阅读排行膝骨关节炎（osteoarthritis，OA）是导致关节功能障碍的主要原因之一。膝关节周围截骨因能延缓膝OA进展、改善关节功能而备受关注。膝关节力线异常是膝OA发生发展的关键生物力学因素，其精准控制是膝关节周围截骨术的核心目标。本文系统综述了膝关节周围截骨术相关的生物力学研究进展，重点围绕力线的精准化与个性化矫正展开：梳理了力线分型体系与测量技术的发展，分析了异常力学负荷诱发膝OA的生物力学机制，探讨了膝关节周围截骨术的力线目标与临床应用进展，以期为临床膝关节周围截骨治疗膝OA提供新的视角与思路。
探讨脑脊液在脊柱侧弯患者中对脊髓的保护作用，评估其在重力牵引手术过程及日常生活中的缓冲效果，为脊柱侧弯的手术规划和术后康复提供理论依据。
建立脊柱-脊髓三维耦合模型，模拟重力牵引手术和日常生活两种情境下的脊柱生物力学响应，对有脑脊液和无脑脊液两种条件进行对比分析，定量分析脑脊液的缓冲作用。
在重力牵引手术模拟中，脑脊液显著降低了脊髓的应力和变形，脊髓白质与灰质的应力平均降低65%~90%，变形降低70%~95%。在日常生活情境中，脑脊液对脊髓的保护效果在左右屈和前后屈方向更为显著，应力降低幅度达60%~85%。但在扭转方向上，脑脊液的缓冲作用相对较弱，应力降低幅度仅为10%~25%。
脑脊液在重力牵引手术和日常生活中均能显著减小脊髓的应力与变形，降低损伤风险。
探讨轴向压缩载荷倾斜和前屈力矩对腰骶椎前、后剪切刚度的影响。
采用6例新鲜尸体腰骶椎标本（L5~S1）进行实验，分别模拟腰骶椎完整、双侧小关节4 mm间隙、前路切开纤维环摘除髓核及离断内层纤维环（椎间盘损伤）3种状态，施加垂直于L5~S1椎间盘300 N轴向压缩载荷，以及前下倾斜10°或20°压缩载荷300 N，通过材料试验机对L5~S1进行前、后方向剪切试验（前：0~250 N/后：-50~0 N）。在5 N·m前屈力矩作用下，重复以上剪切试验。使用三维运动测量系统测量L5与S1之间相对运动。
对于腰骶椎完整状态，轴向压缩载荷的前倾并不显著改变节段的前或后剪切刚度，但施加前屈力矩后前剪切刚度平均增加了49.3%。随着结构依次切除，腰骶节段的前或后剪切位移逐级增加，剪切刚度依次降低，尤其是小关节间隙切除合并髓核摘除后，在轴向压缩载荷复合前屈力矩作用下，前剪切刚度由完整状态的939 N/mm显著减小到224 N/mm，后剪切刚度也由完整状态的572 N/mm减小为217 N/mm。在低载荷区间，在轴向压缩载荷前倾或复合前屈力矩作用下，不同结构状态前、后剪切刚度之间的差异均没有显著性。
研究结果支持了临床上腰骶椎前凸降低、骨盆后倾可适度维持节段剪切稳定性的观点，但是随着脊柱退变的进展，这种代偿能力可能会逐渐下降甚至失效。
从骨小梁生物力学的角度探讨股骨颈骨折内固定术后复位质量对股骨头力学性能的影响。
从接受髋关节置换术的股骨颈骨折患者中获得26枚股骨头并进行组织切片。将主压力骨小梁中轴定义为0°组，以主压力骨小梁在股骨距的交点作为中心，通过转动标本模拟不同的复位角度，将切割后的股骨头切片标本随机分为-10°、-5°、0°、5°、10°五组，分别代表不同复位质量的股骨头。对标本进行单次压缩载荷试验和疲劳载荷试验，设定载荷70~1 400 N，频率1 Hz，循环次数10 000次，测量轴向刚度、位移、塌陷循环次数，比较股骨头标本在不同复位质量的生物力学性能。
不同分组股骨头标本的轴向刚度、位移、塌陷循环次数存在差异。在800 N载荷下，0°组轴向刚度显著大于±10°组（P<0.05）。0°组轴向刚度大于±5°组（P>0.05）。±5°组轴向刚度大于±10°组。0°组位移低于±5°组、±10°组，但0°组和±5°组位移差异无统计学意义（P>0.05），0°组和±10°组位移差异有统计学意义（P<0.05）。±5°组和±10°组位移差异有统计学意义（P<0.05）。0°组塌陷循环次数显著高于±10°组（P<0.05）。0°组塌陷循环次数高于±5°组，但差异无统计学意义（P>0.05）。±5°组塌陷循环次数显著高于±10°组（P<0.05）。
股骨颈骨折内固定术后复位质量对股骨头的生物力学性能有显著影响。研究结果为优化股骨颈骨折的治疗方案和术后管理提供了科学依据，有助于改善患者的临床预后和生活质量。
针对传统物理信息神经网络（physics-informed neural network，PINN）在处理血流边界条件约束时的局限性，提出一种基于硬边界约束物理信息神经网络（hard boundary-constrained physics-informed neural network，HBC-PINN）的改进方法，实现对狭窄动脉血管内血液流场的精确预测。
首先建立理想化狭窄血管几何模型并进行计算流体动力学模拟以获得验证数据集。根据硬约束方法设计合适的边界相关试函数以将流动边界条件嵌入网络输出中，从而构建采用硬边界约束方法的HBC-PINN模型预测狭窄血流的速度场和压力场。同时还构建了采用软约束方法的原始PINN模型作为对比，通过评估两种模型在验证数据集上的准确性，验证不使用任何标记数据训练下HBC-PINN模型模拟血流动力学的能力。
确定了HBC-PINN方法在狭窄血流动力学参数预测任务中的有效性。两种不同狭窄情况下HBC-PINN预测的流向速度和压力的相对L2误差均低于0.5%，相比原始PINN模型精度提升了48.8%以上，垂向速度的预测精度同样提升了超过35.4%。
在PINN建模过程中实施边界条件硬约束可以有效提高对血流动力学参数的预测精度和模型求解效率。
调查健康青年在不同跨越障碍策略下的人体动态平衡能力，为防跌倒训练和公共设施设计提供理论依据。
20名健康青年使用F-scan足底压力分析鞋垫进行实验。受试者被要求针对3种不同高度与宽度组合的障碍物，以优势足为先行足，非优势足为跟随足，分别采用横跨和纵跨两种方法进行跨越，并采集足底压力数据。
不同跨越策略对先行足COP_ML调整速度、95%置信圆面积、ML振幅和AP振幅产生显著影响（P<0.05）。不同跨越策略对跟随足COP_ML调整速度、95%置信圆面积、最大摆动和最小摆动的差异产生显著影响（P<0.05）。先行足在横跨和纵跨时，在不同高度和宽度下平衡参数值差异有统计学意义（P<0.05），平衡参数值会随高度增高而变大，也会随宽度加宽而变大。跟随足在纵跨时，在不同高度下平衡参数值差异有统计学意义，平衡参数值会随高度增高而变大，但在横跨时平衡参数值差异没有统计学意义（P>0.05）。
健康青年在纵向跨越障碍物时，先行足的平衡能力优于横向跨越，与优势足的运动习惯和日常活动模式相符。而非先行足在横向跨越时表现出更稳定的足底压力分布，可能与更大的触地面积和更均匀的重心分布有关。
探究前交叉韧带重建（anterior cruciate ligament reconstruction，ACLR）术后0、15 d股骨受到垂直向下压力时膝关节内应力分布。
建立添加黏弹性材料属性的人体膝关节三维有限元模型。采用拟合蠕变曲线的方法获取软骨、半月板、韧带和前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）移植体的一维Prony黏弹性本构模型参数。估计ACLR术后15 d移植体黏弹性材料属性参数，模拟分析股骨受到垂直向下1.5 kN压力时，持续1 s与600 s后膝关节韧带、ACL移植体、关节软骨与半月板von Mises应力分布。
ACLR术后15 d移植体的初始松弛模量与平衡模量依旧高于人体ACL，ACL移植体所承受的应力相比健康ACL更高。尽管移植体的力学特性在ACLR术后降低，但股骨受到垂直向下施加压力1 s或600 s对软骨与半月板影响均较小。
ACLR术后，站立等负重康复训练中膝关节所受垂直向下载荷对关节软骨及半月板影响较小，且对移植体纤维再生具有促进作用，故可作为术后早期较为稳妥的康复方案。移植体制备需综合考量其弹性与黏性特性；松弛模量与黏度系数高于健康ACL的移植体，可更有利于维持术后早期膝关节稳定性。
爆炸冲击波引发的创伤性脑损伤作为现代战争和民用爆炸事故中的主要致伤类型，其高发性和复杂性引发社会广泛关注，而损伤机制与颅脑防护成为当下研究热点。首先，分析爆炸冲击波的动态载荷特性，并介绍颅脑本构与有限元模型的开发和验证，用于探讨颅脑在爆炸波和枪弹冲击作用下组织和细胞层面的力学响应。其次，系统总结国内外研究工作人员在组织和细胞层面的损伤机制研究与颅脑防护的研究现状。最后，指出当前研究面临的挑战和未来发展方向，并强调跨学科合作与创新的重要性，以推动爆炸冲击波作用下颅脑创伤的研究与应用转化。研究结果可为深化致伤机制的理解并推动多学科交叉融合以及防护头盔的研究提供参考。
心血管疾病是全球死亡的主要病因，血流动力学对于理解心血管疾病机制、预测疾病发展和指导治疗策略意义重大。临床获取患者个性化血流动力学参数的传统方法存在诸多局限，而深度学习技术的兴起为其计算带来新契机。本文综述聚焦深度学习在临床获取血流动力学参数中的应用，涵盖其在计算流体力学预处理、血流动力学计算（数据驱动与PINN方法）以及磁共振血流成像技术中的进展，分析各方法的优势、面临的挑战，探讨未来发展方向，为利用人工智能方法在临床获取血流动力学参数的研究提供参考。
通过实验研究骨骼肌优异性能背后的生物和作用机制，为开发性能比肩骨骼肌的柔性驱动器提供科学依据。
通过对青蛙骨骼肌制成的实验样品施加电刺激作用引起收缩，然后对其施加拉伸载荷进行测试，从骨骼肌尺寸、肌腱和肌外膜3个方面分析骨骼肌收缩长度和输出力等驱动性能与其结构之间的关系。
骨骼肌样品在无负载和承受50%自身最大输出力负载时的收缩长度分别约为28.92%和20%，而且当骨骼肌所受负载不大于其最大输出力的20%时，它还具有快速复位（约1.25 s）的特性；对比无活性的肌腱，有活性肌腱可以提高约19.68%的收缩量；肌外膜的完整性也可以很好保护骨骼肌的力传递效率。
通过模仿骨骼肌的结构和生物力学特性，柔性驱动器可以具有更好的驱动性能，这将极大地促进仿生机器人的发展。
北京市海淀区学院南路86号
010-62199257（仅加盟咨询）
qkjq@cast.org.cn
中国科学技术协会版权所有 京ICP 备10216604号-4 海淀分局备案 1101084647
科技导报社主办 中国科协信息中心技术支持
