计算力学与生命科学的交叉研究——面向疾病治疗的前沿研究
文一：
骨重建过程评估在牙种植体生物力学有限元稳定性评估中的作用
摘要：
背景和目的：虽然准确评估种植体的生物力学稳定性对于义齿计划和相关治疗保证至关重要，但在使用有限元分析的生物力学研究中，骨重建过程往往被忽视。在本研究中，我们旨在分析有限元分析中评估骨重塑过程对评估种植牙生物力学稳定性的意义。我们将考虑骨重塑过程的有限元结果与使用常用条件模拟的有限元计算结果进行了比较，而没有考虑骨重构过程。
方法：使用Komarova等人提出的数学模型计算离散位点的细胞群动力学和骨密度变化。该模型在有限元软件ABAQUS中使用UMAT子程序实现。为两种类型的骨骼（III和IV）和三种植入物直径值（4.0、4.5和5.0mm）构建了三维有限元模型。在150天的骨重建过程中，在垂直方向上施加50N的平均咬合力。然后，在30°倾斜方向上施加200 N的最大咬合力，以评估植入物系统的稳定性。
结果：为了了解骨重建对由此产生的力学反应的影响，我们基于两个参数对种植体周围松质骨进行了研究：表观密度变化和微应变分布。植入后骨密度平均下降5.3%，第6天最低。种植体周围松质骨的平均密度在150天内分别增加了264.4 kg/m3（III型骨）和220.0 kg/m3。对于骨稳定性分析，使用种植体周围骨的最大主应变来评估骨稳定性。如果忽略骨重塑过程，那么微应变疲劳失效范围内的骨体积与考虑骨重塑过程时的骨体积显著不同，即，与考虑骨重构过程时相比，III型骨体积高60%，IV型骨体积低33.4%。
结论：不考虑骨重塑过程的有限元结果可以被认为是III型骨的一个保守标准。然而，在IV型骨中，不考虑骨重建过程的有限元素结果往往低估了风险。骨重建过程受初始骨质量的影响大于植入物直径的影响。
图：牙科植入系统中基本多细胞单元（BMU）内的骨重塑过程示意图。
图：三维有限元模型；（a） 完整的种植体模型和种植体周围骨骼附近的骨骼圆柱形部分；（b） 三种情况下种植体和骨圆柱部分的尺寸；每个系统使用长度为L、直径为D的植入物；（c） 具有体积网格的有限元模型。
图：网格分辨率超应变范围内体积(> 3000με) ; 网格收敛试验结果。
图：根据阶跃过程的边界条件和加载条件；（a） 无骨重塑过程的有限元分析；（b） 骨重建过程的有限元分析；（c） 螺钉预加载、骨重建步骤的平均咬合力、咀嚼步骤的最大咬合力以及下颌骨块段中远中平面的边界条件。
图：（a） 平均密度变化；（b） 松质骨的平均密度随时间的变化率。
图：骨重建过程中的力学性能结果；（a） 松质骨III型和骨IV型在骨重建过程中的平均密度分布和密度变化；（b） 种植体颈部、中部和顶端位置的平均骨密度；（c） 骨重塑过程后的杨氏模量分布。
图：有限元结果有和没有骨重建过程。(a)微应变分布; (b)疲劳失效范围内的骨体积。
文二：
基于图像的肌肉骨骼系统生物力学模型
摘要：
有限元建模是研究肌肉骨骼系统生物力学的宝贵工具。发展解剖学上精确的、最先进的有限元模型的一个关键要素是医学成像。事实上，生成有限元模型的工作流程包括需要感兴趣对象的医学图像可用性的步骤：分割，即将图像的每个体素分配给特定材料，如骨骼和软骨，从而允许解剖结构的三维重建；网格划分，这是对描述问题物理性质的方程进行近似所需的计算网格的创建；将材料特性分配给模型的各个部分，例如可以通过骨组织的定量计算机断层扫描和软组织的其他技术（弹性成像、T1rho和磁共振成像的T2映射）来估计。本文简要概述了用于图像分割、网格划分和评估生物组织力学性能的技术，重点介绍了肌肉骨骼系统的有限元模型。介绍了综合方法和最近的进展，如基于人工智能的方法。
图：根据医学图像（例如计算机断层扫描）开发和使用有限元模型的工作流程：分割、三维重建、通过滤波（平滑）、网格划分、载荷/边界条件的分配和材料特性来提高重建表面的质量。
图：通过最先进的深度学习方法或采用神经网络和可变形模型的新方法自动确定的由操作员手动执行的磁共振成像扫描的膝关节分割示例。
图：基于最先进的深度学习架构（deep Net）和更传统的基于模型的方法的工具的性能比较，用于分割健康和病理脊柱的计算机断层扫描，突出了深度网络的改进性能，尤其是在病理病例中。
图：规则域（左）上的结构化网格、不规则域（中）上的结构网格和不规则域上的非结构化网格的示例（右）。
图：腰椎模型的网格示例：结构化网格，突出了用于模拟椎间盘胶原纤维增强特性的特殊技术；b非结构化网格。
图：一名31岁男性患者，左跟腱健康。纵轴上的B型超声图像显示了跟腱近端三分之一的正常厚度和回声结构。b纵向实时应变声弹性成像显示跟腱近端三分之一的正常外观为蓝色，代表僵硬组织。肌腱上的皮下脂肪组织呈现黄色到绿色，表示软组织。c剪切波弹性成像显示，正常肌腱坚硬（红色）且均匀，肌腱上方和下方的软组织易于区分。（d） 方框是计算肌腱弹性的感兴趣区域。
图：一名42岁女性患者骶髂关节的磁共振成像。两个骶髂关节的斜轴T1加权涡轮旋转回波图像（a）；详细地说是左侧骶髂关节（c）。相应的斜轴T2图（b，d）显示了在左侧骶髂关节间隙的骶髂关节侧手动绘制的ROI。
文三：
腹壁力学的数值模拟：肌肉收缩和腹内压力的作用
摘要：
腹壁的生物力学取决于肌肉激活、组织力学行为和腹内压力（IAP）。在这项工作中，基于医学图像中的腹壁几何形状，提出了一个人类腹部的数值模型。特定的组成式描述了组织的力学行为。结缔组织被建模为超弹性纤维增强材料，而肌肉组织则通过三元Hill模型进行描述。腹腔由与腹壁相互作用的体积区域表示。数值分析是通过应用肌肉收缩，引起腹腔容积减少和IAP同时增加来进行的。将对应于腹部紧缩的IAP处腹部位移的数值结果与通过对健康受试者的3D激光扫描获得的实验结果进行比较。数值和实验结果是相互一致的，并表明肌肉激活诱导腹壁侧的白线附近区域沿前后方向升高和沿腹壁侧外侧-内侧方向降低。这项工作中开发的数值模型可以连贯地表示腹壁力学。
图：腹壁实体模型：腹腔、白线（LA）、腹直肌（RA）、筋膜（A）、外斜肌（EO）、内斜肌（IO）和腹横肌（TA），具有肌纤维方向。
图：在数值模型中，在对应于坐（a）、站（b）和腹部紧缩（c）的IAP增加时，在两个横截面S1–S1和S2–S2上评估前后方向的位移U（mm）。对于每种情况，都会报告未变形（黑线）和变形（轮廓）的配置。
图：在肌肉收缩过程中，腹壁从3D扫描仪沿着相对于松弛腹部表面的局部法线方向的位移U（mm）。
图：肌肉收缩引起的腹部形状变化，在RA肌肉中间沿矢状面的纵向截面上进行评估（截面S3–S3）。
文四：
PauwelsⅢ型骨折五种固定技术的有限元生物力学分析
摘要：
背景和目的：Pauwels-III型骨折有多种固定方法，最常见的植入物有锁定钢板（LP）、动力髋螺钉（DHS）、多角螺钉（MLS）和混合固定器（DHS+MLS）植入物，常见的手术方法是半关节置换术（HA）。然而，这些固定物的生物力学功能尚不清楚。本研究的目的是通过有限元建模比较这五种植入物的力学性能，并确定最适合Pauwels-III骨折患者的手术方法。
方法：我们首先从*.dicom格式的CT扫描中收集了20组股骨图像，然后使用逆向工程软件程序进行处理，如Mimics、Geomagic Studio、UG-8、Pro Engineer和HyperMesh。最后，我们用AnSys对LP、DHS、MLS、DHS+LS和HA五种夹具模型进行了组装和分析。
结果：这些Pauwels III骨折的数值模型，包括固定器和模拟HA，通过先前的研究和尸体试验得到了验证。我们的分析结果包括：所有夹具的位移在0.3801和1.0834 mm之间，差异没有统计学意义；所得到的应力平均峰值为e（Ha）=43.859≤d（LP）=60.435≤b（MLS）=68.678＜c（LS+DHS）=98.478＜a（DHS）=248.595（Mpa），表明DHS和DHS+LS的应力大于LP、Ha和MLS的应力，而后三个模型没有显著差异。
结论：为了优化PauwelsⅢ型骨折的临床治疗，应提出HA和LP。
图：夹具和HA模型组装。
图：为5个型号指定的材料。
图：股骨干应力图（MPa）。
文五：
滑移中鞋-液-地板相互作用过程的生物力学模拟
摘要：
滑倒是公共安全的主要问题之一。通过确保鞋与地面的接触面有足够的附着力，可以降低打滑的风险。鞋的外底设计是在存在诸如水或油之类的湿滑污染物的情况下保持足够的鞋地面附着力的关键因素。虽然地板和污染物对鞋类附着力的作用已经得到了广泛的研究，但有限的工作已经研究了鞋外底几何形状和踏面花纹对鞋地板附着力的作用。在这项工作中，通过开发一种新的基于流体-结构相互作用的计算框架，在有水污染的普通地板上测试了八种鞋外底设计及其牵引性能。量化了外底图案中的诱导流体压力、质量流速和接触面积，并研究了它们对鞋摩擦的影响。通过机械滑移试验验证了研究结果。结果表明，具有水平踏面或足跟未经处理区域的外底可以显著降低鞋类摩擦。此外，在评估鞋类在水污染地板上的牵引性能时，仅接触面积被量化为一个糟糕的选择。迄今为止，此类新的研究结果尚未报道，预计将为鞋类制造商评估和优化鞋类踏面参数提供重要指导，这将有助于降低滑倒风险。
图：所选鞋类的3D CAD模型。
图：用于制造外底模型的方法。
图：计算建模步骤。（A） 外底弯曲17˚至50 mm，以及（B）静态载荷的边界条件。
图：CFD流场表征的边界条件。
图：生物芯片滑动测试装置。
图：在水作为污染物存在的情况下，由于滑动模拟而引起的压力。
图：在水作为污染物存在的情况下，由于滑动模拟而产生的质量流速。
