面向牙槽骨增量的增材制造微支架生物力学研究

目的口腔种植修复中,复杂骨增量手术一直是种植外科最具挑战的难题。目前较为成熟的植骨材料结合现有手术技术仍难以企及精准植骨的临床需求。本研究基于胞元流体学结合生物力学原理设计优化植骨微支架的稳定性与成骨性能,并利用增材制造方法制备,最终实现精准植骨。方法首先选取5种不同的多面体构型,通过离散元仿真选取堆积稳定性较高的基本构型。随后设计不同的内部胞元构型,通过流体表面张力仿真及计算流体力学分析其流体生物力学及成骨性能并优化设计参数。最终通过光固化成型技术(DLP)和生物活性陶瓷材料制备所设计的微支架,植入新西兰大白兔颅骨下颌进行动物实验并作成骨效果分析。结果所选取的微支架构型在堆积仿真下形成了较高的自然堆积角,在流体表面张力仿真下表现出可控的流体诱导性能,在计算流体力学仿真下可形成良好的成骨环境。使用DLP和生物活性陶瓷材料成功打印了所设计的支架结构,并经动物实验具有良好的成骨效果。结论本通过胞元流体学及生物力学设计并优化的微支架具有可控的成骨性能及良好的稳定性,有望实现精准植骨的需求,具有临床潜力。

一种治疗夹层合并瓣膜疾病器械的生物力学分析

目的提出一种微创治疗升主动脉夹层合并主动脉瓣膜关闭不全的新型植入物。基于生物力学研究,对比不同结构器械的有效性和安全性,为新器械的临床应用提供了基础。方法微创治疗A型主动脉夹层伴有主动脉瓣反流的器械,包括血管内支架(ESG)和心脏瓣膜替代物(HVS)两个部分,根据ESG和HVS之间的相互连接关系和结构特点,现有的植入物有分离式Z形植入物(SZ)和分离式菱形植入物(SD)。在此基础上,本研究首先提出了一种新型移植物(LD),然后建立相应的有限元模拟模型,在升主动脉轴向拉伸载荷的条件下,评估移植物的内漏、移位和血管壁破裂的风险。结果SZ、SD和LD 3种移植物采用模拟方法被释放到预期部位后,3种移植物均可封堵升主动脉的夹层入口,但窦管交界部位未能被有效覆盖的距离分别为14.5、13.1和7.4 mm;3种移植物下的最大间隙面积分别为76.5、51.5和6.3 mm^(2);3种移植物的最大移位距离分别为1.27、1.06和0.1 mm;3种移植物下升主动脉最大应力分别为0.19、0.24和0.51 MPa,且均低于破坏应力(0.9MPa)。结论SZ和SD移植物对升主动脉的影响最小,但移植物移位和近端内漏的风险较大。但LD植入物不仅可以简化手术过程,而且内漏和移位的风险也较低,提高了器械的有效性和安全性。

基于有限元法的航天员应急返回人体动力学研究

目的应急返回是航天任务中的关键环节,但返回着陆阶段事故发生率较高,可能对航天员的身体造成不同程度的损伤,因此对乘员在这一环节的动力学响应进行研究至关重要。尽管现有的人体有限元模型在模拟着陆冲击方面取得一定进展,但仍存在数字假人模型缺乏内脏结构和座椅背角参数研究不足的问题。本研究旨在通过建立带有内脏结构的精细有限元模型,评估不同座椅背角对乘员的影响,为改进航天器座椅设计提供科学依据。方法采用丰田公司研发的THUMS假人建立躺姿(0°背角)阿波罗座椅的有限元模型,并在BETA CAE Systems有限元分析平台上,通过仿真分析人体的动态响应。模型根据离心机实验数据进行标定,以类阿波罗跳跃式返回过载曲线为输入,进一步评估了不同座椅背角对人体的影响,包括重要内脏器官的位移和变形情况。结果仿真结果显示,躺姿模式下人体头、胸、腰的合加速度响应曲线与输入相符合。随着座椅背角度数增大,内脏器官在+Gx和+Gz的共同作用下产生位移和挤压变形,而40°背角时内脏器官位移和变形最小。结论适当设计的座椅背角可以有效减轻乘员的身体负荷,降低受伤风险。建议在应急返回阶段,飞船应优先选择40°背角的座椅设计,以提高乘员的安全性。

基于混联机构的多维力加载生物材料试验机

目的多数骨科植入物在人体内需要承受压力、扭矩、弯矩、剪切力构成的复杂载荷,在此多维力载荷下植入物所用生物材料的力学性能直接影响其服役功能和安全,而力学性能也是植入物结构优化和失效分析的重要依据。因此,在接近植入物复杂服役载荷下开展生物材料力学试验十分必要。目前,生物材料力学试验多采用单轴拉伸、剪切或扭转。

生物软组织力学测试及相关理论研究

合理的本构模型及正确的材料参数是进行有效数值计算以及靶标制备来表征生物软组织高速撞击下力学响应的前提方法。对典型的生物软组织及材料力学测试方法从单一加载模式拓展到剪切加载乃至混合加载进行了阐述,均进行详细的理论推导并得到各个模式下的主伸长。结果表明:基于各个加载模式下的主伸长,可以得到应力主面、形变最大值及方向来评估生物软组织及其对应仿生靶标的最大受力面及破坏程度等,便于深入探索生物软组织细观结构及模拟材料设计与其宏观力学性能相关性规律,旨在建立更加科学合理的人体仿生靶标。

煤矿瓦斯爆炸所致脑损伤动物模型的建立及损伤机制的研究

目的煤矿瓦斯爆炸多发生在相对密闭环境,会产生一系列具有独特力学特性的冲击波伤害机体。爆炸后产生的各种毒气,特别是一氧化碳(CO)也会对组织造成伤害。以往虽有战争爆炸冲击波致脑损伤的研究,但未见有由物理和化学两种因素造成的复合型脑损伤的报道。本研究拟通过模拟煤矿巷道瓦斯爆炸的真实情景,构建一个可重复的复合性脑损伤动物模型,研究其损伤机制,为今后探索有效干预手段,促进伤后神经功能恢复,预防或延缓神经退行性疾病的发生提供帮助。方法成年C57BL/6小鼠分为无损伤对照组,单纯瓦斯爆炸组及瓦斯爆炸加CO染毒复合伤组。小鼠置于可模拟煤矿巷道瓦斯爆炸的激波管生物杀伤系统,通过引爆含甲烷的混合空气,产生冲击波导致脑损伤;复合伤组再经腹腔注射给予CO染毒。所有动物在实验的不同时间点实施脑血流,行为学,组织学和分子生物学检测。结果两组遭受爆炸伤小鼠的脑血流量明显降低,多种组织学和行为学检测均显示神经系统受损,分子生物学检测提示脑组织产生了明显的炎症反应,复合伤组为甚(P<0.05)。结论本研究建立的模拟煤矿瓦斯爆炸致脑损伤小鼠模型,为后续研究致伤机制和有效干预措施提供了可靠的动物实验基础。

基于离体猪心的具有二尖瓣解剖结构和动力学响应的体外实验研究

目的研制适用于介入式二尖瓣的体外模拟实验系统,能够较真实地模拟二尖瓣位置复杂的生物力学环境,为研发二尖瓣介入器械提供关键性实验和性能评测技术平台。方法本研究根据体循环等效物理模型连接猪心-主动脉的顺应性腔-阻尼器-储液腔搭建体循环的流体通路,并利用往复泵以猪心外部加压的方式驱动心室壁运动模拟心脏的舒张和收缩。其中,离体猪心的制备须结扎新鲜猪心左右两侧冠脉,并用特制的连接装置连接左室流出道和左心房;此外,由于离体猪心的个体差异需要根据每个猪心的心室壁阻尼调整往复泵的驱动曲线。结果根据体循环等效物理模型,主动脉顺应性腔体积分别为350 m L,左心房储液腔体积2500 m L。由离体猪心搭建的具有二尖瓣解剖结构和动力学响应的体循环流体通路再现了左心的生理血流动力学,即主动脉压力为120/80 mm Hg,心输出量为1~5 L/min,并允许实时观测主动脉瓣和二尖瓣的开闭状态,并能支撑介入器械的实时操作。主动脉瓣和二尖瓣的开闭结果与生理一致,高速视频记录了瓣膜从完全打开到完全关闭的全部过程。结论该系统是一种有效的再现左心生理血流动力学的体外模拟,可以对介入式二尖瓣进行介入过程体外模拟实验和血流动力学体外检测实验。

体外溶血实验回路储血装置的血流动力学优化设计研究

目的心血管医疗器械的研制过程中,评测器械对血液的损伤情况尤其重要。现有体外溶血实验的储血装置存在空气血液接触界面,同时流动停滞区域大,可能会产生额外损伤的溶血结果。为降低体外溶血实验中储血装置造成的血液损伤影响,本研究设计出一种新型构型的储血血袋。方法首先通过有限元仿真软件建立5种容积相同,具有不同几何特征的充盈状态血袋模型;通过流体动力学软件仿真,计算分析各个血袋模型内流体速度场、流线、流体涡旋和流动停滞等情况,选取最优构型;最后制作最优构型血袋实物,通过体外粒子测速成像(PIV)实验得到实际流速等数据,进一步验证血袋内血流动力学结果。结果血流动力学计算结果显示,所有血袋最大速度均为1 m/s,但30°菱形血袋和45°菱形血袋流场的涡流区域明显减少,同时血流停滞面积也有效减小,由80%降低至约20%,有效降低了储血装置对血液的损伤,PIV实验结果与此形成较好对照。结论本研究设计出的储血血袋具有血液流动均匀、流动滞留区小、血液与空气隔绝等特点,可有效提高体外溶血实验的准确性。

静态性牵张诱导神经突起导向生长的Slit/Robo分子机制的研究

目的神经元在发育过程中,轴突会在通过中线时受到不同的吸引或排斥信号,引起神经轴突延伸或回缩。而牵张可引起神经元与下端所支配神经元发生突触连接,其作用机制不明确。而探明Slit/Robo信号通路在牵张诱导轴突延伸中的调节机制是神经再生的关键。方法采用静态性牵拉,对体外培养的DRG神经元分别进行2.5%、5%、7.5%和10%的张应变,探究不同加载时间4、8、12 h后DRG神经元生长的影响,免疫荧光染色检测细胞突起的偏转角度和延伸情况,并导向分子Slit2及其受体Robo2的基因和蛋白表达进行PCR和WB检测。结果在牵张张应变2.5%、4 h后DRG神经元生长良好,但是突起长度延伸不显著。随着张应变增加至5%时,其存活率和突起长度显著性增加,轴突顺应牵张力的方向生长。随着牵张加载至10%、12 h时,细胞存活率下降,活细胞数显著性减低,突起出现显著性断裂损伤,不利于神经细胞的生长。从FDA和CCK-8以及细胞突起长度和突起偏转方向等检测结果,牵张5%、4 h适合DRG神经元的生长。此外,牵张5%、4 h作用后细胞内Slit2和Robo2的m RNA和蛋白表达显著性下降,显著性促进了神经元的导向生长。提示牵张在5%、4 h后对神经突起的排斥作用减弱,有助于神经突起的延伸性生长。研究结果为今后牵拉用于神经再生提供了新的方法。

直流电场对大鼠内皮祖细胞内皮向分化的影响研究

目的内皮祖细胞(EPC)归巢于血管内皮损伤处并定向分化为内皮细胞,对修复大面积血管内皮损伤极其重要。内源性直流电场是血管内皮损伤部位主要的物理微环境,对血管内皮损伤修复有重要作用,直流电场对EPC内皮向分化的影响及分子机制尚不清楚,本论文针对此问题开展研究。方法对EPC细胞施加电场强度为50、100、400 mv/mm的直流电场刺激,加载时间为0、1、2、4、8 h,综合运用Western Blot、免疫荧光等技术研究不同程度电刺激对FAK、ERK-1磷酸化的影响,以及内皮向分化标志物VEGFR-2、CD31和v WF的表达。用ERK抑制剂PD98059抑制ERK磷酸化,验证ERK磷酸化在电刺激调控EPC内皮向分化中的作用。结果在0~400 mv/mm电场强度范围内,直流电场上调EPC细胞VEGFR-2、CD31和v WF的蛋白表达,相比对照组,在400 mv/mm、24 h处,VEGFR-2、CD31以及v WF蛋白表达分别增加了28.2±10.0%、24.0±9.4%、28.5%±6.1%。与之相对应的是,直流电场强度越大,FAK和ERK-1的磷酸化水平越高。PD98059处理后,EPC的内皮向分化受到明显抑制。结论在0~400 mv/mm电场强度范围内,直流电场激活FAK和ERK磷酸化并调控EPC内皮向分化,这可为血管损伤修复技术研发提供新的理论和实验依据。

腋动脉插管对主动脉血流动力学环境的影响研究

目的研究不同血液灌注条件下右腋动脉ECMO插管置入后对主动脉血流动力学环境的影响规律。方法基于临床影像数据构建模型,采用血流动力学方法进行研究。ECMO和衰竭心脏提供的总血流量保持不变,心输出脉动流量比(FVR-HO)为10%、20%、40%、相应ECMO流量比(FVR-ECMO)为90%、80%、60%。研究将对主动脉内的血液流动情况,壁面剪切力(WSS),时均壁面剪切力(TWASS),振荡剪切指数(OSI),相对滞留时间(RRT),高氧血灌注流量(Q)等指标展开研究。结果来自ECMO腋动脉插管的高氧血与来自衰竭心脏的低氧血混合后在主动脉弓产生较强的旋动,在靠近插管出口的头臂干血管位置造成高WSS区域。血流旋动的程度随FVR-ECMO的减少而减弱,高WSS,高OSI和高RRT区域都随FVRECMO的减少而缩小。高氧血在各出口灌注比例随FVR-ECMO的减少而降低,Q值在左颈总动脉,左锁骨下动脉,降主动脉处随FVR-ECMO的减少而降低,且在降主动脉位置Q值下降较为明显,Q值在右颈总动脉位置升高。结论不同心输出量和ECMO灌注水平的右腋动脉VA-ECMO对主动脉环境有显著影响。心脏功能的部分恢复可促使血流在主动脉弓位置血流异常旋动的程度减弱,同时导致下肢高氧血供应不足。

不同脉动灌注模式对膜式氧合器血液流动环境、血栓形成风险及气体交换性能的影响研究

目的探究不同脉动灌注模式(频率、振幅)对膜式氧合器血液流动环境、血栓形成风险及气体交换性能的影响。方法采用血流动力学建模仿真方法对临床氧合器进行分析,包括定常和不同脉动流量工况(平均流量均为4 L/min)。脉动包括3种频率(60、120、240 s^(-1))和3种振幅(1、2、3 L/min)的9种正交组合。研究分析氧合器内多个位置的血液累积停留时间(ART)、接触系统凝血因子浓度(C[FXIa])、氧合器进出口压降(P_(D))及血氧分压差值(ΔP_(O2))等指标。结果经计算,在选取的特征位置,脉动灌注模式下的时均ART和C[FXIa]均大于定常灌注模式;在脉动灌注模式下,随着振幅增大,时均ART和C[FXIa]均增大,且越靠近下游增幅越大;时均P_(D)降低;时均ΔP_(O2)上升。随着频率变化,上述指标无明显变化。在垂直于流向的截面内,距离进口高度越远时,时均ART和C[FXIa]越大;距离进口高度相同时,在截面对称轴处,时均ART和C[FXIa]较大。结论相比于定常灌注模式,脉动灌注模式会增大氧合器血栓形成风险,但同时会降低血流动力学能量损失,提升气体交换性能。在脉动灌注模式下,与频率相比,振幅的影响更显著,振幅越大,越靠近下游,血栓形成风险越大。随着振幅增大,氧合器血流动力学能量损失降低,气体交换性能变好。

用于中空纤维膜丝的丝素-肝素-白蛋白层层自组装复合涂层的制备与血液相容性研究

目的在ECMO使用中,肝素-白蛋白涂层作为一种常见涂层,在长期使用中发现二者之间结合较弱,涂层稳定性差,影响涂层的长期使用效果,构建长期稳定的肝素-白蛋白涂层仍具挑战。丝素具有良好的生物相容性,具有多个可结合基团,在涂层体系中加入丝素作为桥接可以提高体系的整体稳定性。方法本研究在材料和肝素-白蛋白涂层中间引入一层丝素层层自组装涂层。先在材料表面利用疏水相互作用结和丝素,随后使用甲醇处理;再在丝素涂层上利用电荷相互作用结合肝素和白蛋白,随后交联固定整个涂层体系。接着对涂层进行体外实验和动物实验,检测血液相容性和长效稳定性。结果丝素的加入使得材料表面形成纳米级表面,有利于大分子的嵌入;丝素涂层中60%以上的β-折叠蛋白结构提供了良好的疏水性,促进涂层组分之间的结合;丝素表面具有的可交联基团可以将肝素-白蛋白与材料基底进行桥接,增加体系稳定性。在体外实验和动物实验中,丝素-肝素-白蛋白涂层表现出良好的血液相容性,减少血细胞黏附和延长凝血时间。在涂层的长期稳定性实验中丝素-肝素-白蛋白涂层的效果更佳。结论丝素涂层作为中间层,桥接了基底与肝素-白蛋白涂层,提高了涂层体系的长效稳定性。

差异性血液灌注条件下VA-ECMO股动脉插管对主动脉内血流特征、氧饱和度及血栓风险的影响

目的探讨不同水平VA-ECMO支持下,下肢插管对主动脉血流动力学环境、氧饱和度、血液损伤及血栓形成风险的影响。方法采用计算流体力学方法分析ECMO流量占比范围从100%至40%时各动脉分支血流灌注情况,构建考虑血小板活化和沉积的血栓形成模型和红线损伤模型,研究不同ECMO支持水平下血小板活化和血栓形成,及溶血风险。结果研究发现在ECMO辅助时,随着心脏收缩功能的逐渐恢复,可改善动脉内血流动力学环境,减少动脉内高剪应力和血液滞留时间,减少血液损伤主动脉溶血和血小板活化水平总体下降,减少插管高速血流对动脉流场冲击,使单位时间流入各动脉分支的流量更接近生理水平,同时改善下肢灌注。然而,随着心脏收缩功能的恢复,心脏泵出的低氧血灌注上肢血管可能导致上肢缺氧。ECMO支持下血栓形成的高危区域为主动脉根部和插管远端区域,当心功能恢复到40%~60%时,血栓高风险区转移至降主动脉。结论心功能的部分恢复有助于主动脉血流动力学环境的改善和血液损伤风险的降低;但也存在主动脉分叉管高氧血灌注不足的问题。本研究还建立了适用于ECMO插管的血栓形成风险的评估模型,并通过临床数据验证了模型的准确性。

左心室辅助装置插管的置管深度变化对血栓形成风险的计算分析

目的研究左心室辅助装置(LVAD)插管的不同置管深度对左心血栓生成风险的血流动力学影响,以实现最优的血流动力学性能,最大限度地减少由于置管因素导致的血栓或溶血等并发症。方法基于临床影像数据重建心衰患者的左心三维模型,在6例患者不同大小的左心模型(左心室内径35~55 mm)心尖顶部置入3种不同深度(10、20、30 mm)的插管,使用处理后的模型进行血流动力学计算,评估分析了影响血栓形成的三个关键因素:血液停滞率、时间平均剪切应力和血小板剪切应力累积值。结果左心的血流模式容易受到插管置入深度的影响,与适当减少置管深度相比,常规置管深度(20 mm)的血小板落在血栓形成高发区域(长滞留时间和高剪切力累积)的数量几乎是其4倍,左心内血流动力学异常,血小板过量激活、血栓形成和中风的风险明显更高。置管深度增加会降低平均剪切应力,增加血栓风险。左心室扩张率越大,血液停留时间越长,滞血率越高,血栓风险越高。结论LVAD的最佳置管深度随左心室大小而变化,在左心辅助装置植入期间,应考虑适当减少置管深度的手术配置,以减轻血栓风险。合适的置管深度可以使左心处于良好的血流动力学环境中,以此改善患者的预后。

基于纵向牵引理念的脊柱侧凸三维矫形器研制及临床应用的初步结果

目的根据早发性脊柱侧凸(EOS)及青少年脊柱侧凸(AS)伴有旋转的特点,研发一种新型三维矫形器,以期为临床治疗提供更有效的干预手段。方法4例EOS或AS患者参与此项研究。在其脊柱畸形两端利用人体表面自然结构为支具着力点,中间连接以脊柱为同心圆排列的牵伸器,通过施以可控、缓慢、持续的纵向牵伸力做畸形矫正。矫正速度为第1周每日牵伸3~4 mm,分6~8次完成;之后每天1~2 mm,分6次完成;畸形矫正满意后维持2周,再佩戴普通支具6~12月。以矫正过程中的cobb角变化、舒适度、矫形器调整灵活度等作为评估指标。结果成功制备出可施加纵向牵引力的脊柱侧凸三维矫形器。该器组装及佩戴方便,与身体适配性好,全程无创,可控性满意,矫正速度快(4周矫正率达85%以上)。4例患者治疗后的cobb角均较前明显缩小,无明显佩戴不适主诉。腰弯及胸腰弯的治疗效果最佳,胸弯为主的畸形牵伸时间强度大于腰弯。结论新矫形器作用符合脊柱侧凸畸形三维矫正生物力学原理及组织再生的张力-应力法则,治疗效果满意。将进一步改善材料及舒适度,并结合有限元研究,通过计算机辅助精准设计调控,使其成为理想的EOS及AS临床治疗方法。

临床相关胸脊髓挫伤大鼠模型的构建方法

目的挫伤是临床常见的急性脊髓损伤,构造临床相关的挫伤动物模型对研究其发病机制及开发诊断和治疗方法不可或缺,但目前造模常用的椎骨夹具存在夹持不稳,重复率差的问题。本研究针对本领域现有造模方法的缺陷进行改进,以定量化构建一种成活率高、一致性强和易于监护的胸脊髓挫伤大鼠模型。方法通过Micro CT扫描大鼠T8~T11椎骨,根据获得的外形开发可多点夹持T9~T10椎骨的一体式夹具,并基于龙门架结构开发配套的夹具固定架。造模过程为:解剖暴露椎骨,对T9椎骨进行椎板切除术暴露脊髓,使用夹具夹持椎骨后连接至固定架;使用机械臂移动连接有挫伤打击器的生物力学试验机,打击器对齐脊髓上方后缓慢移动贴近脊髓,通过传感器读取预接触力为0.05 N后调整打击器上移至4 mm高度;设置打击深度,打开高速摄影机,启动程序完成高速挫伤打击。结果打击深度0.3~2.5 mm可调,可完成不同损伤程度的挫伤大鼠模型的构建,且打击过程中夹具夹持稳固无晃动,同参数打击深度误差可控制在±0.1 mm范围内,术后BBB评分具有一致性。结论本研究成功开发了一套可用于构建成活率高、一致性强且损伤程度可控的胸脊髓挫伤大鼠模型的系统。

脊髓损伤动物模型定制夹具的稳定性有限元分析研究

目的动物脊髓损伤模型对脊髓损伤的研究具有重要意义,制作大鼠脊髓挫伤模型时需要对脊髓被打击损伤的精度精准把控,故而对夹具夹持椎骨的稳定性有较高的要求。而根据文献调研以及现有的实验数据,现有使用最多的两款夹具(IH夹具和NYU夹具)均存在使用时稳定性不足的问题。本研究拟通过建立IH夹具和NYU夹具夹持椎骨并打击挫伤脊髓的有限元模型,分析两种夹具夹持不稳的原因。方法本实验建立了IH夹具和NYU夹具夹持大鼠T8~T11胸椎并进行打击挫伤的有限元模型,分别计算了在0.5、1.0、1.5 mm打击深度下椎骨和夹具的位移数据和应力数据,将椎骨和夹具的位移数据与动物实验数据进行相关性分析,确认其有效性,并对所得数据进行横向和纵向对比。结果椎骨在IH和NYU夹具夹持下,使用打击器打击挫伤时均会发生明显位移。结论IH和NYU夹具各自有各自的优缺点:IH夹具支撑梁臂比较稳定,头部小巧灵活便于操作,但夹具钳臂和头部的设计不佳,容易造成椎骨的晃动;NYU夹具头部设计为铲形,能更加稳定地夹持椎骨,同时夹具钳臂不易发生应力集中,稳定性较高,但其支撑梁臂不稳,且头部过大不易夹持。

脊柱侧凸支具不同的矫形力学机制对单腰弯的矫形效果和患者舒适度影响的有限元研究

目的现有脊柱侧凸支具治疗研究模型简单,无法研究矫形力对皮肤、内脏的影响,且尚未明确支具不同的矫形力学机制对矫形结果的影响,无法针对矫形目标选取合适的支具。本研究旨在使用内脏结构完整的人体模型,研究支具不同的矫形力学机制对矫形效果和舒适度的影响,从而优化脊柱侧凸支具治疗。方法以丰田公司研发的THUMS人体模型为基础,使用一位女性单腰弯患者的CT数据,对脊柱进行三维调整,从而获得单腰弯模型。基于常见治疗腰弯的全日型支具的矫形力学机制,即(1)三点力;(2)三点力和抗旋转;(3)三点力和拉伸,分别建立3种支具模型,并利用LS-DYNA模拟在患者身上安装支具进行矫形。利用有限元分析计算冠状面、矢状面椎体偏移,水平面椎体旋转,皮肤、内脏和腹壁膜压力,从而评价矫形效果和舒适度。结果仅三点力无法矫正矢状面、水平面畸形。加入抗旋转力或拉伸力后可实现三维矫形,但拉伸力对于水平面的矫正效果劣于抗旋转力,且腋下皮肤受压明显,而抗旋转力的加入使内脏及腹壁膜的压力明显升高。结论本研究使用的仿真模型可用于分析支具矫形力对于皮肤、内脏的影响,仿真结果表明不同矫形力学机制对于矫形效果和舒适度有不同影响,有助于针对患者情况进行个性化支具治疗。

飞行过程中头盔对飞行员颈部损伤的影响

为研究飞行过程中不同头盔对飞行员颈部损伤的影响,基于头颈部多刚体动力学模型,对急转弯及稳定盘旋飞行工况下4种头盔情况开展了动力学分析。得到了不同头盔作用下颈部肌肉力、椎间力、力矩及颈部损伤指数N的变化规律,对不同头盔作用下的颈部损伤风险进行了评估。结果表明:所建立的头颈部模型与实验结果较为吻合,可以用来进行仿真模拟分析;相同飞行工况下,B头盔的佩戴使得头部质心前移,增加了颈部前屈时斜方肌的肌肉力;对于同一颈椎节段,B头盔的轴向压缩力最大,而C头盔导致的后伸力矩最大;在所有的计算工况中,上下颈椎的颈部损伤指数N均小于0.5,满足航空领域的安全要求;B头盔和C头盔的质量相近,而B头盔质心位置靠前,C头盔靠后,说明头盔质心的前后位置会对颈部的损伤产生重要影响。研究结果可为飞行员头盔的设计优化及其对颈部损伤的影响提供研究支撑。