲击载荷下不同安全头盔佩戴方式头部生物力学响应对比,研究了不同头盔佩戴方式对头部损伤的影响。方法使用THUMS人体有限元模型,建立了不同头盔佩戴方式(左右倾斜5°、后倾15°、0°无下颚带、0°有下颚带)的头部-头盔有限元模型,并对坠落物冲击载荷工况下进行仿真模拟,同时对头部生物力学损伤风险进行评估。结果在低速冲击时,不同头盔佩戴方式下头部生物力学响应变化并无明显差别;随着冲击速度的增加,紧系下颚带对比无下颚带的情况下其HIC值降低了超过20%,头盔后倾15°其脑部von Mises应力达到了7.56 k Pa,超过了50%中度头部损伤阈值,最大颅骨应变能达到了463 m J,对比正常佩戴情况增长值超过50%,撞击部位最大颅内压力达2.7 MPa,分布范围广;有下颚带时最小颅内压为1.8 MPa,且分布范围较小;同时左右倾斜5°以及无下颚带的情况下脑部应力值范围为6~6.5 k Pa。结论在冲击载荷较大时,紧系下颚带对于增强头盔的稳定性,减少颅内压力值具有重要作用,正确的头盔佩戴角度对于抑制颅内压力分布扩散以及较小压力值同样具有关键的作用。因此,在佩戴安全头盔时,应尽量保持正确的佩戴角度并紧系下颚带以增强头盔的稳定性和防护效果。

基于力-位移传感技术的残肢软组织力学性能测量方法

目的:针对假肢接受腔数字化设计中残肢软组织力学特征采集的需求,研究基于力-位移传感技术的软组织力学性能测量方法。方法:将压力和位移传感器并联设计开发软组织刚度测量系统,可实现软组织受力和形变的同步获取,并采用两段式割线法计算表观刚度,针对不同硬度、厚度的硅胶试件,使用力学试验机对本系统进行有效性验证。结果:对硬度15°(Shore A)的试件,本系统测得厚度为5mm、10mm、15mm和20mm的试件的刚度k1和k2分别为(1.788±0.14)N/mm和(4.132±0.21)N/mm、(1.447±0.1)N/mm和(2.966±0.17)N/mm、(1.340±0.14)N/mm和(2.335±0.16)N/mm、(1.306±0.19)N/mm和(2.261±0.19)N/mm,力学试验机获得相应刚度分别为(1.769±0.2)N/mm和(4.132±0.21)N/mm、(1.443±0.13)N/mm和(2.800±0.07)N/mm、(1.385±0.16)N/mm和(2.328±0.1)N/mm、(1.256±0.08)N/mm和(2.097±0.14)N/mm;2种系统测得的刚度k1和k2最大误差分别为3.8%、7.8%,且不存在显著性差异。对硬度25°的试件,除厚度为20mm试件外,2种系统测得试件的刚度k1和k2误差均<8.7%,且不存在显著性差异。结论:基于力-位移传感技术开发的残肢软组织力学性能测量系统与材料力学试验机测量结果有较好的一致性,能满足残肢软组织力学性能测量的需求。

骨水泥增强对胸腰脊柱后路长节段固定手术的影响

临床研究表明,不同节段骨水泥增强椎体能够有效预防近端交界性后凸(Proximal Junctional Kyphosis,PJK),然而其中的生物力学影响尚不清楚。针对这一现象,本研究基于正常人体脊柱计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)数据,通过临床手术方案构建了T10-S1骨质疏松症胸腰脊柱后路固定(Posterior Thoracolumbar Spinal Fixation,PTSF)T11-S1及PTSF分别联合T10、T11或T10&T11节段椎体骨水泥增强(Vertebral Body Cement Augmentation,VBCA)构建的PTSF+T10VBCA,PTSF+T11VBCA,PTSF+T10&T11VBCA 4种手术有限元模型。通过有限元分析发现骨水泥增强椎体对于预防PJK有明显效果,单节段椎体增强会产生较大的松质骨骨折风险,因此,双节段椎体增强术对PJK的预防效果更好。

紧急弹射时G值载荷及头盔对颈部损伤的影响

文中研究了飞行员在紧急弹射时不同G值载荷和头盔特性对颈部损伤的潜在风险。结合刚体和有限元模型建立了正常人体的头颈模型,并通过设置飞行员弹射时的边界条件以及不同加速度载荷,模拟飞行员弹射时佩戴不同头盔的运动历程。结果显示:高G载荷导致颈部稳定性降低且椎间盘应力随之增大,颈部损伤标准(neck injury criterion,NIC)损伤随载荷的增大而增大。头盔质量的增加导致颈部载荷增大,椎间盘C4-C5节段,佩戴轻型头盔比无头盔时椎间盘应力增大30.84%,佩戴重型头盔比佩戴轻型头盔时增大40.91%,所以重型头盔对颈部损伤的风险高于轻型头盔。韧带所受的拉力与头盔质量的增大成正比,并且头盔重心后移可能增大韧带拉伤的风险。

准静态压缩下腰椎间盘破裂的力学行为

背景:腰椎间盘突出症是临床上引起腰痛的主要原因,发病原因十分复杂,长期力学负荷的积累和突然超负荷损伤通常被认为是主要病因。椎间盘突出大多受到其力学状态改变的影响,因此需要对腰椎间盘整体和内部的应力/应变特性进行研究,从而为腰椎间盘突出的预防和治疗提出指导。目的:通过体外实验多角度讨论椎间盘的疲劳特性和破裂机制。方法:实验采用当地屠宰4-6 h的新鲜绵羊腰椎,用其制作的椎间盘样本被用于不同实验。疲劳实验中,探索轻度破裂和疲劳应力对椎间盘疲劳特性的影响。在内部位移和载荷分布实验中,通过应用优化的数字图像相关技术来测试椎间盘加载过程的内部位移分布,应用布拉格光纤光栅技术测量椎间盘加载过程的内部载荷分布。结果与结论:①对于正常及早期破裂腰椎间盘,疲劳前后的破裂应力-应变曲线均呈现出多段特性,主要由4个阶段组成:趾部阶段、线性阶段、屈服阶段和破裂阶段;②正常腰椎间盘的趾部阶段非常明显,而早期破裂腰椎间盘的趾部阶段几乎消失;对于正常和早期破裂腰椎间盘,疲劳后的弹性模量均略大于疲劳前的弹性模量;对于正常腰椎间盘,疲劳后的比例极限大于疲劳前;对于早期破裂腰椎间盘,疲劳后的比例极限小于疲劳前;对于正常腰椎间盘,疲劳后的屈服应力大于疲劳前;对于早期破裂腰椎间盘,疲劳后的屈服应力小于疲劳前;③腹侧纤维环应力<背侧纤维环应力;在背侧区域,外层纤维环应力<内层纤维环应力;而腹侧区域呈现相反规律;④含损伤因子的损伤本构模型可以很好地拟合椎间盘损伤的力学特性,实验结果对预防日常生活中的腰椎间盘突出具有理论上的指导意义。

侧前方入路一体式可撑开可复位椎间融合器的生物力学特征

背景:体外实验证实,采用的一体式椎间融合器虽可以从侧方置入,但其置入体内后不具有调节椎间融合器高度的能力和调节腰椎滑移的复位功能。基于以上原因,课题组设计了一种新型的侧前方入路一体式可撑开可复位椎间融合器(OLIF+IERC),并不断深入研究其生物力学性能。目的:探究OLIF+IERC模型,相比于正常腰椎有限元模型、传统的单纯斜前方腰椎椎间融合术(oblique lumber interbody fusion,OLIF)无螺钉固定系统(Stand-alone OLIF)模型、OLIF联合后路双侧椎弓根钉棒固定(OLIF+BPS)模型的生物力学性能差异。方法:对已建立并验证有效的正常模型(L_(3)-S_(1))进行适当的修改,建立3种OLIF手术有限元模型:Stand-alone OLIF模型、OLIF+BPS模型及OLIF+IERC模型。通过对各模型施加500 N的随动载荷和不同方向上(前屈、后伸、侧弯、轴向旋转)7.5 N·m的力矩载荷,比较不同模型的各生物力学指标差异。结果与结论:①对于L_(4)-L_(5)的运动范围、融合器上最大应力及最大终板应力:OLIF+IERC模型在轴向旋转时低于其他手术模型,Stand-alone OLIF模型在各运动姿态下均最高,OLIF+BPS模型在前屈、后伸及侧弯时最低;②综合分析得出:OLIF+IERC模型的生物力学稳定性、抵抗椎间融合器沉降和椎间盘高度降低的能力,在各运动姿态下均优于Stand-alone OLIF模型,在轴向旋转的运动姿态下优于OLIF+BPS模型;③研究建议:腰椎退行性患者在今后进行手术治疗时,可以考虑采用OLIF联合一体式可伸缩可复位融合器固定的手术方式。该研究为腰椎退行性疾病的治疗提供了有价值的参考。

随动载荷对腰椎小关节接触力的影响

目的研究不同大小随动载荷在腰椎不同姿态下对小关节接触力的影响。方法建立非线性三维有限元腰椎模型(L1~S1),并考虑小关节软骨的非均一厚度和非线性材料特征。对腰椎模型施加不同大小的随动力预载荷(0、0.5、0.8、1.2 k N)以及7.5 N·m不同方向上(前屈、后伸、侧弯、轴向旋转)的纯力矩,对比各运动节段两侧小关节上在不同加载工况下的接触力,并定量研究随动载荷对小关节不对称性的影响。结果随动载荷的应用会增大屈伸以及侧弯(同侧)状态下的小关节接触力,而减少侧弯(对侧)时的小关节接触力,而且这种增大(或减小)效应会随着随动载荷本身的增大而减弱。对于轴向扭转,预载荷对小关节力几乎没有影响。在腰椎不同的姿态下,随动载荷对于小关节接触力不对称性的影响按从大到小排列依次为:侧弯(同侧)、前屈、侧弯(对侧)、后伸、轴向扭转。结论随动载荷对腰椎小关节接触力的影响随腰椎运动姿态的不同而不同。在腰椎的生物力学研究中,小关节的不对称性需要被充分考虑,尤其是在生理载荷作用下腰椎后部结构的研究中。

机动飞行过载时操纵杆位置对飞行员操控影响的生物力学研究

目的从生物力学角度探讨操纵杆位置对于机动飞行时操控工效的影响。方法建立完整的人-椅系统有限元模型,该模型包括多体动力学假人、弹射座椅、约束系统以及惯性锁强制机构。对模型施加不同方向的加速度载荷,从生物力学的角度对比研究不同位置的操纵杆以及不同大小的椅背角对飞行员操控工效的影响。结果相比于中央操纵杆加17°椅背角,侧位操纵杆加30°椅背角能使得飞行员在加速度场中产生较小的躯干位移以及较小的手部惯性力。结论在机动飞行过程中,侧位操纵杆和较小的椅背角均有利于飞行员获得较好的操控工效,从而减小安全隐患。

生物医学工程中的散斑计量法应用

散斑计量法是60年代诞生的实验力学中光测力学的一种,迄今已经得到了很大的发展并在工程各学科领域(包括生物医学)中获得了广泛的应用。本文作者对散斑计量法的基本原理及特点进行了阐述,并分别对散斑照相法、散斑干涉法、电子散斑干涉法、数字散斑相关法和生物散斑法等散斑计量的主要方法及其在生物医学工程领域中应用的发展和现状作了作了概要的介绍。

红麻韧皮部束纤维抗拉强度测定的样品准备方法研究

通过5种处理方法分离红麻韧皮部束纤维层,测定各层束纤维的直径d及其所能承受的最大拉力Fmax,计算束纤维的极限抗拉强度σ。结果表明,采用亚氯酸钠-冰醋酸和草酸铵方法,不仅能够有效地分离红麻韧皮部束纤维层,而且对束纤维的强度影响较小,可以作为红麻韧皮部束纤维抗拉强度测定的样品准备方法,对准确测定和研究红麻束纤维抗拉强度及其分布具有重要意义。

救生伞背带材料的力学性能研究

目的研究五种现役的救生伞背带的织带材料的力学性能,为研究救生伞背带约束系统的约束性能提供数据。方法通过厚度计、力学实验机、摩擦测量装置分别对5种织带材料44-2600,44-2000A,44-1600,18-650和20-530A进行测试,其中前3种为主带,后2种为辅带。结果该5种织带厚度分别为(1.88±0.04)mm,(1.99±0.03)mm,(1.78±0.01)mm,(0.99±0.01)mm和(1.72±0.01)mm,3种主带与棉布及皮革的摩擦系数分别为0.185,0.213,0.178以及0.411,0.432,0.375。44-2600和18-650分别在主带和辅助带中表现出最高的抗拉强度。结论主带和辅带分别为44-2600和18-650的救生伞背带能提供更好的力学强度和约束性能。

全腰椎有限元模态分析

目的 采用三维有限元方法研究人体腰椎的动力学特性。方法 基于CT扫描图像建立并验证全腰椎L1-5节段有限元模型，对全腰椎进行有限元模态分析。结果 提取腰椎的30阶自由模态，获得了腰椎在自由状态下的动态特性：腰椎共振频率分布集中；各阶模态最大振幅急剧变化，L5节段腰椎附近的振幅较大，是腰椎的薄弱环节。结论 腰椎的模态分析是进一步进行动力学分析的基础，确定腰椎的固有频率、振型和振幅等振动参数，对于腰椎的振动特性分析和人机工程设计优化等方面具有重要意义。

不同牵拉方式对腰椎的生物力学影响

目的 采用三维有限元方法研究不同牵拉条件对腰椎生物力学的影响.方法 通过对腰椎L1 ～5节段扫描,获得CT图像导入Mimics三维重建获得腰椎L1 ～5的三维几何模型,利用Geomagic Studio和Hypermesh获得腰椎L1 ～5的网格模型.运用Abaqus进行不同牵拉条件下的腰椎有限元仿真计算.结果 头低位角度与髓核内应力有相关性,头低位角度不超过10°时,髓核内应力随摆动周期规律性变化;头低位角度大于10°时,应力呈降低趋势.摆动模式下,纤维环内环应力增加,促进椎间盘回缩.结论 牵拉治疗有助于缓解腰椎疼痛,摆动作用有助于协调牵拉作用在各方向的效果,牵拉方式结合摆动可更好地梳理和解除后部小关节紊乱.此外,患者在治疗中应选取适当的牵拉作用力以达到良好的治疗效果.

骶骨部分切除术后骨盆重建的三维有限元分析

目的研究骶骨部分切除术后骨盆重建的生物力学特征。方法分别构建完整骨盆。经S1、S2之间施行骶骨部分切除术后的缺损骨盆和重建骨盆的三维有限元模型。模拟人体坐位时的负荷,研究3种模型的位移与应力分布变化。结果得到了三个模型中骶岬前方参考点在垂直方向的位移值及整个模型和重建器械的应力分布情况。结论骶髂关节部位的重建可以增强骶骨部分切除术后骨盆的稳定性,并改变骨盆应力分布,降低骶器关节应力峰值,减少术后骨盆破坏的风险。L5椎弓根螺钉与髂骨钉之间的钛棒发生断裂的风险较大,提示术中应当重视弯棒操作,避免钛棒过度成角,防止应力过度集中,减少断棒的危险。

不同固位技术修复单侧上颌骨缺损的生物力学研究

目的采用三维有限元分析方法研究卡环、附着体以及颧种植体3种不同固位技术对上颌骨单侧缺损修复的生物力学影响。方法利用医学图像处理软件Mimics重建单侧缺损上颌骨模型,采用镜像技术生成修复体模型,并建立使用不同固位技术修复的上颌骨有限元模型,模拟口腔咬合状态下上颌骨受力状态。结果采用颧种植体固位修复的上颌骨健侧及修复侧上腭应力最大,分别为7.399、4.864 MPa;而且采用颧种植固位使得健侧及修复侧上颌骨应力最小,分别为10.46和10.86 MPa;颧种植体自身应力也最小,为15.25 MPa。结论不同固位技术修复对单侧上颌骨缺损修复效果影响较大。卡环固位及附着体固位由于带有支架可用于分担作用上腭的力,颧种植体固位可通过传递力至颧骨,故可分担作用于上颌骨的力。

可降解植入物在骨折固定中的应用

背景:可降解植入物具有良好的生物相容性和骨传导性,被逐渐应用于颅面重建、前交叉韧带的重建、半月板修复、踝关节骨折治疗、胫骨腓骨骨折等手术治疗中。目的:通过对比可降解植入物与非降解植入物在骨科骨折中的应用,总结可降解植入物的优缺点,并提出自己的见解。方法:以"可降解螺钉,可降解板,骨科,骨折;biodegradable screws,biodegradable plates,orthopedics,fractures"为关键词,检索CNKI数据库、万方数据库及Web of sciences数据库1960至2017年发表的相关文献,收集有关可降解植入物在骨科应用的文献,最终选取65篇文献。结果与结论:无论采用镁合金还是聚乳酸类植入物进行骨科骨折治疗,均表现出了良好的治疗效果。然而,可降解植入物自身存在一些不足:可降解螺钉的降解速率过快,将导致初始强度的快速丧失,如何控制可降解螺钉的降解速率与骨生长速率相匹配等,仍然是一个亟待解决的问题。因此在今后的研究中,需要重点研究如何减缓降解速率、增强抗磨抗腐蚀性,以及开发无毒性、含多营养元素的可降解植入物。

基于飞行仿真的Herbst机动飞行员过载分析

目的利用飞行仿真获取Herbst机动中飞行员生理坐标系下的各方向过载,并对获得的典型数据进行分析。方法依据典型4代机设计参数,在CAD软件中建立飞机三维几何模型,通过飞行仿真获取机体质心6个关键运动参数,根据中国飞行员人体测量数据建立人体三维几何模型;依据座舱和座椅在飞机中的位置建立飞机与人体装配模型;通过人机系统运动学分析获取机动飞行时人体不同部位的各方向过载,对3 km高度、90 m/s速度下开展的Herbst机动进行过载分析。结果人体胸部、足部和头部各方向过载基本一致,但手部与胸部Gy曲线相差很大,手部过载峰值约为1.6 g;在人体三向过载中+Gx峰值最大,约为3.0 g。结论使用机体质心过载曲线代替人体过载曲线会带来较大误差,在研究多轴向载荷对操控行为的影响时手部Gy过载曲线不能使用其他部位过载代替。