生物医学工程领域研究生课程虚拟仿真教学实践——以《生物医学仪器分析》课程为例

生物医学工程是理、工、医多学科高度融合的交叉性学科,在进行虚拟仿真实验项目建设时必须考虑其学科特点。该文分析了生物医学工程领域研究生实验课程存在的问题,提出了在实验教学过程中实施虚拟仿真实验教学的必要性,并介绍了本校生物医学工程研究生培养中综合性虚拟仿真实验教学项目建设的实践经验。

人体下肢多体动力学仿真和步态稳定性实验研究

人体下肢是人进行步行运动的主要工具,下肢的肌肉骨骼系统是步行的执行机构,正常的下肢功能保证了人们的日常活动;下肢损伤会引起人们运动障碍,下肢运动障碍康复者虽然具有行走的能力,但是其稳定性和平衡性较差。本文着眼于人体下肢,总结并阐述了人体下肢多体动力学仿真以及步态稳定性的实验研究进展,展望了其发展趋势,旨在为临床康复治疗及康复设备的设计与开发提供帮助与数据支持。

基于碳纳米管和聚二甲基硅氧烷的光声换能器研究

为探究激光参数、光声转换层厚度对光声换能器输出声压的影响,本研究通过COMSOL仿真软件建立了光声换能器的物理模型。首先,基于聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)和碳纳米管(carbon nanotube, CNT)分别建立CNT、CNT-PDMS转换层模型;其次,改变激光脉冲持续时间和转换层厚度,对转换层输出声压进行测量;最后,对激光脉冲持续时间和转换层厚度所引起换能器输出声压强度的改变进行分析。结果表明,当CNT和CNT-PDMS转换层的厚度均为200μm、激光脉冲持续时间分别在10~30 ns和50 ns左右时,换能器能输出较高声压强度的超声波。仿真结果对光声换能器的研究有一定的指导意义。

可调式踝足矫形器结构设计和临床应用研究

足踝是人体下肢行走的主要器官,近年来由于自身疾病或者外部原因踝足功能异常的人数增加,给患者康复带来不少难题。足踝矫形器在康复训练的过程中,临床医师指导患者康复锻炼中有重要作用[1]。国内外矫形器设计的目的都类似,但是不同临床病症矫形器设计的结构和使用效果以及价格却不尽相同。近年来国内外矫形器的研究主要体现在:黄美玲等[2]结合临床病例统计发现穿戴踝足矫形器对患者恢复的心理有较大帮助。Ranz EC等[3]通过对单侧踝部肌无力患者的各种步态研究,设计了一种非定性的,包括踏板、下肢定位和柔性支柱,用于增强受损肌肉功能的动态可调踝足矫形器。Wang Y[4]回顾了足部模型开发的几何结构和材料特性等问题,研究出可作为解决生物力学和癌症平台的多尺度矫形器计算模型。Menger B等[5]通过对膝关节患者多项指标的测量和分析,统计评估了踝足矫形器对踝足关节炎患者治疗的效果。Brown等[6]研究发现穿戴动态踝足矫形器可以有效减少下肢的异常模式的出现,提高步行效率。

急性一氧化碳中毒迟发性脑病大鼠海马区长时程脑电信号研究

急性一氧化碳中毒迟发性脑病(DEACMP)常见海马区病变,但假愈期该区域的病变过程和机制尚不清楚。因此,监测海马区长时程局部场电位活动,以探究DEACMP假愈期该区域脑电信号动态变化情况。选择30只雄性SD大鼠腹腔注射制备急性一氧化碳中毒大鼠模型,以周为节点于造模后1~8周分批在大鼠右侧海马区植入电极,每周采集4~5只大鼠海马区局部场电位信号,6只正常大鼠海马区局部场电位信号作为造模前参考基准,用小波包分解提取出α/β/θ/δ波,计算信号的均方根值(RMS)和能量占比。结果表明,与造模前相比,造模后前期(1/2周)和后期(7/8周)α/β/θ/δ波幅均显著增加(P<0.05),造模后1~8周期间4种振荡成分均方根值均呈现先增加后降低再增加的变化趋势。其中,造模前δ波波幅为(228±103)μV,造模后1和2周分别增加到(4751±4079)μV和(1616±1708)μV,7和8周则增至(1221±567)μV和(3222±2052)μV。模型组1~8周的δ波能量占比比造模前均显著增加(P<0.05),其中造模前δ波能量占比为0.50±0.09,造模后1~8周分别为0.62±0.14、0.65±0.12、0.77±0.13、0.73±0.12、0.59±0.11、0.70±0.11、0.71±0.11和0.89±0.08;且中后期5~8周δ波(α波)随病程进展逐步增加(下降)(P<0.05),α波造模前能量占比为0.10±0.04,造模后5~8周分别降至0.08±0.02、0.06±0.03、0.05±0.02和0.01±0.01。大鼠海马区4种脑电振荡均方根值在一氧化碳中毒初期普遍增加,预示DEACMP发病风险;中毒后δ波能量占比全程显著增加,且δ波和α波能量占比在中毒的中后期呈单向变化趋势。研究提示,脑电振荡分析方法可为DEACMP定量预测和评估提供一种新方法。

人体下肢生物力学仿真和实验的研究现状与发展趋势

人体的站立、行走及弹跳等机能主要依靠下肢肌肉骨骼系统来维持,下肢肌肉骨骼系统出现病变或发生损伤会影响人体的协调功能,进而影响人体的稳定性和安全性。下肢骨骼系统中关节易受到冲击造成骨折、炎症和老化,导致功能衰退,整体运动能力下降。本综述以人体下肢为研究对象,总结并重点阐述下肢关节的生物力学仿真和实验研究进展,对其发展趋势进行展望,为相关疾病的预防、临床治疗和康复提供理论参考。

足底压力测试装置发展现状和研究进展

足底压力测试装置及测量技术已经应用于很多研究领域,特别是运动生物力学方面。相较于国外完整的工程体系和成熟的技术,国内对于足底压力测试的研究相对滞后,在发展过程中仍存在精确度较低,创新性不足等问题。本文基于足底压力测试装置的发展现状和研究进展作一综述,介绍了足底压力测试装置的发展现状,同时还分析了国内外对足底压力测试装置的发展现状和研究进展。为今后不同类型的足底压力测试装置完善提供帮助,使其使用者在了解自身足部健康状态、保持良好运动姿态、医学临床诊断等方面发挥最大作用。

不同重量负载下的人体足踝部有限元仿真研究

目的利用健康志愿者足踝部有限元模型,对不同重量负载下的足踝部生物力学进行数值模拟,得到应力和位移分布情况。方法基于健康志愿者的足部断层扫面图像,依次使用Mimics、Geomagic Studio、Solidworks软件建立人体足踝部三维模型,应用Ansys有限元软件对模型进行有限元分析,分别模拟不同体重时足踝部的应力和位移分布情况。结果模拟体重为60、100、200、300、500 kg时,足踝部最大应力分别达到25.515、42.586、85.079、127.57、212.65 MPa。

儿童马蹄内翻足矫形器生物力学特性研究现状和发展趋势

马蹄内翻足是常见的小儿足部畸形。矫形器在治疗儿童马蹄内翻足的过程中有着至关重要的作用。本文以儿童马蹄内翻足矫形器为研究对象,总结并且阐述儿童马蹄内翻足矫形器生物力学特性的研究现状,展望其发展趋势,为儿童马蹄内翻足的产生、防治、治疗和康复提供理论参考。

一种人体力学信号测试方法实验研究

为增强学生的学习研究能力,促进理论教学与研究训练相结合,本文在一种人体力学信号测试方法的教学科研实验方面展开研究。本装置和方法人体力学信号测试操作简单,采样率范围广泛(10~20,000 Hz),可得到较为精准的人体信号,可为人体相关疾病的预防、临床治疗和术后康复提供支持和帮助。该实验装置和测试包括3部分:测试单元、数据采集单元和数据处理单元。教学和科研实践中,学生在了解实验原理并熟悉相关软件操作后,可以利用不同的传感器检测不同身体部位运动的情况并通过数据处理单元对数据进行处理分析。本研究测试人体综合力学信号功能强、智能化程度高、携带便捷,为教学改革和创新创业实践作业提供了利用新型传感器研究人体力学特性的研究思路,有利于提高师生综合教学、科研创新能力。

足球运动脚踝内、外侧触球方式力学特性

[目的]研究足球脚踝内、外侧触球生物力学特性并降低相关伤病发生率.[方法]采用有限元法建立足部生物力学模型,模拟不同方式触球.[结果]在外部冲击力大小一致情况下,脚踝内侧和外侧触球的受力趋势类似,最大受力部位处于跟骨、骰骨和距骨连接处的下侧,较大受力部位处于内侧楔骨、中间楔骨和外侧楔骨下侧;不同受力情况下足部骨骼的位移也相差较大,其中两种触球方式在500 N外力下足部最大应力分别为34.45 MPa和34.85 MPa.最大位移发生在脚趾部位,分别为1.74 mm和1.36 mm.[结论]足球运动者要注意触球位置,并预估外力大小,以避免危险动作对身体带来伤害.

基于时频互信息法的小鼠脑电信号相关性分析

分析了小鼠睡眠状态下初级视觉皮层局部场电位信号和呼吸信号的周期特性,为进一步探讨局部场电位信号周期节律是否与呼吸信号的周期性存在相关性,在不进行弱脑电信号分离的情况下,采用小波变换分解信号的时频成分,并通过互信息法计算相关性得出小鼠大脑局部场电位信号delta波段与呼吸信号有显著关联的结论。时频互信息法为脑电波与特定生理信号的相关性分析提供了一种思路。

生物力学课程教学模式与考核方式改革探究

生物力学是一个多学科交叉、新兴渗透的课程,教授和学习需要与生理学、临床医学、生物学、力学、工程学等其他诸多课程的基础知识结合。笔者所在单位,生物力学课程自2019年起因专业课程改革和设置专业更新,经历了从生物医学工程专业的专业限选课变成了全校内的任意公共选修课,学生的对象从单一的工科专业变成了工学、理学、医学、管理学等不同专业的背景,给教师上课和学生学习带来了一定的难度。学校改革的初衷是让不同背景学生了解更多专业的相关知识,利于学生开阔视野,完善校内知识结构,培养学生具有一定科学创新精神和学习创新的能力,按照素质教育标准提高综合水平。但经历了线上线下几年的实际教学改革研究,教师团队发现不同专业学生在一起大课学习的困难增加较大。本文从学生学情、教学内容、教学模式、考核方式等几个方面展开论述,对本单位生物力学课程教学对象改革前后进行研究和探讨,旨在提高学生学习效果和积极性,构建创新型讲授模式。所得结果在工学和医学类似课程中有一定参考借鉴。

高跟鞋高度对健康女性足部生物力学特性的影响

目的利用健康女性足部有限元模型,对穿不同高度高跟鞋的足部生物力学特性进行数值模拟,得到应力和位移变化数据。方法对健康女性受试者的足部断层扫描图像进行三维逆向重建,建立足部皮肤和骨骼的综合有限元模型,分别模拟受试者穿1 cm、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm等不同高度高跟鞋时足部的应力和位移数据。结果鞋跟高度为0~2 cm时,足部所受位移和应力最小,最大位移为8.42 mm,最大应力为50.3 MPa;当鞋跟高度在4~8 cm时,足部最大变形为8.43~8.45 mm,最大应力51.7 MPa;当鞋跟高度达到10 cm时,足部最大位移增至8.47 mm,最大应力达到61.28 MPa。结论当鞋跟高度超过8 cm时,足部的最大应力和最大位移急剧增加,且最大变形出现在踝关节处。为了保证足部的安全和健康,建议女性选择0~8 cm的高跟鞋,研究结果可同时为临床上足部相关疾病的研究提供科学数据支撑。

基于生物力学生理特性的矫形鞋垫发展现状和趋势

矫形鞋垫可以通过改变足底压力分布来矫正患者足部形状。相比于国外完整的工程体系,我国的矫形鞋垫近年来虽取得了快速发展,但鉴于引入时间不长,在发展过程中,仍无法短时间内为用户提供定制的矫形鞋垫,无法满足适配运动状态下足底压力的变化等诸多问题。我们就矫形鞋垫的发展现状、生物力学特性及其康复功能作一综述,提出了将矫形鞋垫数字化,通过大数据技术为各类人群提供定制矫形鞋垫的发展趋势。

光声换能器的材料组成及应用进展

光声换能器是近年来迅速发展的一种新型器件,它可以将吸收的光能转换为声能并以超声波的形式发射出去。相比于传统压电型超声换能器,光声换能器具有灵敏度高、带宽大、制作工艺简单等优点,在工业无损检测和医学成像领域具有巨大的应用潜力。本文就近年光声换能器的材料组成、制作方法和应用进展进行了综述。

医学物理学混合式课程教学模式的构建与实践研究

医学物理学作为一门专业基础课,其内容缜密,逻辑性强,物理学与医学结合紧密,工程应用背景广阔。鉴于学生基础参差不齐、学习兴趣不足等问题,本文立足于新乡医学院医学类院校医学物理学课程教学现状,探讨医学院校工科课程改革的方法与举措。围绕“医学物理学课程学习”,笔者提出了基于翻转课堂的混合式课程教学模式,力求学生在专业知识的掌握、创新实践能力的提高等方面全面发展,同时,为“医工融通”的复合型人才的培养提供助力。经统计分析知,该模式适用于程度较好的学生,对于学习程度相对一般的学生,该模式促进作用也比较明显。