生物力学在骨伤科中的应用

一、生物力学及其临床意义目前生物力学是活跃在自然科学前沿的新兴边缘科学之一,作为一门独立学科,在国际上才有20-30年历史。生物力学是研究生物体中力学问题的科学,是力学、生物学、医学等学科之间相互渗透的边缘科学,它将这些科学的基本原理和方法有机的结合起来,同时它还广泛应用了物理学和应用数学的概念和方法。它的研究范围不仅包含动物、植物,而且把病毒也作为研究对象,所以有人把它叫做生命力学。生物力学研究的内容包括:生物组织的力学性质,生物器官的力学性质,整体生物力学性质,按研究对象可分为生物固体力     

骨力学理论在骨折诊治中的实际意义

骨伤科做为研究人体运动系统疾病的学科,它与生物力学紧密相关。骨生物力学(以下简称骨力学)为生物力学的分支,在六十年代后期开始逐渐发展起来。骨力学是以骨骼为对象,研究骨的机械运动规律的科学。它通过对骨和骨骼系统的力学性质的剖析和研究,将不断揭示骨骼生长、发育、畸变、衰退等一系列进程中与力作用之     

胃肠道生物力学——胃肠道动力学研究的新领域

“生物界从构成分子到有机整体,一切都遵循力学的法则（规律）”,当代生物力学之父冯元帧教授在他的生物力学著作中这样写道。冯教授从20世纪50年代开始研究生物力学,由于他在生物力学界的杰出贡献,特别是在心血管生物力学中的重大发现被誉为当代生物力学之父,是当今惟一获得美国三院院士（科学院、工程学院及医学院）和中国科学院院士的科学家。     

基于踝关节生物力学特点的膝骨关节炎临床研究进展

从踝关节生物力学的角度综述膝骨关节炎(KOA)的临床研究进展。通过整理国内外文献,概述KOA发生及发展过程中下肢运动链(髋-膝-踝)的生物力学机制。在步行活动中,踝关节是膝与地面作用的中间环节,膝-踝关节间力学联系紧密; KOA可造成踝关节结构和功能异常,踝关节损伤或功能下降亦可诱导或加重KOA。基于踝关节生物力学特点,临床治疗采用足部矫形器、改变足前进角、中医手法和太极拳等康复疗法,取得一定疗效。     

种植体骨界面形成研究进展

随着种植牙越来越广泛的应用,种植义齿的生物力学研究已成为种植义齿研究中很重要的一方面。种植义齿的生物力学影响因素有种植体材料、形态结构、表面处理、颌骨结构和受力情况等。目前研究仍不深入,有待进一步研究。     

有限元法在股骨头缺血性坏死生物力学中的应用

目前,股骨头缺血性坏死（osteonecrosisoffemo-ralhead,ONFH）过程中生物力学因素的影响日益受到人们的关注。随着工程力学与医学的结合,有限元分析作为一种新的生物力学研究手段,逐渐被应用到医学领域。Brlelmansn^[1]和Rybicki^[2]在1972年首次将有限元法应用于骨科生物力学的研究。近年来发展迅速,尤其随着软件技术和计算机的不断发展,特别是利用临床影像学与CAD、CAM技术结合的三维有限元分析法在骨科生物力学研究中越来越占重要地位^[3-9]。本文就近年来FEM在ONFH生物力学中的应用研究综述如下。     

新型复合骨科内置物的生物力学研究进展

不锈钢和钛等金属一直是作为传统骨科内置物的最常用材料,但其在临床上仍然存在着耐磨性差导致的松动和应力屏蔽导致的骨愈合强度差等生物力学局限。新型复合骨科内置物因其优良的生物相容性、高强度、良好的耐磨性等优异的生物力学性能在骨科内置物中备受关注。为评估和提升新型骨科内置物的性能,确保其安全性和有效性,研究其生物力学性能对骨科内置物至关重要。文章结合近年来新型复合内置物在创伤骨科、关节骨科、脊柱骨科、临床前的潜在研究四个方面的生物力学研究进展进行综述,以期为新型骨科内置物的临床应用提供有价值的参考。     

有限元方法在腰椎生物力学研究中的运用

有限元法是较新的脊柱生物力学研究方法,其与传统生物力学方法相互补充和验证的作用越来越受到重视。近二十几年来,有限元分析法在脊柱生物力学研究领域中已得到日益广泛的应用。本文简述了有限元法的概念及发展过程;介绍近年来有限元方法在腰椎椎体、正常腰椎间盘及退变腰椎间盘生物力学研究中的运用;评价该方法的优缺点及发展方向。     

生物力学图书文献的筛选与阅读推广

结合医学图书馆资源建议中存在的实际问题，通过研究生物力学领域的高被引、高下载文献，对生物力学图书文献的筛选策略进行了设计和优化，设计了一套针对生物力学图书的筛选办法，选出12组“生物力学”的高频词组，描述出“生物力学”论著图书的中图分类号主要分布在“生物医学工程”与“骨科学”。     

STBM-2型软组织生物力学分析仪的研制

软组织生物力学的出现为医学研究提供了更为广阔的空间 ,但是 ,由于软组织的生物力学特性并不等同于普通材料的力学特性 ,因此研究手段也不尽相同。如何设计既满足生物软组织力学特性 ,又符合力学基本原理的生物力学试验方法 ,人们经历了延用普通材料力学的方法、离体生物力学方法、在体生物力学方法和活体生物力学方法几个阶段[1] 。目前 ,多种试验装置已被设计出来并加以试用 ,如实时测量生物材料二维变形的装置等[2 ,3 ] ,测试张力、压力和二维实验的装置[4～ 6] 。这些装置各具特色 ,综合应用力学、生物、图像分析、自动控制和计算机科…     

脊柱生物力学中有限元方法的应用与进展

有限元法是较新的脊柱生物力学研究方法,其与传统生物力学方法相互补充和验证的作用越来越受到重视。文章介绍近年来有限元方法的研究成果,阐述脊柱的各个解剖结构及整体在生理和病理状态下的生物力学特征,以及有限元分析设计手术器械的基本思路。     

下腰椎的三维有限元分析

目的为研究下腰椎活动提供三维有限元力学模型。方法选取成年男性的下腰椎典型CT影像,建立几何模型后利用有限元划分和分析软件建立有限元模型,设定边界条件并加载负荷,记录下腰椎在前屈、后伸、侧屈和轴向旋转等不同工况下的运动范围和应力分布。结果建立的下腰椎三维有限元模型中4面体单元总数为114953。模型在各工况下的运动范围与体外生物力学试验所测定的结果比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论建立的下腰椎三维有限元模型能够模拟下腰椎的生理活动,可用于进一步的研究。     

骨缝精确标识性颅面骨三维有限元模型的建立

目的建立骨缝精确标识性颅面骨三维有限元模型，为进一步开展各种正畸一矫形力作用下的颅面部生物力学研究提供一处重要的平台。方法选择替牙晚期10岁女孩干燥头颅骨作为材料供给，要求颅面骨完整无缺损，各骨缝结构保存完好。采用丁氧膏精确定位颅面骨各相关骨缝和标志点的具体位置，螺旋CT扫描获得颅面骨各断层的二维影像，并借助ANSYS程序生成实体模型。根据骨缝标志点的三维坐标确定颅面骨各骨缝结构的空间定位，采用光滑平面简化处理骨缝接触面，骨缝宽度设定为0．2mm。网格划分，力学参数设定，最终建立起骨缝标识性颅面骨三维有限元模型。结果所建立的骨缝标识性颅面骨三维有限元模型几何形态逼真，与实体标本以及三维CT影像相比具有较高的相似性，模型共包括21480个节点和83688个单元。结论通过在干燥头颅骨上对相关骨缝结构进行精确标识，并在建模时做适当的简化处理将骨缝结构所特有的生物力学性质融入三维有限元模型中，进一步提高了所建模型的仿真程度。     

胆囊三维有限元力学模型的构建

目的 建立人胆囊三维有限元力学模型,用于胆囊的非侵害性生物力学研究和手术模拟.方法 根据胆囊的解剖学数据,在参数化CAD软件PRO/E中建立胆囊的三维交互式CAD模型,以IGES格式导入到通用有限元分析软件ANSYS中,以20节点SOLID95单元划分几何模型并赋材料属性建立有限元模型.模拟胆囊底受钳夹的工况,分析胆囊在位移载荷下的形变和应力分布.结果 成功建立了具有几何相似性和物理相似性的三维胆囊有限元模型,包含了胆囊底、体、颈结构,共14 520个单元,82 524个节点.模拟胆囊底受钳夹工况时,形变集中在胆囊底顶部区域,而应力集中在胆囊床边缘和胆囊颈与胆囊管部.结论 有限元法可模拟胆囊在手术中的力学响应,可用于胆囊的生物力学研究.     

人体胸部有限元模型研究

目的 建立人体胸部的三维有限元模型,以用于单兵防护工程研究.方法 以CT的扫描数据为重建源图像,利用医学图像重建软件Mimics进行三维重建;在有限元前处理软件ANSYS ICEM CFD中进行单元网格划分,并为模型各部分指定相应的材料特性参数;在有限元软件ANSYS LS-DYNA中完成有限元模型建模,并参照既往尸体实验数据检验模型有效性.结果 建立了近似人体胸部解剖结构的有限元模型,模型的模拟计算结果和既往尸体实验结果基本相符.结论 利用人体断层数据和专业软件,能够完成有限元模型的重建,模型能够满足单兵防护工程研究中进行人体胸部冲击相关数值分析的需要.     

Fluidity of erythrocyte membranes in patients with ischemic cerebral vascular disease

Measurement of fluidity of erythrocyte membrane (FEM) in thirty-six patients with ischemic cerebral vascular disease (ICVD) by fluorescence polarization of DPH (1,6,-Diphenyl-1,3,5-hexatriene) labelled on lipo-region in intact erythrocyte membrane. Twenty one healthy subjects without any stagnation of blood as control. Also research on coefficient of multiple correlation among the FEM and other factors in whole blood or plasma by using stepwise multi-regression analysis. The results revealed that: (1) FEM of patients with ICVD was 3.55 +/- 0.21 (eta), which was significantly higher than that of healthy subjects (2.77 +/- 0.12 eta), P less than 0.001. (2) The FEM of patients with ICVD were positive correlation with RBC electrophoresis rate, whole blood viscosity and low density lipo-proteins and were negative correlation with high density lipo-proteins. These findings suggested that it would be available for preventing ICVD by increasing of the surface charge on erythrocyte and of the high density lipo-proteins.     

Perfect与Replace种植体延期负重颈部骨应力比较

目的：研究延期负重时Perfect种植体与Replace种植体颈部骨质应力分布情况。方：借助医用CT电子扫描技术、图像传输与转换技术以及三维有限元软件模拟建立上颌骨前牙区的三维有限元模型,分别模拟植入Perfect种植体及对照组的Replace种植体,比较分析两种种植体在即刻负重时牙槽嵴顶皮质骨的应力分布情况。结果：延期负重时,Perfect种植体在牙槽嵴顶部的等效应力和压应力略小于Replace种植体在牙槽嵴顶部的等效应力和压应力,拉应力则略大于Replace种植体在牙槽嵴顶部的拉应力。结论：延期负重条件下,Perfect种植体在牙槽嵴皮质骨的应力分布与Replace种植体相似,仅从生物力学方面考虑,Perfect种植体不会加快种植体颈部牙槽嵴的吸收速度。     

颅颌面形态有限元分析系统的初步建立

初步建立一个用于颅颌面形态变化研究的有限元分析系统。方法：程序用ＢｏｒｌａｎｄＣ语言编写，对临床常用的Ｘ线头颅定位片进行分析，将呆分析的头颅定位片描在硫酸纸上，用图形数值化仪把节点输入计算机。根据有限元分析法的原理，将头颅定位片上的颅颌面结构份割许多三角形单元，用应变张量来描述颅颌面形态变化。     

材料残余应力对硬度测试影响程度的分析

测试了材料在残余应力下的硬度,分析了残余应力影响下的弹塑性本构关系,并进行了有限元计算,实验结果和计算结果吻合程度较高,说明有限元分析正确,在此基础上,定性定量地分析了残余应力对于硬度的影响,建立了硬度与残余应力之间关系的拟合函数公式。研究结果表明：残余拉应力对硬度影响明显,而残余压应力对硬度影响较小;载荷大小和残余拉、压应力程度影响压痕周围弹塑性变形从而产生隆起量或下沉量,引起压痕深度、接触面积的变化,影响硬度测量值。     

颈椎（C0～C3）有限元模型的建立及验证

目的：建立具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性有限元模型并验证其有效性。方法：对1名健康成年男性,以层厚0．6mm进行连续颈部CT扫描得到骨窗断层图像,将CT数据导入到三维重建软件Mimics11．0中得到上颈椎的三维图像数据,再导入ANSYS8．1中生成上颈椎的三维骨性模型。依据文献资料及参考CT结果对上颈椎软组织进行建模,包括椎间盘、小关节和主要韧带结构。最后模拟生理载荷下测定模型各节段（C0-C1,C1～C2,C2～C3）的三维运动范围,并将所得结果与体外生物力学实验结果进行对比,验证所建颈椎有限元模型的有效性。结果：建立了一个较为详尽的上颈椎有限元模型。包括76799个10-node Solid 92单元,14670 Shell 93单元,80个2-node Link 10单元．1557个8-node Solid 45单元,56个Shell 63单元。结论：该模型的生物力学和几何学相似性很好．本实验方法是科学的、精确的。