目的:开发一种应用于经自然腔道内镜手术（NOTES）机器人柔性机械手的骨架结构，以满足NOTES对手术执行器械的性能需求。方法:基于金属编织技术设计一种柔性机械手结构及对应结构的控制策略。根据柔性机械手的机械结构特征推导几何关系公式。通过链式梁约束模型（CBCM）以及机械弹簧理论建立理论模型。对机械结构建立有限元模型并分析，验证理论模型的精度；并由金属编织结构的抗弯刚度验证柔性机械手的载荷能力。结果:基于金属编织技术设计了一种柔性机械手结构及对应结构的控制策略。在设置恰当的约束条件后，金属圆环作为单个受力单元在受到0.5 N的轴向力驱动时，最大应变约为1.49%，处于线性弹性阶段。最大形变约为0.308 9 mm，比理论值高3.26%。机械手骨架的最大应变约为0.21%，处于线性弹性阶段。最大总形变约为7.135 5 mm，比理论值高6.30%。机械手骨架的抗弯刚度计算为3.19 N·mm 2，与同量级尺寸形状记忆聚合物（SMPs）制成的柔性机械手相当。 结论:开发一种应用于NOTES机器人柔性机械手的骨架结构，符合执行NOTES手术任务的支撑刚度需求。

目的:基于重建异常生理曲度颈椎曲度，利用数字建模软件和有限元分析软件构建颈前路椎体次全切除融合术（ACFF）三维有限元模型，并对构建完成的模型进行验证、加载载荷、计算分析生物力学，为临床手术方案的合理制定和预后的评估提供参考依据。方法:选择临汾市人民医院脊柱外科1例住院患者，将279张颈椎CT扫描DICOM格式图像导入Mimics建模软件，构建stl格式初步三维模型，利用Geomagic Studio 2013软件精修细化功能对三维模型进行光滑、消除噪点，并模拟ACCF手术操作切除C 3椎体部分及上下相邻椎间盘，切除部分使用钛笼支撑，钛笼中填充碎骨，并使用六孔钛板进行前路内固定。在C 3切除后调整颈椎生理曲度，使变直的颈椎恢复前凸，并测量调整后的Cobb角为-10.76°，进一步添加韧带、椎间盘、模拟小关节，然后导入有限元分析软件Ansys workbench 15.0，进行网格划分、赋予材料属性，加载载荷，计算颈椎椎间盘和小关节的应力。 结果:成功建立了ACCF三维有限元模型，包含7个颈椎椎体、3个椎间盘、以及双侧的小关节、韧带等结构，内固定融合物包括1个钛笼、1个钛板和4个螺钉，钛笼内容物为松质骨碎块填充，共计398 325个节点，174 329个单元。有限元计算结果以前屈工况为例，术前模型C 1~C 7小关节应力分别为4.29、2.01、1.95、2.43、0.54、0.69 MPa，而术后小关节应力分别为3.33、0.47、0.79、3.02、0.63、0.26 MPa，两个不同工况模型小关节应力相比，术前模型5个节段小关节应力高于术后模型，术后模型C 4~C 7椎间盘应力分别为0.44、0.66、0.46 MPa，均低于术前生理曲度变直模型的椎间盘应力。 结论:利用患者真实CT扫描数据构建外观逼真、细节还原度高、具有非常好的几何相似性的有限元模型，并通过有效性验证，生物力学分析提示重建颈椎生理曲度能有效降低颈椎椎间盘和小关节的应力，这对于后期延缓或者阻止颈椎退变能起到一定的作用。

目的:探讨半环形外固定支架治疗C型桡骨远端骨折的稳定性.方法:选取1名健康成年男性志愿者,分别采用CT和MRI扫描腕关节.基于CT和MRI扫描数据,建立正常腕关节的三维有限元模型,并对模型有效性进行验证.基于正常腕关节的三维有限元模型,建立C1、C2、C3型桡骨远端骨折有限元模型,制作并装配半环形外固定支架.分别在装配半环形外固定支架的C1、C2、C3型桡骨远端骨折有限元模型上施加轴向、旋前及掌屈载荷,记录不同载荷下3种桡骨远端骨折有限元模型桡腕关节面的轴向最大相对位移及骨折块的最大应力和最大位移.结果:①正常腕关节有限元模型构建和验证结果.本研究建立的正常腕关节有限元模型涉及1 094 717个单元,387 763个节点.在尺骨近端施加完全约束后,对模型施加100 N的轴向载荷,桡腕关节面最大应力为10.7 MPa;桡骨远端关节面主要应力分布于桡舟关节面和桡月关节面,且桡舟关节面所承受的应力较大;该结果与文献中尸体实验结果一致,提示正常腕关节有限元模型构建成功.②3种桡骨远端骨折有限元模型桡腕关节面的轴向最大相对位移.在轴向载荷下,C1、C2、C3型桡骨远端骨折有限元模型桡腕关节面的轴向最大相对位移依次为0.27 mm、0.14 mm、0.64 mm;在旋前载荷下,C1、C2、C3型桡骨远端骨折有限元模型桡腕关节面的轴向最大相对位移依次为0.21 mm、0.29 mm、0.36 mm;在掌屈载荷下,C1、C2、C3型桡骨远端骨折有限元模型桡腕关节面的轴向最大相对位移依次为0.11 mm、0.08 mm、0.24 mm.③3种桡骨远端骨折有限元模型骨折块的最大应力.在轴向载荷下,C1、C2、C3型桡骨远端骨折有限元模型骨折块的最大应力依次为5.58 MPa、20.93 MPa、40.91 MPa;在旋前载荷下,C1、C2、C3型桡骨远端骨折有限元模型骨折块的最大应力依次为1.45 MPa、11.31 MPa、11.89 MPa;在掌屈载荷下,C1、C2、C3型桡骨远端骨折有限元模型骨折块的最大应力依次为0.78 MPa、19.94 MPa、4.66 MPa.④3种桡骨远端骨折有限元模型骨折块的最大位移.在轴向载荷下,C1、C2、C3型桡骨远端骨折有限元模型骨折块的最大位移依次为0.63 mm、1.4 mm、1.5 mm;在旋前载荷下,C1、C2、C3型桡骨远端骨折有限元模型骨折块的最大位移依次为0.10 mm、0.16 mm、0.16 mm;在掌屈载荷下,C1、C2、C3型桡骨远端骨折有限元模型骨折块的最大位移依次为1.24 mm、1.15 mm、1.05 mm.结论:半环形外固定支架治疗C型桡骨远端骨折具有较好的稳定性.

目的 研究髓内压对骨内液体流动行为的影响.方法 利用COMSOL Multiphysics软件分别建立宏观大段骨组织和宏-细观骨间质-骨单元群的多尺度多孔弹性力学有限元模型,在考虑骨髓腔、哈弗氏管和骨陷窝-小管等不同孔隙尺度相互联系的情况下,对比中空骨组织和含髓内压骨组织的孔隙压力与流速情况,并分析髓内压幅值和频率对骨内液体压力和流速的影响.结果 考虑髓内压时,含髓内压骨组织比中空骨组织孔隙压力高6.4 kPa.骨内液体压力随着髓内压幅值的增加而明显增加,但流速基本不变.髓内压频率对孔隙压力和流速基本无影响.结论 建立的多级孔隙模型更精准分析了骨内液体流动行为,研究结果对深入理解骨内力传导具有重要意义.

目的:观察脊柱胸腰段骨折与椎体骨性结构及韧带间应力分布的相关性,探索脊柱胸腰段椎体骨折的力学机制.方法:招募8名健康男性青年志愿者,行脊柱全长X线片和CT检查排除脊柱畸形、肿瘤及骨病,对脊柱各椎体及股骨行骨密度测定排除骨质疏松.均行自T11椎体上终板至L2椎体下缘CT薄层扫描,将8名志愿者CT图像参数导入ABAQUS 2016软件中进行标准化,并进行有限元网格化构建.应用MIMICS 17.0、GEOMAGICS 15.0和PRO/ENGINEER 5.0软件处理,建立脊柱胸腰段有限元模型,测量模型相关参数,并验证模型有效性.在T11椎体上终板上加载竖直轴向载荷500N、附加扭矩10N·m模拟垂直压缩、前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转7种运动状态,使用ABAQUS软件对有限元模型7种运动状态下的应力分布特点及变化规律进行分析,观察应力分布与脊柱胸腰段骨折的相关性.结果:建立的三维有限元模型共有309583个节点和428760个单元,包括4个椎体、3个椎间盘、前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、棘间韧带等结构.7种运动状态下的数据与文献报道的数据无明显偏差,模型有效.T11～L2椎体椎弓根截面积分别为135mm2、154mm2、105mm2、139.2mm2.应力云图结果显示各运动状态下高应力区存在于椎体的松质骨、椎弓根及其周围骨皮质.在垂直压缩状况下,T12椎体所受应力最大(617.4MPa),前屈状态下T11所受应力最大(200.7MPa),后伸、左右侧屈和左右旋转状态下L1椎体所受应力最大(314.2MPa、574.4MPa、626.2MPa、641.3MPa、527.1MPa),且前屈体位时椎体所能承受的应力最小,左旋转时所能承受的应力最大.垂直压缩状况下T12椎体发生骨折,前屈状态下T11发生骨折伴韧带损伤,后伸、左右侧屈和左右旋转状态下L1椎体发生骨折伴韧带损伤.骨折发生时,前纵韧带在后伸、左右侧屈状态下存在高应力区,后纵韧带在前屈状态下存在高应力区,横突间韧带和棘间韧带在前屈、左右侧屈、左右旋转状态下存在高应力区.结论:在构建包括重要韧带、椎间盘等软组织结构的脊柱胸腰段三维模型中,椎体松质骨、椎弓根及其周围骨皮质、韧带均存在高应力区,不同状态下所受应力最大椎体不同,发生骨折的椎体和韧带损伤也不同;L1椎弓根截面积最小,最易发生骨折.

小球藻科物种生境范围广,分布于全球各种淡水、海水及陆生环境中,是多种生态系统的重要组成部分,且以其重要的科学和应用价值成为研究热点.由于个体微小及较强的形态可塑性,小球藻科物种能供分辨的形态特征有限,其经典分类学研究和物种鉴定存在诸多困难.随着基于DNA序列的研究方法在分类学研究中的应用,小球藻科历经多次修订,物种组成发生了很大变化,目前,小球藻科包含约48个属258个种.该科分类仍存在许多悬而未决的问题,如有些属、种的分类地位存疑、分类单元的多系起源问题、一些新支系有待进行物种归类.本文系统总结了小球藻科分类学研究历史和现状,并对其中存在的问题及存疑类群进行阐述,探讨了基因组学数据测序情况及其在分类学上的应用前景,以期为小球藻科的系统分类研究和开发利用提供基础参考资料.

探索了以诺贝尔奖成果案例为主干线索牵引生物医学工程专业基础课"分子与细胞"课程教学的改革试点,遴选课程11个核心章节的15个获奖案例,建议学生以诺贝尔奖得主的获奖报告为蓝本开展合作调研,重点关注科学家的研究背景、发现发明的亮点、成果的理论或应用价值.在课堂实践中,构筑导入-汇报-互动-总结的研讨单元,采用同行组引导讨论的方法,提升教学效果.融入国家需求、科学艺术、应对挑战、创新精神等要素,通过课外调研和课堂研讨来激发学生的自主学习热情,培养学生的生物医学基本素质和理念,在有限学时下取得良好成效,90％的学生认为学习收获显著.进一步提出该课程的方法优化、观点更新、思政融合、视野提升等改进设想,对生物医学类专业生物基础课程教学的提质增效具有潜在借鉴意义.

背景:随着检查技术的革新,不同分期脊柱转移瘤患者逐年增多,经皮椎体成形是脊柱转移瘤重要的治疗手段,但其治疗不同分期、不同活动方式肿瘤的术后生物力学疗效尚未见报道.目的:基于三维有限元模型模拟胸椎T10骨肿瘤转移不同位置的应力及位移情况.方法:根据1例30岁健康男性胸椎三维CT扫描数据,采用Mimics软件构建胸椎(T9-T11)的三维几何模型,包括肋骨、韧带及椎间盘.模拟被胸椎转移瘤侵袭的T9-T11椎体及其后胸椎不同部位的三维模型,包括椎体结构完整的对照组,单侧转移累及椎体区(实验组1),单侧转移累及椎体和椎弓根区(实验组2),单侧转移累及椎体、椎弓根和横突区(实验组3),双侧转移累及椎体、椎弓根和横突区(实验组4).利用Abaqus软件创建三维有限元模型,对负重、屈曲、伸展、旋转工况下Von Mises应力分布及模型的位移情况进行分析.结果与结论:①在对不同实验组加载点在负重、屈曲、伸展、旋转工况下最大总位移的研究中,随着转移瘤侵袭部位及侵袭面的增多,加载点的总位移在增大,整体刚度降低,尤其实验组4加载点的总位移最大;②在屈曲工况下椎体、椎弓根破坏后明显增加最大Von Mises应力值,而在此基础上增加胸肋关节破坏,其最大Von Mises应力值基本不变;③有限元分析并模拟骨肿瘤模型的基础上,将骨水泥区域的单元设置为一个单独的set集合,后将骨水泥区域设置为对应的材料属性以模拟骨水泥填充,结果发现,负重、屈曲、伸展、旋转工况下最大总位移均小于各实验组;④模拟经皮椎体成形治疗后患者在负重、屈曲、伸展、旋转工况下的最大应力值相较于骨肿瘤模型大幅度降低;⑤提示基于胸椎T9-T11的三维有限元模型构建有利于对胸椎骨肿瘤转移生物力学特性的研究,并能够在胸椎骨肿瘤转移模型的基础上准确模拟经皮椎体成形后加载点在不同工况下的总位移及最大Von Mises应力情况.

目的:分析腰椎立体定位斜扳法与传统腰椎斜扳法对椎间盘及关节突关节软骨的影响.方法:选取1 例成年男性L4～5椎间盘突出症患者(椎间盘向左后方突出),采用西门子Light Speed 64 排螺旋CT进行腰椎和骨盆扫描,层厚 0.5 mm.基于CT扫描数据,应用三维有限元建模软件建立腰椎-骨盆三维有限元模型,通过与文献数据比较验证模型有效性后,分析腰椎立体定位斜扳法与传统腰椎斜扳法作用下腰椎-骨盆整体应力、L4～5椎间盘应力和位移、L4～5 关节突关节软骨应力和位移、L4～5 上下关节突表面中心点相对空间距离.结果:①腰椎-骨盆三维有限元模型建立及验证结果.建立的腰椎-骨盆三维有限元模型共有550 215 个节点、344 359 个单元,高度模拟了腰椎-骨盆的结构与材料特性.在模拟加载条件下,L4～5节段屈伸、侧屈、轴向旋转活动范围与文献中的既往研究结果基本相同.②模型整体应力.实施传统腰椎斜扳法时,腰椎-骨盆三维有限元模型最大应力为5.31 MPa,主要集中于L1、L2、L4、L5 椎体;实施腰椎立体定位斜扳法时,腰椎-骨盆三维有限元模型最大应力为29.30 MPa,主要集中于L1、L2 椎体及L3、L4、L5 椎弓根.③L4～5 椎间盘应力及位移.实施传统腰椎斜扳法时,L4～5 椎间盘纤维环平均等效应力为1.12 MPa,纤维环整体向左、向前、向下发生位移,平均位移分别为0.36 mm、0.20 mm、0.05 mm;髓核平均等效应力为0.02 MPa,髓核整体向左、向前、向下发生位移,平均位移分别为0.35 mm、0.24 mm、0.06 mm.实施腰椎立体定位斜扳法时,L4～5椎间盘纤维环平均等效应力为1.14 MPa,纤维环整体向左、向前、向下发生位移,平均位移分别为0.39 mm、1.30 mm、0.05 mm;髓核平均等效应力为0.02 MPa,髓核整体向左、向前、向下发生位移,平均位移分别为0.38 mm、1.30 mm、0.07 mm.④L4～5 关节突关节软骨应力及位移.实施传统腰椎斜扳法时,L4～5左侧和右侧关节突关节软骨平均等效应力分别为2.46 MPa、3.18 MPa,平均位移分别为1.10 mm、0.21 mm;实施腰椎立体定位斜扳法时,L4～5左侧和右侧关节突关节软骨平均等效应力分别为2.70 MPa、3.22 MPa,平均位移分别为1.46 mm、0.65 mm.⑤L4～5上下关节突表面中心点相对空间距离.实施传统腰椎斜扳法时,L4～5 左、右侧上下关节突表面中心点相对空间距离分别为0.75 mm、0.34 mm;实施腰椎立体定位斜扳法时,L4～5 左、右侧上下关节突表面中心点相对空间距离分别为0.81 mm、0.23 mm.结论:腰椎立体定位斜扳法与传统腰椎斜扳法均能使腰椎间盘突出症患者病变节段椎间盘及关节突关节软骨产生一定的应力和位移;相较于传统腰椎斜扳法,腰椎立体定位斜扳法能使病变节段椎间盘和关节突关节软骨产生更大的应力和位移,这也可能是腰椎立体定位斜扳法比传统腰椎斜扳法治疗腰椎间盘突出症疗效更佳的原因.

目的 设计3D打印多孔钛金属支架并通过有限元分析找出满足大孔径和高抗压强度的结构设计方案.方法 利用计算机Autodesk Inventor软件,设计15种不同孔隙结构的单元钛合金支架模型(5种类型单元体结构,分别为仿钻石-60°、仿钻石-90°、仿钻石-120°、正四面体和正六面体,每种类型单元体结构各有3种孔径,分别为400、600、800 μm)及其15种圆柱体模型(直径20 mm、高度20 mm),通过Autodesk Inventor软件进行有限元分析,简单模拟膝关节处受力类型及大小,转化成Mises等效应力、安全系数及形变位移的比较,分析数据,筛选出大孔径、高抗压强度的设计模型.结果 5种不同孔隙结构的单元结构模型在安全状态下,正向受力时,除正四面体外随孔径增大而最大受力减小;侧向受力时,各单元结构随孔径增大而最大受力减小;扭转受力时,仿钻石-60°和正四面体结构体随孔径增大而最大受力减小,仿钻石-90°结构体随孔径增大而最大受力增大,而仿钻石-120°和正六面体单元结构随孔径增大基本上无变化.在3种受力条件下,所有单元结构随孔径增大而形变位移增大.5种不同单元结构圆柱体模型分别在3种受力时,孔径越大,形变位移越大,Mises等效应力越大,安全系数变化同Mises等效应力相反.综合抗压能力由强到弱的顺序为:正六面体＞正四面体＞仿钻石-120°＞仿钻石-90°＞仿钻石-60°,并且每种类型圆柱体模型中孔径越小,抗压强度越大.结论 孔径大小和孔隙形态是影响支架抗压强度的重要因素.随着孔径(400、600、800 μm)的增大,各结构的强度均有所降低.正六面体、正四面体和仿钻石-120°结构模型能够满足大孔径和高抗压强度的条件.