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医用生物力学
医用生物力学

戴尅戎

双月刊

1004-7220

021-63138341－5397

200011

上海市制造局路639号

医用生物力学/CSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>《医用生物力学》主要刊登交流我国学者在生物力学研究中取得的成果和部分国外专家的论文。着重刊登对科研与临床实践有指导意义的论著，同时还开辟综述、讲座、经验交流、研究简报、专题讨论等专栏。内容充实，反映了中国生物力学的研究动向和成果。
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    3D打印金属椎体替代物力学性能评价

    董恩纯康建峰孙畅宁李涤尘...
    76-83页
    查看更多>>摘要：目的 对钛网及 3D打印金属椎体替代物力学性能进行研究,为临床中人工椎体选择与结构优化设计提供指导.方法 通过压缩力学测试,对钛网及 3D打印多孔型、桁架型与拓扑型椎体替代物的等效力学属性与结构破坏形式进行系统研究.结果 钛网等效弹性模量[(2 908.73±287.39)MPa]仅次于拓扑型椎体替代物,但其结构强度与稳定性较差,等效屈服强度[(46.61±4.85)MPa]高于多孔型椎体替代物,且在压缩中率先屈服;多孔型椎体替代物结构强度[(18.14±0.17)～(25.79±0.40)MPa)]不足,难以满足脊柱重建力学要求;桁架型椎体替代物等效弹性模量[(2 477.86±55.19)～(2 620.08±194.36)MPa]与等效屈服强度[(77.61±0.50)～(88.42±1.07)MPa]良好但稳定性不足,在压缩过程中容易出现失稳现象;拓扑型椎体替代物具有最高的等效弹性模量[(3 746.28±183.80)MPa]与等效屈服强度[(177.43±3.82)MPa],可为人工椎体在体服役安全稳定提供更强保障.结论 拓扑优化方法可实现椎体替代物高强度、高稳定性设计,提供更大的设计空间与安全余量,为人工椎体轻量化与新材料设计提供更多可能.

    椎体替代物钛网3D打印力学性能拓扑优化

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    医用钛合金模拟体液预浸后的疲劳性能及其数值模拟

    葛亚宁朱蒋培曹小建金胡日查...
    84-90页
    查看更多>>摘要：目的 研究新型低弹模量Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb(TLM)钛合金在模拟体液(simulated body fluid,SBF)干预下的腐蚀疲劳性能.方法 以Ti-6Al-4V(TC4)钛合金为对照组,测定两种钛合金在SBF中的电化学腐蚀极化曲线,并对预腐蚀后的TC4 钛合金和TLM钛合金试样进行旋转弯曲疲劳试验,利用实验数据建立加载应力幅与疲劳断裂循环次数之间的关系,绘制应力-寿命曲线,通过分析试样的腐蚀疲劳微观断口形貌分析其断裂机制,并结合有限元软件对钛合金试件进行疲劳分析.结果 应力退火状态下TC4 钛合金自腐蚀电位低于热处理后的TLM钛合金,而TLM钛合金对循环应力的变化更为敏感.对比仿真结果与试验结果显示,应力退火状态下的TC4 钛合金与热处理后的TLM钛合金相比疲劳强度更高,抵抗裂纹扩展的能力更强,而耐腐蚀性能相反.相对于未预腐蚀处理试件,SBF预浸泡后的TLM钛合金脆性增加,疲劳性能有所降低.结论 通过对比分析,说明试验结果可靠性高,COMSOL有限元软件能够很好预测钛合金材料的疲劳寿命.

    TLM钛合金TC4钛合金腐蚀疲劳疲劳-寿命曲线数值模拟

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    新型变径全皮质骨螺纹螺钉设计以及在腰椎改良皮质骨轨迹的应用

    张治豪居来提·买提肉孜张连鹏肖扬...
    91-97页
    查看更多>>摘要：目的 设计一款用于改良皮质骨轨迹(modified cortical bone trajectory,MCBT)置钉技术的新型变径全皮质骨螺纹螺钉,验证新型变径全皮质骨螺纹螺钉在MCBT技术中的力学特性.方法 根据MCBT技术,设计螺钉的螺距为 2 mm,全长 45 mm,粗杆部分直径恒定5.5 mm,细杆部分直径为4.0～4.5 mm变径,粗杆和细杆连接的变径位置长度为2 mm.从变径位置、螺纹深度、螺纹类型3 个方面设置参数,开展三因素三水平L9 正交试验,并建立螺钉模型.基于有限元方法对设计的螺钉进行扭转、弯曲和拔出力计算,对结果进行极差分析并确定螺钉模型.建立骨质疏松标本L4 椎体三维模型,并按照MCBT技术置钉.比较新型变径全皮质骨螺纹螺钉和常规非变径全皮质骨螺纹螺钉抗拔出力.结果 通过极差分析,得出螺钉 6(变径位置距离螺钉头部 24 mm,螺纹深度 0.7 mm,螺纹类型为 45°对称螺纹)为最优螺钉.在抗拔出力方面,第 6 款变径全皮质骨螺纹螺钉比 4.5 mm常规非变径全皮质骨螺纹螺钉提高 13.1%,与 5.5 mm常规非变径全皮质骨螺纹螺钉相比不具有统计学差异.结论 螺钉变径位置对螺钉拔出力影响最小,螺纹类型对拔出力影响最大,螺纹深度对扭转、弯曲影响最大.与常规非变径全皮质骨螺纹螺钉相比,变径全皮质骨螺纹螺钉前端较细,可避免进钉点发生劈裂;螺钉后端直径较粗,具有较好的抗拔出力性能.研究结果为MCBT技术的临床应用提供新的理论基础.

    腰椎改良皮质骨轨迹螺钉设计骨质疏松

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    用于开放式胫骨高位截骨术解剖型固定板的生物力学研究

    张嘉宁袁霄张静高永昌...
    98-105页
    查看更多>>摘要：目的 针对个体化开放式胫骨高位截骨术(open wedge high tibial osteotomy,OWHTO),设计一种新型内固定板,并研究几何参数和材料选择对其生物力学固定性能的影响.方法 通过个体化OWHTO 解剖型固定板设计建模,采用有限元分析方法,参数化研究固定板厚度、宽度和长度设计参数以及不锈钢、钛合金、镁合金和聚醚醚酮(PEEK)4 种不同材料选取对OWHTO 固定系统生物力学的影响,对比了解剖型固定板与TomoFix 固定板的生物力学差异.结果 相比于固定板的长度与宽度,厚度对截骨间隙微位移的影响最大.与不锈钢和PEEK 材料相比,钛合金或镁合金固定板更有利于同时获得合理的稳定性和力学传递.与TomoFix 固定板相比,解剖型固定板最大von Mises应力降低了 13.5%,螺钉和胫骨最大von Mises应力分别增大了 9.8%与 18.4%,最大截骨间隙cc处微位移增大了 49.3%.结论 解剖型固定板在保证稳定性的前提下对减轻应力屏蔽效应以及提高生物力学性能有更积极的影响.研究结果为OWHTO 解剖型固定板的开发提供参考.

    开放式胫骨高位截骨术解剖型固定板有限元分析生物力学

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    慢性前庭综合征的机器学习分类方法

    海子睿吕子阳马英楠高星...
    106-110页
    查看更多>>摘要：目的 通过最大Lyapunov指数(the largest Lyapunov exponents,LLE)计算慢性前庭综合征(chronic vestibular syndrome,CVS)患者运动的非线性特征,并通过机器学习算法验证分类模型的有效性.方法 使用三维运动捕捉系统捕捉受试者的关节运动轨迹,通过 LLE 判断混沌态,计算混沌轨迹的特征作为输入,采用 ID3 决策树、Adaboost、C45 决策树、贝叶斯分类、朴素贝叶斯、支持向量机 7 种分类器进行分类.结果 共有 16 个关节点的17 组轨迹处在混沌态,实验组运动轨迹的平均能量、增强波长、峰度表现出显著性差异(P<0.05),ID3 决策树分类器表现出了最优性能,预测精度、召回率、F1 分数均为 100%.结论 混沌特征可能包含了CVS患者更多的个性差异,能够提高机器学习算法识别的准确性.研究结果可为CVS患者的早期识别和运动康复提供参考.

    最大Lyapunov指数非线性混沌机器学习慢性前庭综合征

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    跳跃运动中不同护膝条件下膝关节半月板应力场的数值研究

    阮江涛孟洋洋张银光肖霞...
    111-117页
    查看更多>>摘要：目的 采用数值模拟方法,建立人体膝关节肌骨系统生物力学模型,并将人体动力学模型模拟跳跃运动时所获得的运动学和动力学信息作为模型驱动数据,进而分析不同热力耦合护膝条件下膝关节半月板的应力场分布特征.方法 基于受试者CT与MRI断层扫描图像,构建包括骨、关节软骨、半月板、韧带和膝关节外围软组织的较真实人体膝关节模型,依据跳跃运动全周期分析选择蓄力起跳、落地冲击两个半月板损伤风险较大的位姿步态进行模拟,分析 4 种不同热力耦合护膝条件下膝关节半月板的应力场特征,讨论半月板峰值应力及其应力集中区域的变化,探究半月板损伤以及佩戴护膝的防护功效和力学依据.结果 膝关节内侧半月板前角是应力集中的易受损区域;在热力场耦合护膝条件下,内侧半月板应力集中区域由其狭长且薄弱的前角转移至其较为宽厚的中部,且峰值应力显著降低;内、外侧半月板的峰值应力接近,表明两者共同承担外载,且半月板应力集中区域面积减小.结论 热力场耦合护膝对于膝关节半月板的损伤具有良好防护作用.数值模拟研究结果可以为热力多功能护膝的设计提供理论支撑和技术指导.

    半月板热力耦合护膝应力场跳跃运动数值模拟肌骨系统

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    不同躯干约束下蹲姿对人体下肢运动学和动力学的影响

    郝乐天陈纪均杨亦敏赵麒...
    118-124页
    查看更多>>摘要：目的 探究躯干控制对青年群体亚洲蹲和西方蹲时下肢运动生物力学特征的影响,为深蹲训练的应用和推广提供实证性依据.方法 24 名健康男性青年大学生在带杆、无杆控制条件下进行亚洲蹲和西方蹲,运用红外光点运动捕捉系统和三维测力台采集其下肢运动学和动力学特征.通过Cortex-642.6.2 软件,根据欧拉角方法计算获得下肢三维角度,运用逆动力学方法得到三维力矩.通过 2×2 重复设计的双因素方差分析检验躯干控制和深蹲姿势对下肢运动特征的影响.结果 躯干控制和深蹲姿势对运动学和动力学参数均无显著性交互作用(P>0.05).西方蹲具有较大的膝关节屈曲角、髌股关节接触力峰值、髋膝伸展力矩峰值之比,较小的踝关节背屈角、髋关节屈曲角(P<0.05).带杆深蹲具有较大的踝关节背屈角、髌股关节接触力峰值和髋关节屈曲角,较小的膝关节屈曲角、髋膝伸展力矩峰值之比(P<0.05).结论 西方蹲有助于训练伸髋肌群肌力,亚洲蹲则有助于训练伸膝肌群肌力.西方蹲髌股关节接触力峰值显著大于亚洲蹲,故推荐髌股关节痛患者采用亚洲蹲.带杆深蹲可补偿人体平衡,建议由于踝关节背屈活动范围受限或胫骨前肌无力人群可以考虑进行带杆深蹲等躯干控制训练,有助于提高深蹲时下肢稳定性.

    亚洲蹲西方蹲躯干控制运动学动力学

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    偏瘫患者下台阶过程下肢生物力学特征分析

    周鲁星孟庆华刘文红张楠...
    125-131页
    查看更多>>摘要：目的 对比分析偏瘫患者以不同方式下台阶过程中下肢生物力学特征,为降低患者下台阶过程中的跌倒风险提供理论依据.方法 选取 10 名正常人和 20 名符合要求的偏瘫患者,使用Qualisys动作捕捉系统和Kistler三维测力台对受试者下台阶过程中的运动学和动力学数据进行收集,分析其在下台阶过程中的生物力学特征和跌倒风险.结果 相较于正常人和先用健足下台阶(steps on the healthy side,SHS),先用患足下台阶(steps on the affected side,SAS)时,患侧下肢各关节屈伸活动幅度较小;SHS降低了健侧膝关节屈伸活动幅度,患侧下肢各关节屈伸活动幅度较SAS大;SAS下台阶左右方向地面反作用力(ground reaction force,GRF)曲线变化与正常人较为一致,患侧落地瞬间垂直GRF最大为 1.05 倍体重,健侧为 1.25 倍体重,低于正常人(1.5 倍体重);SHS下台阶健侧落地瞬间最大垂直GRF为1.85 倍体重,高于SAS和正常人.结论 相较于SAS,患者使用SHS下台阶患侧关节活动幅度和落地瞬间垂直GRF较大,更难掌握.SAS更符合偏瘫患者下台阶的生物力学特征.

    偏瘫下台阶跌倒关节角度地面反作用力

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    不同跑步着地习惯对跟腱形态学及其负荷特征的影响

    张希妮邓力勤肖松林傅维杰...
    132-138页
    查看更多>>摘要：目的 探究不同着地模式对跟腱形态学和负荷特征的影响.方法 招募习惯后跟着地跑者和习惯前掌着地跑者各 14 人,利用超声医学影像仪采集受试者的跟腱形态学特征(跟腱长度、横截面积、厚度);利用三维测力跑台采集并计算受试者穿着缓冲跑鞋以 10 km/h速度跑步时的跟腱负荷特征(跖屈力矩、跟腱力、负载率、冲量、应力等).结果 与习惯后跟着地跑者相比,习惯前掌着地跑者踝关节跖屈力矩峰值、跟腱力峰值、平均负载率、峰值负载率均显著增加(P<0.05),但两组跑者跟腱长度、跟腱横截面积和跟腱厚度差异无统计学意义(P>0.05).结论 长期的前掌着地模式可以适应性地提高跟腱在重复性的"拉长-收缩"循环刺激中的力学特性.

    跟腱前掌着地后跟着地着地模式

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    大学生内八足底压力规律及其危害分析

    倪兆婷白逃萍蒋文涛李潇...
    139-144,171页
    查看更多>>摘要：目的 以中国大学生为目标群体,检测不同足态人群足底压力分布,分析内八人群足底压力分布特点,为其矫形康复提供参考.方法 选取具有典型内八、正常、外八足态各 10 名受试者参与足底压力检测实验.使用Zebris足底压力分布测量平板,检测受试者在自然站立和 1 个步态周期内的最大力、压力和接触时间.采集步态参数包括步长、步宽、步速、步向角、步态中心线、力变化曲线,并进行危害分析.结果 自然站立状态下,内八、外八组压力中心摇摆区域面积分别为(939.0±252.4)、(1 120.2±101.6)mm2,均远大于正常组[(240.7±130.6)mm2],内八步态削弱了人体的维稳能力.三类步态人群的动、静态足底压力也呈现出不同的分布特征.静态站立时,内、外八足态人群压力中心向后足转移,后足承受约 70%足底压力,高于正常组;动态行走时,内八组三足区压强峰值的绝对值高于其他组.结论 内八人群静态维稳能力差,三足区足底压力分布、足底分区压强相较正常步态均存在一定程度差异,导致内、外八人群在等强度运动状态下稳定性更差,肌肉易疲劳,甚至面临踝关节、膝关节损伤.

    内八外八步向角足底压力

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