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三维有限元分析与隐裂牙生物力学研究
牙隐裂综合征是非常常见的首发于牙体硬组织的疾病,发展过程伴随很多力学问题。随着计算机科学的进步,有限元分析结合医学影像重建软件用于口腔生物力学研究技术越来越成熟,本文就三维有限元分析法在牙隐裂研究中的应用进行综述。
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克氏针、张力带在锁骨骨折治疗中的应用
近年来,随着生物力学研究的进展,骨科应用生物力学原理的范围越来越广泛.我国利用张带力克氏针在治疗髌骨骨折,尺骨鹰嘴骨折中应用较多.现介绍其在锁骨骨折治疗中的应用.
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股骨颈骨折的生物力学研究
以下就股骨颈骨折的生物力学研究加以综述。1 髋关节的生物力学1.1 髋关节的解剖学 股骨颈在载荷下外上方为拉应力,内下方为压应力。为适应这两种不同形式的载荷,骨小梁形成两种不同形式的排列,即内下方的压力骨小梁系统和外上方的张力骨小梁系统。两种骨小梁在交叉的中心区形成一个三角形脆弱区域,称为Ward三角。股骨干上端内后侧很多致密的骨小梁结合成相当致密的一块骨板,为股骨距(femoral calcar),此结构可加强干颈间的连接与支持。股骨颈上侧的皮质骨为薄壳,越近股骨颈下侧越厚;大粗隆下方股骨干外侧皮质薄,向下逐渐增厚。由于以上结构特点,股骨颈骨折内固定物的放置部位与其固定强度有密切关系。1.2 髋关节的静力学 正常直立时髋关节的受力通过股骨头的中心与身体垂线成16°角,股骨的轴线与身体垂线成9°~15°角,故髋关节的合力与股骨干纵轴成25°~30°角[1,2]。 双足站立时仅靠关节囊与韧带的稳定作用即可使髋关节稳定,每侧髋关节上负荷约为体重的1/3。如果围绕髋关节的肌肉收缩,此力将成比例地增加。单足站立时,关节作用力相应增加,在髋周产生了力矩,利用简化自由体法可以求出一般情况下单足站立时外展肌力约为体重2倍,关节反作用力约为体重的2.75倍。1.3 髋关节的动力学 行走时关节反作用力可达4~7倍体重;不同的步行速度时关节的反作用力不同,速度越大,关节的反作用力也越大。Bergmann等[3]指出以1000m/h的速度步行产生的关节反作用力至少比3000m/h步行产生的反作用力小10%。George等[4]利用置入髋关节内的假体并结合数学模型分析髋关节在手提重物运动时的力,发现二种方法总的结果是一致的,当一侧手提重物行走时同侧髋关节内的作用力基本不变,甚至稍有下降,而对侧关节内力比负重侧增加2/3。并发现在单侧承载运动时,如果上身挺直且提重物的上肢外展(如提着一个大的购物框等),这样同侧关节内的力可获得减轻。2 老年人股骨颈骨折伤因的生物力学发生特点 股骨颈骨折常见于老年人,其原因从生物力学角度考虑主要有以下几方面:①老年人骨质疏松,股骨颈逐渐发生退行性变,皮质骨薄而疏松,骨小梁稀疏,张力骨小梁及压力骨小梁减少尤其明显。②Ward三角区在老年人常仅有脂肪填充,使此区更加脆弱。③老年人髋周肌群退变,反应迟钝,不能有效地抵消髋部有害应力。④微观结构特点:柴本甫等[5]通过电镜观察发现股骨上段的骨小梁及其周围的软骨等结构形成了许多个特殊的拱形结构,使得股骨头颈部在吸收震荡并传递应力到股骨上坚硬的骨皮质中起着重要的作用。这种结构可以使之在不同的载荷下随压力方向不同产生不同的弹性变形,从而可以承受较大的应力和变形。在老年人,尤其老年妇女,由于骨质疏松导致骨小梁减少和小梁间距增宽,使股骨颈在头颈交界处的结构明显减弱,故而这种微观结构使老年病人易于发生骨折。
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椎间盘生物力学研究进展
自从1934年Mixter与Barr首次报导椎间盘突出症并成功地施行手术切除以来,该手术已日益普及,但仍有部分患者手术疗效(尤其是远期疗效)欠佳,术后生物力学性质的改变是重要原因之一.为此作者试就椎间盘生物力学研究进展作一综述,以期引起同道重视.
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脊柱后部结构的生物力学研究进展
随着腰椎间盘突出症,椎管狭窄,脊柱损伤等发病率的增加及腰椎手术的日益普及,切除椎板等后部结构显露并处理椎管内病变已成为经典手术入路.但随着手术病例的增多及随访时间的延长,发现部分病例远期疗效欠佳.手术对脊柱后部结构(椎弓根、椎板、关节突关节、韧带)的破坏及术后生物力学性质的改变是其重要原因.本文试就脊柱后部结构的生物力学研究进展作一综述.
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应力对骨折愈合的影响及作用机制
骨折愈合是一个极其复杂的生物学修复重建过程,受患者年龄、激素、骨折端血运、损伤程度和应力刺激等体内外诸多因素的影响,其中应力刺激是影响骨折愈合主要的因素之一.由于骨组织对应力刺激具有良好的适应性,生物力学研究已表明骨折端局部的力学环境在骨折愈合过程中起着调控作用[1-3].本文就应力对骨折愈合的影响及其作用机制作一综述.
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有限单元法在脊柱康复力学研究中的应用
脊柱康复的生物力学研究主要包括脊柱运动学、运动力学和脊柱稳定性.其中,脊柱运动学研究脊柱运动的规律及范围,其特征取决于其关节面的几何形状和关节间软组织的力学性能;脊柱运动力学包括静力学和动力学两部分,前者分析作用于平衡状态下的脊柱的载荷,后者分析运动过程中作用于脊柱的载荷,目前进行的研究主要限于静力学.脊柱稳定性指脊柱在载荷作用下维持自身结构正常形变的能力,它在一定程度上决定治疗方法的选择和患者的术后康复.
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突发负荷变化条件下躯干肌肉运动控制策略
腰痛(low back pain,LBP)的病因构成复杂,病理机制各异.理论上任何接受神经末梢支配的腰椎结构、椎间盘、肌肉、韧带和神经根等都有可能成为疼痛的起源部位.流行病学和生物力学研究指出,多数情况下腰痛的发生与腰椎受到突然的、不可预知的外部负荷改变的作用有关[1].失足滑倒、绊倒、坠落以及弯腰用力提拉重物等突发事件均被证实是导致急性腰痛的主要外界因素,这些因素既可直接造成下背损伤,又能增加腰痛复发的概率[2].因此,在受到这些突发性的外部负荷改变时,腰椎稳定肌及其中枢运动控制采用何种活动模式和控制策略来维持腰椎稳定已成为当前研究的热点.本文旨在脊柱稳定性理论基础上,探讨突发负荷改变条件下腰椎稳定肌的反应策略,为腰痛的预防和诊断研究提供科学依据.
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腰椎三维有限元生物力学分析的技术应用进展
有限元分析(finite element analysis,FEA)是一种理论生物力学的研究方法,即以数学力学模型来进行数值力学分析,还原工程系统的数学行为特征,应用数学形式模拟物体的数学特征,包括依据物理原形所得的节点、单元、材料属性、载荷、边界条件等,改变部分结构、参数和载荷,就能模拟任意处的位移和应力,获得全域性的信息.有限元分析作为生物力学研究方法之一,已经广泛用于脊椎各种组织的生物力学分析,目前已成为腰椎生物力学研究的热点.
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三维运动分析系统在平衡功能评定中的应用与展望
三维运动分析系统是一种新型评估手段,是目前国际上先进的生物力学研究和评估体系之一,由运动捕捉系统、应力测试系统和表面肌电系统三个部分组成,可以运用各种测试手段对人体不同状态中的各种参数进行适时采集和处理,实现对人体运动功能的定量分析和三维动作重建.它可以立体、动态、即时的监测和采集运动中多关节活动角度变化、活动周期曲线和参数变化、三维应力变化,同时动态监测运动中多组肌群的体表肌电变化.利用该系统可将人体运动信息储存、再现和进行数据分析.该系统一直以来主要用于下肢步态分析,美国亚利桑那州立大学的生物力学研究中心、台湾中央大学的生物力学实验室、国内体育、医疗系统在这方面做了大量的研究,通过国际上通用的步态分析模型(Helen Hay模型)分析,获得的相关步态指标(步频、步速、步长、下肢支撑、摆动相时间、下肢三维应力等),为康复和临床医疗提供有价值的信息.近年来,国外有学者将该分析系统用于对运动员进行身体节段法精细平衡功能评测引起了研究者的关注.根据以往的经验,人体平衡功能的测定主要是借助目测法、量表法完成.专用平衡功能监测仪器的诞生,使平衡功能评定可以量化,更加客观地反映人体平衡功能状态,但受仪器平面单一压力传感器的影响,难以立体、全面、分节段、实时地反映人体在功能活动中的平衡功能状态.
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内侧髌股韧带重建治疗髌骨复发性脱位的研究进展
内侧髌股复合体包括内侧髌股韧带( medial patellofemoral ligament,MPFL)、内侧髌胫韧带和股内侧肌,它是髌股关节的主要被动稳定结构。目前已经发现髌骨脱位后主要是髌股复合体发生了病理解剖学变化,尽管髌骨不稳定治疗的研究已有20多年,但复发性髌骨脱位的外科治疗技术仍复杂多样。近来,生物力学研究表明MPFL在防止髌骨外侧脱位过程中起主要的约束作用,修复或重建MPFL对维持正常的髌骨轨迹具有重要意义,因此MPFL的修复或重建已经成为外科医师首要的选择。在临床上,骨科医师采用了多种外科重建技术,且得到了满意的临床效果[1-15],但在移植物选择、髌骨固定、股骨固定、移植物紧张度和术中固定时膝关节屈曲角度等方面持有不同意见。
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经皮固定骨盆环的研究进展
骨盆骨折多为高能量创伤所致,不稳定的骨盆环损伤常合并严重的出血、休克、腹腔盆腔重要脏器损伤,具有病死率高,后期并发症多的特点,早期精确复位和即刻固定稳定骨盆,能够减少相关的并发症,改善预后[1,2].但由于对骨盆骨折所致出血、复杂的合并症及手术创伤等方面的顾虑,限制了急诊开放复位固定手术的应用.随着术中影像学设备的不断发展,骨盆生物力学研究的进一步深入,使经皮固定骨盆环成为早期稳定骨盆的一种理想的微创手术,本文就经皮固定骨盆环的研究进展作一综述.
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几种常见腰椎融合术的比较
1911年Albee与Hibbs采用脊柱融合术分别有效地治疗了脊柱结核与脊柱侧凸.1959年Boucher等采用椎弓根钉进行腰椎关节固定.20世纪80年代以后,通过对脊柱正常解剖结构和脊柱内固定器械的生物力学研究,脊柱融合术的手术效果得到进一步提高,致使脊柱融合术在全世界范围内广泛开展.早期脊柱融合术以单纯植骨达到脊柱融合的目的,在此基础上结合内固定的应用进一步提高了融合率,特别是椎间融合器的出现,又大大提高了融合率.其主要优点是:①可以使运动节段的稳定性得到明显的提高;②可以在愈合期维持畸形矫正后的形态.由于较高的腰椎疾病发病率,使得腰椎融合术开展较广泛,老年患者是行腰椎融合术的主要人群,而牢固的腰椎融合是老年腰椎重度滑脱治疗的关键[1].随着世界老龄化社会的来临、人类寿命的明显提高、手术方式的改善及生物材料的研发等因素促使这种手术在老年人群中的开展迅速增加,鉴于腰椎融合术具有广阔的应用前景,笔者认为有必要对几种常见腰椎融合术作如下综述.
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生物力学研究在股骨头缺血性坏死显微外科治疗中的应用
股骨头缺血性坏死(INFH)过程中生物力学因素的影响已越来越引起人们的重视.1985年Ueo等[1]发现股骨头缺血性坏死区与其血流分布并不相符,即血供好的区域也可能出现坏死,所以他们推测生物力学因素可能在股骨头缺血性坏死病程中起着至关重要的作用.放射学诊断明确的INFH患者并非都发生塌陷,有些病人的囊变区会逐渐消失,而有些病人的囊变则可导致股骨头塌陷,前者囊变一般位于软骨下骨较远的区域或者范围较小,后者则多位于软骨下区或范围较大,这又从另一个侧面揭示了生物力学因素对于INFH的影响.
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阻挡钉结合髓内钉治疗长管状骨骨折
单纯髓内钉技术治疗长管状骨干骺端骨折存在复位不佳、术后骨不连及内固定失效等问题[1].阻挡钉(Poller screws)技术是在髓内钉主钉的一侧或两侧放置螺钉来限制髓内钉在宽大髓腔内的移动,以提高"骨骼-内固定结构"的机械稳定性.本文就阻挡钉的原理、生物力学研究及临床应用做一综述.
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脊柱内固定器械的生物力学
随着材料学和生物力学发展,传统的脊柱内固定方法不断改进,新型内固定器械不断涌现.而新的内固定器械在临床应用前应该在实验室进行生物力学综合评价,从而选出合适的内固定器械[1].因此,对脊柱内固定器械的生物力学研究已成为目前脊柱外科生物力学研究的重要课题.为了更好地评价某种内固定器械,必须对每种实验方法有全面的认识.本文结合有关文献,对脊柱内固定器械的生物力学研究的方法及有关问题进行阐述.
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骶骨骨折的生物力学研究进展
骶骨骨折发病率不高,但在临床诊治中很容易漏诊.骨盆环后部的骨-韧带复合结构是躯干与下肢负荷传递的枢纽,其功能占整个骨盆功能的60%[1].作为骨盆环的重要组成部分,骶骨骨折可能对骨盆的稳定性产生损害,其治疗效果对骨盆功能的恢复有重要意义,其治疗包括复位、恢复骨盆的稳定性及解除或避免神经压迫.骶骨骨折的正确治疗需要了解骶骨的解剖、生物力学及创伤机制,根据骨折类型选择合适的固定.对于不稳定的骶骨骨折的治疗方法很多,出现了多种固定方法,究竟选用何种方法治疗争论较多.但无论如何,术前内固定物的选择、术中固定的实施及术后康复都需要根据生物力学情况进行确定方案,故有必要对骶骨骨折的生物力学研究进行了解.
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治疗跟骨骨折的闭合撬拨复位方法
跟骨是足部大的一块跗骨,由跟骨后关节面与距骨距下关节面构成跟距关节,承担着约45%的人体体重,跟骨骨折中85%~90%以上均为关节内骨折,故跟骨骨折是临床一种常见的关节内骨折,由于其为不规则骨,单纯手法临床治疗效果难尽人意[1]。近年来,随着对跟骨关节内骨折生物力学研究的不断深入及医疗技术的不断进步,跟骨骨折的疗效有了长足的进步[2],现将我院自2009年以来运用闭合撬拨复位治疗跟骨骨折的情况作一回顾分析,报告如下。
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尺骨鹰嘴骨折的张力带治疗(附25例报告)
近年来,随着生物力学研究的发展,骨科应用生物力学原理进行治疗的方法也越来越多,其中以张力带原垃固定骨折应用多,我院于1995年~2005年间,对25例尺骨鹰嘴骨折患孝施行了张力带钢丝内固定术,现报告如下.
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骨盆后环内固定的生物力学研究进展
随着高能量创伤的逐年增多,骨盆损伤的发生率亦逐年增高,约占全部骨创伤的3%[1]。尽管医疗技术水平不断提高,但骨盆损伤的死亡率、致残率仍居高不下。骨盆前环结构和后环结构对骨盆的稳定性作用分别占40%和60%。骶骨、骶髂关节同属骨盆后环,是承担人体躯干载荷和传导、分散进行力的重要结构,骨盆环相关固定的生物力学研究对骨盆损伤的诊治具有重要的临床指导意义。外固定架对骨盆环进行初始固定有助于控制骨盆容积和减少出血,但却无法对后环损伤进行良好的治疗。多项研究证实,接受内固定治疗的不稳定性骨盆损伤患者的复位更佳,疼痛更少,复位丢失更少,畸形愈合率更低[2],效果优于外固定治疗和保守治疗。因此,学者们针对骨盆后环内固定进行了大量相关研究。