视觉对人体姿势控制影响的脑功能网络连接机制

目的研究视觉对人体姿势控制影响及其脑功能网络连接机制。方法以15名健康青年为研究对象,要求受试者分别进行30 s睁眼、闭眼的双腿站立平衡,采集平衡过程中身体压力中心(center of pressure,COP)和脑电。对COP进行样本熵(SampleEn)计算;对脑电θ、α和β频段,计算相位滞后指数(phase lag index,PLI)构建大脑功能网络,并基于图论计算集聚系数(C)、特征路径长度(L)及小世界网络属性(σ)。结果人体在双腿站立平衡过程中,闭眼COPY样本熵显著高于睁眼(P<0.05)。闭眼α频段PLI平均值显著高于睁眼(P<0.05);闭眼α频段C、σ显著高于睁眼,L显著低于睁眼(P<0.05)。闭眼时α频段额区-中央区-顶区之间的网络连接以及中央区和顶区内连接强度显著高于睁眼(P<0.05)。闭眼时α频段PLI平均值以及C值与COPY样本熵中度呈中度负相关(P<0.05)。睁眼时左前额区、左顶区、左枕区α频段PLI平均值与COPY样本熵呈中度负相关;闭眼时左中央区、右枕区α频段PLI平均值则与COPY样本熵呈中度负相关。结论人体在站立平衡时,当没有视觉信息输入时,身体平衡稳定性下降,同时伴随着脑电α频段的脑网络连接增强以及大脑处理信息的效率需提升。人体在不同的视觉条件下进行姿势控制时,大脑会采用不同的神经策略。

膝关节骨性关节炎轻症患者膝关节三维有限元建模及力学分析

目的:在缺少层厚较薄的CT和MRI数据的情况下建立膝关节骨性关节炎(KOA)轻症患者膝关节三维有限元模型,并研究胫骨平台内外侧的应力分布。方法:以一名患有轻度KOA的女性患者为研究对象,自盆骨至腓骨胫骨远端进行连续断层扫描。将得到的DICOM格式文件导入至Mimics软件中并通过阈值分割提取膝关节中的骨性结构,将提取出的骨骼进行蒙版编辑、空腔填充、区域增长等操作后导入3-matic中做光顺、包覆处理。在Geomagic Wrap将处理后的骨性结构使用网格医生检查,修复表面缺陷并拟合曲面。以轮廓延展的思路建立相关的软骨、半月板和韧带,并在SolidWorks中以原点重合的方式与骨性结构进行装配。接下来在ANSYS软件中定义材料、设置接触、划分网格、设置约束和载荷,分析在双腿站立下胫骨平台上的应力分布情况。结果:成功建立了包括骨性结构、软骨、韧带的完整膝关节模型。在双腿站立状态下,接触应力峰值约为1.21 MPa,位于胫骨平台内侧中部,胫骨平台外侧的最大应力为0.72 MPa,内外侧间室分别承担总载荷的62.7%和37.3%。结论:通过CT提取加软件绘制的方式建立了全膝关节模型,有限元分析结果符合临床预期,通过此方法建立的模型可靠,能进行后续的研究。

腰椎单侧椎板间开窗双侧减压术后腰椎生物力学改变的有限元分析

目的:采用有限元分析方法评估单侧椎板间开窗双侧减压手术(unilateral laminotomy for bilateral decompression,ULBD)后L4~L5节段的生物力学状态,为ULBD治疗腰椎退变性疾病提供理论依据。方法:提取1名健康志愿者腰椎CT薄层扫描数据,应用高保真三维有限元方法建立L4~L5正常模型、ULBD术后模型和椎板间开窗单侧减压(lumbar fenestration,LF)术后模型,对所有模型完全固定L5椎体下终板,在L4上终板施加500N轴向载荷及在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转六个方向分别施加10N·m的弯矩载荷。对比分析不同载荷下三种模型的L4/5椎间盘压缩高度、椎间活动角度、椎间盘内应力分布和关节突间压力等生物力学特性。结果:正常模型在六个方向的活动度均在既往尸体实验研究测量结果的区间内,所建模型有效。正常模型、ULBD术后模型和LF术后模型在500N轴向载荷下椎间盘压缩高度分别为0.74mm、0.85mm、0.85mm。叠加10N·m的弯矩载荷在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转六个方向上,正常模型椎间活动度分别为6.1°、4.2°、5.1°、4.6°、2.9°、2.6°,ULBD术后模型分别为6.5°、4.8°、6.0°、5.2°、3.2°、2.9°,LF术后模型分别为6.4°、4.6°、5.6°、5.1°、3.0°、2.8°;三种模型椎间盘内应力分布无明显差异,最大von Mises应力都分布在椎间盘受压侧外纤维环处;前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转时正常模型椎间盘最大von Mises应力分别为0.52、0.66、0.81、0.87、0.46、0.40MPa,ULBD术后模型分别0.64、0.76、1.06、1.13、0.60、0.64MPa,LF术后模型分别0.65、0.80、1.00、1.06、0.66、0.65MPa。左、右旋转状态下关节突间有显著的压力,正常模型左、右旋转状态时的压力分别为60N、69N,ULBD术后模型为30N、87N,LF术后模型为79N、120N。结论:ULBD术后腰椎间盘压缩高度、椎间活动度、椎间盘内应力和关节突间压力均有明显改变,与LF手术相比,ULBD对腰椎生物力学稳定性影响较小。

舌侧金属加强杆种植覆盖义齿的三维有限元分析

目的 通过三维有限元分析探讨舌侧金属加强结构义齿基托设计对无牙下颌种植修复义齿的生物力学影响,为无牙颌修复治疗提供参考。方法 构建舌侧金属加强结构与无加强结构两种义齿基托设计的2颗种植体支持Locator式覆盖义齿三维有限元模型,分别对后牙中央窝垂直施加150 N载荷、斜向施加150 N载荷以及对前牙垂直施加150 N载荷,模拟正中咬合、左右侧方咀嚼以及前牙切割食物时两种模型各组织的受力情况。结果 后牙及前牙垂直向加载时,两种义齿基托设计模型各组织的应力分布较为接近,所受最大应力差别在0~0.16 MPa之间;偏侧咀嚼时,未添加金属加强杆的义齿基托、种植体和黏骨膜应力集中范围,以及种植体、种植体周围骨最大受力明显大于添加金属加强杆模型,所受最大应力差别在0.59~2.99 MPa之间。结论 在义齿基托舌侧添加金属加强杆,可以起到应力分散的作用,或可在一定程度上减小骨吸收及基托折断的风险。

成年人中心性气道流体力学特征分析

目的运用计算流体力学(CFD)技术对健康成年人中心性气道进行流体力学特征分析,研究空气流场对中心性气道的影响。方法选择4例健康成年人胸部CT影像,其中男性2例,女性2例;年龄26~53岁,平均年龄37.5岁;体质量48.5~74.0 kg,平均体质量60.6 kg。使用Mimics 21医学图像软件将4例健康成年人的胸部CT图像以医学数字成像与通信(DICOM)格式导入,并构建中心性气道的三维模型。对三维模型进行修整,使用Geomagic Studio 12软件。使用Ansys fluent 19.2软件的网格划分模块将模型进行网格划分。划分好网格后,将其导入Ansys 19.2软件进行CFD模拟计算。在模拟计算中,设定相同的潮气量,并对中心性气道内部气流流场变化进行动态分析。结果在基于CT图像数据构建的中心性气道的三维模型基础上,使用了CFD进行数值模拟。结果显示,在施加相同潮气量的情况下,气流入口速度为2.15~4.44 m/s。气道流速在从入口到出口的过程中逐渐降低,并形成了高流速的区域。气道最大流速的变化为3.25~6.77 m/s,并且最大流速靠近气管壁面。气道壁面压力由气管到支气管逐渐降低。在流速越高的区域,气道壁面压力的绝对值越高。气道壁面最大切应力变化为0.888~2.240 Pa,其中气管壁、气管分叉处及二级、三级支气管的切应力相对较大,并随着气管和支气管的直径减小而增加。结论通过对健康成年人中心性气道模型进行CFD模拟,发现气道流速、壁面压力、壁面切应力与气道结构有着密切的关系,呈现出一定的整体空间分布和局部特征。

个性化头部生物力学模型的开发及验证

本文提出了一种个性化头部生物力学模型建模方法,并对所生成模型进行了有效性验证。该方法以图斯特50th百分位头部生物力学模型为基础,基于目标模型头部CT数据,采用三维点云配准和自由网格变形法,实现具有详实脑组织结构的个性化头部生物力学模型的快速建模。通过重构经典尸体试验,发现该方法构建的个性化头部生物力学模型在运动学和生物力学响应方面与尸体试验结果高度一致,且与通过逆向工程方法开发的头部生物力学模型并无明显差异,验证了本文方法所开发模型的有效性。因此,本文方法可用于快速构建具有详细解剖学结构的个性化头部生物力学模型,为损伤生物力学、临床医学和法医鉴定等领域的数字化需求提供基础计算分析工具。

基于PVDF柔性传感器的不同介质中冲击波波源测量与频谱分析

目的明确体外冲击波系统冲击头在不同介质界面产生的冲击波波源特征。方法采用冲击气压可调的体外冲击波产生与信号采集实验系统,结合聚偏二氟乙烯(PVDF)柔性传感器,通过实验测量方法研究冲击头在不同介质(仿体组织、水和空气)界面产生的冲击波形,分析波源的时域特征和频谱特性。结果在相同气压冲击下,冲击头在仿体界面和水界面产生的冲击波波形相似,二者与空气界面产生的冲击波波形存在较大差异,空气界面的正负压绝对值明显减小;不同介质中产生的冲击波频谱特性相似,都存在3个明显的峰值频率,仿体、水和空气中调制频率分别为12.2、8.5、7.2 kHz,载波频率基本无变化(82~83 kHz)。不同气压冲击下,冲击头在同一介质界面产生的冲击脉冲波波形差异不大,冲击气压仅影响冲击波幅度,不影响峰值频率。随着冲击气压的增大,介质界面正负压绝对值增大,变化基本呈线性。结论PVDF柔性传感器可以有效测量冲击波波源,不同介质界面产生的冲击波在时域和频域都存在一定差异,不能简单以空气或水中的冲击波传播特性代替生物组织中的传播特性。研究结果可以为冲击波设备的评估和临床冲击波治疗方案的制定提供重要信息。

全腕关节置换术后腕关节生物力学研究进展

1人工腕关节发展概述第1代人工腕关节Swanson是由德国医生Gluck采用象牙和硅胶制作成的铰链式假体,其设计不符合腕关节生物力学机制,且硅胶容易老化、破损[1~4]。继而出现第2代假体,包括Volz假体和Meuli假体,为非铰链式[5,6],假体远、近端柄状物以髓内插销的方式嵌插于掌骨与桡骨髓腔中,近端假体与桡骨形成关节窝,远端假体的弧面与近端关节窝形成关节,可进行屈伸与轻微尺桡偏活动[7]。

生物力学在心胸外科术后患者排痰护理中的应用

肺部是呼吸系统中很容易发生病症的器官,一旦发病,则会直接影响人们的健康与生命安全。尤其对心胸外科手术患者而言,术后阶段很容易出现呼吸不畅、痰液潴留等问题,这会导致患者呼吸能力大大降低,从而影响肺部健康并引发肺部感染发炎等并发症,导致患者术后阶段的康复难度增加。为减少患者术后阶段的折磨,现今心胸外科术后常需对病人进行排痰护理,确保病人呼吸道畅通。

利用克氏针治疗儿童股骨远端骨骺损伤的有限元分析

目的研究不同构型克氏针治疗儿童SH-Ⅱ型骨骺损伤的稳定性差异以及对骺板的损伤情况。方法利用1名8岁患儿健侧股骨CT数据,将图像数据导入Mimics 21.0中建立粗略股骨、骨骺模型,再导入Geomagic 2013中构建得到曲面化模型。将上述模型在SolidWorks 2018中与3种克氏针构型(分散克氏针、双交叉克氏针、单交叉克氏针)完成装配后导入ANSYS Workbench 2019中,通过对装配体的不同力学加载模拟现实中的多种运动模式,分析骨折块的最大位移以及克氏针、骺板、骨折块von Mises应力分布及最大应力。结果分散克氏针、双交叉克氏针、单交叉克氏针组的最大位移分别发生外展(2.39 mm)、内收(2.12 mm)、外展(2.21 mm)运动时,骺板最大应力分别发生在外展(1.22 MPa)、前屈(0.20 MPa)、后伸(0.29 MPa)运动时。结论双交叉克氏构型针的稳定性优于分散布针及单交叉克氏针,并且对骨骺损伤最小。

泰森多边形多孔结构髋臼杯初始稳定性研究

目的 分析泰森多边形多孔结构髋臼杯与实体髋臼杯的初始稳定性差异,探究泰森多边形结构多孔层对髋臼杯初始稳定性的影响及其在预防松动脱位方面的作用。方法 通过Grasshopper设计孔隙率分别为60%、70%的泰森多边形多孔结构支架,利用选区激光熔化技术(selective laser melting, SLM)制备实体髋臼杯与孔隙率为60%、70%多孔髋臼杯样件,在相同条件的聚氨酯块模型中进行杠杆试验,分析对比3组样件的最大撬出力矩、偏转角度、界面刚度。结果 在压入力无明显差异的情况下,孔隙率为60%、70%多孔髋臼杯的最大撬出力矩分别比实体髋臼杯高278.82%、320.56%,偏转角度比实体髋臼杯高194.04%、269.23%,界面刚度比实体髋臼杯高18.58%、7.88%。杠杆试验完成后,多孔髋臼杯所用的聚氨酯块半球腔内出现明显磨损。结论 泰森多边形多孔结构髋臼杯的初始稳定性指标均高于实体髋臼杯,说明泰森多边形结构多孔层能提高髋臼杯的初始稳定性。研究结果能够为髋臼假体的设计与选型提供一定参考。

马术骑手髋腰部慢性损伤的影像学和生物力学分析

目的 通过分析专业马术骑手腰椎及髋关节影像学和表面肌电信息,了解马术骑手髋部和腰部慢性疾病发病率,探究骑手慢性疼痛的发病原因。方法 选取25名上海市马术运动管理中心马术骑手,按照病史分为慢性腰部疼痛组和慢性髋部疼痛组。同时选取12名无髋腰部疼痛普通人作为对照组,收集受试者髋腰部相关病史资料和髋腰部X线、磁共振成像及核心肌群表面肌电数据。结果 慢性腰痛者腰椎JOA评分明显低于对照组(P<0.05)。骑手慢性髋关节疼痛相对较轻,但Harris评分明显低于对照组(P<0.05)。马术骑手腰部JOA评分与Pfirrmann分级明显相关。而髋部疼痛视觉模拟评分和Harris评分与影像学参数无明显相关性。腹直肌、竖脊肌、股直肌、臀中肌和多裂肌在骑坐姿势的均方根振幅大于正常坐位(P<0.05)。结论 马术骑手的慢性腰部疼痛发病原因主要可能与软组织过度劳损和腰椎退变相关;腰-髋矢状位序列骨盆倾斜角和骶骨倾斜角的变化可以反映马术骑手腰部僵硬程度。

三维股骨近端髓内钉治疗股骨转子间骨折的生物力学研究

目的分析三维股骨近端髓内钉(3DPFN)治疗Evans-JensenⅣ型股骨转子间骨折的生物力学。方法采用第4代人工股骨制作成Evans-JensenⅣ型股骨转子间骨折模型,并分别采用3DPFN固定(3DPFN组)和股骨近端防旋髓内钉固定(PFNA组),模拟骨折模型在人体中的轴向受力情况,进行静态极限压力测试和动态疲劳测试。记录轴向静态极限载荷、动态疲劳测试中内固定失效前最大循环次数和极限载荷。结果静态极限压力测试结果显示,轴向静态极限载荷3DPFN组高于PFNA组(P<0.05)。动态疲劳测试结果显示,内固定失效前最大循环次数3DPFN组多于PFNA组(P<0.05);内固定失效前极限载荷3DPFN组高于PFNA组(P<0.05)。结论3DPFN治疗Evans-JensenⅣ型股骨转子间骨折具有明显的生物力学优势。

脊柱生物力学2023年度研究进展

脊柱是人体最重要的骨骼结构之一。它具有保护脊髓、支持体重、减缓冲击,并允许躯干灵活运动的功能。脊柱生物力学研究对于全面认识脊柱结构功能、疾病发病机制意义重大。2023年,国内外学者开展了大量脊柱相关的生物力学研究,包括脊柱基础生物力学的认知,病理条件下脊柱力学特性改变,以及基于生物力学研究基础设计的各种治疗脊柱疾病办法。本文着重分析脊柱生物力学2023年度研究进展,并以几种较为典型的脊柱疾病或病理状态为例进行详解介绍。

多元结构柔性支架在复杂外周血管中的力学行为

自膨式NiTi合金支架逐渐被广泛用于治疗人体的外周动脉狭窄,但由于外周动脉复杂的生理环境与高频次的弯曲变形,传统结构的支架在植入后的治疗效果仍不理想,并且伴随着较高的疲劳断裂风险。因此本文设计了一种新型的具有多元结构的柔性支架,基于有限元计算分析了新型支架在多重狭窄型外周血管环境中,斑块偏心率对支架柔顺性、扩张均匀性、外周血管管腔通畅率和血管及斑块应力的影响。结果表明:在相同的外周血管模型中,新型柔性支架的柔顺性、扩张均匀性和血管管腔通畅率均优于常规支架;在多重狭窄型血管中,斑块的偏心率越大,新型支架柔顺性能越好,在偏心率为25%的斑块模型中,支架扩张均匀性最差,管腔通畅率最大,斑块上的应力峰值最小。本文的研究结果可以为面向多重狭窄的外周支架的优化设计和临床上支架的选择提供理论基础和科学依据。

个性化髋关节假体设计及其生物力学性能研究

通用型髋关节假体和个人股骨匹配度不足,易导致应力遮挡率过大。为制备与个人股骨相匹配的髋关节假体,基于人体下肢电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)数据,通过逆向工程技术建立股骨实体模型,利用提取的关键特征参数逆向建模,建立个性化髋关节假体模型,采用步态试验确定股骨受力情况,进行有限元分析和电测实验研究其生物力学性能。结果显示,在站立中期的步态载荷下个性化髋关节假体的应力遮挡率在7.64%~38.71%之间,通用型髋关节假体应力遮挡率在16.66%~49.32%之间。个性化髋关节假体可以减小应力遮挡率,可为髋关节假体研究人员提供参考。

消防员负重训练姿势仿真分析

目的 研究消防员负重状态下不同训练姿势的损伤风险和疲劳状况,降低其身体损伤和职业病的发生。方法 采用调查问卷对某消防救援大队消防员的训练损伤情况进行详细调查;针对引起损伤原因中占比最高的运动疲劳因素,使用Jack软件中的下背部分析、静态强度分析、疲劳度分析、舒适度分析等人因分析工具,对消防员的4种常用射水训练姿势,以及5层楼负重跑、挂钩梯攀爬科目的训练姿势进行仿真分析。结果 调查问卷统计显示,该消防大队消防员损伤的最主要因素是运动疲劳,其引起的损伤占比为69.8%。4种射水姿势均会造成膝、踝关节受伤的风险增加,4种射水姿势的舒适度从高到低依次为肩扛式、站立式、单膝跪地式、卧倒式。对于5层楼负重跑和挂钩梯攀爬的整个动态训练过程,消防员下背部均不会有增加的损伤风险,但踝、膝关节均有增加的损伤风险。结论 消防员负重训练存在某些训练姿势和部位不适、损伤风险增加等现象。研究结果为预防和降低消防员训练损伤、制定合理的训练计划以及有针对性的防护措施,提供科学的参考依据。

无托槽牙齿矫治器个性化设计与3D成型

目的 对牙齿矫治器开展有限元仿真分析以确定不同工况的矫正量,制定无托槽牙齿矫治器的设计方案,使熔融沉积工艺成型的矫治器具备个性化的矫治效果。方法 结合患者CT数据逆向重构牙齿模型,通过有限元方法确立牙齿在倾斜、扭转、平移3种工况下的矫治量。选择不同弹性模量的材料3D成型不同矫治类型无托槽牙齿矫治器,并测量正畸力。结果 针对不同工况可设计不同的矫治偏移量,从而使矫治器具备个性化治疗效果。无托槽牙齿矫治器的正畸力随着弹性模量和厚度的增加而增大。在给定工况下,当矫治器材料为热可塑性聚氨酯(TPU)时正畸力最小(90 mN);当矫治器材料为聚乳酸(PLA)时正畸力最大(61.66 N)。结论 设计应根据患者的牙齿情况,在整个矫治过程中每一步矫治所需要正畸力的大小,选择不同弹性模量和不同厚度的无托槽牙齿矫治器对患者畸形牙齿进行治疗,从而实现分阶段矫治效果。

巴黎奥运周期竞技游泳运动生物力学研究进展

本文梳理了巴黎奥运周期内竞技游泳运动生物力学研究的最新进展,通过分析运动生物力学在竞技游泳中的应用,旨在揭示运动表现提升与损伤预防的关键因素,主要涵盖技术分析与优化、研究方法与设备、表现评估与强化,以及损伤预防与康复4个方面。巴黎奥运周期竞技游泳运动生物力学相关研究体现了运动生物力学在优化游泳技术动作、评估运动表现和预防运动损伤中具有重要作用。特别是最新的数据采集和分析设备,如高精度传感器、人工智能与深度学习技术的发展,使得对游泳技术的分析更加全面和精确。未来的研究应进一步结合多维度数据整合技术,通过高精度运动捕捉、流体力学测量及智能分析,深层次探索游泳技术的优化路径。

基于有限元数据集建立髋臼周围截骨术的骨刀变形预测模型

目的建立一种用于髋臼周围截骨(periacetabular osteotomy,PAO)手术的骨刀变形预测模型,快速且精准地预测骨刀变形。方法建立包含皮质骨和松质骨的骨盆-骨刀有限元数值模型,分析节点应变与形变之间的相关性,并优选综合相关性最强的5个节点的应变作为输入,选择刀刃部分节点的位移增量作为输出。通过数据集训练模型后,采用基于有限元数据集的深度学习神经网络回归模型,建立骨刀应变-形变预测模型。在模型预测完成后,利用双目视觉定位系统确定截骨手术过程中骨刀的空间精确位置,以此对骨刀进行术中跟踪。结果预测模型的R^(2)为0.98781,骨刀离散成节点后的平均变形误差为0.07 mm。该预测模型能够快速且精确地获取骨刀变形,在降低PAO手术事故方面显示出巨大的潜力。结论建立的骨刀变形预测模型可通过骨刀的应变信息快速预测骨刀的变形,从而避免伤及组织周围神经和血管等组织,降低PAO术中难度和风险,并为临床应用提供理论支撑。