具有分区域梯度硬度结构的定制减压鞋垫设计

目的针对高弓足等有足底减压需求的人群,设计一种具有分区域梯度硬度的定制化鞋垫。方法设计一种功能梯度结构,应用于定制化鞋垫,使鞋垫不同区域具有梯度变换趋势的硬度特征。通过力学试验,研究结构单元参数和模量之间的关系。采集志愿者足部几何形状和足底压力分布数据,根据压力等高线对足底区域进行划分,以此组装结构单元。设计4种定制化鞋垫:普通平板鞋垫、优化平板鞋垫、普通全接触鞋垫、优化全接触鞋垫。通过熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM)打印,再进行足底压力测试实验,验证分区域的优化设计。结果所设计的鞋垫可使高弓足测试者足部峰值压力在静态站立、步态状态下分别降低52.8%、18.43%。结论该方法可用于设计定制鞋垫,如针对糖尿病足、高弓足的功能鞋垫,提供更好的减压功能。研究结果为临床保守治疗有减压需求的足部疾病提供参考。     

外侧楔形鞋垫对足踝生物力学影响的有限元分析

目的 探究外侧楔形鞋垫对足踝内部组织(包括足骨、关节和韧带)的生物力学影响。 方法 建立并验证足踝-鞋垫-地面三维有限元模型,探究步态 3 个关键瞬间赤足模型和鞋垫干预模型的足底压力分布、关节接触压力、跖骨及主要韧带的应力。 结果 5°外侧楔形鞋垫模型足底峰值压力比赤足模型减小 65. 8% 。 鞋垫干预使楔舟关节处峰值接触压力减小;距下关节处峰值接触压力和第 4、5 跖骨处峰值应力增大。 结论 本研究量化评估了外侧楔形鞋垫对足踝各部分的生物力学影响,提出了可适当减小外侧楔形鞋垫第 4、5 跖骨处倾斜角度的设计建议。     

个性化足跟痛缓冲鞋垫的生物力学研究

目的研究带有不同结构后跟垫的个性化鞋垫对足跟痛患者足部应力集中的作用效果。方法结合统计学和有限元分析方法,建立足跟痛患者足部及个性化鞋垫有限元模型,仿真模拟不同鞋垫对足跟痛患者足部软组织内外及足底筋膜应力的作用效果。结果足部软组织内部所受应力高于足底表面,足底筋膜应力在第3根筋膜上的应力最高。裸足站立时足跟区软组织内部应力峰值是表面峰值的1.34倍,足底第3根筋膜的应力为1.50 MPa。通过正交试验得到的优化鞋垫模型能够降低足跟区软组织内部应力峰值51.0%,同时缓解足底第3根筋膜应力11.3%。结论带有竖轴椭圆形、蜂窝状孔槽结构后跟垫的个性化缓冲鞋垫方案较优,后跟垫能辅助跟骨脂肪垫吸收或缓冲震荡,较好地减轻足底应力分布集中的同时具有缓解足底筋膜张力的作用。结果有助于认识足跟痛足部的应力分布情况,对研究足跟痛的病理和治疗具有重要的意义。     

具有梯度模量的3D打印糖尿病鞋垫设计

目的 以精准降低足底压力为目标,提出一种快捷、低成本的个性化糖尿病足部建模及鞋垫的设计方案.方法 通过对标准足骨模型进行缩放的方法,构建患者足部有限元模型,分析足部生物力学,并根据鞋垫模量和足底压力数学映射模型,建立具有梯度模量的个性化鞋垫三维模型.利用3D打印技术进行鞋垫制造,并开展实验验证.结果 采用缩放建模方法所...     

基于生物力学数据的足底特征区域划分

文题释义：生物力学：每个人的步态都有其个性化特征,而足底生物力学是步态研究中的一个重要分支。通过采集个体在运动过程中足底的受力变化过程,可以进一步分析个体在运动过程中足底的受力特点。特征区域划分：基于足底生物力学数据,采用聚类分析方法对足底区域进行个性化划分,得到个体足底区域划分的个性化图谱,反映个体在运动过程中足底的受力特点。背景：目前对足底区域的划分通常基于解剖学,没有考虑每个个体独特的足底生物力学因素,无法反映每个个体足底受力的个性化特征。目的：基于生物力学角度对足底区域进行划分,得到能反映个体足底受力特征的足底区域划分图谱。方法：以某正常人步行为例,通过F-scan鞋垫式足底压力测量系统获得其足底压力分布随时间的变化情况。基于生物力学数据,采用聚类分析方法划分足底特征区域,形成足底区域划分的个性化图谱。结果与结论：基于生物力学数据,采用聚类分析方法得到的足底区域划分个性化图谱,可以作为反映该个体步行时足底受力特征的指标,利用位于足底特征区域几何中心处的少量传感器就能较好地反映出该个体运动过程中足底的受力特点。ORCID: 0000-0001-6926-1864(吕杰)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     

如何用SAS软件正确分析生物医学科研资料 Ⅷ.用SAS软件实现拉丁方设计定量资料的统计分析

生物统计学是生物学领域科学研究和实际工作中必不可少的工具,在分子生物学迅速发展的今天,生物统计学更显示出了它的重要性。实验设计与数据统计分析是现代生物学的基石,是生物学研究者检验假说、寻找模式、建立生物学理论的有利工具,也是生物学研究者探索微观和宏观生物世界的必备基础知识。对于每天甚至是每时每刻涌现的大量的、以天文数字计量的分子遗传数据,必须借助统计学知识加以分析处理,才能从中获得有意义的信息。"生物多样性数据分析"是开展生物多样性研究的一个重要方面,数据分析能力的高低极大地影响着我们对各种生态学现象认识的深度和广度。现在,电子计算机的普及使得生物统计分析过程大大简化,生物统计分析软件包的普及将生物统计学从统计学家的书本里解放了出来,简化了生物统计分析过程,使之成为生物学研究者的常用工具。本刊特邀军事医学科学院生物医学统计学咨询中心主任胡良平教授,以"如何用SAS软件正确分析生物医学科研资料"为题,撰写系列统计学讲座,希望该系列讲座能对生物医学科研工作者有所帮助。     

基于时频分析的个性化脑-机接口设计

为了提高脑—机接口的分类正确率和实时性,本研究提出基于时频分析的个性化脑—机接口设计方案。通过对多导联EEG数据进行离线谱图分析,量化不同导联EEG信号在想象左右手运动时,其各个频带能量随时间的变化规律。然后将各导联EEG信号不同频带能量变化特征在左右手运动想象时的差异进行脑地形图成像。进而根据特征差异在大脑皮层的分布为不同用户的最佳电极位置选择和特征频带的确定提供直接依据。实验结果证明,该方法有效减少了特征提取的盲目性,用最少的导联,最少的特征向量,较简单的特征提取和分类算法,取得很好的分类效果,具有较高实用价值。     

假肢接受腔设计及界面应力的有限元分析

文题释义： Mimics 10.0软件：作为专业的三维图像处理软件,能将CT图像转化为残肢的三维模型,计算机生成的三维模型与患者的实际尺寸基本无差别。 有限元分析：是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟的方法。 背景：残肢-接受腔界面生物力学特性不仅对假肢的适配性有着直接影响,而且也是对接受腔结构进行优化设计的基础。将数字化设计技术与康复工程结合在一起,将有效地提髙假肢接受腔的制作效率和质量。 目的：采用逆正向结合的建模方法,对小腿截肢患者进行定制式的接受腔模型设计,评估残肢与接受腔的界面应力,对接受腔进行迭代设计,优化后的模型采用3D打印制作,以改善传统手工制作接受腔方法。 方法：选择2例内蒙古自治区荣誉军人肢残康复中心的小腿截肢志愿者,根据患者残肢的CT扫描图像,采用Mimics进行图像处理,然后经过Geomagic和UG逆向得到残肢的几何模型。通过使用计算机辅助设计软件Fusion360,根据残肢各个部位的组织结构不同的承受能力作为修型原理对接受腔进行正向建模设计。选用Mooney-Revlin超弹性模型定义软组织的材料特性,对残肢-接受腔界面应力进行有限元分析,并根据结果反馈指导对接受腔进行迭代设计,对再次修型后的接受腔模型进行评估。3D打印制作出接受腔,并进行实验测量。 结果与结论：①对迭代设计后的接受腔与残肢界面的应力进行分析,得到残肢各区域的应力值均低于疼痛阈值,符合设计标准,能较好实现功能传递性和安全舒适性;②此2例患者穿戴3D打印制作的接受腔适配性、稳定性良好,步行对称性相比手工制作接受腔均有显著改善,满足残肢生物力学要求;③试验建立了完整的假肢接受腔的设计、评估及制造系统。 ORCID: 0000-0002-8570-9689(王晓辉) 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     

不同矫形鞋垫对老年人足底的生物力学影响

目的 通过3款鞋垫了解老年人步行过程中的足底相关特性,为当前老年人鞋垫设计提供参考,并为厂家生产提供理论依据。方法 选取25名身心健康的老年人,穿戴Pedar-x足底压力测试相关设备在跑步机上进行步行测试(4 km/h),以获取足底压力、压强、冲量,并通过问卷调查获得被试者的主观反馈。结果 后脚部软硬喜欢程度和后脚部反弹性强度平均分上,鞋垫A、C之间具有非常显著差异(P<0.01);最大压力和平均压强指标上,鞋垫C在各足底分区均显著小于鞋垫A、B(P<0.01);冲量指标上,鞋垫C在M1(足跟)～M7区(第2～5趾骨)都低于鞋垫A、B,且在M1区具有显著差异(P<0.05),M2区(足弓外侧)鞋垫A、C具有显著差异(P<0.05),M5区(第2～4跖骨)鞋垫B、C具有非常显著差异(P<0.01)。结论 通过改变鞋垫设计可以干预老年人步行时足底压力,聚氨酯发泡材料适用于老年人鞋垫,在鞋垫前足与后跟增加类似GEL减震片可以有效降低老年人步行中出现的高压力,但是鞋垫前中后部位物理厚度不一,易造成老年人步行过程中的足部疲劳。     

一种基于足压数据主成分分析的足弓形态智能检测方法

目的 根据临床中平足与高弓足量化评估的要求,提出一种基于足压数据主成分分析（principal component analysis, PCA）智能快速足弓形态检测方法,并验证其临床有效性。方法 纳入诊断为足弓异常与足弓健康的志愿者,设计研发一套便携式足弓智能检测系统。采用44×52阵列式薄膜压阻传感器,采集静态站立式足底压力分布数据,利用自行编写的PCA算法自动拟合足轴线,进行足弓诊断并生成诊断报告。将足压采集结果与现有设备进行比对,验证足压数据的准确性。对于平足、高弓足和正常3类足弓的判别算法,通过对比临床诊断验证评估准确性。结果 该系统与现有压力采集设备的测量结果具有较好的相关性,接触面积偏差低于3.2%,计算拟合的足轴线与临床定义角度偏差小于1°,且该系统能获得与临床中足弓形态诊断相符率92.6%的评估结果。结论 引入PCA对足轴线自动化拟合,实现了快速而准确提取足弓信息的目的。该方法可用于临床实践中平足与高弓足的辅助筛查,有助于开展足弓畸形程度的量化分析和病理机制的研究。     

可变刚度缓冲鞋垫结构设计及优化

目的 设计X型结构变刚度缓冲鞋垫,探究其对糖尿病截趾患者足底表面压力和内部应力的影响。方法 基于CT影像建立糖尿病截趾患者足部-小腿有限元模型,根据足底压力分布特征进行鞋垫区域划分。设计X型结构3D打印缓冲鞋垫,通过改变结构面板厚度改变结构的模量,对划分区域填充不同模量的X型结构方案进行仿真分析。结果 糖尿病截趾患者足底峰值压力在跟骨区,足趾区选用面板厚度1.2 mm结构、跖骨区选用面板厚度1.4 mm、足弓区选用面板厚度2.0 mm和足跟区选用面板厚度1.6 mm组合后的鞋垫减压效果最好。与赤足相比,此方案鞋垫分别降低足跟区峰值压力、趾骨区峰值压力和足底软组织内部应力40.18%、31.7%和50.45%。结论 变刚度下3D打印鞋垫可有效降低足底表面压力、内部应力,减小二次截趾概率。     

应用随机森林与神经网络算法的足底软组织 本构参数反演方法

目的 基于随机森林（random forest, RM）算法和反向传播（back propagation,BP）神经网络算法实现对足底软组织超弹性模型本构参数的预测,以提升本构参数获取方式的效率和准确性。方法 首先建立足底软组织球形压痕实验的有限元模型,并对球形压痕实验过程进行仿真,得到具有非线性关系的位移和压痕力的数据集。将数据集进行划分,得到训练集和测试集,分别对搭建好的RF和BP神经网络（BP neural network,BPNN）模型进行训练,通过实验数据对足底软组织本构参数进行预测。最后,引入均方误差（mean square error,MSE）和决定系数（R2）对模型的预测准确性进行评估,同时对比实验曲线验证模型的有效性。结果 利用RF和BPNN模型结合有限元仿真是确定足底软组织超弹性本构参数的有效、准确的方法。训练后的RF模型MSE达到1.370 2×10-3,R2为0.982 9;BPNN模型MSE达到4.858 1×10-5,R2为0.999 3。反求得到适用于仿真的足底软组织的超弹性本构参数,预测得到的两组本构参数的计算响应曲线与实验曲线吻合较好。结论 基于人工智能算法模型对足底软组织超弹性本构参数的预测精度很高,相关研究成果也可以应用于足底软组织其他力学特性的研究。同时,研究结果为足底软组织本构参数的获取提供新方法,有助于快速诊断足底软组织病变等临床问题。     

基于传力路径的接骨板结构拓扑优化设计

目的 提出一种相对于传统拓扑优化方法能有效降低应力集中,并进一步提高断骨愈合效果的接骨板拓扑优化设计方法。方法 依据接骨板在断骨-接骨板系统中的载荷约束条件,采用改进的基于传力路径的拓扑优化方法对接骨板结构进行优化设计。随后采用基于偏应变的骨再生模拟模型,对胫骨骨干横向骨折情况进行骨再生模拟,依据骨再生过程数据对优化接骨板的受力状态、固定稳定性及愈合性能进行评估。结果 使用基于传力路径优化方法的优化接骨板在体积分数f=0.55、0.65时,接骨板最大应力分别为55.68、42.23 MPa,相较于传统拓扑优化方法优化接骨板分别降低32.96%、29.95%;骨愈合过程后骨痂平均弹性模量分别为1 439.47、1 355.71 MPa,相较于传统接骨板分别提升145.86%、131.06%。结论 提出的改进基于传力路径的拓扑优化方法,可以用于接骨板结构优化设计,优化后接骨板相比传统拓扑优化方法优化接骨板受力更加均匀,使用安全性更高,骨愈合性能相较传统接骨板有明显提升。研究结果为骨折内固定植入物的优化设计提供了一种新思路和方法。     

基于有限元分析的3D打印脊柱侧弯矫形器局部优化设计

目的 对计算机辅助设计的3D打印脊柱侧弯矫形器进行优化设计,从而使其实现具有良好力学强度和模型轻量化等优点。方法 利用手持式三维扫描仪对志愿者躯干体廓进行扫描,构建志愿者体表模型;根据三点力原理、牵引及免荷原理,对志愿者体表模型进行修型,设计出压力区和释放区,初步设计出脊柱侧弯矫形器模型;采用正交试验方法 对32种不同尺寸的镂空组合进行局部优化对比研究,根据优化结果 ,对脊柱侧弯矫形器模型进行镂空处理和生物力学分析,对比镂空设计的3D打印脊柱侧弯矫形器的应力分布,验证矫形器模型的优化效果。结果 采用半径为9 mm的圆孔和间距23 mm的局部镂空优化设计（局部减重约40%）,可得到质量更轻、透气性更好和足够强度的3D打印脊柱侧弯矫形器。结论 基于有限元生物力学分析,采用非压力区域的局部圆孔镂空优化设计,可以实现3D打印脊柱侧弯矫形器的打印材料减少、透气性增加等优点,最终可提高患者的穿戴舒适度和依从性。     

负压吸附式角膜夹持器设计与吸附参数仿真研究

目的 提出一种通过负压将角膜吸附提升至合适缝合深度的高度后进行缝合的方案,并对吸附参数进行仿真研究。方法 根据手术要求,设计负压吸附式角膜夹持器。建立不同长度、深度及位置的直型伤口角膜的吸附仿真模型,针对6种负压条件,利用流固耦合分析对负压吸附角膜过程进行仿真,求解角膜变形、应力及吸附力。在PDMS薄膜上测量6种负压条件所产生的吸附力,并与仿真结果对比分析。同时在离体猪眼球上进行吸附实验,评估所设计角膜夹持器的操作安全性。结果 -70～-40 kPa负压下,所有仿真模型角膜最大变形均大于角膜缝合深度要求的伤口最大提升高度。最大变形随负压减小而增大。所有仿真模型角膜最大应力均小于角膜基质破坏强度(5 MPa)。吸附力仿真值相对实验值比较吻合。负压高于-70 kPa时所设计夹持器进行吸附操作时角膜未出现破裂。结论 该角膜夹持器在-70～-40 kPa负压下能实现角膜缝合深度要求,且可通过改变负压精确调控缝合深度,高于-70 kPa时进行吸附操作不损伤角膜组织。在该角膜夹持器辅助下,医生可使用直针完成角膜缝合操作,降低临床操作的难度。     

基于有限元法的骨组织工程支架力学性能分析及改进设计

目的分析不同孔隙结构和孔隙率骨组织工程支架的力学性能,并对支架的孔隙结构进行改进设计使其性能提高。方法利用SolidWorks软件进行方形孔、球形孔和圆柱形孔3种结构55%～75%孔隙率的支架建模,计算得到各结构的表面积体积比;利用ANSYS Workbench软件进行结构受力的有限元计算,得到支架结构的应力分布和等效压缩模量;根据应力分布的特点,将方形孔的支架结构改进为长方形孔隙结构和长方体单元结构两种支架。结果随着孔隙率的增加,3种结构的表面积体积比均增大,对于相同的孔隙率,方形孔和球形孔的表面积体积比较大,圆柱形孔最小;3种结构的最大压应力总体趋势是随着孔隙率的增加而增大,对于同一孔隙率的3种结构,方形孔的最大压应力最小;3种结构的模量和孔隙率近似呈线性关系,方形孔和圆柱形孔的模量值相近;60%孔隙率的方形孔及两种改进结构应力分析表明,两种改进结构的平行于应力方向的4条棱侧壁应力可减小约15%。结论方形孔的表面积体积比和力学性能比相同孔隙率的球形孔和圆柱形孔结构要更有优势,而改进的两种结构又可以提高方形孔的力学性能,两种改进的孔隙丰富了组织工程支架的结构,研究结果为两种支架的临床应用提供力学依据。