不同角度载荷下股骨头骨小梁的生物力学特性

目的 探讨不同角度载荷对股骨头骨小梁形态学与力学性能的影响,为研究股骨头坏死、塌陷的生物力学机制提供理论依据。方法 利用12月龄羊股骨头和人尸体股骨头分别制作羊股骨头骨小梁试件94个和人股骨头骨小梁试件43个。按照受力方向与骨小梁主压力方向之间的不同夹角,将骨小梁以10°间隔分为内翻10°、0°和外翻10°、20°、30°共计5组,模拟股骨颈骨折内固定术后不同戈登（Garden）对线指数下的复位情况。通过分别对羊股骨头骨小梁进行micro-CT扫描、计算与压缩破坏试验以及对人尸体股骨头骨小梁进行循环压缩试验,分析不同受力方向下股骨头骨小梁的骨体积分数（BV/TV）、骨表面积/骨体积（BS/BV）、骨小梁平均厚度（Tb.Th）、骨小梁数量（Tb.N）、骨小梁间距（Tb.Sp）等形态学指标以及弹性模量、极限强度、屈服强度、初始弹性模量、循环次数等力学指标。结果 加载方向与骨小梁的主压力方向之间夹角为0°时,BV/TV、Tb.Th以及弹性模量、极限强度、屈服强度、初始弹性模量、循环次数均为最大,而BS/BV与Tb.N为最小,并随着夹角增大前者呈递减而后者呈递增趋势。结论 12月龄羊股骨头骨小梁BV/TV与极限强度随受力方向与骨小梁主压力方向之间夹角变化的趋势与人股骨头骨小梁一致;加载方向与主压力骨小梁之间夹角增大时,股骨头骨小梁形态学与力学性能均下降;Garden指数偏离160°越大时,股骨头内骨小梁越易发生损伤。     

不同角度载荷下股骨头骨小梁的生物力学特性

目的探讨不同角度载荷对股骨头骨小梁形态学与力学性能的影响,为研究股骨头坏死、塌陷的生物力学机制提供理论依据。方法利用12月龄羊股骨头和人尸体股骨头分别制作羊股骨头骨小梁试件94个和人股骨头骨小梁试件43个。按照受力方向与骨小梁主压力方向之间的不同夹角,将骨小梁以10°间隔分为内翻10°、0°和外翻10°、20°、30°共计5组,模拟股骨颈骨折内固定术后不同戈登(Garden)对线指数下的复位情况。通过分别对羊股骨头骨小梁进行micro-CT扫描、计算与压缩破坏试验以及对人尸体股骨头骨小梁进行循环压缩试验,分析不同受力方向下股骨头骨小梁的骨体积分数(BV/TV)、骨表面积/骨体积(BS/BV)、骨小梁平均厚度(Tb.Th)、骨小梁数量(Tb.N)、骨小梁间距(Tb.Sp)等形态学指标以及弹性模量、极限强度、屈服强度、初始弹性模量、循环次数等力学指标。结果加载方向与骨小梁的主压力方向之间夹角为0°时,BV/TV、Tb.Th以及弹性模量、极限强度、屈服强度、初始弹性模量、循环次数均为最大,而BS/BV与Tb.N为最小,并随着夹角增大前者呈递减而后者呈递增趋势。结论 12月龄羊股骨头骨小梁BV/TV与极限强度随受力方向与骨小梁主压力方向之间夹角变化的趋势与人股骨头骨小梁一致;加载方向与主压力骨小梁之间夹角增大时,股骨头骨小梁形态学与力学性能均下降;Garden指数偏离160°越大时,股骨头内骨小梁越易发生损伤。     

骨质疏松与骨关节炎患者松质骨的显微结构

目的:通过显微计算机断层扫描(micro-computed tomography,Micro-CT)检测股骨头松质骨显微结构,研究骨质疏松与骨关节炎的关系。方法:绝经后妇女骨质疏松性股骨颈骨折和原发性髋关节骨关节炎患者各20名,以Micro-CT扫描检测股骨头软骨下松质骨标本,对2组患者的松质骨显微结构参数进行比较。结果:骨质疏松与骨关节炎松质骨显微结构参数:骨体积分数(bone volume fraction,BV/TV)、骨表面积体积比(bone surface/bone volume,BS/BV)、骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)、骨小梁间距(trabecular separation,Tb.Sp)、结构模型指数(structure model index,SMI)、连接密度(connectivity density,Conn.D)比较差异有统计学意义,BV/TV,SMI与Tb.N,TbTh,BS/BV,Tb.Sp呈相关关系。结论:骨质疏松与骨关节炎的显微结构存在差异,这些差异可能导致相反的骨缺陷;BV/TV,SMI是评价显微结构参数的2个重要指标。     

股骨近端主压力骨小梁生物力学特性

目的股骨头坏死是一种常见病,导致其发病的原因有很多,其中股骨颈骨折后股骨头坏死的原因尚不清楚,机制不明,由于其局部解剖结构特殊,根据其内部结构特点,对骨小梁结构进行研究,为解释股骨颈骨折后股骨头坏死的发生原因提供实验依据。方法对正常中国人(45～60岁)尸体股骨近端主压力骨小梁系统从上到下分成3个区,分别在Endura TEC ELF3200生物力学材料动态力学性能测试系统上,从主压力骨小梁方向及与其垂直方向上进行拉伸、压缩性能实验研究。结果得出了股骨近端主压力骨小梁系统3个区在主压力骨小梁系统方向及与其垂直方向的压缩、拉伸屈服强度、极限强度、弹性模量等测试指标的实验结果。从上到下3个区的弹性模量等生物力学性能依次递增,主压力方向的压缩生物力学性能要明显高于拉伸生物力学性能,并且生物力学性能在主压力系统方向及与其垂直方向有明显差异。结论股骨近端主压力骨小梁的主要力学性能是承受压应力,并且具有明显的各向异性。     

成人颈椎关节突区域微结构与微有限元力学研究

目的分析成人颈椎关节突不同区域、C_2～C_7椎序间、左右侧别微结构的变化规律及其与关节突微有限元力学反应之间的关系,预测及评价由关节突微观形态及力学载荷的改变导致颈椎失稳、骨质疏松、关节突骨折等引起关节突损伤等颈椎疾患的风险。方法取由内蒙古医科大学解剖学教研室提供的36个成人新鲜颈椎上、下关节突,行Micro-CT扫描,手动勾选上、下关节突2个感兴趣区域(VOI),并计算关节突微结构参数;用环钻从关节突取体积为8 mm×8 mm×8 mm的立方体进行微有限元力学分析,对比分析关节突微结构与力学参数之间的关系。结果主效应分析上、下关节突区域间BV/TV、BS/BV、Tb. Sp参数之间差异有统计学意义(P 0. 05);关节突左、右侧别间,仅Tb. Th参数值差异有统计学意义(P 0. 05);不同椎序间关节突BV/TV、Tb. N、BS/BV、Tb. Th、Tb. Sp、Tb. Pf参数值差异均有统计学意义(P 0. 05);交互效应仅在不同椎序间与上、下关节突区域间交互效应Tb. N参数值差异有统计学意义(P 0. 05)。微有限元力学表现为关节突骨小梁微有限元模型所受的六个方向的应力分量为σ_x、σ_y、σ_z、σ_(xy)、σ_(xz)、σ_(yz),分别对应的应力值为S11、S22、S33、S12、S13、S23,其中S33即在σz轴向应力值最大,符合关节突加载载荷的方向(沿Z轴方向加载),S12即σxy二维平面所受应力最小,表明颈椎在运动时关节突所受切应力小于主应力。结论 C_3关节突BV/TV、Tb. N参数值最大,BV/TV、Tb. Th与关节突应力呈正相关,与骨折程度、受力集中程度、内部剪切力呈负相关,因此,C_3关节突载荷能力较好,发生骨折等损伤风险相对较小。C_2关节突BS/BV、Tb. Sp、Tb. Pf参数值最大,Tb. Pf、Tb. Sp与应力呈负相关,与骨折、骨质疏松、增生、退变等呈正相关,说明C_2关节突发生骨折、骨质疏松、增生、退变等颈椎疾病风险较其他关节突大。关节突骨小梁有限元模型在整个变形过程中塑性应变累计结果为零,即在此载荷条件下未发生塑性变形,没有发生屈服,说明在成人正常生理载荷条件下关节突骨小梁有限元模型未发生骨折。     

松质骨骨小梁的微观构筑对骨质力学强度影响的实验研究

目的　观察骨质疏松和非骨质疏松状态的松质骨的三维微观结构对其骨强度的影响。方法　16只雌性成年绵羊随机分为去势(OVX)组（8只）和假手术(Sham)组（8只）。OVX组行双侧卵巢切除术，假手术组仅显露双侧卵巢，术前测定腰椎竹密度(BMD)。术后12个月处死动物，测定腰椎的BMD，用环钻钻取椎体松质骨，并行MicroCT分析及生物力学测试。结果　去势12个月后，OVX组的BMD较Sham组显著降低。松质骨的骨体积分数(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁数目(Tb.N)较Sham组显著降低，表面积体积比(BS/BV)和骨小梁分离度(Tb.Sp)较对照显著增高。生物力学测试表明，去势12个月后，OVX组松质骨的力学强度显著下降。骨小梁的力学强度与骨小梁厚度(r=0.945，R^2=0.886)、骨体积分数(r=0.783，R^2=0.586)及面积体积比(r=0.643，R^2=0.372)呈线性相关。结论　骨小梁的三维微观结构改变可以影响松质骨的力学强度，两者之间具有一定的线性关系。     

镁基植入体植入兔股骨后周围骨微结构变化趋势

目的研究镁基植入体植入兔股骨不同时间点周围骨微结构参数的变化规律。方法将直径2 mm、长7 mm有螺纹及无螺纹的高纯镁(99.99 wt.%)钉植入兔股骨髁,对照组为钻孔组及健康组。在术后8、12、16周进行Micro-CT扫描和分析,得到各组微结构参数,包括:骨质密度(BMD)、骨体积分数(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁数量(Tb.N)、骨小梁分离度(Tb.Sp)。结果 8周时无螺纹镁钉组BMD、BV/TV显著高于健康组,Tb.N显著高于钻孔组与健康组,Tb.Sp显著低于健康组;12周时有螺纹镁钉组BMD、BV/TV、Tb.N显著高于钻孔组与健康组,Tb.Th显著高于健康者,Tb.Sp显著低于钻孔组与健康组;16周时无螺纹镁钉组的BMD、BV/TV、Tb.N显著高于钻孔组与健康组,Tb.Sp显著低于钻孔组与健康组。结论镁基植入体促使周围骨组织的BMD、BV/TV、Tb.Th、Tb.N更高,Tb.Sp更低,说明其骨整合与骨生长状况良好,镁基植入体能有效促进骨再生。研究结果为镁基植入体的骨科临床应用提供理论依据。     

雷公藤甲素对去势小鼠骨质疏松模型破骨细胞分化的影响

目的 探究雷公藤甲素（TP）对去势小鼠骨质疏松模型破骨细胞分化的影响，并探讨其可能的分子机制。方法 建立去势小鼠骨质疏松模型，分为假手术组（Sham组）、卵巢切除去势组（OVX组）、雷公藤甲素组（TP组）、利维爱组（Livial组），造模后第3天给予对应药物处理。治疗6周后，采用TRAP染色检测左侧股骨干骺端的破骨细胞数量。Micro-CT重建三维骨结构图像，检测左侧胫骨干骺端的骨密度（BMD）、骨小梁数目（Tb.N）、骨体积分数（BV/TV）、骨表面积组织体积比（BS/TV）、骨小梁分离度（Tb.Sp），ELISA检测外周血中IL-6、TNF-α、骨形成标志物骨钙素（OC）、骨吸收标志物抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAcp5b）含量。Western Blot检测右侧股骨组织中p65、p-p65、IκBα、p-IκBα蛋白表达水平。结果 骨小梁周围破骨细胞数量比较：OVX组与Sham组相比明显增加；TP组与OVX组相比明显减少；TP组与Livial组比较，差异无统计学意义。骨参数分析：OVX组与Sham组相比，小鼠骨组织的BMD、Tb.N、BV/TV、BS/TV均显著下降，而Tb.Sp显著升高（P＜0.01）；与OVX组相比，TP组和Livial组骨组织的BMD、Tb.N、BV/TV、BS/TV均显著升高，而Tb.Sp显著下降（P＜0.01）；TP组与Livial组比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。IL-6、TNF-α、OC、TRAcp5b含量比较：OVX组的IL-6、TNF-α含量显著高于Sham组（P＜0.01）；各组间OC水平比较，差异无统计学意义（P＞0.05）；OVX组的TRAcp5b水平显著高于Sham组（P＜0.01）。蛋白表达水平：与Sham组相比，OVX组的p65、IκBα表达水平不变，而p-p65和p-IκBα表达水平显著升高（P＜0.01）；TP处理后，p65、IκBα表达水平不变，而p-p65和p-IκBα表达水平却显著降低（P＜0.01）；TP组与Livial组比较，两者间p65、IκBα、p-p65和p-IκBα表达水平差异无统计学意义（P＞0.05）。结论 TP抑制破骨细胞分化，改善了去势小鼠的骨量丢失，其分子机制可能与抑制炎症因子IL-6、TNF-α的表达及NF-κB信号通路的磷酸化水平有关。     

第5颈椎椎弓根的显微形态学研究

目的应用Micro CT对正常C_5椎弓根部位进行扫描,分析椎弓根结构的骨小梁显微结构特点并测量相关指标。方法选取5例C5颈椎骨结构完整的成人干燥骨标本,年龄45~57岁,使用Micro CT对其C5椎弓根标本进行扫描。以Inveon Research Workplace软件对横断面重建图像分别选定3个兴趣区(50×50×50),计算各兴趣区内骨小梁体积/样本体积(BV/TV)、骨面积体积比(BS/BV)、骨组织表面积(BS)、骨小梁厚度(Tb.Th)等参数,分析骨小梁结构特点、寻找滋养孔并测量统计选定区域骨皮质厚度和髓腔径线。结果 Micro CT扫描数据经过三维重建后能够清晰显示椎弓根结构骨小梁的显微结构,板层状骨小梁通过斜形棒状骨小梁组成立体网状结构。椎弓根骨髓腔各部分兴趣区BV/TV、BS/BV、Tb.Th、TN值差异均无统计学意义(P0.05);椎弓根中部皮质厚度及髓腔径线与椎弓根前部和后部皮质厚度及髓腔径线差异有统计学意义(P0.05),并发现滋养孔结构。结论应用Micro CT可以获得正常颈椎椎弓根结构的精细显微图像,可用于分析椎弓根结构的各项指标,也可以进一步应用于有限元分析。     

骨质疏松患者股骨头不同区域骨结构与生物力学分析

目的探讨老年股骨颈骨折病人的股骨头样本各个区域的结构和生物力学性能差异,研究不同区域显微结构和生物力学特征及其对内固定物的影响。方法收集20个老年股骨颈骨折病人关节置换术后股骨头标本,以股骨头表面解剖标志点为参照,将股骨头按平分方法分为外侧、内侧、中间三部分。确定环钻的位置和钻取方向,用环钻于不同区域钻取直径10 mm、高10 mm圆柱形松质骨柱。通过Micro-CT系统扫描分析,分析不同区域内松质骨柱数据,包括骨体积分数(BVF)、骨小梁间隙(Tb.Sp)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁数目(Tb.N)、骨表面积体积比(BS/BV)、结构模型指数(SMI)。应用微有限元计算不同区域骨组织的力学差异。结果老年股骨头颈内骨质含量下降,显微结构和生物力学性能区域变化明显,中间区域的骨结构和力学性能明显优于内侧和外侧。结论股骨头中间部位骨骼结构和力学强度明显优于内侧和外侧,在临床治疗骨质疏松股骨颈骨折的时候需要充分考虑内固定的部位。     

股骨近端主张力骨小梁生物力学特性

目的 研究股骨近端主张力骨小梁的生物力学性能,为解释股骨颈骨折后股骨头坏死的发生原因提供实验依据.方法 取8个正常国人(45 ～60岁)尸体股骨,排除畸形、骨折等病变.将近端主张力骨小梁系统从外侧到内侧分成3个区,在每个区内沿主张力小梁方向及与其垂直方向切取骨小梁试件,并分别在EnduraTEC ELF3200生物力学...     

股骨头松质骨力学性质实验研究

目的 研究股骨头松质骨力学性质，为临床提供生物力学参数。方法 对正常国人新鲜尸体股骨头松质骨的拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击力学性能进行实验研究。结果 得出了股骨头松质骨的拉伸、压缩破坏载荷、强度极限、弹性模量，扭转破坏扭矩、扭转剪切强度极限，弯曲破坏载荷、弯曲强度极限、剪切破坏载荷、剪切强度极限，冲击功、冲击韧性等测试指标的实验结果。结论 股骨头松质骨抗压强度大于抗拉强度，压缩弹性模量大于拉伸弹性模量，扭转强度大于剪切强度，抗弯强度与抗压强度接近。     

Effect of specimen conditioning on the microarchitectural parameters of trabecular bone assessed by micro-computed tomography

The best way to preserve the mechanical properties of bone specimens is hydration in NaCl, whereas the reference process in microCT analysis is defatting. However, for finite element modelling (FEM) it is necessary to use the same bone specimens for biomechanical testing and 3D imaging. This study aimed to evaluate the effect of sample conditioning on trabecular bone microarchitectural parameters. Trabecular bones were analysed by microCT under three successive conditions: first, the fatted samples were analysed immersed in NaCl (process N); second, they were hydrated for 24 h then imaged without immersion (process H); third, the samples were defatted before analysis (process D). The microarchitectural parameters bone volume/tissue volume (BV/TV), trabecular spacing (Tb.Sp), number (Tb.N) and thickness (Tb.Th) were calculated. Except for BV/TV, there was no significant difference between the processes N and D. In process H, BV/TV, Tb.Th and Tb.N were higher and BS/BV and Tb.Sp were lower than in process D. Results showed that the process D may be replaced by the process N. The process H induced significant differences in microarchitectural parameters when compared to process D. Nevertheless, this sample conditioning should be used to develop FEM when microCT images are to be acquired during compressive testing.     

Comparison of synchrotron radiation and conventional x-ray microcomputed tomography for assessing trabecular bone microarchitecture of human femoral heads

Microcomputed tomography (microCT) produces three-dimensional (3D) images of trabecular bone. We compared conventional microCT (CmicroCT) with a polychromatic x-ray cone beam to synchrotron radiation (SR) microCT with a monochromatic parallel beam for assessing trabecular bone microarchitecture of 14 subchondral femoral head specimens from patients with osteoarthritis (n=10) or osteoporosis (n=4). SRmicroCT images with a voxel size of 10.13 microm were reconstructed from 900 2D radiographic projections (angular step, 0.2 degrees). CmicroCT images with a voxel size of 10.77 microm were reconstructed from 205, 413, and 825 projections obtained using angular steps of 0.9 degrees, 0.45 degrees, and 0.23 degrees, respectively. A single threshold was used to binarize the images. We computed bone volume/ tissue volume (BV/TV), bone surface/bone volume (BS/BV), trabecular number (Tb.N), trabecular thickness (Tb.Th and Tb.Th*), trabecular spacing (Tb.Sp), degree of anisotropy (DA), and Euler density. With the 0.9 degrees angular step, all CmicroCT values were significantly different from SRmicroCT values. With the 0.23 degrees and 0.45 degrees rotation steps, BV/TV, Tb.Th, and BS/BV by CmicroCT differed significantly from the values by SRmicroCT. The error due to slice matching (visual site matching +/- 10 slices) was within 1% for most parameters. Compared to SRmicroCT, BV/TV, Tb.Sp, and Tb.Th by CmicroCT were underestimated, whereas Tb.N and Tb. Th* were overestimated. A Bland and Altman plot showed no bias for Tb.N or DA. Bias was -0.8 +/- 1.0%, +5.0 +/- 1.1 microm, -5.9 +/- 6.3 microm, and -5.7 +/- 29.1 microm for BV/TV, Tb.Th*, Tb.Th, and Tb.Sp, respectively, and the differences did not vary over the range of values. Although systematic differences were noted between SRmicroCT and CmicroCT values, correlations between the techniques were high and the differences would probably not change the discrimination between study groups. CmicroCT provides a reliable 3D assessment of human defatted bone when working at the 0.23 degrees or 0.45 degrees rotation step; the 0.9 degrees rotation step may be insufficiently accurate for morphological bone analysis.     

卵巢切除及雌二醇对大鼠腰椎松质骨微结构的作用及其生物力学性能的分析

应用micro-CT获得腰椎松质骨微结构的三维参数,分析卵巢切除术与雌二醇干预对大鼠松质骨微结构及整体骨生物力学性能的作用,初步讨论松质骨微结构的改变对生物力学性能的影响.6月龄未交配雌性SD大鼠30只,随机分成3组(每组10只):假手术对照组(Sham)、去卵巢组(OVX)和去卵巢 补充雌二醇组(EBT).术后相同条件饲养5个月,取第3腰椎进行生物力学压缩试验,第4腰椎行micro-CT扫描.结果表明,与相应的Sham组比较,OVX组的BV/TV、Tb.N均明显下降,Tb.Sp和SMI明显增高.EBT组的BV/TV、Tb.N和Tb.Th均大于OVX组,Tb.Th和SMI明显小于OVX组.骨力学性能检测显示OVX组腰椎松质骨E、Fmax和σmax均明显降低,而EBT组上述骨生物力学参数均明显改善.通过micro-CT获得的骨微结构参数并结合骨力学性能检测能为合理评价骨质疏松及抗骨质疏松药物药效研究提供较好的实验依据.     

Study of the behavior of the trabecular bone under cyclic compression with stepwise increasing amplitude

This paper presents the results of a study of 61 trabecular bone samples exposed to a cyclic (1 Hz) compression load. The load was increased stepwise. Characteristic patterns of the hysteresis loop for the middle cycles of successive steps of load and for respective steps of load are presented. Characteristic patterns of secant modulus were also determined. The fatigue life results recorded were compared with the indices of bone architecture determined using micro-CT. Using Pearson's correlation, the best relationship between fatigue life and bone volume ratio (BV/TV) and the maximum load for which there was also reported a maximal value secant stiffness were identified. Based on these findings, it was determined that it is possible to use stepwise increasing load for analysis of the fatigue behavior of trabecular bone.