医用生物力学杂志
Journal of Medical Biomechanics
- 主管单位： 中华人民共和国教育部
- 主办单位： 上海交通大学
- 影响因子： 0.85
- 审稿时间： 1-3个月
- 国际刊号： 1004-7220
- 国内刊号： 31-1624/R
- 论文标题 期刊级别 审稿状态
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基于PIV技术研究眼内房水流动特性的实验设计
目的 借助粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对密闭离体动物眼球后房注水引发的眼内慢流动过程进行流动显示,计算不同时刻的流场,探讨测量眼内低速流动流场的PIV实验方案,为生理状态下眼内房水低速流动的流场测量提供实验基础.方法 在离体眼球相对密闭的条件下,当微量注射泵按照0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5 mL/min的速率驱动液体人眼球时,即可满足眼内液体形成缓慢流动的需求.向离体兔眼后房内均匀注入一定浓度、粒径为10μm的荧光粒子溶液,在眼球前房的正中额状面给予激光片光照射,以获得眼球前房正中额状面清晰的粒子图像.PIV系统记录并计算眼内液体的流动情况.结果 向密闭的离体兔眼后房内均匀注入液体时,观察到液体先充满后房及瞳孔所在区域、之后绕过瞳孔缘进入到眼前房的流动规律,该规律与房水在生理条件下的理论流动过程一致.分析粒子图像,得到密闭眼球内几毫米每秒数量级的速度矢量.结论 眼内低速流动液体的流场可以用PIV方法进行测量,从而使生理状态下眼内房水慢流场的实验测量成为可能,有助于实验研究生理或病理条件下眼内房水的复杂流动；为房水流场的数值模拟计算提供实验验证,也可为眼内病变时角膜内皮细胞、虹膜表面、晶体的剪切力损伤提供新的诊疗思路.
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下肢运动信息采集与运动仿真
目的 建立人体下肢3D模型与生物力学模型进行运动学和动力学分析,搭建下肢控制平台为主动式下肢假肢和人体下肢助行器的控制研究提供理论依据.方法 利用VICON人体三维运动捕捉系统采集平地行走人体下肢髋、膝、踝运动信息,以及利用Solidworks建立人体下肢3D模型,进行下肢运动学分析.基于Matlab中Simulink的机械仿真模块(SimMechanics)建立人体下肢模型,进行动力学分析,产生运动信号.基于Quanser半实物仿真平台搭建控制模型,接收SimMechanics产生的运动控制信号,实现对双下肢运动平台的控制.结果 利用运动学分析得到各个关节的速度和加速度信号,利用动力学仿真得到各个关节的力矩信号,对建立的人体双下肢模型进行模拟仿真,通过仿真验证模型的合理性,利用输出的信号对双下肢运动平台进行控制实现平地行走功能.结论 建立的平台可以进行人体下肢运动学、动力学和控制方法的研究,为主动式假肢和人体下肢助行器的控制提供借鉴作用.
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百草枯对人胚肺成纤维细胞增殖及黏弹性影响
目的 研究百草枯对人胚肺成纤维细胞(MRC-5)增殖及黏弹性影响,探讨百草枯中毒初期对肺细胞损伤及后续肺纤维化的发病机制.方法 用含不同浓度百草枯(0、100、200 mg/L)的MEM培养基处理生长状态良好的MRC-5细胞12 h,换正常MEM培养基继续培养24 h后收集细胞,一部分细胞通过流式细胞仪检测细胞周期确定细胞的增殖情况,另一部分通过微管吸吮技术检测细胞的黏弹性.结果 经过不同浓度百草枯处理后,细胞的增殖指数较对照组明显降低(P＜0.05),且百草枯浓度越大,细胞的增殖指数越低.经过百草枯处理后MRC-5细胞的黏弹性各项参数均明显小于正常组MRC-5细胞(P＜0.05)；其中100或200 mg/L百草枯处理组,MRC-5细胞的黏弹性要小于50 mg/L百草枯处理组(P＜0.05)；而100与200 mg/L百草枯处理组之间,MRC-5细胞的黏弹性无明显差异(P＞0.05).结论 百草枯中毒初期人胚肺成纤维细胞受到损伤,增殖指数下降,细胞黏弹性降低,中毒后的代偿性修复是导致肺纤维化的重要原因,为临床治疗提供新的思路.
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气溶胶颗粒在人体上呼吸道模型内沉积的实验研究
目的 研究气溶胶颗粒在人体上呼吸道模型内的沉积规律,探索有毒气溶胶在人体上呼吸道的致病机理.方法 采用ABS材料制作人体上呼吸道实验模型,搭建人体上呼吸道内气溶胶颗粒沉积的实验台,开展不同呼吸流量(30、60 L/min)条件下不同粒径(0.3、6.5 μm)的气溶胶颗粒在人体上呼吸道模型中的沉积实验.结果 不同呼吸流量下不同粒径气溶胶颗粒在人体上呼吸道模型内沉积模式趋势一致,在咽部、喉部和气管部位沉积较多,且喉部沉积多.结论 呼吸流量对模型内气溶胶颗粒沉积率影响较大,大粒径气溶胶更易沉积到模型中,惯性碰撞和湍流强度是气溶胶颗粒沉积的主要机制.
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大鼠OSAHS模型的建立及其上气道流场特性的数值模拟分析
目的 研究大鼠上气道狭窄动物模型的构建方法及上气道狭窄后气流运动特性.方法 将3月龄大鼠32只随机分为对照组和模型组,模型组每只大鼠在麻醉状态下给予0.1 mL透明质酸钠溶液软腭悬雍垂黏膜下注射处理.对照组和模型组在同等环境中饲养3月后,对两组动物分别进行CT扫描及呼吸检测.运用计算流体力学方法对比分析对照鼠和模型鼠上气道流场特性.结果 (1)模型组较对照组鼻咽部气道小截面积明显减少,气道明显狭窄(P＜0.05)；(2)模型鼠呼吸急促、呼吸周期不稳定、咽腔呼吸波动较强；(3)在呼吸过程中,对照鼠鼻咽气道壁面大剪应力分布较分散；而模型鼠鼻咽气道壁面大剪应力分布较集中.结论 软腭黏膜下注射透明质酸钠诱发了上气道狭窄,气道狭窄的动物模型与阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(OSAHS)病理学特征类似.上气道狭窄将导致呼吸困难,呼吸周期延长,且剪应力对咽部组织(特别是软腭及悬雍垂)的损伤作用更强,这加剧了咽部组织的力学重建.
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压力和尾吊对大鼠骨骼肌生长的影响
目的 建立尾吊和压力大鼠实验模型,比较压力与尾吊对大鼠骨骼肌生长的不同影响.方法 36只雄性SD大鼠随机分为3组:正常对照组、尾吊组和压力组,每组分两个阶段(7、14 d)进行观察.实验结束后测量比目鱼肌与趾长伸肌的湿重体重比、肌纤维横截面积和直径,以及血清中IGF-1浓度.结果 压力作用7d与尾吊7d后,比目鱼肌湿重体重比、肌纤维横截面积、肌纤维直径都较对照组显著减少(P＜0.05)；压力组分别减少23.52％、14.26％、13.47％ (P ＜0.05),尾吊组分别减少23.52％、33.07％、25.09％ (P ＜0.05).压力作用14 d后,各指标分别减少20.51％、-10.49％、-5.73％,都低于7d压力组的减少量(P＜0.05)；而尾吊14 d后,比目鱼肌湿重体重比减少了46.15％,显著高于7d尾吊组的减少量.血清IGF-1浓度和趾长伸肌的改变在压力、尾吊组间没有显著性差异.结论 压力对比目鱼肌生长影响的过程不同于尾吊.压力作用初期是以炎症反应为主的组织损伤过程,待肌细胞适应压力环境后,可能产生一定的功能适应性生长.因此,在临床上无论假肢接受腔设计还是康复训练,考虑接受腔压力对内部肌肉损伤的影响,将有助于对残端肌肉组织的保护.
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组织工程软骨修复软骨缺损区域后的力学特性分析
目的 利用组织工程技术建立体外软骨缺损实验模型,研究修复区人工软骨和宿主软骨的力学特性.方法 采用一种琼脂糖凝胶作为人工软骨,制作猪软骨深层缺损,在缺损处仿临床植入人工软骨,用生物胶黏接,建立组织工程修复膝关节软骨缺损的体外模型；在压缩载荷作用下,通过数字图像相关技术研究组织工程软骨植入缺损后修复区即刻力学行为.结果 压缩过程中界面处没有出现开裂现象,压缩分别为软骨层厚度的3.5％、5.6％、7.04％和9.0％时获得了修复区中间层应变分布图和应变变化曲线.压缩量从3.5％增加到9％时,在垂直软骨面方向上宿主软骨大压应变增加75.9％,人工软骨大拉应变增加226.99％；在平行软骨表面方向,交界面处大拉应变增加116.9％,增加量远高于宿主软骨区和人工软骨区；对于修复区剪应变,随着压缩量增加交界处剪应变方向发生相反的改变.结论 软骨组织工程修复缺损效果有很大的不确定性,这与修复区的力学环境有关.组织工程软骨植入缺损后,修复区受到复杂应变状态,随着压缩量增加,界面处、宿主软骨、人工软骨都发生较大的应变变化,界面处垂直软骨面方向的应变由压应变可转化为拉应变,平行软骨表面方向的拉应变有显著增加,交界处剪应变方向甚至发生了相反的改变,而且剪应力数值迅速增加.这种复杂应变状态造成修复区细胞力学环境的较大变化,还可能引起界面的开裂,影响缺损修复过程,这些力学环境变化应受到临床治疗的重视.
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不同连接筋结构的支架治疗椎动脉狭窄的血流动力学数值模拟
目的 研究具有不同连接筋结构的支架治疗椎动脉狭窄后的血流动力学效果,以期为支架的设计以及介入治疗提供更加科学的指导.方法 采用Pro/Engineer建立带有狭窄的椎动脉模型和3种不同连接筋的支架模型(根据连接筋形状分别称为L-支架、V-支架和S-支架)；在模拟这些支架在狭窄椎动脉中扩张后的结果的基础上分别建立3种支架治疗椎动脉狭窄后的流场有限元模型.利用有限元分析软件ANSYS-CFX对3个模型进行血流动力学数值模拟.结果 与V型和S型连接筋相比,L型连接筋造成了较小的低壁面切应力分布面积及较少的血流停滞区.结论 L型连接筋具有较好的血流动力学效果,潜在地降低了支架内再狭窄发生的可能性,从而为支架选择、支架设计和手术规划等提供科学依据.
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不同植入扭矩对种植体骨界面生物力学特性的影响
目的 探讨不同植入扭矩对种植体骨界面生物力学特性的影响.方法 采用薄层CT扫描和自主开发的USIS软件建立包含种植体的即刻负载下颌骨三维有限元模型.采用ANSYS软件分析种植体在0、15、25 N·cm 3种植入扭矩下,垂直和颊舌向45.加载150 N力时种植体骨界面von Mises应力、应变值.结果 垂直载荷时,3种植入扭矩下的种植体骨界面von Mises应力大值分别为33.6、56.4和69.6 MPa,应变大值分别为5 157、8645、15 630 με.颊舌向载荷时,3种植入扭矩下的种植体骨界面von Mises应力大值分别为95.3、100.6和108.3 MPa,应变大值分别为17 110、18 690、21 380με.结论 种植体植入扭矩的增大会增加种植体骨界面的应力应变值,颊舌向载荷时比垂直载荷时增加明显缓慢.
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辅助起立机器人轨迹追踪仿真及试验研究
目的 为实现辅助起立机器人对不同期望轨迹规划和追踪,辅助患者完成起立训练,提出轨迹追踪与梯形速率相结合方法.方法 分析辅助患者起立受力情况,推导患者在机器人辅助起立时力与力矩平衡方程,并根据期望轨迹插值点、末端执行器运动速率以及当前位置点,推导辅助起立机器人轨迹追踪算法,利用Simulink/Stateflow软件建立仿真平台.搭建Xpc目标机、主机、起立机器人和三维运动分析系统试验台,对直线和任意曲线以及患者起立轨迹和速率进行测试.找出影响追踪轨迹速率和精度的参数以及梯形速率与患者起立速率差异.结果 实现了辅助起立机器人对不同轨迹精确位置追踪,起立运动轨迹和梯形速率均满足患者起立速率要求,可实现患者对不同运动轨迹和速率要求.结论 轨迹追踪算法结合梯形速率可实现辅助起立机器人对直线、规则或不规则曲线较高精度追踪,辅助患者实时在线起立训练,考虑患者起立轨迹、速度和加速度差异而搭建的模拟和试验平台可更为有效地辅助起立.
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牙周膜厚度对舌侧矫治中下颌第1磨牙近中移动的影响
目的 研究舌侧矫治中下颌第1磨牙近中移动过程,牙周膜厚度因素对牙齿及牙周组织应力和位移的影响.方法 基于逆向工程技术的方法,分别建立牙周膜厚度为0.15、0.2、0.25、0.3、0.35 mm的等牙槽骨高度的牙齿-牙周膜-牙槽骨三维模型,在舌侧矫治中倾斜、旋转及整体移动载荷作用下,分析牙周膜、牙根及牙槽骨表面的应力和位移状况.结果 由牙周膜厚度差异引起的牙周膜、牙根以及牙槽骨表面大应力极大值与极小值之比分别为1.46、2.06、6.72,牙根、牙槽骨表面的大位移极大值与极小值之比分别为1.65、1.50;对应不同的牙周膜厚度值,牙根及牙周组织大应力部位在牙根、根分叉以及牙颈间变动.结论 临床治疗中,应注意观察牙颈、根分叉以及牙根部位的变化,针对牙周膜厚度较小的患者,整体移动更有利于牙齿及牙周组织的健康.
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利用物质点法研究不同头部模型对头部碰撞动态响应的影响
目的 探讨头部肌肉及边界条件对头部碰撞动态响应的影响.方法 通过人体扫描CT图片构建3种人体头部三维物质点碰撞模型,第1种为简化的自由头部模型(SHFr),包括头骨、膜层、脑组织,头部自由；第2种为带肌肉的自由头部模型(MHFr),包括头部肌肉、头骨、膜层、脑组织,头部自由；第3种为带肌肉的肩部固定的模型(MHSFi),包括头部肌肉、头骨、膜层、脑组织、肩部肌肉、肩颈部骨骼,肩部下缘固定.一铅质圆柱体锤以6.4 m/s初始速度垂直撞击前额部位,通过物质点法模拟计算3种模型的动态响应.结果 在本数值模拟条件下,SHFr、MHFr、MHSFi 3种模型的头部加速度峰值分别为6.018×103、4.69 x 103,4.76×103 m/s2.结论 头部肌肉的存在会分散头部的受力分布,扩大头部受力面积,减小受伤程度；在短时间冲击过程中,头部自由与肩部固定对头部动态响应的影响不大.
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动力髋部螺钉与股骨近端髓内钉固定不稳定股骨转子间骨折的生物力学比较
目的 比较动力髋部螺钉(dynamic hip screw,DHS)与股骨近端髓内钉(proximal femoral nail,PFN)固定不稳定型股骨转子间骨折的生物力学稳定性.方法 8对新鲜冰冻人体股骨标本行标准4部分截骨术,每对分别以DHS及PFN固定后分为DHS组及PFN组,行生物力学测试.在持续加载负荷(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2和1.4 kN)后测量骨折端分离移位程度以反映内植物的稳定性.每个标本重复加载5次,计算其平均值后绘制载荷-距离曲线,并计算刚度值.设定初载荷为1.4 kN,加载速度10 N/s,每次加载600 N,当压力逐渐增加至高值时停止,维持10 s后压力逐渐减小至0N.记录内固定失败时加载的大压力值作为内植物大强度.结果 所有标本均顺利完成测试,内固定物均无断裂.在不同负荷下DHS组位移变化值与刚度值平均值分别为(3.92±2.21) mm和(215.28 ±58) N/mm;PFN组分别为(4.22±1.80) mm和(197.06±34.20) N/mm,两组比较均无统计学差异性(P＞0.05).PFN组为钉尾端发生新的骨折；DHS组均为钢板远端皮质螺钉处发生骨折,并无螺钉切出股骨头.PFN组内固定失败时平均载荷为(4 312±560)N,DHS组(3 954±520)N,两组比较无统计学差异(P＞0.05).结论 PFN与DHS治疗不稳定型股骨转子间骨折在强度及轴向稳定性上并无本质性差别.临床上需根据具体骨折情况选用合适的内固定材料,治疗中应尽量做到解剖复位,对于难以解剖复位者要力争恢复内后侧骨皮质的连续性.
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基于代理模型技术的支架—球囊系统优化设计
目的 将改进的Kriging优化算法引入支架-球囊系统的优化设计,从而给其配以适当长度的球囊,使支架能够沿轴向扩张均匀.方法 基于有限元计算结果,采用与拉丁超立方(latin hypercube sampling,LHS)抽样方法、期望提高(expected improvement,EI)函数相结合的Kriging优化算法,以减小支架扩张时的狗骨头效应为目的,对球囊长度进行优化设计.结果 Kriging代理模型能近似建立支架狗骨头率与球囊长度间的函数关系,来替代高成本的计算.LHS抽样方法可以确保产生的样本点代表向量空间的所有部分.EI函数能有效地用于平衡搜索,从而找到优解.优化长度的球囊可以使支架均匀扩张.结论 该优化算法能有效地应用于支架-球囊系统的优化设计.
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流体静压力及雌激素共同作用对骨髓间充质干细胞成骨及成软骨分化的影响
目的 观察流体静压力联合雌激素对大鼠骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)增殖、细胞骨架及成骨、成软骨向分化的影响,检测这两种刺激共同作用是否具有生物叠加效应.方法 采用全骨髓贴壁分离法分离培养BMSCs,流式细胞仪进行BMSCs表面标志物分子鉴定.细胞分为对照组(C组)、1 nmol/L17β-雌二醇作用组(E组)、1 nmol/L雌激素受体拮抗剂TAM作用组(T组)、90 kPa压力加载1h组(P组)、17β-雌二醇预处理12 h后再加压1h组(P+E组)以及TAM预处理12 h后再加压1h组(P+T组).流式细胞仪检测各组细胞的细胞周期变化；FITC-鬼笔环肽染色后激光共聚焦显微镜下观察F-actin细胞骨架表达与重组情况；各组细胞经成骨诱导7d和14 d后茜素红染色观察钙结节形成量、Real-time PCR检测成骨细胞标志基因Col I、ON、OPN及BSP的mRNA表达；成软骨诱导14 d和28 d后甲苯胺蓝染色检测蛋白多糖表达、Real-time PCR检测成软骨细胞标志基因Sox9、Aggrecan及ColⅡ的mRNA表达.采用SPSS 16.0对数据进行单因素方差分析,后续Dunnett t检验进行各时间点上实验组与空白对照组数据之间及各实验组之间的组间比较.结果 流体静压力(90 kPa,1h)及1 nmol/L 17β-雌二醇作用下细胞增殖能力以及细胞骨架的活性均增强,但并不具有生物整合效应.成骨诱导14 d后,钙结节形成.Real-time PCR结果显示,17β-雌二醇作用组中成骨标志基因Col I、ON、OPN及BSP的表达水平显著增加.两种刺激在成骨诱导分化7d时均可提高标志基因的表达,具有生物协同效应,但成骨诱导14 d时两者则表现出相互拮抗的作用.成软骨诱导28 d后,甲苯胺蓝染色阳性.成软骨诱导过程中,单纯压力刺激组成软骨标志基因Sox9、Aggrecan及ColⅡ的表达显著升高,雌激素预调则削弱压力对间充质干细胞的促成软骨分化作用.结论 流体静压力及雌激素仅在骨髓间充质干细胞成骨分化早期表现生物整合效应,而在增殖、细胞骨架活性方面则无此效应.在成骨分化晚期及成软骨分化中两种刺激因素表现出拮抗作用,雌激素可促成骨分化,而压力则表现为促成软骨分化的作用.
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螺旋弯曲管中血液两相流动分析
目的 经典的单相牛顿血液流动模型忽略了红细胞与血浆之间的相互作用以及血液剪切变稀性质.为解决这些问题,采用多相的非牛顿模型研究冠状动脉模型的血流动力学参数.方法 把血液考虑为血浆和红细胞的混合体,并用螺旋弯曲血管模型模拟冠状动脉,分析冠状动脉内红细胞的运动以及红细胞体积分数的分布情况,并与单相非牛顿血液模型的模拟结果进行对比.结果 单相和多相血液模型模拟下的截面壁面剪切力平均值差别不明显,但是在两相流模拟中,螺旋弯曲管下底壁面处存在明显的红细胞聚集现象,同时还分布着较低的壁面剪切力.结论 引用多相流数值模拟得到了螺旋弯曲管中的血流动力学参数,同时发现红细胞在螺旋弯曲管下底面处聚集的现象,这很容易诱发血栓形成,与临床上所观察到的粥样硬化斑块经常出现在冠状动脉弯曲内侧是相符合的,可进一步说明动脉粥样硬化病变的发生机制.
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基于车人碰撞事故重建的行人头部动力学响应
目的 研究行人交通事故中,不同碰撞速度、不同车型及行人不同受撞击部位与行人头部损伤严重度的关系.方法 通过MADYMO多刚体动力学软件对一起有视频的行人交通事故进行事故重建,获得初始和边界条件,然后通过获得的边界和初始条件进行不同车速(20、30、40、50、60 km/h)、不同车型(轿车、SUV型车、面包车)、行人不同受撞击部位(正面、侧面、背面)的模拟碰撞实验,对模拟碰撞实验中行人头部损伤情况进行分析,并利用两例真实行人交通事故对部分结果进行验证.结果 不仅车辆碰撞速度、车辆前置结构影响行人头部损伤严重度,行人受撞击部位也是影响行人头部损伤严重度的重要原因.在碰撞速度≤30 km/h时,行人与地面接触造成的损伤可能比与车辆造成的损伤严重；碰撞速度≥40 km/h时,行人头部损伤主要是与车辆接触所致.结论 利用监控录像能比较准确地开展行人交通事故重建,从而对行人动力学响应进行分析.在行人交通事故频发路段,对不同车型进行不同限速,能有效减小行人头部损伤的严重程度.
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高屈曲状态下膝关节静力稳定结构的生物力学研究进展
膝关节高屈曲状态在亚洲国家和中东地区的日常生活及特殊职业中极为常见.膝关节静力稳定结构包括前、后交叉韧带,内、外侧副韧带及关节囊,其主要功能是维持关节稳定性,其生物力学和运动学特点对全膝置换术中软组织松解、膝关节韧带重建及损伤后的康复具有重要意义.本文对近年来膝关节生物力学的研究方法及静力稳定结构在膝关节由伸直到高屈曲运动过程中的生物力学特点进行了阐述；对今后全膝置换术中软组织平衡、膝关节韧带修复与重建及伤后与术后康复方面的研究方向进行了展望和预测.
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细颗粒物(PM2.5)对气道的病理作用及其与哮喘病理机制的关系
哮喘是危害人类健康的重要呼吸疾病,但其复杂的病理机制仍然没有完全认识清楚.近年来,环境因素在哮喘病理机制中的作用日益受到关注.其中,细颗粒物(PM2.5)的作用,特别是其对气道组织细胞结构与功能的病理作用成为研究的热点和前沿,并获得许多重要的发现.本文围绕哮喘的主要病理特征,即气道炎症和气道高反应性,综述介绍有关PM2.5对气道病理作用与机制的新研究进展和重要发现,包括PM2.5在气道的运输与沉积规律、PM2.5与气道炎症和损伤、PM2.5与气道重塑、PM2.5与气道高反应性、PM2.5对气道平滑肌细胞力学的间接和直接影响等.分析PM2.5对哮喘病理过程中气道生物力学的作用机理对研究PM2.5对呼吸系统的影响有重要参考价值.
| 年 | 期数 |
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| 2011 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2010 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2009 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2008 | 01 02 03 04 05 06 |
| 2007 | 01 02 03 04 |
| 2006 | 01 02 03 04 |
| 2005 | 01 02 03 04 |
| 2004 | 01 02 03 04 |
| 2003 | 01 02 03 04 z1 |
| 2002 | 01 02 03 04 |
| 2001 | 01 02 03 04 |
| 2000 | 01 02 03 04 |
