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卧姿人体垂直振动模型及其应用研究进展概述
在通常情况下,救护车中卧姿伤病员主要承受垂直(背-胸向)振动和纵向角振动,只有在救护车制动、转弯或在扭曲、迂回路面行驶的情况下,人体承受的水平振动才较为显著。另一方面,纵向角振动可以部分分解转化为垂直振动来加以考虑。因而研究卧姿人体垂直振动响应特性对分析和评价救护车的平顺性具有重要意义[1]。当研究卧姿人体对全身振动的响应时,弄清楚人体的振动动力学特性至关重要。人体机械激励点阻抗是描述人体生物动力学响应的重要参数,是探究人体振动动力学特性的有效手段。它是表征机械振动对人体输入的重要概念。因此,建立卧姿人体垂直振动阻抗模型在振动人机系统动力学研究相关领域有重要研究价值。
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骨组织工程化构建中细胞三维培养力学微环境的研究
骨重建和骨塑建的力学响应机制表明力学因素在骨的组织工程化构建中起着十分重要的作用.外部力学载荷导致骨组织内部的力学微环境发生变化进而在细胞的增殖、迁移、细胞外基质的合成、细胞因子及激素分泌能力以及骨髓间充质干细胞的分化方向等方面产生重要的影响.因此,在组织工程构建过程中,细胞三维培养的力学微环境是有待深入研究的重要内容.尤其近年来引入了三维有限元分析的方法以及非侵入性高分辨率的Micro-CT影像技术,使在细观层次上进一步探索培养物内部的微观力学条件成为可能.综述了骨组织工程化构建中细胞三维培养的微环境、力学生物学效应、力学因素的施加和量化等方面的研究进展.
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个性化骨盆模型的建立、有限元分析及实验验证(下)
结果将模拟计算结果与实验测试结果(平均值和标准差)进行比较,通过两种方法获得的各加载水平下十个应变片位置处的大和小平面内主应变结果见图4.多数情况下有限元结果与实验结果均一致.位置4,5和10的大主应变有限元预测结果略高于实验结果,另外7个位置的有限元预测结果则略低于实验结果.位置1,3和9的小主应变有限元预测结果与实验结果有差异,其他7个位置的有限元预测结果和实验结果均有很好的一致性.除1,3和9位置外,其他位置的相对误差在10%～30%,由于这3个位置数值的绝对值较小,所以对误差比较敏感,但其相对误差仍<50%.从这一较高的一致性来看,该个性化的有限元模型可以精确地获得骨盆骨整体的力学响应.
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6岁儿童全颈有限元模型的构建及验证
目的 利用6岁儿童颈部有限元模型预测不同载荷下颈部损伤的力学响应.方法 基于CT图像构建具有真实肌肉的6岁儿童颈部有限元模型,应用该模型通过分别重构儿童颈椎不同节段的动态拉伸实验、全颈椎拉伸实验和儿童志愿者低速碰撞实验验证其有效性.结果 不同椎段拉伸仿真试验和全颈椎拉伸仿真试验中的力-位移曲线能够较好吻合实验曲线;儿童志愿者仿真试验的头部角速度-时间历程曲线位于实验数据通道内,吻合较好.结论 该模型有效性得到验证,可用于研究儿童颈部不同载荷条件下的生物力学响应及损伤机制.
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利用有限元研究非贯穿弹道冲击防弹衣后人体躯干的力学响应
目的 通过建立人体躯干有限元计算模型,对弹头非贯穿性弹道冲击下人体躯干主要脏器的力学响应进行数值模拟.方法 利用正常成年男性的CT扫描数据,应用医学图像重建软件Mimics和有限元前处理工具HyperMesh进行人体躯干有限元建模,在显式动力有限元分析软件LS-DYNA中对速度为360 m/s的9 mm手枪弹弹头撞击装配有软质防弹衣人体躯干的压力、加速度响应进行数值计算.结果 建立了包括胸廓骨骼结构、脏器、纵膈和肌肉/皮肤的人体躯干有限元模型,通过数值计算获得了心脏、肺脏、肝脏、胃的压力响应以及胸骨的加速度响应,发现不同脏器之间或同一脏器的不同位置,离弹头撞击点位置的远近决定了压力峰值的大小和出现压力峰值的时间.结论 装配有软质防弹衣的人体躯干有限元计算模型可作为非贯穿弹道冲击下人体力学响应的仿真分析工具,仿真结果可为防弹衣后钝性损伤机制和防护研究提供依据.
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基底应变对肺癌细胞形态调整的影响
目的从肺腺癌A549细胞对拉伸应力响应时释放出的细胞形变调整行为,解读肿瘤细胞骨架异常与其生物学行为的相关性.方法使用单向等轴应变加载装置对培养的肺腺癌A549细胞施以周期性基底拉伸加载,通过计算机图像处理并与对照组进行比较.结果(1)A549细胞的形态在加载中有明显的变化,铺展面积明显增大,细胞外形变得非常不规则,即,细胞不规则度增加;(2)与对照组比较,加载组细胞细胞核的铺展面积增大,拉伸引起细胞核形态的变化比较小,加载组与对照组细胞核的形态差别不大;(3)周期性拉伸引起了细胞取向的调整,细胞调整到与主应变近似垂直的方向,许多细胞拉长首尾连成一线,线的取向趋于与主应变方向垂直.结论A549细胞的细胞骨架各组份间对应力的响应协同反应下降;肺腺癌A549细胞对应力方向的呼应尚属正常.
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有限元方法在临床骨科生物力学研究中的应用
股骨头结构的复杂性与其力学特性的相关性在一个半世纪之前曾有人研究过,Koch[1]1917年用梁理论进行了应力分析,但对股骨力学响应和力学模型的建立未进行深入的探索.1943年,Courant首创了有限元素法,1956年Turner[2]将其用于飞机结构的分析,此后相继在航空航天、交通运输、化学化工、建筑工程中得到了应用.相继60年代有限元方法几乎在所有各个领域中得到广泛应用.Brekelmans和Rybicki[3]在1972年第1次将有限元方法应用于骨科生物力学的研究.20多年来发展非常迅速,尤其随着计算机和软件技术的突飞猛进发展,在骨科生物力学研究中占主导地位,成效显著,具有广阔的发展前景.
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力学响应microRNA
力学响应microRNA(miRNA)是一类对力学载荷敏感或者能产生响应的miRNA,在施加力学载荷以后,其表达量发生变化,并影响所调控的mRNA、蛋白质表达水平.迄今为止,已经在一些生理、病理组织或者器官中发现力学响应miRNA.然而,这些发现普遍具有局限性,尚不能很好地指导临床实践.基于此,本文对近几年力学响应miRNA的研究成果予以总结,以期为临床应用、后续研究提供指南.
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三维支架条件下成骨细胞力学响应的模型
目的探讨三维支架条件下成骨细胞力学响应模型的建立方法. 方法取孔隙500～800 μm、密度0.36～0.45 g/cm3的生物衍生骨支架50块,接种Wistar乳鼠第3代成骨细胞悬液,复合培养.其中24块施加表观应变1 000 με、3 Hz、3 min/d的正弦载荷,形成成骨细胞力学响应模型,作为加载组,余作为对照组.复合培养3 d后,扫描电镜观察加载组成骨细胞形态;于培养后1、4、8、12、16、20、24和28 d,采用MTT法检测成骨细胞增殖. 结果扫描电镜下可见支架表面有梭形成骨细胞附着.成骨细胞增殖检测显示,复合培养后1、4、8、12、16、20、24和28 d,加载组细胞数始终高于对照组,且培养后12、16、20、24和28 d组间差异均有统计学意义(P<0.05). 结论成功建立研究成骨细胞力学响应的模型,为在不同表观应变条件下研究成骨细胞的力学响应提供了方便.
