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.     

汽车侧面和斜碰撞中人体胸部损伤响应数值分析

车辆侧面和斜碰撞在导致乘员严重损伤的交通事故中占有相当大的比例, 但与正面碰撞事故研究相比仍缺少对车内乘员在侧面和斜碰撞中的胸部损伤生物力学的深入研究. 因此本文采用数值模型来分析这两种碰撞载荷下的人体胸部生物力学响应以及损伤相关的物理参数. 首先, 将自主开发验证的胸部、头颈部和下肢有限元模型相结合, 建立了一个完整的人体坐姿有限元模型;然后, 采用该坐姿模型模拟了文献中的7例尸体胸部侧面碰撞和斜碰撞实验;仿真计算获得的碰撞力、胸部变形量和力-变形等损伤相关的响应曲线都在对应的生物力学实验曲线走廊范围内;仿真与实验结果对比表明了坐姿模型的有效性;从仿真结果发现碰撞力峰值较接近于实验结果的较大值, 而变形量趋向于实验结果的较小值;同时, 侧面碰撞条件下所得到的碰撞力峰值比斜碰撞中稍大, 峰值出现的时刻较早;而侧面碰撞中胸部变形量峰值比斜碰撞中较小, 出现的时刻同样较早, 这与实验结果所呈现的趋势一致. 分析说明在相同载荷强度下侧面碰撞胸部耐受限度高于斜碰撞时的耐受限度. 该胸部有限元模型可较准确地再现侧面碰撞和斜碰撞生物力学实验中的胸部响应过程, 具有较好的生物逼真度, 可进一步用于侧面碰撞和斜碰撞中乘员胸部损伤生物力学研究.      

多种冲击载荷条件下的人体肋骨骨折有限元分析

旨在研究不同碰撞载荷条件下基于不同失效模型的人体肋骨骨折机理. 为此采用已验证的人体有限元胸部模型来分析人体肋骨骨折现象. 该模型基于人体解剖学结构,包含了人体胸椎、腰椎、肋骨、胸骨、肋间软骨、胸腹部器官和其他的软组织,定义的生物材料参数都基于已有的文献记载. 基于人体在损伤生物力学领域内一些较为典型的肋骨骨折失效模型,根据已发表文献中的人体标本实验载荷条件模拟了人体肋骨结构在不同冲击载荷下的骨折现象,并与这些实验结果进行了对比分析. 所引用的实验结果包括单根肋骨强度结构实验和人体胸部正面碰撞块冲击实验. 从文中有限元仿真分析的结果来看,针对不同的载荷条件,不同肋骨骨折失效模型的适用性各不相同. 该人体胸部有限元模型可用于车辆交通事故中冲击载荷条件下的人体肋骨损伤生物力学研究.      

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.      

弹簧刚度对被动步行的稳定性影响

由人类步行的生物力学研究得到启发,在被动双足步行机器人的髋关节处引入了扭簧,并通过仿真和试验研究了弹簧刚度对被动步行稳定性的影响.在仿真中,用胞映射方法计算被动步行机器人的吸引盆,并用吸引盆来衡量机器人的稳定性,研究了弹簧刚度对被动步行吸引盆大小的影响. 仿真结果表明, 吸引盆随着弹簧刚度的增大而增大. 在试验中,使机器人在各弹簧刚度参数下沿斜坡向下行走100次,记录下行走到头的次数作为稳定性的度量. 试验结果表明, 存在一个大小适中的弹簧刚度使机器人稳定性最大. 对弹簧提高机器人稳定性的原因进行了分析,对造成仿真与试验之间差异的原因进行了分析.      

“独上高楼,望尽天涯路”——为冯元桢先生九十华诞作

国际知名的生物工程学家、举世公认的生物力学的开创者和奠基人冯元桢先生于2007年获得旨在奖励在工程领域取得杰出学术成就人士的"拉斯奖",2009年9月15日又是冯先生的九十华诞.作为对冯先生迟到的祝贺,本刊特邀中国科学院力学研究所研究员、中国生物医学工程学会原副理事长陶祖莱先生撰文,介绍他在冯先生实验室当访问学者期间以及此后多次接触中得到冯先生教诲的深切体会,包括冯先生的治学之道、学者风范和人格魅力,从中我们可以领悟到冯先生取得辉煌成就的深刻原因,这些对广大力学工作者而言,是很有启发意义的.冯先生的杰出学术成就雄辩地表明,力学作为具有广泛应用的基础学科,在它与其它领域有机交叉结合后,对于科学技术的发展和人类社会的进步将能起到巨大的作用,这是对广大力学工作者的极大鼓舞,我们对冯先生表示崇高的敬意.值此,我们还对冯先生作为本刊特邀编委,常为本刊撰写文章、关心本刊发展、对本刊质量的提高所起的巨大作用,表示诚挚的感谢!     

高跟鞋致损伤的生物力学与流行病学研究进展

以降低高跟鞋损伤风险为出发点, 对高跟鞋步态生物力学特征进行系统综述, 并结合相关流行病学依据对高跟鞋引发的肌肉骨骼系统损伤情况作出总结, 为进一步研究提供思路. 对高跟鞋步态中足底压力分布、下肢各关节三维角度变化及关节力矩特征三方面进行了较为全面的总结与分析, 并且明确阐述了高跟鞋对踝关节扭伤、足部疼痛及摔倒的生物力学机制的影响. 但到目前为止, 没有足够的流行病学研究证据可以证明高跟鞋会增加膝关节炎的患病风险. 随着对高跟鞋步态及其损伤机制更为明确与深入的认识, 高跟鞋设计也将朝着更加人性化与合理化的方向发展.     

90°转弯对下肢运动学特征的影响

采集了20名青年男性受试者在不同转弯步态下进行90°转弯以及直走时支撑相下肢髋关节、膝关节和踝关节的三维运动学数据. 研究发现: 旋转式转弯步态与直走步态相比髋关节的外展、内旋、外旋峰值角度增大, 内收峰值角度减小; 膝关节的屈曲峰值角度减小, 外展峰值角度增加; 踝关节的外展、内收、外旋、内旋峰值角度都增大, 屈曲峰值角度减小. 跨步式转弯步态与直走步态相比较, 髋关节内收峰值角度增大, 外展角度减小; 膝关节屈曲峰值角度减小, 内收峰值角度增加; 踝关节的屈曲角度增加. 表明跨步式转弯对下肢髋关节、膝关节、踝关节的三维运动学特征的影响小于旋转式, 跨步式转弯步态比旋转式转弯步态更简单和稳定.     

肿瘤及其微环境的力学问题

肿瘤微环境包括肿瘤细胞、间质细胞、细胞外基质等.其在肿瘤的生长和发展过程中起着关键作用.肿瘤的微环境与正常组织的微环境有着显著的不同.肿瘤中的压应力对微环境有着多方面的影响, 例如, 可调控血管与淋巴管的功能, 造成代谢异常和间质高压, 压缩间隙基质, 增大药物输运的困难, 促进间质细胞变异并诱导肿瘤细胞转移. 因此, 肿瘤中的力学因素引起了广泛关注.本文总结了肿瘤及其微环境力学问题的研究进展, 讨论了肿瘤微环境中应力产生、药物输运、肿瘤转移等问题, 介绍了肿瘤微环境正常化的策略及其对肿瘤治疗的意义.      

探索人体奥秘的古老故事--生物力学孕育期一瞥

讲述早期有关生物力学的探索历程，给出了中国古代和西方国家早期的一些关于了解人体奥秘的故事。