含动脉分支的体循环模拟实验系统

本文首先建立了含分支动脉的血液体循环集中参数模型，在计算机仿真研究的基础上，设计、研制出含主要动脉分支的体循环模实验系统，系统由微机实施控制，数据采集与处理。实验结果表明它既可较好地模拟左心室、主动脉弓附近的血流动力学特性，同时又可较好地模拟左锁骨下动脉、挠动脉处的血流压力脉搏波基本特征。     

腕管综合征及其生物力学研究进展

腕管综合征(carpal tunnel syndrome, CTS)是腕部正中神经受到卡压而引起的一种神经病症. 它所带来的高昂的社会和 经济花费使得腕管综合征的研究应运而生, 并且在过去的10年里得到突飞猛进的发展. 常规 的手术方式是将腕横韧带(transverse carpal ligament)切开, 以释放正中神经(median nerve)所受到的压力. 本文不仅对腕管的解剖结构、腕管综合征的症状和发病机理、以及 诊断和治疗等方面作了简要概述, 还主要从以下几个方面探讨了近年来与腕管综合征相关的生物力学研究工作及其进 展: (1)影响腕管内压力的因素,包括腕部姿势, 手指、肌腱或手掌所受外荷载的大小, 以及手工劳 作的不同频率等; (2)腕管结构的稳定性研究, 如切开腕横韧带或腕骨间掌横韧带对腕刚度 的影响, 以及从动力学角度分析腕管减压手术会导致的腕骨失稳现象; (3)腕管内容物(如 肌腱、正中神经)的运动及内容物之间以及腕管内容物与腕横韧带之间的相互作用; (4)腕 横韧带的延展实验, 如利用外荷载或移位搭接的方法拉长腕横韧带, 以达到降低腕管内压力 的目的. 本文旨在加强人们对腕管综合征尤其是对与腕管综合征相关的生物力学研究进展的 了解, 并从生物力学的观点提出利用有限元方法对腕管结构进行三维建模与分析将有可能成 为腕管综合征进一步研究的一个重要发展方向.     

前交叉韧带损伤的继发性生物力学影响

前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)损伤往往会导致半月板及周边韧带的继发性损伤.由于离体实验和临床研究的局限性,损伤的机理仍未得到清晰的认识.基于核磁共振断层扫面图像重建了一个比较完整和精确的膝关节三维有限元模型.采用文献报道的解剖测量数据对关节的解剖尺寸进行了检验,证明模型在几何上比较准确.并且对文献报道的膝关节实验作了模拟,得出的计算结果与实验比较吻合,证明模型能够在一定程度上再现膝关节真实的运动情况.然后利用该模型对ACL损伤前后的膝关节进行模拟,分别在屈膝0°和30°的姿态下对胫骨施加前后方向和竖直方向的载荷.结果表明,ACL的损伤改变了关节组织上的应力分布:内侧半月板后段的应力显著增加;外侧半月板、后交叉韧带以及侧副韧带上的应力改变程度则取决于载荷的类型和屈膝的角度.该研究有助于认识ACL损伤之后周边组织的继发性损伤现象,并对容易诱发损伤的高危动作进行分析和预防,对研究ACL的损伤和治疗具有重要的意义.     

PEEK颈椎融合器的拓扑优化设计

为了提高聚醚醚酮(polyether ether ketone, PEEK)材料颈椎椎间融合器的融合率,本研究利用有限元方法对其进行三维结构的拓扑优化设计。首先建立C3～C7节段的颈椎有限元模型并验证,然后创建C5～C6节段椎间融合器植入和前路钢板内固定的模型。将PEEK融合器设置为椭圆盘型和箱型两种初始设计域。先后进行单工况和多工况下融合器拓扑优化,并结合加权柔度优化。经过两次拓扑优化后,再对融合器的构型提取分析。研究结果表明：PEEK融合器的优化结构为环形,前方缺失,材料集中分布于后部及两侧;当体积分数分别为50%和30%时,融合器优化为多孔径和单一大孔径的形状,前者比后者增加了与终板的接触面积;优化后的融合器通过降低自身应力,增加了内部植骨块所受的应力。本研究通过加权柔度的方法构建的颈椎融合器优化模型,不受初始设计域变化的影响,且可以有效减少应力遮挡,增加植骨块的应力传导,将有助于促进融合。     

过载性损伤与防护生物力学

损伤与防护生物力学(injury and protection biomechanics)是研究生物组织或器官损伤机理及其防护方法的一门交叉性学科,属于现代生物力学的重要分支.其研究目标是降低载荷环境下组织或器官的损伤程度,主要内容包括载荷造成生物组织和器官的损伤机制、损伤耐受极限以及损伤过程中的生物力学动态响应、如何改善组织和器官所处的力学环境降低其损伤程度、有效的防护装备优化设计思路.高过载性载荷由于其作用短时性和爆发性具有较高致命性, 因此,人在过载环境下的抗损伤能力已越来越成为航空器研制、汽车性能提升、运动员竞技能力提升与充分发挥的瓶颈;尤其是更快、更灵活新型飞机的出现,超音速弹射救生、大过载高增长率的机动飞行防护等问题向损伤与防护生物力学研究提出了新的挑战,同时也为损伤与防护生物力学的发展提供了新发展机遇.随着科技不断进步,航空航天、交通事故、体育运动乃至日常生活中老年人跌倒等过程中人体冲击过载性损伤越来越呈现发生率高、防护效率低等问题,一方面由于人体耐限实验会造成损伤而难以获得真实数据,另一方面生物组织具有复杂非线性及黏弹性、可再生和重建特性,涉及到如何精准描述生物组织或器官的本构关系、组织解剖学特征与其力学特性之间相关性,建立不同尺度的组织或器官损伤机理与耐受极限、防护方法及防护装备设计准则.为此,本文将主要总结过载性损伤与防护生物力学的主要研究内容和研究方法,并在此基础上针对人体在复杂过载环境下的损伤类型、损伤机制(包括生物力学和力学生物学响应)、损伤耐限及防护方法进行回顾,包括近年来该领域国内外的主要进展, 并提出该领域发展趋势.过载性损伤与防护生物力学研究对于保障和提高复杂过载环境下人体安全性具有重要意义,可为解决航空航天、交通、体育运动中广泛涉及的骨肌多轴向损伤评价方法与标准制定提供科学依据,对指导防护装备优化设计具有重要理论价值,同时该方面研究在工程仿生材料和防护装备方面具有潜在实用价值和广阔应用前景.      

Taylor补丁对新型动脉旁路移植流场影响的数值分析

为了研究Taylor补丁对新型(S型)动脉旁路移植术中吻合口处流场的影响，使用数值方法研 究了采用Taylor补丁和未采用该补丁的两个S型旁路移植模型内流场的血流动力学差异. 对 流速、壁面切应力和切应力梯度等参数进行了比较分析. 结果表明，Taylor补丁对吻合口的 流场有显著影响. 采用Taylor补丁的模型其下游吻合口处的流场分布较未采用补丁的模型更 均匀，二次流平均流速减小约34.48%，壁面切应力梯度减小约52.22%，从壁面切应力 梯度方面分析，这将有助于改善血流动力学分布，抑制动脉粥样硬化. 但从壁面切应力值分 析，其动脉底部的壁面低切应力区明显增大，平均壁面切应力值减小30.33%，这又将促 使动脉粥样硬化. 因此，Taylor补丁是否对S型搭桥术具有治疗优越性，仅从血流动力学分 析尚不能定论，配合数值计算结果进行动物和临床实验研究是十分必要的.     

平行平板流动腔的数值优化设计

平行平板流动腔系统是研究切应力对细胞影响的体外实验装置之一。前期研究发现,流动腔的高度存在一个最佳高度,使用这个高度可以有效地减小或避免由于装配所引起的高度误差对切应力的影响。为了获得这一最佳高度,本文使用数值方法研究了平行平板流动腔的几何尺寸、流体粘度与集中液阻之间的关系,并拟合得到了集中液阻的函数关系式。利用液阻关系式和切应力计算公式,求得了对底部切应力影响最小的最佳高度的表达式。同时,研究还发现,对于相同的底部切应力,当高度取最佳高度时,所需的入(出)口压差最小。这样在流动腔底部沿轴向的压力梯度也就越小,沿轴向不同位置之间的压力差别也越小,这将有利于细胞力学实验结果之间的比较。     

窦部对称狭窄对颈动脉内流场影响的数值研究

以颈动脉分岔血管为例，采用数值方法研究了窦部环缩狭窄之后的流场分布情况，并和正 常血管情况下的流场分布进行了比较. 结果表明，采用环缩方式给颈动脉分岔血管施加对称 的狭窄改变了颈动脉窦内流场，特别是壁面剪应力的分布规律. 低剪应力区出现在狭窄段之 后的窦内，并且沿整个周向均匀分布. 根据低剪应力和动脉粥样硬化的关系，指出： 若人为地给颈动脉窦内施加对称狭窄，则脂质沉积将在狭窄下游的窦内沿周向轴对称 发展. 为了更真实地反映颈动脉窦内的狭窄，建议根据动脉血管中的实际狭窄情况，采用非 对称的狭窄分布模式.     

动脉分岔血管内膜增生过程的数值模拟

内膜增生从发生到阻塞血管是一个复杂的变化过程,在这个过程中,内膜的增生、血管腔体形状的改变和血流动力学之间是相互影响的。为了研究这些变化,本文提出一种单元填充方法数值模拟了三维颈动脉分岔血管在低切应力作用下血管内膜增生的过程。该方法既可以克服节点移动方法所不可避免的内膜增生的不连续性,也可以避免网格重划分的困难。结果发现,如果单纯以切应力阈值作为内膜增生的判据,低切应力的作用将无法导致血管完全阻塞,但内膜增生和血流动力学之间的相互影响是可以通过数值方法进行模拟的。在本数值模拟中,内膜增生的过程分为"增厚"(先)和"扩展"(后)两个阶段,最大狭窄率为34.4%,发生在距血管分岔5mm处动脉窦的外侧壁面。其发生位置和形状与临床观察吻合。     

经皮支架植入过程对左冠状动脉的血流动力学影响

经皮冠状动脉介入治疗(percutaneous coronary intervention,PCI)是检查和治疗冠心病的常用手段,冠状动脉支架植入过程中可能引发急性血栓的发生。本文通过血流动力学计算探究PCI支架植入手术过程对急性血栓形成的影响。根据真实的冠状动脉计算机断层扫描影像进行建模,在脉动生理血流条件下模拟该手术过程中导丝介入的5个阶段,获得各项血流动力学参数。计算结果表明,导丝介入过程会导致冠状动脉内各项血流动力学参数发生改变,即冠状动脉内血流出现偏心现象,时均壁面剪切力升高,振荡剪切指数下降,粒子相对停留时间降低,横向壁面剪切应力小幅上升,使得血管的内皮细胞暴露在高壁面剪切力的环境下。虽然较短的相对粒子停留时间、较小的振荡剪切指数对急性血栓的形成具有阻碍作用,但高时均壁面剪切力与血流偏心对急性血栓形成的诱导作用可能更加明显。