人工膝关节不同体外磨损周期的UHMWPE磨屑特征及细胞毒性研究

磨屑引起的假体无菌性松动已成为影响人工关节寿命的主要因素.基于UHMWPE (超高分子量聚乙烯)胫骨衬垫与CoCrMo合金股骨髁配副人工膝关节,按照ISO 14243标准完成了500万次体外磨损试验,获得了每间隔100万次磨损周期的磨损润滑液,利用酸处理法分离UHMWPE磨屑,并基于扫描电子显微镜(SEM)照片开展了磨屑数量、形状和分布特征的定量表征.结果表明：在形状方面,颗粒状磨屑数量占比可达62%,其次为占比12%的球状磨屑,片状、纤维状和杆状等类型磨屑则较少.磨损过程中纳米级磨屑数量占比始终在30%以上,且随着磨损周期增加,纳米级磨屑占比逐渐增加,最高可达80%以上,但总的磨屑数量呈先增多后减少趋势.此外,探究了不同尺寸和浓度的UHMWPE磨屑对小鼠成纤维细胞毒性的影响,结果表明：纳米级磨屑细胞毒性最强,随着磨屑尺寸从5μm增至25μm,细胞毒性逐渐减小.在UHMWPE磨屑浓度为0.1～2.5 mg/mL的范围内,细胞毒性基本遵循磨屑浓度越大毒性越强的规律.因此,人工膝关节不同体外磨损周期的UHMWPE磨屑具有不同数量、尺寸、形状和分布等特征,且磨屑尺寸和磨屑浓度等特性对细胞毒性...     

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$^\circ$和30$^\circ$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.      

关于人膝关节生物力学模型的研究现状

建立人膝关节模型是生物力学研究领域中最具挑战性的课题之一．本文对人膝关节生物力学模型的研究现状予以简单的评估和综述．结果显示:目前用于研究人膝关节的大部分模型,均属静力或准静力模型;仅建立了极少的人膝关节解剖基生物动力模型,且均属二维动力模型．因此,建立一个三维真实人膝关节生物动力模型是目前迫在眉睫的工作      

人工膝关节置换中的生物力学研究进展

膝关节是人全身最大最复杂的关节, 它的任何一个主要组成部分的损坏都会引起膝关节的反常运动, 久之软骨和半月板发生磨损、变性而形成骨性关节病, 从而影响人的日常生活. 通常采用的方法是进行膝关节矫形或置换, 对严重病变的膝关节, 则采用全膝置换手术.随着人工膝关节置换成为非常普遍的外科手术, 与膝关节假体相关的研究也越来越多的被人所关注. 从生物力学角度对人工膝关节假体的类型和材料、假体生物力学性能的理论和实验研究、骨重建的理论模型、骨整合的理论和实验、与理论和实验相关的有限元分析模型等几个主要方面进行了详尽的综述. 同时, 指出了人工膝关节置换和目前研究中存在的问题,并对其未来的发展方向进行了一定的预测.      

金属的后继屈服面研究—单试样与多试样测试

采用退火45号钢薄壁试样进行拉扭组合试验,测试材料经历预拉伸后的系列后继屈服面。试验采用偏移应变法定义屈服应力,讨论了不同的偏移应变、预变形程度对后继屈服面测试结果的影响;试验分别用单试样法和多试样法进行,分析讨论了两种方法的合理性与局限性。试验研究得到以下结果：（1）单试样法和多试样法确定的初始屈服面的形状与Mises圆很接近;（2）单试样法屈服点的测试顺序对所测得的屈服面的形状有很大影响,第一测试点与预加载方向相反时,所得屈服面会出现“内凹”现象,而若改变测试顺序,可不再出现“内凹”;（3）单试样法测得的后继屈服面与测试的屈服点数密切相关,当测试的屈服点数较多时,所得结果因累积塑性应变引起的应变强化作用而出现较大的偏离;（4）单试样法与多试样法测得的后继屈服面形状和大小有较明显的差异,测试过程中塑性变形的积累对单试样法的测试结果有明显影响,采用多试样法研究屈服面演化更为合理;（5）多试样法若采用较小目标偏移应变定义屈服,测得的后继屈服面也出现轻微内凹。     

机车车轮踏面与钢轨接触的仿真计算及试验研究

应用轮轨型面测量仪测量实际运用中的磨耗后机车车轮,基于标准与磨耗后机车车轮型面,建立轮轨接触三维有限元模型,计算分析不同横移量下的接触斑和等效应力.搭建轮轨接触试验台,使用取自现场的车轮与钢轨试块进行试验,分析不同横移量下轮轨接触状态.针对磨耗前后车轮与标准钢轨接触的有限元计算与试验进行对比分析.结果表明:横移量对轮轨接触状态有着显著的影响,横移量过大会加速机车车轮的磨耗;与标准型面相比,磨耗后车轮型面与标准钢轨接触时的接触斑面积较大,最大等效应力较小;通过轮轨接触试验台所得接触斑形状和大小与仿真计算所得结果一致性较好,证明了有限元仿真计算的可靠性.     

动物膝关节损伤与破坏机理的力学基本性能研究

为了了解包括人在内等动物膝关节的损伤与破坏机理，对狗膝关节分正常对照、弯月形韧性弹性垫切除和移植三组，每组五个试件进行了弯曲、冲击和压缩的力学基本性能实验。此外还对膝关节铰中的弯月形韧性弹性垫进行了拉伸实验。实验揭示的现象和获得的数据，对动物膝关节的损伤与破坏机理，病理和防治等的进一步研究，以及人工假膝关节的设计提供了有价值的参考。     

乘员股骨在轴向压力-弯矩下的损伤生物力学机理研究

汽车前碰撞事故中在冲击力作用下乘员股骨经常产生骨折创伤.为研究乘员股骨在不同的轴向压力-弯矩作用下的损伤机理及其耐受限度值,首先建立了一个较为精细的50百分位乘员的坐姿下肢有限元模型,并通过模拟股骨动态三点弯曲及下肢的轴向膝部冲击实验对模型的有效性进行了验证.在此基础上,针对股骨在轴向压力-弯矩载荷下的断裂失效分别进行了曲梁力学模型分析及有限元虚拟实验研究.结果表明:股骨骨折位置依赖于膝部轴向压力及弯矩的载荷大小的变化,在预加载弯矩从0增加到676Nm时,股骨失效部位由股骨颈部转移到股骨干末端区域;失效部位发生在颈部及股骨干时的最大力矩分别为285 296Nm和381443Nm.股骨损伤机理的分析结果阐释了在膝部轴向冲击实验中失效部位位于股骨颈部,而在汽车前碰撞事故中仍有大量的股骨干骨折出现的原因.      

乘员股骨在轴向压力--弯矩下的损伤生物力学机理研究

汽车前碰撞事故中在冲击力作用下乘员股骨经常产生骨折创伤.为研究乘员股骨在不同的轴向压力--弯矩作用下的损伤机理及其耐受限度值,首先建立了一个较为精细的50百分位乘员的坐姿下肢有限元模型,并通过模拟股骨动态三点弯曲及下肢的轴向膝部冲击实验对模型的有效性进行了验证.在此基础上,针对股骨在轴向压力--弯矩载荷下的断裂失效分别进行了曲梁力学模型分析及有限元虚拟实验研究.结果表明:股骨骨折位置依赖于膝部轴向压力及弯矩的载荷大小的变化,在预加载弯矩从0增加到676Nm时,股骨失效部位由股骨颈部转移到股骨干末端区域;失效部位发生在颈部及股骨干时的最大力矩分别为285～296Nm和381～443Nm.股骨损伤机理的分析结果阐释了在膝部轴向冲击实验中失效部位位于股骨颈部,而在汽车前碰撞事故中仍有大量的股骨干骨折出现的原因.     

生物力学方向座谈会在京举行

中国生物物理学会于1982年1月6—9日在北京召开了生物力学方向座谈会。这次座谈会是在近年来我国开展生物力学研究已有初步基础,继1981年第1届全国生物力学学术会议(上海)和第4届国际生物流变学会议(东京)以后,为了使有关人员对生物力学方向的一些      

正常和早期膝骨关节炎的软骨生物力学研究

膝骨关节炎是导致膝关节疼痛和慢性残疾的一种常见的关节疾病. 膝关节的软骨生物力学是评价膝骨关节炎程度的重要指标. 然而, 早期膝骨关节炎的软骨生物力学依然有待研究, 正常、内侧和内外侧早期膝骨关节炎的软骨生物力学差异尚不清楚. 本文基于固?液双相纤维增强的软骨有限元建模方法, 分别建立了正常膝关节模型、内侧早期膝骨关节炎模型和内外侧早期膝骨关节炎模型, 在步态周期中最大载荷时刻和最大屈曲角度时刻下分别对比分析了正常、内侧和内外侧早期膝骨关节炎3种情况下的软骨生物力学差异. 结果表明, 与正常膝关节相比, 内侧早期膝骨关节炎模型的内侧软骨的流体压力减少, 固相等效应力减少以及应变增大; 外侧软骨的结果基本没有差异. 然而, 内外侧早期膝骨关节炎模型的内外侧软骨的流体压力都减少, 固相等效应力都减少以及应变都增大. 早期膝骨关节炎中退变软骨的属性变化会导致软骨的承载能力下降以及变形增大, 从而增加软骨进一步退变的风险. 本文提出的基于双相纤维增强软骨模型的膝关节有限元模型有效预测了正常和关节炎情况下的软骨生物力学差异, 该模型也可以推广应用于髋、踝和脊柱等其他关节生物力学的研究.      

斜裂纹顶端形状对平板应力场的影响

本文应用大变形理论,通过有限元法计算讨论了圆端和尖端两种顶端形状的斜裂纹平板Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ—Ⅱ复合型的应力场分布,裂纹位移及塑性区形状;並将这两种形状的计算结果进行了相互比较。同时,在计算方法上,对裂纹顶端附近较密和较疏两种单元网格的计算结果进行了比较。     

生物力学研究的进展与预测

本文略述当今生物力学的主要研究领域及正在形成的研究体系;评介我国生物力学研究的进展和国际上有关生物力学的研究动态;对今后生物力学研究可能出现的突破性进展,作了初步预测.     

轴对称侵入体对半无限靶体的侵彻分析

本文对半无限靶体的侵彻问题进行了初步的探讨。在某些简化假定前提下,研究了靶体内塑性波的传播,给出了侵入体表面压力的计算公式。所得结果与试验及数值分析结果符合较好。     

步频再训练对跑步时下肢冲击的生物力学影响研究

探讨12周增加步频的训练方式(步频再训练)对跑步着地冲击以及下肢生物力学的影响。选取30名习惯后跟着地的健康男性跑步爱好者(步频再训练组15名,对照组15名)进行12周步频再训练。其中步频再训练组保持步速不变,在自选步频基础上增加7.5%的步频进行跑步训练。采用Vicon红外运动捕捉系统和Kistler三维测力台获取标记点轨迹和地面反作用力,分析比较两组跑者训练前后的跑步着地冲击、下肢髋/膝/踝运动学和动力学特征。结果表明:12周步频再训练后,步频再训练组自选步频显著增加5.7%;冲击峰值、平均负载率和最大负载率、冲击冲量、触地垂直动量等均显著降低;触地时重心垂直速度、足与地面夹角、踝关节角速度、踝关节与髋关节矢状面距离均显著减少;支撑期重心垂直位移、膝关节最大屈曲角度、膝关节活动度显著降低;下肢各关节最大力矩无差异,但下肢刚度显著增加。据此,12周增加步频的训练方式对着地姿势和支撑期下肢运动所产生的生物力学适应性变化,能有效降低跑步着地时的冲击力,进而对减小跑步损伤风险起到积极作用。     

基于数字摄影测量的结构面信息表征及应用研究

结构面的存在直接影响岩体的强度、变形特征及破坏机制。为探究夏甸金矿矿区结构面的存在对岩体力学参数和岩体质量情况的影响,利用数字摄影测量技术快速获取研究区域结构面几何信息,并通过三维建模、激光扫描技术以及VR-Platform虚拟现实平台实现了结构面二维几何信息的真三维表征。基于此,利用广义Hoek-Brown强度准则分析计算了各研究区域的岩体力学参数,并根据岩体基本质量指标BQ值进行了岩体质量分级评价。结果表明,夏甸金矿岩体力学参数指标和岩体质量指标均较好;矿体下盘距离矿体方向越远,岩体完整性系数和岩体力学参数越低;利用广义Hoek-Brown强度准则计算所得岩体力学参数除内摩擦角外数值均与前期试验所得数据基本一致,计算所得岩体内摩擦角度偏大的原因,可能是其未考虑结构面自身的颗粒直径和形态等对岩体内摩擦角的影响。     

人体上体系统振动生物力学模型研究

基于分析力学基本原理 ,结合人体上体系统实际状况 ,从动力学普遍方程推导了人体上体系 5自由度的振动生物力学模型。通过软件仿真 ,自动地生成动力学微分方程表达式 ,避免了复杂的人工推导 ;并通过数值分析 ,模拟了人体对不同振动类型的响应 ,研究了人体上体的振动特征。所得结果对说明人体坐姿式在振动环境下舒适性以及进一步研究有关人体的振动有一定的指导意义 ;利用提出的模型与仿真软件能够实现对座椅结构参数的优化。     

股骨纵向受压时的应力分布特征分析

股骨是支撑人体的重要组成部分,其纵向受压是主要的外力作用形式.过大的荷载、意外的冲击、疲劳等可能造成股骨的断裂损伤,股骨颈开裂与折断是一种典型、高发的损伤形式,此时需要用人工假体代替损坏的部分股骨.为使假体与股骨结合性能接近于原股骨,必需研究掌握股骨的应力分布特征.股骨特别是两端因几何构造的复杂性,相应的应力情况也比较复杂.因受活体股骨及其实验技术的限制,有限元数值计算分析成为一种普遍采用的方法.但股骨上端部构造复杂、尺寸相对较小,往往缺乏可靠的计算结果,且股骨颈附近的有效测试数据相对较少.因此,需要进行全股骨纵向受压的应力分布特征特别是股骨颈附近应力特征的进一步研究.此外,假体植入后股骨的应力分布变化与假体的无菌性松动是一个切实的重要问题.论文基于股骨标本和假体植入鲜股骨纵向受压的多点应力测量结果,进行其有限元建模并计算分析.先基于股骨的CT扫描数据,利用MIMICS软件重建股骨的三维几何精确模型,再转入ANSYS软件划分单元,计算得到全股骨的应力分布结果,说明其分布特征及关键点的应力,并与实验结果比较说明结果的可靠性.然后,考虑股骨颈断裂损伤后的生物型金属假体植入情况,基于假体松动前的股骨实验结果,对于假体与股骨结合体计算分析其应力分布,说明假体植入对于股骨干应力分布的影响、及假体松动与应力遮挡现象.     

径、混流式节能转子“考虑边界层厚度的全可控涡设计”的研究

本文根据叶轮机械内“三元流动”气动、热力基本方程组及边界层理论的积分关系式,在“准三元”流动理论所通常采用的假定下,给出了叶轮内流体涡(γC_θ)分布与叶片几何形状、边界层动量厚度及叶轮效率间的关系式。从而提供了一种独特的径、混流式节能转子(三元叶轮)的计算机设计方法。根据本方法设计的一个典型离心式压缩机模型级,在M_(u2)=0.5～0.9范围内进行了级特性的试验研究。试验表明,按本方法设计的三元叶轮基本级,具有效率高、特性曲线平坦的优良特性,从而证实了这是一种可靠的节能型径、混流式转子的设计理论和方法。     

燃烧室中悬跨圆柱的火焰绕流

利用高速阴影照相系统,对方形管道内火焰流经悬吊圆柱时所产生的变化及其诱导的流场进行了实验研究,并利用高精度PPM格式对上述现象进行了数值模拟,其中,湍流采用大涡模拟(LES)方法,燃烧采用旋涡破碎(EBU)模型,圆柱边界采用沉浸边界法(IBM).实验结果与计算结果比较吻合,在一定程度上揭示了火焰阵面变形和加速的规律. 根据研究结果,对火焰与悬吊圆柱相互作用过程中火焰的三维形状、流场中涡量和湍流强度的分布、火焰与流场的相互影响以及火焰传播轨迹等进行了讨论.