人腰背筋膜的动态响应

本研究对人胸腰段脊柱的粘弹特性作了观察，对两组４０～８５岁的人体胸腰椎标本作了单轴拉伸断裂试验。根据解剖学纤维方向（即尾内侧和尾外侧方向）来选择两组标本。以五种不同的应变速率来判断标本的生物力学特性。获得每组标本的最大断裂应力、应变和杨氏模量。结果表明，两种解剖方向之间各种生物力学参数均无显著差异。然而，实验发现最大断裂应力、应变和杨氏模量随应变速率增加而增加。应变速率大于３／秒，则断裂应变和杨氏模量保持不变，提示已达到上限。     

膝关节前交叉韧带断裂单髁置换生物力学特性的有限元分析

目的基于人体膝关节CT和MRI图像建立前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)断裂和正常膝关节三维实体模型,采用有限元方法研究ACL断裂膝关节在不同屈膝角度对植入假体生物力学性能的影响。方法结合临床单髁置换手术方案植入第3代牛津单髁(OxfordⅢ)假体,其中胫骨假体后倾7°,建立膝关节屈曲0°、30°、60°、90°和120°单髁置换的三维有限元模型,在股骨中心点上施加1 k N压缩载荷,分析5种屈膝角度下股骨假体、半月板衬垫、胫骨假体的应力分布情况。结果膝关节ACL断裂组与正常组在5种屈膝状态下,半月板衬垫的最大主应力在ACL断裂组与正常组之间最大相差幅度为62. 5%,在0°、30°、60°和120°屈膝状态下ACL断裂组最大应力均大于正常组;股骨假体在ACL断裂30°时的最大应力明显增加,其余4种屈膝状态下应力的最大增幅为60. 81%;胫骨假体在5种屈膝状态下ACL断裂组最大应力比正常组分别增加了19. 07%、36. 78%、25. 69%、-4. 38%、51. 19%。当ACL断裂后,除屈膝90°外半月板衬垫和胫骨假体上的均布应力均大于正常组,在屈膝30°和120°时对半月板衬垫的磨损较大。结论单髁置换假体的应力分布随膝关节屈曲角度和ACL功能的变化而存在差异,ACL断裂组应力整体趋势大于ACL正常组,且应力集中于内侧区域,在屈膝120°时应力最大,磨损最为明显。研究结果为临床膝关节ACL断裂单髁假体置换的手术方案和半月板假体的优化设计提供理论依据。     

伞式经跟骨缝合组合修复跟腱断裂的实验研究

目的 评价伞式经跟骨组合缝合法修复跟腱断裂的生物力学特性。方法 采用伞式经跟骨缝合法，组合应用0-薇乔线(Poliglactin-910)、腱周采用交叉缝合法修复8只家兔单侧跟腱断裂模型，术后固定3天，功能锻炼25天后行离体生物力学实验。结果术后28天组达正常组跟腱生物力学特性的90％。结论 采用伞式经跟骨组合缝合法修复跟腱允许早期康复活动，早期功能锻炼可以迅速提高跟腱的生物力学特性。     

颈椎旋转手法对兔颈动脉粥样硬化血管 拉伸力学特性的影响

目的 研究颈椎旋转手法对兔颈动脉粥样硬化血管拉伸力学特性的影响,为颈椎旋转手法的安全性提供依据。方法 20只雄性新西兰兔随机分为2组,每组各10只,均饲高脂饮食12周建立动脉粥样硬化动物模型。12周后对实验组兔行颈椎旋转手法,每日左、右各旋转1次,共4周;对照组不作手法处理。手法结束后处死兔,取双侧颈动脉,利用生物组织材料力学试验机测定颈动脉拉伸最大载荷、最大形变、平均载荷、弹性模量和断裂延伸率等指标以及输出应力—应变曲线。结果 实验组颈动脉拉伸最大载荷(1.36±0.35) N,最大形变(6.84±2.08) mm,平均载荷(0.44±0.30) N,弹性模量(4.30±2.66) MPa,断裂延伸率(83.08±51.32)%;对照组颈动脉拉伸最大载荷(2.92±0.65) N,最大形变(9.23±2.62) mm,平均载荷(1.17±0.63) N,弹性模量(3.71±0.60) MPa,断裂延伸率(154.19±34.32)%。其中,实验组颈动脉拉伸的最大载荷、平均载荷和断裂延伸率明显小于对照组（P<0.05）;而最大形变以及弹性模量在两组中差异无统计学意义（P>0.05）。结论 经颈椎旋转手法后,颈动脉粥样硬化血管的拉伸力学特性下降,应注意颈椎旋转手法操作的力度和幅度,以免伤及颈动脉。     

伤椎椎弓根置钉治疗胸腰椎压缩性骨折的三维有限元分析

背景：有文献报道伤椎置钉技术较传统4钉跨阶段固定具有更强的牢固性,可有效避免内固定的松动断裂,但其生物力学机制研究尚显不足。 目的：构建脊柱胸腰椎单纯压缩性骨折的三维有限元模型,探讨伤椎附加椎弓根螺钉置入治疗胸腰椎压缩性骨折的生物力学效应。 方法：将一T12椎体压缩性骨折患者脊柱胸腰段超薄CT扫描数据输入Mimics软件中,构建T12椎体压缩性骨折的有限元模型,在此模型基础上模拟伤椎置6钉和跨节段4钉内固定,对两个模型分别施加垂直压缩、前屈、后伸、左屈及右旋载荷。 结果与结论：两组固定模式各种载荷下的应力均集中在螺钉根部,在垂直载荷下,螺钉的应力最小,右旋和左屈载荷下的应力最大;在垂直压缩、前屈、后伸、左侧弯及右旋运动下,上位螺钉较下位螺钉应力大(P < 0.05)。伤椎置6钉固定组螺钉应力较跨节段4钉固定组小(P < 0.05)。两组T11椎体最大位移无差别。表明伤椎附加椎弓根螺钉置入可以优化内固定的载荷,减少断钉率。     

镍钛记忆合金腕骨四角融合器的生物力学特性

目的:评价镍钛记忆合金腕骨四角融合器(NiTi shape memory alloy four-corner arthrodesis concentrator,NT-FCAC)的生物力学特性。方法:32侧头状骨、月骨、三角骨、钩骨标本分别采用NT-FCAC和克氏针固定,体外模拟四角融合术,858型双轴液压材料测试系统(858-MTS)测试固定强度;2件NT-FCAC施加20～200N循环拉伸载荷(1Hz),达到6%记录形变时的循环载荷次数;100N下压力和上提力加载NT-FCAC有限元模型,了解应力分布情况;分析试验结果,评价NT-FCAC生物力学特性。结果:NT-FCAC组固定强度大于克氏针组(P<0.05);2件NT-FCAC发生形变达到6%时,施加载荷次数分别为4239和4068次;应力分布集中在NT-FCAC体部与4个固定臂交界处。结论:NT-FCAC固定强度可满足四角融合术后不需外固定、早期功能锻炼的要求;疲劳度可满足四角融合后达到骨性愈合的需要;最易疲劳、断裂部位在NT-FCAC体部与4个固定臂交界处。     

上颈椎C0-C3节段不同载荷作用下生物力学特性的有限元分析

研究上颈椎C0-C3活动节段在不同载荷作用下前屈、后伸、侧屈和旋转时椎体应力、关节活动度(range of motion,ROM)及椎间盘的应力分布情况,探讨载荷改变对上颈椎生物力学特性的影响。基于CT图像数据建立人体上颈椎有限元模型,模型包括皮质骨、松质骨、纤维环、髓核、关节软骨、终板及韧带等结构,根据解剖特征赋予不同部位的材料属性,计算分析上颈椎C0-C3各节段在不同力矩作用下屈伸旋转时颈椎ROM、椎体应力和椎间盘最大应力变化趋势,与前人离体试验和有限元结果进行对比验证。人体上颈椎C0-C3节段在40 N和1.5 N·m载荷作用下,前屈时ROM最小,C0-C1、 C1-C2、C2-C3各节段ROM分别为1.88°、2.16°和1.59°;后伸时ROM大于前屈,最大相差幅度为2.32°;侧屈时ROM大于前屈,增幅分别为2.57°、2.41°和0.49°;轴向旋转时ROM最大,相对于侧屈ROM分别增加了247.64%、282.71%和-43.27%。当施加40 N预载荷和1.0、1.5、2.0、2.5 N·m力矩时,随着力矩等值增大,上颈椎C0-C3节段整体ROM呈非线性增加,变化特征为前屈时最小,旋转时最大;椎间盘最大应力值呈非线性增加(前屈和侧屈)和减少(后伸和旋转),ROM和应力分布趋势和前人研究结果一致。上颈椎三维有限元模型在不同载荷下数值分析的结果符合正常人体颈椎生理活动范围和生物力学特性,为临床颈椎病理和生理的生物力学研究提供理论依据。     

转基因兔骨髓间充质干细胞对异体跟腱重建前交叉韧带生物力学特性的影响

目的分别观察转PDGF-BB、VEGF165和TGFβ1基因的兔骨髓间充质干细胞(mesen chymal stem cells,MSCs)施加于异体跟腱重建兔前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)的影响,探讨改善和加强异体移植物重建ACL的途径。方法40只成年新西兰大白兔随机分为5组,每组8只。选用经Gamma射线照射,-80℃储存的同种异体跟腱进行前交叉韧带的重建。1组为对照组,2组为细胞组(MSCs),3组为经逆转录病毒转染稳定表达PDGF-BB的MSCs(PDGF-BB组),4组为经腺病毒转染稳定表达VEGF165的MSCs(VEGF165组),5组为经腺病毒转染稳定表达TGFβ1的MSCs(TGFβ1组)。各组细胞混合l00μL纤维蛋白胶粘附于重建韧带表面,术后12w取材。结果组织学观察发现,VEGF165组新生血管和成纤维细胞浸润高于其他各组。生物力学测试证明,PDGF-BB组和TGFβ1组移植物的最大载荷刚度、吸收能和最大拉张强度明显较对照组增强(P<0.05),细胞组和VEGF165组最大载荷、刚度和吸收能虽高于对照组,但无显著差异(P>0.05),VEGF165组拉断位移大于对照组(P<0.05)。所有实验组移植物、正常ACL和跟腱都在体部断裂。结论转VEGF165基因的MSCs可增加重建韧带的血管,但对生物力学功能无改善;转PDGF-BB基因和TGFβ1基因的MSCs有加速重建韧带成熟的作用。     

自制组合式可变应力接骨板固定股骨干骨折生物力学研究

目的探讨自制组合式可变应力接骨板固定股骨干骨折生物力学研究。方法将选取的15个股骨标本随机分为对照组、普通加压组、组合式可变应力组3组,每组5个。比较3组股骨前屈、后屈、压缩实验不同载荷下的最大位移。结果 3组股骨前屈、后屈实验20N、60N载荷下及压缩试验100N、300N载荷下的最大位移比较差异均无统计学意义(P0.05);组合式可变应力组和普通加压组前屈、后屈实验100N载荷下及压缩试验500N载荷下的最大位移均高于对照组(P0.05);组合式可变应力组前屈、后屈实验100N载荷下及压缩试验500N载荷下的最大位移均低于普通加压组(P0.05)。结论体外模拟股骨干骨折应用自制组合式可变应力接骨板固定有较好的生物力学特点,在不同作用力下均能保持较小的位移,变形抵抗能力好。     

不同鞋条件对后跟着地跑者跟腱负荷特征的影响

目的 探究不同鞋条件（极简鞋和传统跑鞋）对跑步时跟腱负荷特征的影响。方法 招募16名健康男性后跟着地跑步爱好者,要求其以3.16~3.50 m/s速度在两种鞋条件下完成跑步实验。采用超声影像仪获取跟腱横截面积成像。采用运动捕捉系统和三维测力台获取踝关节矢状面运动学和地面反作用力数据,并计算踝关节和跟腱的力学参数。采用配对样本t检验比较两种鞋条件对各因变参数（踝关节角度、触地角度、跟腱力、应力、应变等）的影响。结果 与传统跑鞋相比,穿着极简鞋时的足触地角度显著降低39.9%。同时,踝关节力矩、跟腱力峰值、跟腱负载率峰值和平均负载率均显著增加,而达到跟腱力峰值的时间显著减小。穿着极简鞋时的跟腱应力峰值、跟腱应变峰值及其应力率和应变率峰值也显著增加。结论 习惯穿着传统跑鞋并采用后跟着地的跑者在穿着极简鞋后显著增加了跟腱的负荷特征,建议该类跑者循序渐进地过渡至极简鞋,以适应性地提高跟腱承受负荷的能力。     

基于有限元模型的踝关节生物力学分析*

背景：有限元力学分析在生物力学领域广泛应用。 目的：采用大型有限元软件ANSYS对踝关节三维有限元数字模型进行生物力学分析,探讨踝关节各组成骨的应力分布规律及其发生形变、位移情况。 方法：把经MIMICS、Geomagic和ANSYS处理后生成的踝关节三维数字模型导入软件ANSYS中,经过约束条件、施加载荷、求解试算等阶段,对其各组成骨进行有限元分析。 结果与结论：①静止直立位时,踝关节各组成骨最大应力区集中在内踝与距骨相关节处、胫骨远端关节面髁间线前部、胫骨中下段前缘皮质区及距骨滑车外侧部;最小应力区集中在外踝、胫骨远端内侧皮质区、距骨头、距骨颈;最大位移发生在距骨头,位移自下而上逐步减小;最小位移发生在胫骨、腓骨中下段1/3处。②高空坠落时,最大应力区集中在胫骨中下段前缘皮质区、距骨滑车前外侧、内踝内侧皮质区以及胫骨远端关节面髁间线前部。其中胫骨中下段应力集中区随着压力的增加,稍向内侧移位。距骨滑车外侧部最大应力集中区位置无明显变化,范围逐渐加大。最小应力区集中在外踝、胫骨远端关节面外侧部、距骨头、内踝的外侧皮质;随着压力不断加大,内踝外侧皮质的小应力蓝色区域范围逐渐减小;外踝逐渐出现应力稍大的淡蓝色区域,提示所受应力加大。最大位移发生的部位自距骨头向上,经距骨颈、胫距关节面到胫腓骨中下段逐渐减小,到胫腓骨中下段时减到最小。     

实验性肌肉拉伤的生物力学研究

本文研究了２０只成年兔拉伤后不同时期的生物力学性能。所有动物的左胫前肌被拉伤，右胫前肌作为正常对照，分别在拉伤后０、１、２、３、７天将动物麻醉后进行了力学的测试，测试生物力学指标有：肌最大收缩力、断裂载荷、断裂时的伸长、能量吸收和肌肉硬度以及断裂部位。     

带血管蒂肌腱移植修复跟腱缺损的实验研究

目的为带血供肌腱移植修复跟腱缺损提供生物力学和组织学依据.方法选用新西兰大白兔15只,其中12只分两组一侧行带血管蒂趾长屈肌腱转位修复跟腱缺损,对侧为游离肌腱移植对照组,术后12周取材,分别行组织学检查和生物力学测试.结果带血管蒂肌腱组移植跟腱组织学形态近似正常跟腱,肌腱最大拉伸力为正常跟腱的67.7%,而游离肌腱组移植跟腱的腱纤维为瘢痕包裹,最大拉伸力为跟腱的35.3%,两者的差异性非常显著(P＜0.01).结论带血管蒂肌腱移植修复跟腱缺损优于游离肌腱移植.     

三维组架螺钉与环形钢板治疗Sanders ⅢAB型 跟骨骨折的有限元分析

目的 探讨三维组架螺钉与环形钢板对Sanders ⅢAB型跟骨骨折的生物力学稳定性的影响。方法 收集1名26岁志愿者跟骨CT和MRI数据,建立Sanders ⅢAB型跟骨骨折的三维有限元模型,分别使用三维组架螺钉与环形钢板固定,施加700 N纵向载荷,比较不同模型骨块及内固定应力与位移变化情况。结果 在700 N纵向载荷下,两组模型骨块最大位移以及骨块与内固定最大应力均集中于后距关节面内固定与骨折线相交处。三维组架螺钉模型与环形钢板模型骨块整体位移相近。相较于环形钢板模型,三维组架螺钉模型骨块及内固定的最大应力和平均应力更小,位移与应力变化情况更接近完整跟骨模型。结论 Sanders ⅢAB型跟骨骨折固定时,三维组架螺钉与环形钢板两种固定方式均能提供良好稳定性。三维组架螺钉的生物力学性能优于环形钢板,更符合生物力学特点。     

基于三维有限元仿真模拟的踝骨损伤生物力学分析

采用核磁共振扫描仪和Autodesk三维建模软件构建的踝骨实体模型,导入美国ANSYS生产的大型通用有限元分析软件中,获取踝骨三维仿真有限元数字模型,分析不同载荷下踝骨损伤生物力学的三维有限元模型,通过踝骨位移云图、踝骨应力分布云图以及踝骨应变分布云图,分析踝骨整体的位移变化,判断踝骨的受损位置和踝关节的形变量,得到踝骨在不同荷载下的等效应力、等效弹性应变和总形变情况。实验结果表明,静止中立位踝骨各组成骨发生位移会随着踝骨受到载荷力的增加而增加;内翻位踝骨受到大于1 600 N荷载容易发生骨折;不同踝骨屈服角度下,踝骨中立位随牵引力增加,距骨前移距离最大,且踝骨发生背屈屈服时的距骨位移略大于跖屈屈服。     

应力负荷下兔肩袖急性断裂重建术后腱-骨修复过程中生物力学特性的研究

目的　探讨应力刺激训练对兔肩袖急性断裂术后修复过程中腱-骨结构生物力学特性的影响。  方法　取新西兰白兔45只（ 2.0～2.5 kg）,术前随机选取5只处死、行生物力学指标检测,作为对照。余白兔随机分为2组：A组（应力负荷组）,B组（与非应力负荷组）,A组术后第二周开始训练,B组正常笼养。分别于术后第2、4、6、8周最后1d训练结束后处死、取材,每组每次处死5只,并行生物力学指标检测。结果数据均采用x±s表示,数据采用SPSS 13.0统计软件处理。  结果　术后2、4、6周,组间比较,最大强度值（P=0.002、P=0.000和P=0.009）与最大载荷值（P=0.001、P=0.000和P=0.000）均存在差异,应力负荷组值较非应力负荷组大。刚度值在术后6、8周,应力负荷组与非应力负荷组之间均存在差异（P=0.000和P＝0.000）,应力负荷组刚度值比非应力负荷组大。  结论　一定的应力刺激可以改善兔肩袖急性断裂术后腱-骨修复过程中的力学性质。     

不同材料赋值属性下髋关节有限元分析

目的 探讨 3 种不同建模方式对髋关节有限元模型生物力学特性的影响,研究出更符合实际的髋关节的材料属性赋值方法。 方法 对髋关节模型进行三维重建,分别采用皮-松质骨赋值法、均一赋值法和灰度赋值法完成材料参数赋值,设定相同的边界条件和载荷,模拟单腿站立位状态下髋关节受力情况,对比 3 组模型的髋关节应力和形变情况。 结果 3 种不同建模方式下髋关节应力均集中于股骨颈内侧,皮-松质骨赋值法、均一赋值法、灰度值赋值法模型 von Mises 应力峰值分别为 11. 04、3. 91、4. 25 MPa。 皮-松质骨赋值法模型最大形变位于股骨大粗隆上部,髋臼与股骨头处最大形变值为 0. 27 mm。 均一赋值法模型及灰度值赋值法模型最大形变位于髋臼与股骨头处,最大形变值分别为 0. 11、0. 12 mm。 结论 根据髋关节 CT 数据灰度值进行梯度赋值,使得髋关节模型材料属性分布更接近骨骼真实的材料属性。     

改良环扣式传感器用于兔在体跟腱的生物力学测试

目的探讨在体跟腱的生物力学行为。方法对环扣式传感器进行改良;选用45只家兔均分三组,A组(正常左侧跟腱),B组(正常右侧跟腱),C组(失胫神经支配的左侧跟腱),以改良环式传感器对A、B、C三组的跟腱进行生物力学测试。结果家兔跑跳时的张力曲线主要有4种,即I、II、III、IV;失胫神经支配状态下的一侧跟腱的生物力学参数明显低于常态(P<0.05)。结论改良环扣式传感器用于在体跟腱的生物力学测试具有可行、稳定、灵敏等优点。     

髋臼内陷技术对成人DDH全髋关节置换术 髋臼杯生物力学影响的有限元分析

目的 探讨髋臼内陷技术对成人发育性髋关节发育不良（developmental dysplasia of the hip,DDH）髋关节置换术后髋臼假体的生物力学效应。方法 获取1名成人单侧DDH患者双侧髋关节CT图像数据,进一步构建患侧半骨盆有限元模型,在此基础上,建立臼杯不同内陷水平的有限元模型,对比分析原位组和不同水平内移组之间的生物力学差异。结果 在模拟拔出试验中,原位组最大抗拔出载荷强度为1 166 N;相比原位组,4 mm和8 mm内移组抗拔出载荷强度分别增加了45.8%和57.1%;原位组髋臼假体在步态周期站立位相载荷工况下的臼杯-骨界面最大微动为166.4 μm,内移4 mm及8 mm组相对原位组分别减少了46.2%和62.1%。对于臼杯植入后髋臼周围即刻应力分布,不同组别之间的差异并不显著;而在步态周期站立位相载荷工况下,原位组髋臼周围平均应力及峰值应力均最小,平均应力随内移程度的增加而增大,内移4 mm组峰值应力最高。结论 相较原位植入假体,髋臼内陷技术可以提高假体初始稳定性,稳定性和内移程度成正比。但内移程度不足导致骨覆盖面积不足时,臼杯-骨界面边缘应力显著增加,可能会导致假体相关并发症风险的升高。     

致伤物接触面积对家兔颅骨骨折的影响

目的 探讨不同接触面积致伤物在准静态压缩条件下对家兔颅骨骨折生物力学响应参数的影响。方法 将家兔分为保留头皮及去除头皮两组,每组按致伤物接触直径不同分为3、6、9 mm组,每组9只,合计54只。将所有家兔过量麻醉处死后制作成头颅压缩模型。采用电子万能材料试验机对家兔颅骨进行准静态压缩至骨折,分别检测各组家兔颅骨极限载荷、极限载荷作用下形变、压缩强度等生物力学响应参数。结果 保留头皮组及去除头皮组家兔颅骨在不同接触面积下极限载荷、极限载荷作用下形变、压缩强度组间差异均具有统计学意义。极限载荷与接触面积呈正相关,压缩强度与接触面积呈负相关,极限载荷作用下形变与接触面积不存在相关性。保留头皮与去除头皮组间比较,仅接触面直径为3 mm组极限载荷作用下形变的组间差异具有统计学意义,其余各组均不存在统计学意义。结论 接触面积与家兔颅骨骨折极限载荷呈正相关,与压缩强度呈负相关,与极限载荷作用下的形变不存在相关性,且与是否去除头皮无关。