外骨骼型下肢康复机器人柔性关节驱动器的设计及实验研究

目的当刚性驱动器直接作用于关节时,由于关节缺少对驱动力的缓冲,容易对其造成损伤。为此,本文拟设计一种柔性关节驱动器,以实现柔性变刚度驱动。方法采用弹簧和扭簧组合实现不同驱动力下驱动器刚度的变化。通过调节电机的转速实现弹簧、扭簧的压缩以及正反向的运动,并确定弹簧及扭簧的参数。最后搭建柔性变刚度关节驱动器实验平台,通过选用不同劲度系数的弹簧、扭簧进行低力、中力和高力模式下的柔性驱动实验,以验证柔性关节驱动器设计的合理性。结果选取弹簧的刚度为10 N/mm、扭簧抗扭刚度为0.1 N·m/rad。当驱动力较小时,弹簧压缩,扭簧不发生作用;当驱动力较大时,扭簧扭转,弹簧不发生作用;当驱动力介于二者之间时,弹簧和扭簧同时发生作用。结论柔性关节驱动器能够在不同驱动力作用下使扭簧和弹簧发生作用,实现柔性变刚度驱动的目的。     

基于成人掌骨形态学数据设计的掌骨弹性髓内针治疗掌骨骨折的生物力学研究

目的探讨基于成人掌骨形态学数据设计的掌骨弹性髓内针的生物力学性能,为临床应用提供基础。 方法选用成人新鲜冰冻手掌标本12例,取第2～5掌骨共计48根,按照随机数字表法将切取的掌骨分为3组,钢板螺丝钉内固定组、交叉克氏针内固定组和弹性髓内针内固定组,每组包含第2～5掌骨各4根,共16根掌骨;其中8根用于悬臂折弯测试,8根用于扭转测试。用骨刀距掌骨远端20 mm处横行截骨,制作简单横行骨折模型。钢板螺丝钉内固定组以直列4孔掌骨锁定接骨板,以骨折线为中心,在骨折线远端、近端各采用2枚2.0 mm双皮质锁定螺钉固定;交叉克氏针内固定组采用1.0 mm不锈钢克氏针以骨折线为中心交叉固定;弹性髓内针内固定组使用笔者团队设计的直径2.0 mm的掌骨弹性髓内针,配合把持器和开髓器,自掌骨基底部顺行穿入髓腔,经骨折线到达掌骨头关节面下固定。使用生物力学测试机对3组进行悬臂折弯和扭转测试,计算3组的最大折弯力、折弯刚度和最大扭矩、扭转刚度。数据比较采用单因素方差分析、SNK法。 结果(1)在悬臂折弯测试中,钢板螺丝钉内固定组、交叉克氏针内固定组和弹性髓内针内固定组的最大折弯力分别为(126.3±53.9)、(48.7±18.2)、(88.4±13.9) N, 3组比较差异有统计学意义(F＝10.530,P＝0.001);组间两两比较差异均有统计学意义(P<0.05)。钢板螺丝钉内固定组、交叉克氏针内固定组和弹性髓内针内固定组的折弯刚度分别为(12.33±4.90)、(5.86±5.02)、(10.49±2.05) N/mm,3组比较差异有统计学意义(F＝4.988,P＝0.017);交叉克氏针内固定组分别与另2组比较,差异均有统计学意义(P<0.05),钢板螺丝钉内固定组和弹性髓内针内固定组比较差异无统计学意义(P>0.05)。(2)扭转测试中,钢板螺丝钉内固定组、交叉克氏针内固定组和弹性髓内针内固定组的最大扭矩分别为(1.98±0.42)、(0.61±0.39)、(0.50±0.34) N·m,3组比较差异有统计学意义(F＝36.635,P<0.05);钢板螺丝钉内固定组分别与另2组比较,差异均有统计学意义(P<0.05),交叉克氏针内固定组与弹性髓内针内固定组比较差异无统计学意义(P>0.05)。钢板螺丝钉内固定组、交叉克氏针内固定组和弹性髓内针内固定组的扭转刚度分别为(0.093±0.040)、(0.022±0.021)、(0.032±0.029) N·m/°,3组比较差异有统计学意义(F＝12.554,P<0.05);钢板螺丝钉内固定组分别与另2组比较,差异均有统计学意义(P<0.05),弹性髓内针内固定组和交叉克氏针内固定组比较差异无统计学意义(P>0.05)。 结论应用笔者团队基于成人掌骨形态学数据设计的弹性髓内针,最大折弯力,折弯刚度在钢板和交叉克氏针之间,且明显优于交叉克氏针;而最大扭矩和扭转刚度与交叉克氏针相当。该新型弹性髓内针能够满足掌骨骨折内固定术后早期功能康复需求。     

角膜黏弹性对喷气试验的影响

目的 探索不同条件下角膜黏弹性在喷气试验中的作用。 方法 基于患者角膜地形图数据构建个性化全眼 模型,加载喷气模型,分析不同条件下线弹性和黏弹性角膜材料喷气试验结果的差异。 结果 在角膜刚度、眼内 压、巩膜刚度都相同的情况下,线弹性材料的角膜顶点最大位移比黏弹性材料小 0. 01 ~ 0. 03 mm;当角膜刚度和巩 膜刚度一定,眼内压从 12 mmHg 增大到 24 mmHg(1 mmHg = 0. 133 kPa)时,线弹性材料的角膜顶点最大位移绝对值 的下降速率比黏弹性材料慢 0. 9 μm/ mmHg;当角膜刚度和眼内压一定,巩膜刚度从 1. 24 MPa 变化到 9. 92 MPa 时, 线弹性材料的角膜顶点最大位移绝对值的下降速率比黏弹性材料慢 1. 1 μm/ MPa;当巩膜刚度和眼内压一定,角膜 刚度 0. 827 MPa 变化到 2. 790 MPa 时,线弹性材料的角膜顶点最大位移绝对值的下降速率比黏弹性材料慢 8 μm/ MPa。 结论 喷气试验中的角膜顶点位移主要由角膜组织的弹性驱动,角膜黏弹性在喷气试验中的作用不 明显。 在临床上采用喷气法评估角膜生物力学响应时,可忽略角膜黏弹性影响。     

天鹅型记忆接骨器治疗肱骨骨折的生物力学研究

目的阐明天鹅型记忆接骨器(swan-like memory compressive connector,SMC)应用于肱骨骨折治疗的生物力学基础。方法通过轴向拉伸试验、三点弯曲试验、扭转试验三种生物力学测试方法建模,对比分析肱骨中段骨折天鹅型记忆接骨器和8孔钢板治疗的生物力学稳定性。结果轴向拉伸试验得出载荷-应变曲线及拉伸强度,加载1000N时的SMC与钢板固定的强度分别为2.21MPa和2.35MPa,两组之间差异无统计学意义(P>0.05);测定位移与刚度得出载荷-位移曲线及轴向刚度,加载1000N时的SMC与钢板固定的轴向刚度分别为465N/mm和424N/mm,两组之间差异无统计学意义(P>0.05);三点弯曲试验得出弯矩-挠度曲线及弯曲刚度,弯矩在5N·m时SMC固定组与钢板固定组的刚度分别为18.59N·cm/(°)和17.84N·cm/(°),两组之间差异无统计学意义(P>0.05);扭转试验得出扭矩-扭角曲线及扭转刚度,SMC固定组与钢板固定组在最大扭矩下的扭转刚度分别为302.11N·cm/(°)和287.07N·cm/(°),两组之间差异无统计学意义(P>0.05)其固定的稳定性接近钢板组。结论天鹅型记忆接骨器治疗肱骨骨折具有良好的生物力学稳定性。     

螺旋形长型PHILOS接骨板治疗肱骨中上段骨折的生物力学研究

目的比较长型PHILOS接骨板(Synthes公司,瑞士)扭转成螺旋形前后的生物力学特性,为临床治疗肱骨中上段骨折提供生物力学依据。方法 12例Synbone人工骨(SYNBONE公司,瑞士)的右侧肱骨平均分为两组,对照组(n=6)采用10孔的长型PHILOS接骨板固定,实验组(n=6)采用相同的接骨板扭转成螺旋形后固定。肱骨中上段骨折造模后,利用万能力学试验机分别检测并比较两组接骨板固定后的整体构件在轴向拉伸和压缩、同向和反向扭转、前后及内外向三点弯曲6种加载方式下的生物力学特性。结果在100~500 N拉伸和压缩载荷下,实验组骨折断端位移分别较对照组增加约95%和58%;在0.6~3 N·m反向扭矩下,实验组扭转角度始终明显小于对照组,减少幅度达到55%~64%;在0.6~3 N·m的同向扭矩和1.5~7.5 N·m的前后向弯矩下,实验组的扭转角度和桡度均大于对照组,差异有显著性意义(P0.05);当内外向弯矩为1.5、3 N·m时,实验组与对照组的桡度差别无显著性意义(P0.05),而内外向弯矩为4.5、6、7.5 N·m时,实验组的桡度较对照组小20%~30%。实验组与对照组构件相比,拉伸和压缩刚度分别低49%和36%,同向和反向扭转刚度分别低19%和高150%,内外向和前后向弯曲刚度分别高18%和低70%,差异均有显著性意义(P0.05)。结论长型PHILOS接骨板扭转成螺旋形后固定肱骨中上段骨折的总体力学性能有所改善,可以满足临床对该类骨折的手术固定和术后康复需要。结合微创手术的优势,该技术有望在临床得到广泛应用。     

血管支架柔顺性能的仿真模拟及灰色相关性分析

目的利用有限元法与灰色相关性理论的方法,分析并比较支架结构参数对支架植入后与血管同步运动能力的影响。方法选取S型闭环镁合金支架作为研究对象,应用Solid Works软件建立不同材料、周向支撑体数目、支撑体长度及初始直径共9款支架模型;应用Hyper Mesh软件进行支架模型网格的划分;应用ABAQUS软件模拟分析支架植入后与血管同步运动能力;利用灰色相关性理论研究并比较支架结构参数对弯曲刚度影响因子大小。结果材料对支架柔顺性的影响较明显,其中镁合金的柔顺性最好,对应弯曲刚度值为0.958 N·(rad·mm)~(-1);周向支撑体数目为5对应支架的柔顺性最好,其弯曲刚度值为0.853 N·(rad·mm)~(-1);支撑体长度为1.0 mm对应支架的柔顺性最好,其弯曲刚度值为0.829 N·(rad·mm)~(-1);初始直径为1.4 mm对应支架的柔顺性最好,其弯曲刚度值为1.024 N·(rad·mm)~(-1)。结论镁合金支架对应柔顺性最好,其次为不锈钢,钴铬合金支架对应柔顺性较差;柔顺性随着周向支撑体数目、支撑体长度、初始直径的增加而呈减小趋势变化;通过灰色相关性计算可知,材料对应柔顺性的影响最显著,其次为周向支撑体数目、支撑体长度,初始直径对其影响较小;分析支架结构参数对柔顺性的影响,可为支架的设计研发及临床治疗提供更加科学的参考。     

模拟全髋关节置换后股骨假体的稳定性

背景：国内外关于髋关节置换后股骨的压缩力学实验研究较多,因此研究髋关节置换后股骨的扭矩、扭转角、载荷-位移关系非常重要。对比分析传统型假体和解剖型假体的压缩、扭转力学特性,对于髋关节置换及人工假体的稳定性研究具有重要意义。 目的：通过模拟髋关节置换后股骨的轴向压缩和扭转实验,对比分析传统型和解剖型人工假体的稳定性,为临床提供生物力学参数。 方法：取股骨左右侧标本共12个,其中左侧6个标本保留股骨颈作为解剖型钛合金人工关节假体组,右侧6个标本去除股骨颈作为传统型钴铬钼人工关节假体组。分别将两组标本置于电子万能试验机工作台上,以     5 mm/min的实验速度对标本施加压应力,读取20,40,60,80,100 N时所对应的位移值。之后取两组标本,将标本两端置于扭转试验机夹头内,以1 (°)/s的实验速度对标本施加扭矩,读取5,10,15,20 N•m扭矩时所对应的扭转角值。 结果与结论：在100 N外力作用下,传统型假体位移为(2.03±0.06) mm,解剖型假体位移为(1.83±0.05) mm;在20 N•m扭矩作用下,传统型假体扭转角为(21.7±0.7)°,解剖型假体扭转角为(13.2±0.4)°。解剖型假体在100 N作用下的位移和在20 N•m扭矩作用下的扭转角均小于传统型假体组,差异有显著性意义(P < 0.05)。提示解剖型假体和传统型假体具有不同的压缩和扭转力学特性,解剖型假体置入股骨后具有较好的稳定性。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

旋转臂自锁式髓内钉固定股骨干骨折的生物力学研究

将14根成人股骨标本分成两组,制成股骨中段粉碎性骨折模型,将自研的旋转臂自锁式髓内钉作为实验组和国产带锁髓内钉作为对照组,分别对骨折模型进行固定,在M TS试验机上对髓内钉及髓内钉固定骨折模型依次进行旋转、四点弯曲及压缩试验,比较旋转臂自锁式髓内钉与国产交锁髓内钉的力学性能。为旋转臂自锁式髓内钉设计的改进、临床应用及推广提供理论依据。结果显示:(1)实验组钉骨试件的抗扭转钢度为0.89 Nm/度,对照组钉骨试件的抗扭转刚度为1.18 Nm/度,实验组钉骨试件的抗扭转刚度小于对照组,为对照组的75.4%;实验组钉骨试件在扭角为16°时的扭矩为14.44 Nm,对照组钉骨试件为22.44 Nm,实验组钉骨试件的扭矩小于对照组,约为对照组的64.3%。(2)试验组钉骨试件的抗弯刚度为1 535 N cm/mm,对照组钉骨试件的抗弯刚度为1 737N cm/mm,对照组大于试验组,但无统计学意义(P>0.05)。(3)实验组最大轴向载荷为1 339 N,试件变形为3.5mm;对照组为1 910 N,试件变形为5.2 mm。对照组的最大载荷大于实验组(P<0.05)。在2倍体重时,实验组的位移为2.1 mm,对照组为3.0 mm,实验组小于对照组(P<0.05),实验组的抗短缩刚度大于对照组。(4)实验组髓内钉的力学指标比对照组小,髓内钉的各项力学指标均大于髓内钉股骨试件。因此,旋转臂自锁式髓内钉能够满足固定股骨干粉碎性骨折的生物力学要求和临床内固定的需要。     

一种上肢康复机器人机械臂重力平衡方法

目的针对现有上肢康复机器人机械臂质量较大且其自体质量无法忽略等问题,基于重力平衡原理提出一种上肢康复机器人机械臂重力平衡方法。方法通过角度传感器检测肩关节屈/伸角度,将经过滤波的模拟量信号传送到单片机,单片机计算得到目标力矩,并作为控制参数发送到驱动器,驱动器驱动电机进入力矩模式并输出力矩,平衡上肢康复机器人机械臂重力。结果实验所用机械臂长度L_1=300 mm、L_2=300 mm,关节运动角度0°～140°,机械臂自体质量M_1=3.0 kg、M_2=4.4 kg;电机可提供最大力矩27 N·m、最大电流0.766 A;满足实验需求。在肩关节屈/伸角度范围为30°～120°的机械臂上选取7组角度进行实验。实验证明,在30°～75°内实际输出力矩大于理论输出力矩,机械臂保持平衡且有向上运动的趋势;在90°～120°内,实际输出力矩略小于理论力矩,机械臂保持平衡且有向下运动的趋势。结论实验证明,笔者设计能很好地实现机械臂重力平衡。     

踝关节外骨骼助行模式对下肢肌肉激活与协调模式的影响EI北大核心CSCD

踝关节外骨骼可用来提高人的行走效率,辅助老年人、运动功能障碍患者等进行日常活动或康复训练,但外骨骼的助行模式会对穿戴者的下肢肌肉激活与协调模式产生影响。本文利用一款绳驱动踝关节外骨骼,设计了不同助力时机与助力大小组合的助行模式,采集了7名穿戴者在跑步机上以1.25 m/s速度水平行走时的下肢表面肌电信号,研究不同助行模式对穿戴者下肢肌肉激活与协调模式的影响。实验结果表明,比目鱼肌激活程度在踝关节外骨骼助力时有明显降低,在助力时机为步态周期49%、助力大小为0.7 N·m/kg时,最高可降低(38.5±10.8)%。并且,相对于助力时机,助力大小对比目鱼肌激活程度影响更为显著。踝关节外骨骼不同模式助行时,所测量下肢肌肉可分解为5个基本协同模式,且合适的助力时机与助力大小条件下,下肢肌肉协调模式和正常行走相比改变较小。此外,比目鱼肌-胫骨前肌、股直肌-半腱肌的协同收缩度在外骨骼助力时比正常行走均有升高。本研究有助于理解健康穿戴者如何调整自身的神经肌肉控制机制来适应不同外骨骼助力,并为选择合适的助行模式以及合理利用外骨骼提高行走效率提供依据。     

防旋型股骨近端髓内钉内固定术治疗股骨粗隆间骨折患者的生物力学性能

目的:探讨防旋型股骨近端髓内钉(PFNA)内固定术对股骨粗隆间骨折患者生物力学性能的影响。方法:选取重庆市急救医疗中心2015年6月～2017年6月收治的股骨粗隆间骨折患者132例,根据患者的手术方式分成A组(n=66)与B组(n=66)。A组行PFNA内固定术,B组行人工髋关节置换术。比较两组围手术期指标,包括手术时间、术中出血量、卧床时间、术后引流量、住院时间、骨折愈合时间;采用Harris评分评价两组术前、术后6个月、术后12个月的关节功能恢复情况;分别在术后6个月、术后12个月比较两组生物力学特性,包括扭转1.5°时的扭转刚度与扭矩以及荷载800 N时的压缩刚度与压缩位移;并记录两组并发症发生率。结果:A组术中出血量小于B组,手术时间、卧床时间、住院时间及骨折愈合时间短于B组,差异有统计学意义(P0.05)。两组术后6个月、术后12个月的Harris评分高于术前,且A组术后6个月的Harris评分高于B组,差异有统计学意义(P0.05)。两组术后12个月扭转1.5°时扭转刚度、扭转1.5°时扭矩、荷载800 N时压缩刚度均高于术后6个月,荷载800 N时压缩位移小于术后6个月,且A组术后6个月扭转1.5°时扭转刚度、扭转15°时扭矩、荷载800 N时压缩刚度均高于B组,荷载800 N时压缩位移小于B组,差异有统计学意义(P0.05)。A组和B组的并发症发生率分别为6.06%和9.09%,差异无统计学意义(P0.05)。结论:与人工髋关节置换术相比,股骨粗隆间骨折患者行PFNA内固定术能取得更显著效果,可进一步促进术后机体功能恢复,改善术后6个月的生物力学性能,未增加并发症风险,临床推广价值更高。     

上、下楼梯步态参数变化特征研究

目的采集上、下楼梯过程中健康人体下肢运动学、动力学功能参数,为外骨骼助行器实现上、下楼梯这一运动形式的步态轨迹设计和驱动元件选型提供数据支持。方法设计常规楼梯实验装置,利用三维运动捕捉系统和三维测力台系统同步测量方法测量上、下楼梯时踝、膝、髋关节运动信息,应用SPSS统计软件和Origin绘图软件分析下肢运动特点,并对比分析上、下楼梯时下肢的功能参数。结果通过实验获得健康青年人在上、下楼梯时下肢关节在矢状面关节角度、关节力矩随步态变化规律及活动极限值,上楼时踝、膝、髋关节角度依次为-10.66°~13.26°、6.85°~88.92°、1.31°~50.18°,下楼时踝、膝、髋关节角度依次为-37.42°~27.18°、9.83°~95.53°、8.01°~31.62°。上、下楼梯时所需最大踝、膝、髋关节力矩依次为1.788、1.121和0.946 N·m/kg。结论上、下楼梯时人体下肢步态参数随步态变化趋势与关节运动范围显著不同。助行器步态规划要针对上、下楼梯单独设计,驱动元件的选型上要满足上、下楼梯时各关节的最大力矩需求。     

基于ASTM F543-17标准测试的医用接骨螺钉旋动扭矩计算模型

目的研究医用接骨螺钉的旋动扭矩计算模型。方法分析自攻型接骨螺钉在旋入过程中的3个主要阶段,对螺纹形成阶段的扭矩与扭转角进行力学建模与模拟计算;同时,根据ASTM F543-17(YY/T 1506-2016)标准的要求,对来自3个厂家的规格均为φ2.9×12接骨螺钉在不同等级聚氨酯实验块上开展螺钉体外旋入实验,将实验结果与计算结果进行比较分析。结果理论模型所得与实验测得最大旋入扭矩偏差值分别为5、12 m N·m,小于实验测得扭矩的10%,在可接受的误差范围内。结论所开发的接骨螺钉旋动力学计算模型能够模拟并预测研发与临床应用中的旋动扭矩,结合体外扭动实验,能够为接骨螺钉的研发与设计提供一种有效途径。     

股骨头表面置换后股骨近段的生物力学研究

目的探讨股骨头表面置换术对股骨近段生物力学性能的影响。方法集8具青年正常新鲜髋关节标本,建立静止单腿站立位股骨头受力模型,WD-5生物力学测试机测试1000N载荷下股骨头表面置换前后的载荷-应变关系、近段股骨应力分布、刚度和扭转力学性能。结果载荷为1000N时,置换前后的平均应变、最大平均应力、最大平均位移、刚度等指标的测试结果,经统计学处理均无显著性差异(P>0.05)。表面置换前后最大扭矩值相差19%,有显著差异(P<0.05)。结论表面置换能有效维持近段股骨的正常应力传递,从而能有效保留近段股骨的骨量,为日后翻修提供良好条件。表面置换是适用于年轻患者的过渡性手术。     

基于柔性铰链的仿生外骨骼机械手设计研究

为辅助手功能障碍患者在日常生活中更好地进行手部的康复训练与活动,提出一种基于柔性铰链的仿生外骨骼机械手。首先,基于弹性力学建立直梁型与半圆弧梁型柔性铰链刚度之间的映射关系模型,通过有限元模型改进半圆弧梁型柔性铰链的刚度设计式,并利用三铰链串联式外骨骼手指有限元模型验证单铰链刚度设计式的通用性和有效性;其次,基于修正后的刚度设计式,设计基于柔性铰链的仿生外骨骼机械手,通过绳索实现屈曲运动,通过柔性铰链的储能实现伸展运动,并根据齐次坐标变换建立相关的运动学模型,研究绳驱下的运动特性;最后,对试制的原型机进行屈曲性能与抓握能力的实验验证。外骨骼手指的仿真结果表明:单铰链的刚度设计式可用于复杂机构中各铰链的刚度计算,其误差值不大于3.5%;所试制的原型机手部执行构件仅重125g,方便使用者日常携带。屈曲性能的实验结果表明:改进的刚度设计式减小了半圆弧梁型柔性铰链40%的刚度计算误差,使误差控制在5%以内,能快速获取满足弯曲条件的铰链几何尺寸。抓握能力的实验结果表明:两名健康受试者测量出外骨骼手单指能稳定输出8N的指尖力,满足日常生活所需。因此,该外骨骼机械手可提供正常的关节活动度,其轻质便携及抓握能力高的特性还能辅助手功能障碍患者进行手部康复训练与日常活动。     

内侧支撑螺钉在锁定钢板治疗肱骨近端骨折中的生物力学优势

目的探讨内侧支撑螺钉在肱骨近端锁定钢板固定肱骨近端骨折中的生物力学性能。方法将30个人工合成左侧肱骨随机分成3组,建立外科颈骨折模型,采用肱骨近端锁定钢板固定:A组,近端内侧骨皮质支撑,无内侧支撑螺钉;B组,3枚内侧支撑螺钉支撑,无内侧骨皮质支撑;C组,无内侧骨皮质和内侧支撑螺钉支撑。分别对3组标本进行轴向压缩、抗扭、剪切力压缩、模型失效测试。结果 A、B、C 3组轴向压缩最大载荷为A组((240.88±19.13)N)>B组((169.04±19.26)N)>C组((128.58±17.53)N),P<0.05);抗压刚度为A组((424.4±101.2)N/mm)>B组((230.7±40.54)N/mm)>C组((147.0±29.2)N/mm,P<0.05);抗扭测试最大扭矩A组((8.92±0.25)N.m)、B组((9.09±0.31)N.m)>C组((7.57±0.53)N.m,P<0.05),抗扭刚度A组((1.80±0.07)N.m/(°))、B组((1.86±0.07)N.m/(°))>C组((1.53±0.10)N.m/(°),P<0.05);剪切力压缩测试最大载荷为A组((444.71±20.87)N)>B组((228.79±28.95)N)>C组((188.73±26.15)N,P<0.05),抗压刚度为A组((470.0±54.4)N/mm)>B组((183.89±29.64)N/mm)>C组((140.2±32.1)N/mm,P<0.05);模型失效载荷A组((2 949.76±355.08)N)>B组((2 448.13±402.39)N)、C组((2 222.55±336.41)N,P<0.05)。结论肱骨近端内侧骨皮质支撑具有最佳的生物力学性能,采用3枚内侧支撑螺钉重建肱骨近端内侧柱支撑的生物力学性能较无内侧柱支撑时明显增强。通过内侧骨皮质支撑或内侧支撑螺钉重建肱骨近端内侧柱支撑值得临床运用,以预防术后内固定失败。     

可注射磷酸钙骨水泥增强DHS固定骨质疏松性股骨粗隆间骨折的体外生物力学分析

目的评价一种可注射磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement,CPC)强化股骨近端对老年骨质疏松性股骨粗隆间骨折内固定的生物力学影响。方法选用5对骨质疏松性股骨近端标本制作粗隆间骨折模型,以DHS固定,分为对照组与CPC强化组进行生物力学检测。结果CPC强化组在500N应力下的轴向刚度为(691.93±18.90)N/mm,水平剪切刚度为(5553.84±27.47)N/mm,内外侧平均强度分别为(5.15±0.35)MPa,(4.13±0.24)MPa,扭转刚度为0.41,极限载荷(3580±286)N;对照组在500N应力下的轴向刚度为(453.45±19.75)N/mm,水平剪切刚度为(3848.87±22.63)N/mm,内外侧平均强度分别为(3.12±0.37)MPa,(1.80±0.21)MPa,扭转刚度为0.35,极限载荷(2512±189)N。CPC强化组的各项力学性能均高于于对照组,差异有显著性意义(P0.05)。结论以CPC对骨质疏松性股骨头内及内后侧缺损处强化可以有效提高骨质疏松性股骨粗隆间骨折内固定稳定性,降低术后并发症的风险。     

桥接系统混棒与双棒结构治疗股骨及胫骨骨折的生物力学特点

文题释义： 桥接系统双棒与混棒结构：桥接系统双棒结构类似于锁定钢板，固定骨折方式为平行一侧骨面的偏心固定，但偏心固定可能导致纵向上固定减弱及横向上抗扭转降低，骨折端固定不牢靠而使骨折不易愈合，甚至内固定疲劳失效。桥接系统混棒结构为一根单棒固定骨折后，在其径向90°或135°处固定另一根单棒，实现非平面整体、立体固定，骨折端纵向上坚强固定，横向上抗疲劳性能强。 轴向压缩与径向扭转实验：轴向压缩实验是以3 mm/min的速度向模型两端施加轴向压力，观察轴向压缩屈曲载荷与骨折端位移的变化；径向扭转实验是以2 r/min的速度径向旋转，观察横向扭矩与角度变化。轴向压缩实验主要观察纵向上骨折端稳定程度，径向扭转实验主要观察横向上抗疲劳性能。 背景：桥接系统双棒结构为偏心固定，术后可能导致纵向上固定减弱及横向上抗扭转降低。 目的：比较桥接组合式内固定系统混棒与双棒结构治疗股骨及胫骨骨折的生物力学特性。 方法：以40根短聚甲醛材料配对模拟人体长骨骨干模型20个，其中10个以桥接组合式内固定系统混棒结构固定(混棒结构组)，另10个以桥接组合式内固定系统双棒结构固定(双棒结构组)，对2组分别进行轴向压缩实验和径向扭转实验(每种实验各选择每组5个模型)，观察2组的轴向压缩力与位移情况，以及横向扭转力与角度变化，记录各组曲线出现折点或趋于水平状态时的载荷即最大载荷，并计算屈服载荷。 结果与结论：①当轴向压缩屈服载荷≤2 000 N、产生相同位移时，混棒结构组所需轴向压缩屈服载荷大于双棒结构组；当轴向压缩屈服载荷>2 000 N、产生相同位移时，双棒结构组所需轴向压缩屈服载荷大于混棒结构组，并且双棒结构组最大轴向压缩屈服载荷大于混棒结构组[(2 420.60±5.67)，(2 721.40±5.80)N，t=-82.885，P=0]；②当径向扭转屈服载荷≤50 N•m、产生相同角度时，混棒结构组所需的扭矩小于双棒结构组；当径向扭转屈服载荷>50 N•m、产生相同角度时，混棒结构组所需扭矩大于双棒结构组，并且混棒结构组最大径向扭转屈服载荷大于双棒结构组 [(101.85±2.97)，(85.41±2.82)N•m，t=8.985，P=0]；③结果说明，桥接系统混棒与双棒结构纵向上均可坚强固定骨折，但混棒结构固定骨折更稳定、牢靠，更容易促使骨折愈合；混棒结构横向上固定骨折后，骨折端容易产生微动，符合弹性固定，并且最大抗扭转力及抗疲劳性能优于双棒结构，可防止因横向不稳定造成的桥接系统断裂。 ORCID: 0000-0002-0608-5303(汪亮) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程     

仿生咀嚼机器人弹性颞下颌关节设计与性能分析

咀嚼机器人在义齿材料测试和下颌康复训练领域具有广阔的应用前景,而颞下颌关节的机构型式是影响咀嚼机器人性能表现的重要因素。鉴于目前弹性元件已在仿生机器人领域得到广泛应用,因此本文在点接触高副的基础上采用弹性元件模拟颞下颌关节内关节盘缓冲振荡的生物力学特点,形成弹性颞下颌关节机构型式;然后,本文探讨了弹性颞下颌关节对咀嚼机器人在自由度、运动学与动力学等方面的影响,根据关节面几何约束对颞下颌关节的位置与速度进行运动学分析,并进行基于拉格朗日方程的动力学分析;最后,使用响应面法对弹性元件预载荷以及刚度取值的影响进行分析。本文结果表明,弹性颞下颌关节能够有效保证关节的灵活运动与稳定受力。综上,本文所提出的弹性颞下颌关节机构方案进一步提升了咀嚼机器人仿生性,也为粘弹性关节盘的仿生设计提供了新思路。     

室间隔缺损封堵器的有限元建模及分析

目的分析编织角度与材料对室间隔缺损(ventricular septal defect,VSD)封堵器使用效果的影响,为器械设计提供理论依据与指导。方法建立3种编织角度(30°、45°、60°)封堵器的有限元模型,分析比较两种编织材料镍钛合金(nickel titanium,Ni Ti)、聚对二氧环已酮(poly-p-dioxanone,PPDO)封堵器在腰部分别受径向和轴向载荷下的支撑效果。结果5 k Pa径向载荷下,30°、45°、60°Ni Ti封堵器的腰部径向刚度分别为8.60、1.51、0.99 m N/mm~3,45°PPDO封堵器腰部径向刚度为7.35 m N/mm~3。0.5 rad轴向弯曲下:30°、45°、60°Ni Ti封堵器腰部最大径向形变分别为1.17、1.24、0.22 mm,45°PPDO封堵器腰部最大径向形变为0.54 mm。结论同种材料情况下,编织角度为60°的封堵器腰部径向刚度最小,径向支撑性能最佳;60°封堵器腰部最大径向形变最小,轴向弯曲性能最佳,顺应性最好。同种编织角度情况下,Ni Ti封堵器腰部径向刚度较小,径向支撑性能较佳;PPDO封堵器腰部最大径向形变较小,轴向弯曲性能较佳,顺应性较好。