目的 评价基于CT影像三维重建胆囊体积计算方法的准确性,并研究胆囊运动中的生物力学变化,探索胆囊动力学变化与胆结石形成的关系.方法 提出一种基于CT影像三维重建胆囊模型来计算胆囊体积的方法,并与椭球体法进行比较;构建胆囊有限元模型并进行流体力学分析,模拟胆囊出口胆囊管与胆总管汇合不同角度下及伴有结石状态下的胆囊运动功能变化.结果 比较50位患者的特异性胆囊模型体积和椭球体法体积,对应平均误差分别为7.26％和25.35％.梨形胆囊再充盈期最大压力、最大变形和最大流速都明显大于葫芦形胆囊.胆囊管与胆总管之间的夹角对胆汁流型影响不大,夹角为120°时胆汁流速最大.伴有结石胆囊的胆汁流速小于无结石胆囊,且在结石附近产生漩涡.结论 基于CT影像三维重建计算胆囊体积较传统椭球体法更准确.相对于梨形胆囊,葫芦形胆囊的胆囊壁收缩和胆汁流速较小,运动功能差.伴结石胆囊的胆汁流速较慢,更易导致结石增大或新结石形成.

脊柱是人体最重要的骨骼结构之一.它具有保护脊髓、支持体重、减缓冲击,并允许躯干灵活运动的功能.脊柱生物力学研究对于全面认识脊柱结构功能、疾病发病机制意义重大.2023年,国内外学者开展了大量脊柱相关的生物力学研究,包括脊柱基础生物力学的认知,病理条件下脊柱力学特性改变,以及基于生物力学研究基础设计的各种治疗脊柱疾病办法.本文着重分析脊柱生物力学2023年度研究进展,并以几种较为典型的脊柱疾病或病理状态为例进行详解介绍.

目的 针对我国男子速滑运动员1 500 m直道技术进行生物力学分析,确定动作技术对运动表现的影响.方法 以参加2021年全国速度滑冰锦标赛1 500 m项目的34名男运动员为研究对象,采用三维定点录像解析的方法获取运动学数据,分析周期特征、动作阶段和关键时刻技术特征与周期速度的关系.结果 滑幅(r=0.560)、滑行距离(r=0.554)、蹬冰距离(r=0.512)与周期速度高度正相关.滑行阶段的躯干活动范围(r=0.651)、踝关节角(r=0.434)、踝关节活动范围(r=0.446)与滑行速度中度或高度正相关,躯干角(r=-0.427)与滑行速度中度负相关;蹬冰阶段的躯干角(r=0.673)、髋关节伸展角(r=0.804)、髋关节外展角(r=0.560)、髋关节外展角速度(r=0.566)与蹬冰速度高度正相关,蹬冰角(r=-0.605)与蹬冰速度高度负相关.结论 1 500 m速滑直道速度主要取决于滑幅,滑行距离、蹬冰距离越大,速度越大.躯干角和踝关节角是影响运动员滑行速度的主要技术特征,适当增加躯干活动范围能有效提高滑行速度;躯干角、髋关节角和蹬冰角是影响运动员蹬冰速度的主要技术特征,积极伸髋蹬冰能有效提高蹬冰速度.

目的 探究连续疲劳干预对膝关节主被动生物力学特性的影响.方法 招募27位健康大学生在等速力量测试系统上进行疲劳实验.疲劳实验包括3个疲劳周期,每个疲劳周期至少30次股四头肌连续等长收缩.对比不同疲劳周期的最大被动力矩、平均最大自主收缩(maximum voluntary contraction,MVC)力矩、股外侧肌和股二头肌肌电积分值以及协同收缩指数(co-contraction index,CI).结果 疲劳周期3后,最大被动力矩显著下降(P＜0.05).疲劳周期1、2、3过程内平均MVC力矩、股外侧肌和股二头肌肌电积分值都显著下降(P＜0.05),然而二者CI全程无显著变化(P＞0.05).结论 股四头肌等长收缩训练剂量为90次的连续疲劳干预会显著影响膝关节主被动生物力学特性.疲劳干预后,膝关节抵抗被动屈伸能力下降.并且随着疲劳干预进程,股四头肌主动收缩能力下降,股四头肌和腘绳肌肌肉激活也下降,但二者肌群协同收缩水平不变.这种温和的肌群协同收缩模式有益于保持良性膝关节力学加载环境.研究结果有助于理解疲劳后膝关节主被动生物力学特性.

运动生物力学作为一门交叉学科,涉及生物学、医学、运动科学等多个领域,它利用力学原理和方法来研究生物体的运动行为.随着现代科学技术的快速发展,特别是计算机技术在运动分析、模拟和仿真方面的广泛应用,运动生物力学的研究方法和手段得到了极大的提升.随着现代科学技术的飞速发展,特别是计算机技术在运动分析、模拟和仿真方面的广泛应用,运动生物力学作为一门研究生物体运动基本规律及其影响因素的学科逐渐崭露头角.从生理学角度来看,生物体的运动行为受到肌肉、骨骼等生物组织的形态结构影响,运动生物力学通过深入研究这些生物组织的运动学特性,揭示了人体在运动过程中的力学原理,为提升运动水平提供了理论支撑.力学为运动生物力学提供了分析生物体运动的基本方法和工具,而计算机科学则为运动生物力学提供了强大的数据分析能力,研究人员运用先进的计算机技术,对运动员的运动数据进行精确的模拟,从而找出提高运动水平的潜在途径,为提升运动水平提供科学依据.

航空航天活动过程中特殊力学环境导致的生理变化一直是力学生物学研究的重要组成部分.本文综述了2023年度空间失重环境力学生物学研究进展,主要聚焦失重的生物学效应,包括在细胞、模式动物和人体水平在空间真实环境和地面模拟失重条件下得到的研究结果,以期助力航空航天力学生物学的发展研究,并为航天员或地面相关人群的健康防护或对抗措施研究提供帮助.

目的 研究加压空心螺钉及形状记忆合金骑缝钉在三关节融合术内固定中的生物力学差异,为形状记忆合金骑缝钉的临床应用提供参考.方法 选择1例重度僵硬型马蹄足患者的足部二维CT数据,通过Mimics和Geomagic软件构建三关节融合术后模型,并利用SolidWorks 2021软件建立三关节融合内固定几何模型;根据使用固定钉类型和组合方式(加压空心螺钉和形状记忆合金骑缝钉)分为A、B、C、D共4种固定方案;在ABAQUS软件中分析模拟中立位生理载荷下不同内固定方案模型的生物力学特性.结果 方案D内固定模型距下、距舟、跟骰关节融合面端面最大位移均大于方案A、B、C;方案D内固定模型距舟关节、跟骰关节融合面内外侧位移之差分别为13.10％、13.60％,与其他3种固定方案相比融合面位移更接近于平行位移;方案D内固定模型距下、距舟、跟骰关节融合面最大von Mises应力均大于方案A、B、C.结论 应用方案D(距舟关节和跟骰关节融合面使用骑缝钉内固定,距下关节融合面使用加压空心螺钉内固定)能够使三关节融合术后内固定融合面具有稳定性,并为其提供近似平行微动,产生适当的融合面应力使融合端面接触更紧密,促进骨痂生长,获得更佳的融合效果.

目的 探讨人类半规管在3种基本旋转感知过程中的生物力学响应.方法 采用3D打印技术及水凝胶物理交联技术成功制备了与人体等比例的一维可视化半规管物理模型,并通过施加恒定角速度刺激、恒定角加速度刺激以及正弦摆动刺激来探究嵴顶的响应变形情况.结果 仿生半规管模型的时间常数基本稳定在3 s左右,且与人体时间常数数值接近,壶腹嵴顶运动的位移变形与施加的角加速度成正比;在0.07～5.00 Hz正弦摆动刺激下,半规管的增益从1.54μm/°上升到42.34 μm/°,但相位差从109.72°下降到11.27°.结论 制备的仿生半规管模型能够准确模拟人体半规管的工作机制,有望在人体前庭半规管的机理研究和疾病诊断中发挥一定作用.

目的 探究颈椎内镜下不同范围小关节切除对颈椎节段稳定性的影响,为临床手术提供生物力学理论基础.方法 基于CT数据建立颈椎C5-6正常有限元模型,并模拟颈椎内镜手术操作获得不同范围(0、25％、50％、75％、100％)单侧小关节切除椎板开窗模型(模型1～5),分析比较各组模型节段活动度(range of motion,ROM)及椎间盘von Mises应力情况.结果 除前屈工况外,模型1、2较正常模型各方向下ROM及椎间盘von Mises应力改变不明显,模型3较正常模型各方向下ROM及椎间盘von Mises应力出现较为明显增加,前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转及右旋转时 ROM 分别增加 27％、4％、3％、13％、5％、16％,von Mises 应力分别增加 32％、4％、2％、5％、9％、5％.模型4、5较正常模型各方向下ROM及椎间盘von Mises应力增加显著,模型4的ROM分别增加27％、14％、6％、24％、7％、167％,von Mises 应力分别增加 33％、13％、3％、32％、10％、130％;模型 5 的 ROM 分别增加 27％、17％、6％、25％、7％、167％,von Mises应力分别增加33％、29％、8％、33％、12％、138％.结论 随着单侧小关节切除范围的增加,颈椎节段ROM和椎间盘von Mises应力极值逐渐增加.当单侧小关节切除超过1/2时,颈椎出现较大的ROM增加及应力改变.临床手术中应尽量保留1/2以上颈椎小关节,避免医源性失稳.

目的 通过三维有限元分析探讨舌侧金属加强结构义齿基托设计对无牙下颌种植修复义齿的生物力学影响,为无牙颌修复治疗提供参考.方法 构建舌侧金属加强结构与无加强结构两种义齿基托设计的2颗种植体支持Locator式覆盖义齿三维有限元模型,分别对后牙中央窝垂直施加150 N载荷、斜向施加150 N载荷以及对前牙垂直施加150 N载荷,模拟正中咬合、左右侧方咀嚼以及前牙切割食物时两种模型各组织的受力情况.结果 后牙及前牙垂直向加载时,两种义齿基托设计模型各组织的应力分布较为接近,所受最大应力差别在0～0.16 MPa之间;偏侧咀嚼时,未添加金属加强杆的义齿基托、种植体和黏骨膜应力集中范围,以及种植体、种植体周围骨最大受力明显大于添加金属加强杆模型,所受最大应力差别在0.59～2.99 MPa之间.结论 在义齿基托舌侧添加金属加强杆,可以起到应力分散的作用,或可在一定程度上减小骨吸收及基托折断的风险.