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人体日常活动机械功及能量效率的初步研究
目的 计算三种常见身体活动的机械功和功率,并与代谢测试舱测量的能量消耗值对比,以期得到一种计算人体机械功的新方法并进行日常活动机械功及能量使用效率的初步研究.方法 利用基于多传感器的运动参数采集系统对一名健康受试者进行多个肢体的角速度测量.选取坐到站,坐姿时前后移动躯干,坐姿时一腿放另一腿上,三种简单的身体活动方式,利用拉格朗日方程对各个单项动作进行生物力学建模并利用测量的参数进行机械功的计算.同时利用间接能量代谢实验舱和便携式测试仪进行身体活动机械功和能量代谢的关联研究,确定这三种身体活动的能量使用效率.结果 利用“关节功率法”计算的机械功率与能量代谢实验舱测得的能量代谢率高度相关(相关指数为0.975).其中,坐到站、坐姿时前后移动躯干和抬腿三种活动的平均机械效率分别为27.1％、19.0％和18.3％.结论 采用运动生物力学建模的方法分析日常身体活动,是一种有潜力的方法.通过机械功和功率的计算,可以量化不同日常身体活动的强度,为进一步研究日常活动能量代谢与健康的关系提供测量手段.
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生物力学可视化作为使用儿童约束系统的干预新工具的假设
已有研究表明使用儿童约束系统(Children restraint system,CRS)可以大幅度提高儿童乘车安全,但CRS的使用率在我国仍然很低,导致儿童乘车安全问题严峻.相关干预研究表明,采取教育干预或教育行为干预的措施可提高CRS使用率,但干预效果并不显著,需要更有效的干预方法来进一步提高公众意识,继而提高CRS使用率.本文提出一个新的假设,将生物力学模拟的结果以可视化的形式引入作为一种新的干预工具,与现有的干预方法相结合,可更进一步提高公众的儿童乘车安全意识及其CRS使用率,降低儿童乘车伤害.
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耳道结构性病变对传声影响的数值研究及其临床意义
目的：研究外耳道结构性病变对耳部传声的影响，及其在听力重建中的意义。方法根据健康志愿者耳部结构的CT扫描资料，建立包括外耳道、中耳和内耳耳蜗结构的三维有限元模型，并在此基础上修改模型，建立结构性病变外耳`道结构有限元模型。对声音在耳部结构的传递进行数值模拟研究，得到正常和病态结构外耳道在声音的传递中的作用的差异。结果正常外耳道结构对传入的声音有一定的增幅作用，而病态的外耳道结构则会降低这种增幅作用，鼓膜脐部和镫骨底板的位移会减小，减小的程度取决于外耳道结构的狭窄程度。结论外耳道结构性病变会对耳部传声造成影响，改变外耳道对声音的增幅作用。该研究结果可以为外耳道再造与听力重建手术提供术前临床数值评估依据。
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OrbitTM生物力学模型在斜视诊断和治疗中的应用
OrbitTM生物力学模型是近年通过计算机图像模拟软件实现的一种新颖的生物力学分析系统,利用它可以获得眼球和眼外肌运动的三维模型.它可以帮助临床医生以一种定量的方式将斜视的诊断公式化并预测手术后的结果,也为斜视眼眶解剖学和病理学的研究提供了基本手段.本文就其原理、方法及其在斜视诊断治疗中应用的新进展进行综述.
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跨步或不跨步下的前弓步和侧弓步动作中的髌股关节压力与应力(一)
背景:在髌股关节康复训练中经常进行负重的弓步动作,但这种动作下的髌股关节压力和应力状况尚不明确.方法 :18名受试者在负重下做跨步和不跨步的前弓步和侧弓步动作,负重承量为口J进行12次重复动作的大负荷.将肌电学、测力平台以及运动学数据输入生物力学模型中,计算不同膝关节屈曲角度下的髌股关节压力和应力.结果 :髌股关节的压力和应力随膝关节屈曲角度增加而增高,随膝关节屈曲角度减小而降低.膝关节屈曲80°～90°时,侧弓步下的髌股关节压力和应力大于前弓步;膝关节屈曲10°～50°时,跨步下的髌股关节压力和应力大于不跨步.弓步和跨步之间无明显的相互作用.膝关节屈曲0°～50°时髌股关节压力和应力小于膝关节屈曲60°～90°时的压力和应力,因此在髌股关节康复训练早期应限制膝关节屈曲在50°以内.解释:为了尽量减小髌股关节的压力和应力,应当在不跨步下进行前弓步和侧弓步练习,尤其是膝关节屈曲0°～50°时.了解不同弓步间髌股关节压力和应力的差异,可能有助于临床医生制定更加安全有效的康复训练方法.
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兔股骨三维生物力学模型的建立
背景:基于自编写的Matlab程序实现了对兔股骨图像边缘的识别.但鉴于模型的复杂性,在UG三维软件中建立股骨实体模型后导入ANSYS软件中,能否构建相应的结构模型?目的:构建兔股骨三维生物力学模型的方法.设计:随机对照观察.单位:北京理工大学生物力学实验室.材料:实验用1只雌性新西兰大白兔,兔龄1年,体质量2.6 kg,.实验用ACTIS 400/225型工业CT扫描机为美国BIR公司生产.方法:实验于2005-07/12在北京理工大学生物力学实验室完成.①股骨影像轮廓提取:实验兔麻醉后处死,分离股骨.将工业CT扫描图像转换成*.bmp格式的图像文件,应用Photo shop图像处理软件,对原始图像进行对比度调整、甲滑去噪等必要处理,以增强图像的可辨性和可分析性.再用磁性套索工具勾勒各层图像的内、外边界线,得到各层面股骨内、外轮廓曲线,采用CT扫描机对兔股骨进行扫描,自股骨头上端起,由近端向远端垂直于股骨纵轴行CT扫描,层间距为1 mm.小转子下方第43层至股骨中段53层,由于形状比较规则,扫描层间距为2mm.共扫描87层,长度为9.9 cm, 输入汁算机后经处理得到边界轮廓线,再通过自编程序.获取建模时所用的轮廓线坐标,将坐标数据输入建模软件,建立三维实体模型.②股骨有限元模型的建立:将U G中导出的*.IGES文件,导入至ANSYS软件,自动生成股骨实体模型,利用ANSYS软件布尔操作中的减操作,得到有窄腔的实体模型.主要观察指标:兔股骨结构模型建立情况.结果:①利用U G三维造型软件,读取第1层轮廓数据*.dat文件.形成由多个数据点连接的自由曲线,依次读取第2层、第3层、第4层至第87层,形成兔股骨内、外轮廓的堆叠图.②采用自由网格划分法,应用ANSYS程序自动划分嘲格,生成有限元网格.网格划分后得到42 221个节点及27 768个单元.结论:实验模型真实模拟了兔股骨的解剖学形态.建立的三维生物力学模型为下一步通过有限元法确定振动对骨丢失影响的佳参数奠定了实验学基础.
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膝关节骨性关节炎生物力学模型及其软骨表面应力分析
背景：膝关节骨性关节炎主要以软骨退变，骨质增生进而影响到关节周围软组织致关节疼痛，负重后加重以及后期致关节变形的慢性疾病。目的：实验收集膝关节骨性关节炎患者及正常人的膝关节影像学参数，再先后导入各种软件建立模型，然后在模型上模拟膝关节下蹲动作，并收集下蹲过程中膝关节骨性关节炎患者及正常人膝软骨表面的应力数据，并将两者进行对比从而得出膝关节骨性关节炎患者软骨表面应力特征。方法：收集膝关节骨性关节炎患者及正常人各30例，通过影像学CT，MRI检查获得数据，将得到的数据通过Mimics软件、Simpleware软件分析后建立模型，通过模型获得膝关节软骨应力相关数据，后进行膝关节骨性关节炎患者与正常人数据的对比分析，分析总结得出膝关节骨性关节炎患者关节软骨的应力特点。结果与结论：膝关节骨性关节炎患者从站立到下蹲过程中膝软骨表面应力一般呈现非线性递增趋势。膝关节骨性关节炎患者下蹲过程中膝软骨表面中间外侧应力应力高于正常人体组(P <0.05)，而其下蹲过程中膝软骨表面靠近远端应力及前后侧应力与正常人相比差异无显著性意义(P>0.05)。结果证实，成功建立膝关节骨性关节炎肌骨模型和有限元模型，建立的模型更接近真实膝关节的运动特征，通过模型为膝关节骨性关节炎疾病提供膝部组织定量的生物力学数据。
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鼻腔－鼻窦间一氧化氮扩散状况的数值模拟研究
目的：研究鼻腔－鼻窦气流场特征及一氧化氮（ NO）在鼻腔－鼻窦间的分布与扩散状况。方法对1例真菌性鼻－鼻窦炎患者进行CT检查获取二维结构数据，进行三维重建，设定相应边界条件后，数值模拟潮气量为600 mL时鼻腔－鼻窦内的气流场；以此为基础进一步建立鼻腔气道简化数值模型，研究NO在鼻腔－鼻窦间的扩散过程以及上颌窦口NO质量分数、上颌窦口大小、中鼻道流速3个参数对NO扩散的影响。结果（1）鼻腔气流场特征：气流量患侧为220 mL，健侧为380 mL；双侧气流分布特征相同，鼻阈区气流速度快，气流主要经过总鼻道中、下部且流速较快，中鼻道、下鼻道、嗅裂气流分布较少且流速慢；鼻腔气流以层流为主，多个部位可观察到漩涡或反向气流。（2）上颌窦口局部气流场特征：呼气相和吸气相双侧上颌窦腔内流速均近乎为0 m／s；患侧上颌窦口与毗邻中鼻道几乎无压强差和流速差；而健侧则有一定的压强差和流速差，吸气相和呼气相压强差分别为6 Pa和2 Pa。（3）呼气相峰值时刻：上颌窦口NO质量分数分别为1和0．5时，前鼻孔与窦口处浓度比均为22％；上颌窦口直径分别为10 mm、7 mm时，上述质量分数比分别为27．5％、21％；当上颌窦口处流速分别为0．062 m／s、0．4 m／s时，上述质量分数比分别为27．5％、52．5％。结论上颌窦内气流以自由扩散方式运动，速度近乎为0 m／s；呼气相前鼻孔处NO质量分数与上颌窦口大小、窦口处NO质量分数及中鼻道流速呈正相关，但非线性关系。
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胞质分裂过程中磷脂分子重分布的机制及影响
目的 探究真核细胞在有丝分裂过程中,生化刺激与细胞大变形行为之间的关系.方法 根据大量来自实验的结论,构建一个基于Zinemanas and Nir模型的生化刺激和力学行为耦合的模型.在这个模型中考虑到,第一,膜上各点接受的生化刺激在膜表面形成了梯度,此梯度驱动磷脂蛋白分子沿表面运动;第二,局部肌动微丝和肌球微丝的聚合取决于膜上同一点的磷脂分子的数目;第三,表面张力包括两个部分:一个是由于膜的被动变形引起的被动张力,另一个是主动微丝收缩引起主动张力,它取决于微丝的重分布和重排列.给出多相共同边界条件,采用边界积分法进行数值计算.结果 引入生化刺激后,解释了胞质分裂前期收缩环形成,尝试解释了整个过程中微丝的动态变化,较好的模拟了整个分裂过程.结论 磷脂分子的重取向以及微丝的重分布和重取向在细胞分裂过程中具有重要作用.生化刺激的引入使模型描述的细胞分裂过程与实际更为接近.
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螺旋种植体界面愈合过程的数值模拟
口腔种植体在植入过程中可产生机械损伤,从而在种植体界面形成由骨基质和血凝块组成的环状坏死区域(本文称为修复区).在标准的二阶段种植法中,种植体首先埋藏于颌骨内三到六个月(愈合阶段),然后通过第二次手术连接义齿或上部结构,开始承担功能载荷(功能阶段).因此,种植体在愈合期间并不直接承受载荷,修复区只间接经历由于颌骨在功能载荷作用下的变型所引起的应力.本文的目的在于建立一个关于种植体界面愈合的生物力学模型,并用有限元方法数值模拟种植体界面在愈合阶段和功能阶段的塑建改建过程.
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颈椎生物力学模型的应力及进展
颈椎损伤时常累及颈髓,并由此带来严重的神经功能不全甚至死亡.如何避免这种损伤以及提高对这种损伤致伤机理的认识是脊柱外科所研讨的重要问题.目前,在众多的研究方法中,通过生物力学模型来研究脊柱疾患的发病机制是一种十分重要的手段.根据构成的特点和用途,Panjabi[1]将其分为离体模型、物理学模型、在体模型和计算机模型.近几年,计算机模拟数字化模型即三位有限元模型发展较快,国内外文献报道较多.现结合近几年文献综述如下.
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肠粘连形成过程中的生物力学分析
目的 在肠粘连形成过程中,测定分离粘着肠管之间的牵拉力,探讨不同大小的力牵拉肠管所致的肠壁病理学变化.方法 70只Wistar雄性大鼠随机分为7组(n=10)构建肠粘连模型,分别测定肠粘连形成后第1～7天分离肠管之间粘连的牵拉力,动态分析其变化.另取正常肠管分别加载不同的力于肠管两侧进行牵拉,检测不同的牵拉力所致肠管的病理学变化.结果 术后第1～7d分离大鼠肠管间粘连的牵拉力分别为F1(58.672±13.286)g、F2(83.260±10.066)g、F3(103.280±16.389)g、F4(121.330±17.643)g、F5(145.180±17.454)g、F6(172.900±22.074)g、F7(191.900±20.838)g,(F=77.282,P＜0.01),牵拉力与粘连形成时间呈线性正相关(r=0.9973,P＜0.01).肠管间加载的牵拉力越大肠壁的病理学损伤越明显.结论 肠粘连形成过程中,分离肠管之间的粘着的牵拉力随着时间的推移逐渐增加,过大牵拉力强行分离可损伤肠管.
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颈椎生物力学模型的应用及进展
生物力学模型是研究颈椎伤病的基础.通过对模型的观察、测试,可了解伤病的发生机理并提出诊治策略.因此生物力学模型的应用一直在颈椎伤病研究中占据重要地位.根据构成的特点和用途,Panjabi[1]将其分为物理学模型,体外模型,体内模型和计算机模型.国内外文献对此有大量报道.现就近年来前三类模型的设计和应用及其进展进行综述,限于篇幅,计算机模型将另文阐述.
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黏附于血管壁表面的白细胞在稳定剪切流动下发生变形的生物力学模型
白细胞与血管表面的黏附是重要的生物医学工程问题,引起了学者们的广泛研究.我们用复合液滴来模拟黏附于血管表面的白细胞,根据二维计算流体动力学方法研究了流体切应力作用下白细胞黏附引起的压力分布.同时,通过引入"变形指数"的概念,研究稳定剪切流动下白细胞变形的生物力学特性.数值结果表明:(1)随着初始接触角、毛细血管数、外界流场雷诺数的增大,细胞的变形也增大,而细胞浆比细胞核更易于变形,表明细胞核更能耐受剪切流动;(2)当切应力增大到一定值时,细胞不能进一步变形,变形指数达到峰值;(3)压力分布曲线表明,在细胞的下游形成一个高压区,提供促使细胞受力达到平衡的升力,从而阻止了细胞的进一步变形.我们关于细胞核变形的结果有助于理解白细胞如何将外界流体作用力(如切应力)等力学信号向核内转导的生物力学机理.
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一个人膝关节弹性咬合接触的生物力学模型
基于人膝关节的解剖特征，在文献和试验的基础上，对膝关节解剖结构作了适当的简化，从而根据赫茨理论，建立了膝关节股骨与胫骨弹性咬合接触的生物力学模型，并获得了膝关节弹性咬合接触的大咬合接触应力、咬合接触面积和相对咬合接触变形的定解形式。这些解的结果，对于指导临床诊断和治疗膝关节病等均具有重要作用。
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微循环系统局部控制过程的生物力学模型
分析了间质内血管代谢物质的产生和运动、毛细血管前括约肌的开闭过程、微动脉平均半径的影响因素及微动脉自律运动振幅的变化情况,建立了微循环系统局部控制过程的生物力学模型,有助于对该过程进行定量分析.
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肝门静脉高压症(PHT)血液动力学研究进展
肝门静脉高压症(Portal hypertension,PHT)是世界范围内的一种常见病、多发病 ,严重影响病人的生存质量.血液动力学研究对于揭示PHT的发病机理,探讨其并发症出血 的危险性,选择恰当的手术方式和手术时机以至检验药物的疗效等方面都有重要意义.我们 就从血液动力学角度阐述PHT的发病机制,讨论外科手术治疗方案,并介绍近期PHT血液动力 学研究的若干成果,后提出PHT血液动力学新的整体生物力学模型的主要思想.
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功能状态下下颌骨生物力学模型的建立
为探讨建立正常下颌骨在功能状态下生物力学模型的可行性,我们利用完整干燥的下颌骨,采用硅橡胶模拟颞下颌关节盘等结构,通过在各肌肉中心点分别模拟咬肌(M)、颞肌(T)、翼内肌(MP)和翼外肌(LP)进行加载,成功地建立了包括颞下颌关节以及四组肌肉(M=180 N,T=190 N,MP=120 N,LP=40 N)同时加载的下颌骨生物力学模型.该模型比较真实地模拟了生理状态下下颌骨的受力情况,为下颌骨在各种生理状态下的生物力学研究创造了条件,并为下颌骨骨折的生物力学研究奠定了基础.
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医学图像三维有限元重建中的数据管理及T10～T12胸椎模型建立
在进行生物力学分析时,依靠序列医学图像进行三维有限元模型重建是一种必要的手段,但是此过程中图像的数据处理和网格划分等繁重的前处理工作,成为了有限元分析工作的瓶颈,尤其是形状和其医学图像的数据具有复杂性的胸椎的模型的建立.针对胸椎三维有限元模型建立所必需的数据,给出了基于CT医学图像处理所必需的数据结构和类型,分析了数据获得和处理的方法.同时提出了基于分块建模思想的数据管理方法,结合MSC.Marc软件实现了网格划分,建立了T10～T12段胸椎的三维有限元模型,其形态特征基本保持了实际骨骼的外形特征,满足了生物力学研究分析的要求.针对医学序列图像处理和有限元模型的建立过程中的数据获得与管理,是非常有意义的重要工作之一,对于其他类似的基于医学图像(CT、MRI等)的人体组织的三维有限元重建工作,具有拓展意义和实际的指导意义.
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兔股骨的生物力学模型研究
目的 研究兔股骨三维生物力学模型的建立方法.方法 新西兰大白兔1只,雌性,兔龄1年.制作兔股骨标本,获取股骨断层图像,输入计算机后经处理得到边界轮廓线,再通过自编程序,获取建模时所用的轮廓线坐标,将坐标数据输入建模软件,建立三维实体模型.结果 建立了兔股骨的完整三维模型,真实模拟了股骨的解剖形态.结论 兔股骨三维生物力学模型的建立为下一步通过有限元法确定振动的佳参数,提高骨密度奠定基础.
