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。     

利用有限元分析股骨颈骨折内固定术后前倾角变化对股骨近端力学的影响

目的探讨股骨颈骨折闭合复位空心螺钉内固定术后不同股骨颈前倾角对股骨近端力学分布的影响,为临床中内固定术解剖复位的重要性提供生物力学依据。方法采用16层螺旋CT扫描正常成人髋关节数据,基于三维重建软件和CAD软件,分别建立Pauwells角为70°的股骨颈骨折空心螺钉内固定术后前倾角为0°、5°、10°、15°、20°的股骨近端三维有限元分析模型,对所有模型施加人体缓慢行走时的载荷和约束,观察不同模型间股骨近端结构应力分布的变化。结果当前倾角未改变时(10°模型),股骨所受应力、产生的位移及发生的等效应变最小,股骨近端最大应力值为1.7 MPa,产生的位移为1.1 mm。随着前倾角的增大或减小,股骨近端所承受的有效应力及产生位移呈逐渐增大趋势。当前倾角为20°时,股骨近端及螺钉所受应力最大;当前倾角为0°时,股骨近端产生的位移及发生的等效应变值最大。股骨近端应力集中的部位由股骨距区域转移至头颈交界处的外上方。3枚空心螺钉承受的应力较周围骨组织高,最下方螺钉承受的应力较上方两枚螺钉明显增高。结论股骨颈骨折闭合复位空心螺钉内固定术中恢复前倾角达到解剖复位至关重要;股骨颈骨折术后生物力学因素的改变可能在术后股骨头坏死中起一定作用。     

图像相关法测试股骨近端骨小梁压缩特性

目的改善传统方法做压缩测试的不足,更准确地反映骨小梁的压缩弹性模量,探究股骨近端骨小梁的压缩生物力学特性,为临床诊疗提供实验室依据。方法运用微材料力学测试系统,对正常国人(45～60岁)尸体股骨近端骨小梁沿主压力方向及与其垂直方向的压缩性能进行实验研究。结果测得了股骨近端骨小梁在主压力方向压缩弹性模量为(335.26±183.85)MPa,与其垂直方向的压缩弹性模量为(59.27±23.88)MPa,骨小梁在主压力方向上的生物力学性能要明显高于主张力方向;记录了载荷下的骨小梁的位移及应变分布图,负载时骨小梁的位移及应变分布是不均匀的。结论应用微材料力学测试系统测试股骨近端骨小梁压缩弹性模量以更准确地反映其力学性能的方法是可行的,股骨近端骨小梁的压缩性能具有各向异性和不均匀性。     

大鼠股骨颈干角及前倾角的测量

目的:通过对大鼠股骨颈干角及前倾角的测量,获得大鼠股骨颈干角、前倾角的正常值范围,为对大鼠股骨近端的力学研究奠定基础。方法:用扫描仪对50对Wistar大鼠股骨标本进行扫描,并把图片输入电脑进行测量,计算出颈干角及前倾角,对测定值进行统计学分析得出正常值。结果:扫描法测得颈干角为123.29°±3.85°,前倾角为24.86°±4.44°。结论:扫描仪测得的大鼠股骨颈干角及前倾角是解剖测量法的改进,其测得的结果确实可靠,可为股骨的生物力学测量提供参考值。     

应用三维有限元分析正常站立位股骨近端结构生物力学特性

背景:目前股骨有限元研究较多,但以往的研究多集中于股骨外部的生物力学方面,关于股骨近端的生物力学研究较少.目的:建立股骨近端结构的三维有限元模型,对正常站立位下的股骨近端生物力学特性进行分析以指导临床工作.设计、时间及地点:三维有限元建模分析试验,于2008-12/2009-04在天津医科大学总医院完成.对象:天津医科大学总医院志愿者1名,男性,30岁,应用X射线排除股骨病变及损伤等情况.方法:在Mimics中直接读取符合Dicom 3.0标准的股骨近端原始CT数据,经阈值设定、区域增长及形态学操作等生成股骨初始3D模型,后期结合有限元软件ANSYS生成最终的三维有限元网格模型,然后在ANSYS中分别对应用Mimics得到的模型加载200 N的垂直载荷,观察股骨近端内部应力分布.主要观察指标:对模型施加200 N垂直载荷,观察股骨近端的Von mises应力分布.结果:应用Mimics和Ansys软件建立了股骨近端有限元模型,观察到股骨近端内部的应力分布,验证了结构与功能的对应关系.结论:应用Mimics可以建立更符合股骨近端机械结构和力学性质的三维有限元模型,据此模型得到的股骨近端力学特性分析结果更为可信,可以辅助指导临床应用.     

X线诊断股骨颈骨折闭合复位后轴向旋转移位的实验研究

目的通过制作股骨颈骨折复位后轴向旋转移位模型并依据X线投照探讨评估股骨颈骨折旋转移位的最佳指标。方法取6具干燥成人完整股骨标本, 男2具、女4具。设计并制作股骨近端正侧位和斜位X线投照卡具和支架。对股骨标本进行股骨颈骨折造模, 根据Pauwells分型制作成Pauwells 30°、50°和70°模型(各2具), 手法复位并残留旋前20°、40°和60°轴向旋转移位。对每种骨折模型进行不同角度(足侧40°、足侧20°、垂直0°、头侧20°、头侧40°)的投照, 测量模型的骨小梁夹角和Garden对线指数, 观察内斜位和外斜位X线片骨折线的影像特点。结果股骨颈骨折复位后存在旋前20°和40°轴向旋转移位时, 在不同投照体位下旋转移位组的骨小梁夹角与解剖复位组相比差异较小。残留旋转移位为60°时, 在Pauwells 30°和50°骨折模型中大部分投照角度下骨小梁模糊不清, 未能测量出骨小梁夹角;Pauwells 70°骨折模型中旋转移位组的骨小梁夹角与解剖复位组相比差异较大。正位X线片中, 当Pauwells 70°组旋前移位为60°时, Garden对线指数显示复位不满意(150°, ...     

不同混合比例聚甲基丙烯酸甲酯的力学性能比较

背景:已证实不同聚合方式聚甲基丙烯酸甲酯的力学性能不同,且不同种类的聚甲基丙烯酸甲酯的力学性能也存在差异.目的:探讨不同混合比例聚甲基丙烯酸甲酯的力学性能差异.设计、时间及地点:材料学对比观察,于2009-02/05在天津医科大学总医院骨科生物力学实验室完成.材料:义齿基托树脂Ⅱ型自凝牙托粉由上海珊瑚化工厂生产,义齿基托树脂自凝牙托水由天津市口腔医院材料研究室生产.方法:在室温25℃环境下,将自凝牙托粉与牙托水分别按质量体积比1.5:1,1:1,1:1.25,1:1.5,1:1.75,1:2这6种不同混合比例调和,调配时搅拌速率为60次/min.当牙托水基本与牙托粉结合,无多余牙托水存在,黏着感消失时,即为填塞型盒最适宜时期,此时将混合材料充入直径13 mm、长度100 mm的模具中,分别制作出外形相同的聚甲基丙烯酸甲酯试件,对其进行压缩、拉伸和三点弯实验,直至屈服或破裂.主要观察指标:同混合比例聚甲基丙烯酸甲酯的抗压强度、抗拉强度、挠度和弹性模量.结果:①牙托粉与牙托水比例1.5:1,1:1组的抗压强度无明显差异(P=0.326),但均显著高于后4组(P<0.01);后3组的抗压强度无明显差异(P>0.05).②牙托粉与牙托水比例1.5:1,1:1,1:1.25组的抗拉强度无明显差异(P>0.05),但均显著高于后3组(P<0.01).后3组的抗拉强度无明显差异(P>0.05).③随着牙托粉与牙托水的比例越来越小,其挠度值逐渐增大,说明韧性越来越好.④从前5组来看,随着牙托粉与牙托水的比例越来越小,其弹性模量值逐渐缩小,说明试件的刚性越来越差(P<0.01).结论:聚甲基丙烯酸甲酯具有较高的强度和刚度,不同混合比例聚甲基丙烯酸甲酯的力学性能有明显差异.随着牙托粉与牙托水的混合比例逐渐缩小,聚合后液态单体的剩余量就越多,其抗压强度、抗拉强度和弹性模量值就越小.     

股骨头内松质骨空间分布和力学性能变化有限元分析

目的应用有限元方法研究不同加载强度和偏轴角对股骨头内松质骨空间分布和力学性能变化的影响。方法基于断层磨削后扫描、计算机三维重建的方法建立得到股骨近端骨结构三维模型,按照与主压力小梁方向成0°、15°、45°分别选取相同大小的松质骨试件。计算试件的三维空间结构参数,应用有限元分析方法模拟单轴压缩试验,观察松质骨试件应力、应变分布,探讨不同加载强度和离轴角度对松质骨生物力学性质的影响。结果基于建立的人股骨头内松质骨三维有限元模型,模拟了松质骨试件单轴压缩试验,发现不同加载强度和偏轴角度在松质骨试件中≥5 000με(微应变)的松质骨比例存在统计学差异(P0.05)。结论股骨头内松质骨小梁空间分布与力学适应性密切相关。结构与功能的不相适应降低了股骨头内部松质骨的生物力学性能,反复不良刺激引起的骨重塑、改建可能在股骨头坏死中起着重要的作用。     

动态套筒式三翼钉固定不同角度PMMA股骨颈骨折的生物力学研究

目的 探讨动态套筒式三翼钉治疗股骨颈骨折中的生物力学作用,为临床选择此内固定器治疗股骨颈骨折提供理论依据.方法 利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制作人工股骨模型9个,分别以Pauwels角为30°、50°和70°于股骨颈中部,用手锯将模型锯断,每组3个,用动态套筒式三翼钉固定断端.标本摸拟人体单足站立位同定于英斯特朗-8874液压伺服力学实验机上,以速率10 mm/min线性载荷0～1 200 N分级加载,测定各组1 200 N载荷下股骨上段11个关键点的应变值以及不同载荷下头下沉位移、主压力侧的应变值和主张力侧的应变值.结果 1 200 N载荷下,3组均在6号电阻应变片的位置出现峰值,其数值差异有显著性意义（P＜0.01）;在600～1 200 N,同一载荷下3组之间两两比较头下沉位移,差异均有显著性意义（P＜0.01）;同一载荷下,Pauwels角度越大,股骨颈主压力侧和主张力侧的应变值越大,差异有显著性意义（P＜0.01）.结论 Pauwels角角度越大,剪式应力越大,骨折断端间接触面积越小,骨折越不稳定;其角度越小,剪式应力就越小,骨折断端间接触面积则越大,骨折就越稳定.     

动态套筒式三翼钉固定不同角度PMMA股骨颈骨折的生物力学研究

Objective To explore the biomechanical stability of dynamic sleeve three-wing screw for treatment of femoral neck fracture and to provide theoretical basis for choosing the screw in clinical application.Methods Nine artificial PMMA femoral model were prepared and divided randomly into three groups (n=3),and the specimens were saw up with a hand saw at Pauwels angle of 30° ,50° and 70° in the central neck ,respectively and then fixed with dynamic sleeve three-wing screw.Specimens were fixed at simulated uniped standing position at Instron-8874 servo-hydraulic mechanical testing machine.Linear load of 0～1 200 N was loaded at the rate of 10 mm/min and strains at 11 key points under 1 200 N load were measured,as well as head sink displacement and the strain at principal pressure side and principal tension side under different loads.Results Strengthening peaks were observed at the number six resistance strain gage under the 1 200 N load in all tree groups,and the numerical difference of the three groups was statistically significant(P＜0.01).Under the load of 600～1 200 N,head sink displacement compare were performed in each two of the three groups under the same load,respectively,and showed statistically significant difference(P＜0.01) ;the strain of principal pressure side and principal tension side of the femoral neck was higher with the increasing Pauwels angle under the same load,the difference was significant(P＜0.01).Conclusion With the increasing Pauwel's angle,the shearing force was greater,the contact area of fracture line was smaller,and the fracture was more unstable;in contrast,the shearing force was smaller with the Pauwel's angle smaller,the contact area of fracture line was larger,and the fracture was more stable.