人体下肢长骨负重关节软骨下松质骨显微硬度分布特征的研究

目的:探讨人体下肢长骨负重关节软骨下松质骨显微硬度的分布特征。方法:选取3具年龄大于40岁的新鲜冰冻尸体标本,取出所有标本的右侧股骨和胫骨,分别于股骨头、股骨内髁、股骨外髁、胫骨内髁、胫骨外髁、胫骨远端距负重区关节软骨面1 cm处,垂直于下肢机械轴切下3 mm厚松质骨样本。使用维氏显微硬度测量系统测量骨组织显微硬度。比...     

人体耻骨上、下支显微骨硬度分布特征研究

目的 探讨人体耻骨上、下支显微硬度的分布特征。方法 由河北医科大学解剖教研室提供3具新鲜冰冻成人尸体标本(标本A为62岁男性、B为45岁女性、C为58岁男性),取出耻骨支并剔除附着之软组织。使用微型台锯及高精慢速锯将耻骨上、下支各分成3等份,每份进行均分切割,将骨骼制成厚3 mm的骨组织切片,固定在载玻片上并进行标记。依次用800、1 000、1 200、2 000、4 000目碳化硅粒砂纸打磨标本。应用德国KB-5型显微维氏硬度仪测试标本不同区域的硬度值,采用50 gf力加载50 s、维持12 s的标准操作方法进行硬度值测定,每一个区域选取5个有效显微硬度值,全体有效值的平均值为该区域的硬度值。结果 A、B、C 3具标本耻骨上支骨硬度值分别为(27.99±6.03)HV、(29.93±4.86)HV、(33.42±5.15)HV, 耻骨下支骨硬度值分别为(33.99±3.10)HV、(37.95±5.39)HV、(36.19±3.87)HV,3组数据比较差异均有统计学意义(F_上支=9.540、F_下支=12.890, P值均＜0.01)。3具标本耻骨下支骨硬度值均高于上支,差异均有统计学意义(t_A=3.432、t_B=4.280、t_C=3.874, P值均＜0.01)。结论 人体耻骨下支显微骨硬度高于耻骨上支。这一耻骨显微骨硬度分布特征的首次发现,可辅助阐释耻骨支骨折的损伤机制,为研发符合该部位骨硬度特点的内固定物,及相关生物力学研究提供数据支持。临床试验注册 中国临床试验注册中心,注册号为ChiCTR-TNC-17010818。     

人体距骨显微硬度的分布特征研究

目的 探讨人体距骨显微硬度的分布特征。方法 自河北医科大学解剖教研室标本库中,纳入年龄＞40岁、既往身体健康、无慢性病史的新鲜冰冻尸体标本3具,取其右侧距骨。以距骨颈基底部为界将距骨分为距骨头颈和距骨体两部分,并将距骨头颈部纵向平分为内、外两部分,将距骨体分别沿横向和纵向平分为前、后两部分和内、外两部分。用慢速锯沿距骨长轴进行切割,将骨骼制成若干厚3 mm的骨组织切片,并用砂纸打磨。应用维氏方法测量骨切片骨皮质和骨松质不同区域的硬度值。采用50 g力加载50 s、维持12 s标准操作方法测定,同一区域选取5个有效值,全体有效值的平均值作为该部位的硬度值。结果 本研究共制备18个骨组织切片,测量180个位点。三具标本距骨总体骨硬度为(36.70±5.77)HV。距骨头颈部硬度为(37.68±5.22) HV,距骨体硬度为(36.20±5.99)HV,两者比较差异无统计学意义(t=1.624, P＞0.05);距骨头颈部内侧硬度为(38.60±5.17) HV,略高于其外侧的(36.76±5.19) HV,但差异无统计学意义(t=1.376, P＞0.05)。距骨体内侧硬度为(37.78±5.23) HV,高于外侧的(34.63±6.32) HV ,差异有统计学意义(t=2.971, P＜0.01);距骨体前、后两部位硬度值分别为(36.38±5.50) HV和(36.03±6.49) HV,差异无统计学意义(t=0.375, P＞0.05)。结论 本研究首次报道应用维氏硬度方法分析人体距骨维氏硬度的分布规律:距骨头颈部与体部硬度无明显差异,距骨体内侧骨硬度大于外侧,是匹配内侧的高应力的结果,符合人体正常生理功能。     

人体腕骨显微骨硬度分布特征的研究

目的 探讨人体腕骨显微骨硬度的分布特征及其临床意义。方法 纳入3具新鲜冰冻成人尸体标本(62岁男性、58岁男性、45岁女性),将右侧腕骨软组织剥离后,用慢速锯分别在舟骨、月骨、头状骨、钩骨、大多角骨和小多角骨切取厚3 mm的骨组织标本。舟骨选取舟骨结节、腰部内外侧和舟骨体部,月骨选取腕关节面、掌侧面、背侧面和远端,头状骨、钩骨、大多角骨和小多角骨选取外层皮质不同区域,应用德国KB-5型显微维氏硬度仪测试标本不同区域的硬度值,采用50 gf力加载50 s、维持12 s的标准操作方法进行硬度值测定,每个区域选取 5 个有效值,全体有效值的平均值作为该部位的骨硬度值。观察不同骨骼间及骨骼内部不同区域的骨硬度值差异。结果 3具标本中共取得舟骨、月骨、头状骨、钩骨、大多角骨和小多角骨标本切片18片,测量位点255个。腕骨不同骨骼骨硬度从高到低依次为钩状骨(39.04±5.79)HV、头状骨(38.98±6.17)HV、舟骨(37.72±5.85)HV、大多角骨(35.89±4.75)HV、月骨(33.65±5.42)HV及小多角骨(31.82±5.54)HV,不同骨骼间总体骨硬度差异有统计学意义(F=10.783,P＜0.01)。舟骨、月骨内部不同区域骨硬度分布近似,舟骨结节、腰部外侧、腰部内侧和舟骨体部骨硬度分别为(37.07±5.77)、(37.51±6.39)、(40.00±5.64)、(36.31±5.47)HV,其中腰部内侧骨硬度最大,舟骨体部骨硬度最小,4部位间骨硬度比较差异无统计学意义(F=1.129,P＞0.05)。月骨腕关节面、掌侧面、背侧面和远端骨硬度分别为(33.57±3.61)、(34.58±6.04)、(35.47±5.24)、(30.97±5.88)HV,其中背侧骨硬度最大,远端骨硬度最小, 4个部位间骨硬度比较差异无统计学意义(F=2.040,P＞0.05)。结论 健康人腕骨不同骨骼间硬度各有不同,舟骨和月骨内部各部位骨硬度分布均匀一致。测量腕骨显微骨硬度值,了解其分布特征,有助于了解腕骨微观生物力学性能,亦可指导腕骨骨折内固定方法的选择,设计制作更加符合人体生理状态下的腕部骨骼假体及建立腕部肌骨组织的有限元模型。临床试验注册 中国临床试验注册中心,注册号为ChiCTR-BPR-17010818。     

人体跖骨显微硬度的分布特征研究

目的 探讨人体跖骨显微硬度的分布特征。方法 选取年龄＞40岁(性别不限)、既往身体健康、无慢性病史的新鲜冰冻成人尸体3具,来源于河北医科大学解剖学教研室,取出全部右足,剔除软组织。用高精慢速锯于第1~5跖骨基底、跖骨干、跖骨头3个节段,垂直于其长轴进行切割,将骨骼制成若干厚3 mm的试样,并用砂纸打磨。应用维氏方法测量标本跖、背、内、外侧不同区域的硬度值,在跖骨头和跖骨基底标本测量松质骨的硬度值,在跖骨干标本测量皮质骨的硬度值。采用50 g力加载50 s、维持12 s标准操作方法测定,同一区域选取5个有效值,全体有效值的平均值作为该部位的硬度值。结果 选取45个骨骼区域,共制备45个骨组织试样,测量900个位点。跖骨硬度分布规律基本保持一致,跖骨硬度为(36.35±7.43) HV,其中第三跖骨硬度最大为(38.95±9.01)HV;跖骨干硬度高于跖骨头和跖骨基底,分别为(40.95±6.65)、(34.86±6.68)、(33.25±6.64)HV,差异有统计学意义(F=111.831, P＜0.01),而跖骨跖侧、背侧、内侧、外侧的硬度分别为(36.11±7.05)、(36.32±7.49)、(36.69±7.79)、(36.28±7.42)HV,差异无统计学意义(F=0.246, P>0.05)。结论 本研究首次报道了人体跖骨显微维氏硬度的分布特征;了解不同部位间的骨显微硬度差异,可帮助骨科医师在该部位骨折内固定手术中,正确选择钢板放置的位置,置钉的密度和方向等,从而获得更加合理的固定效果。本研究结果还可为未来设计硬度和弹性模量与人体生理特点更加接近的接骨板、螺钉、人工骨等奠定了理论基础和数据支持。     

人体肱骨干显微骨硬度分布特征的实验研究

目的 测量并分析肱骨干不同层面和方位显微骨硬度分布特征及其临床意义。方法 选取新鲜成人尸体标本3具(62岁男性、45岁女性和58岁男性),取其右侧肱骨干部分,垂直于肱骨干长轴水平,使用金刚石慢速锯在每一段精确切取厚3 mm的骨组织标本共7层,分别标记为第Ⅰ~Ⅶ层,进而区分为肱骨干上段(Ⅰ、Ⅱ层)、中段(Ⅲ~Ⅴ层)、下段(Ⅵ、Ⅶ层),并将每层划分为前、后、内、外四个区域;应用维氏金刚石显微硬度压头在标本表面进行硬度测量并分区统计,进而分析不同区域肱骨干显微硬度分布规律。结果 共获得肱骨干84个测量部位420个测量位点的有效测量值。分析显示,肱骨干总体硬度(47.52±6.01)HV,肱骨干中段整体硬度大于肱骨干上段及下段(F=11.594, P＜0.01)。肱骨干7个分层中,Ⅳ层硬度最大(51.34±7.01)HV、Ⅶ硬度最小(45.72±6.25)HV;肱骨中段Ⅳ层内侧部分硬度最大(53.77±8.70)HV,肱骨干下段Ⅶ层后侧区域硬度最小(42.02±7.47)HV。肱骨干后侧整体硬度(45.28±6.47)HV,小于肱骨外侧(49.12±5.22)HV、内侧(48.28±6.10)HV、前侧(47.40±5.55)HV硬度,差异有统计学意义(F=8.347, P＜0.01)。结论 肱骨干骨皮质不同层面及方位骨显微硬度存在差异,该分布规律数据可指导设计适应生理状态下骨骼应力传导特性的3D打印仿生内置入物。亦可对模拟生理状态下骨骼生物力学性能的骨骼建模及有限元分析提供数据支持。     

人体下肢长骨负重关节软骨下松质骨显微硬度分布特征的研究

目的探讨人体下肢长骨负重关节软骨下松质骨显微硬度的分布特征。方法选取3具年龄大于40岁的新鲜冰冻尸体标本, 取出所有标本的右侧股骨和胫骨, 分别于股骨头、股骨内髁、股骨外髁、胫骨内髁、胫骨外髁、胫骨远端距负重区关节软骨面1 cm处, 垂直于下肢机械轴切下3 mm厚松质骨样本。使用维氏显微硬度测量系统测量骨组织显微硬度。比较不同标本、股骨与胫骨以及不同解剖部位软骨下松质骨的显微硬度差异, 分析3具标本不同解剖部位软骨下松质骨显微硬度分布规律。结果共制成18个标本, 行180次显微硬度测量。3具标本的下肢长骨负重关节软骨下松质骨的总体显微硬度值为20.3～47.3(36.0±5.7)HV, 3具标本间差异无统计学意义(F=2.40, P=0.094)。股骨软骨下松质骨显微硬度小于胫骨, 分别为(32.5±4.9)HV、(39.4±4.3)HV, 差异有统计学意义(t=-10.02, P<0.001)。股骨头软骨下松质骨显微硬度为(32.9±4.6)HV, 股骨内髁(35.1±3.9)HV、股骨外髁(29.7±4.7)HV、胫骨内髁(40.8±4.0)HV、胫骨外髁(36.8±4.2)...     

人体脊柱胸腰段椎骨显微骨硬度分布特征研究

目的 探讨人体胸腰椎段椎骨显微骨硬度的分布特征及临床应用前景。方法 选取3具新鲜成人尸体标本,取出其T₁₁~L₂椎骨后剔除软组织。将每一个椎骨分为椎体区和附件区,经高精慢速锯切割成若干厚约3 mm的骨组织切片,12块椎骨标本共计产生72个骨组织切片。应用维氏显微硬度测量仪测量骨组织切片不同区域皮质骨和松质骨的显微硬度值,每一个区域选取5个有效显微硬度值,全体有效值的平均值作为该区域的硬度值。结果 12块椎骨共进行660次有效压痕实验并取得显微硬度值。(1)胸腰段椎休总体硬度为11.6 ~48.3 HV,其中皮质骨硬度为13.8~48.3(31.62±5.66) HV,松质骨硬度11.6~44.9 (29.62±5.38) HV;(2) 胸腰段椎体区和附件区皮质骨硬度分别为(29.99 ±5.27)HV和(32.92 ±5.63) HV,松质骨硬度分别为(28.44 ±4.79) HV和(30.81±5.71)HV,附件区均高于椎体区,差异均有统计学意义(t=5.098、2.011, P值均＜0.05);(3)椎体区皮质骨硬度由高到低依次为下终板(33.94±4.31)HV、上终板(29.76±4.35)HV、外周终板(28.13±5.07)HV,下终板皮质的骨硬度高于上终板、外周终板,差异均有统计学意义(P值均＜0.05);(4)附件区皮质骨中,硬度由高到低依次为椎弓根皮质(34.78 ±5.30)HV、上关节突(33.73±5.68)HV、椎板(33.15±5.28)HV、横突(31.69±5.37)HV和下关节突(31.26 ±5.91)HV,其中椎弓根皮质骨硬度与横突和下关节突相比,差异均有统计学意义(P值均＜0.05)。结论 本实验首次应用维氏显微硬度方法对人体胸腰椎段椎骨显微硬度的分布规律进行研究,发现胸腰椎段椎骨附件区皮质骨、松质骨骨硬度分别高于椎体区皮质骨、松质骨骨硬度,胸腰椎段T₁₁~L₂之间、不同标本的胸腰椎段的骨显微硬度存在差异,但分布规律相对一致,是微观结构、力学承载共同作用的结果,符合人体正常生理及负重功能。本研究结果可为3D打印制备具有梯度硬度的人工椎骨提供数据支持。     

人体下颈椎显微骨硬度体外测量的实验研究

目的 探讨人体下颈椎C₃~C₇椎骨显微骨硬度的分布特征及其临床意义。方法 3具新鲜成人尸体标本,分别为62岁男性(标本A)、45岁女性(标本B)、58岁男性(标本C),由河北医科大学解剖学教研室提供。取其下颈椎C₃~C₇段脊柱,剔除附着软组织。每个椎骨分为椎体区和附件区两部分,使用高精慢速锯分别经椎体中部垂直于椎体上下终板、右侧椎弓根长轴、左侧上下关节突长轴切割3 mm厚骨切片各1片, 并用砂纸打磨,15块椎骨共制成45片骨切片。应用维氏显微硬度测量仪测量骨组织切片不同区域皮质骨和松质骨的显微硬度值,每一个区域选取5个有效显微骨硬度值,全体有效值的平均值作为该区域的硬度值。结果 15块椎骨共计获得825个有效显微骨硬度测量值。 C₃~C₇总体骨硬度值为11.10～47.80 HV,其中皮质骨为(26.04±4.84) HV、松质骨为(22.92±4.78) HV。椎体区皮质骨硬度值为(25.46±4.86) HV、松质骨硬度值为(21.10±4.97) HV,附件区皮质骨硬度值为(26.50±4.78) HV、松质骨硬度值为(24.75±3.80) HV,附件区高于椎体区,差异均有统计学意义(t=2.800、4.978, P值均＜0.05)。3具尸体标本各自的下颈椎在不同部位的骨显微硬度值不同,但椎体区的皮质骨与松质骨骨硬度值均低于附件标本的皮质骨与松质骨骨硬度,其中松质骨之间的差异均有统计学意义(t_A=4.316、t_B=2.364、t_C=2.107, P值均＜0.05);而皮质骨中,仅标本B的差异有统计学意义(t=2.498,P＜0.05)。C₃~C₇各椎骨不同部位的硬度值分布规律与总体一致:椎体区的骨硬度值均低于附件区;其中C₃、C₅、C₆、C₇松质骨的骨硬度值差异具有统计学意义(P值均＜0.05)。 附件分区中,上关节突皮质骨骨硬度低于椎弓根、椎板、横突、下关节突皮质骨骨硬度,差异具有统计学意义(F=8.590, P＜0.05);椎体分区中,下终板皮质骨骨硬度高于上终板和外周终板皮质骨骨硬度,差异具有统计学意义(F=16.365, P＜0.05)。结论 下颈椎椎骨不同部位、不同区域的骨显微硬度存在差异,附件区的皮质骨/松质骨骨硬度分别高于椎体区的皮质骨/松质骨骨硬度。该分布规律是人体活动过程中适应应力应变的生理改变,可以为三维有限元分析、3D打印及术前模拟提供数据支持。     

人体天然牙不同深度层次的显微硬度与耐磨性的研究

采用显微硬度计测定人体天然牙不同深度层次 (牙釉质、釉牙本质界及牙本质 )的显微硬度 ,并在改进后的微动试验台上对其相应区域进行了模拟牙齿摩擦副的摩擦磨损试验研究。结果发现 ,显微硬度 :牙釉质的为3 2 0 .40± 2 2 .77HV,釉牙本质界 2 3 2 .2 6± 3 2 .3 1HV,牙本质 61.17± 9.42 HV( P<0 .0 5 ) ;磨痕深度 :牙釉质的为17.3 3± 0 .5 8μm,釉牙本质界 49.44± 16.47μm,牙本质 95 .2 0± 15 .0 7μm( P<0 .0 5 ) ;牙釉质的耐磨性明显高于牙本质 ,值得牙科临床注意     

Anisotropy of Young's modulus of human tibial cortical bone

The anisotropy of Young's modulus in human cortical bone was determined for all spatial directions by performing coordinate rotations of a 6 by 6 elastic stiffness matrix. The elastic stiffness coefficients were determined experimentally from ultrasonic velocity measurements on 96 samples of normal cortical bone removed from the right tibia of eight human cadavers. The following measured values were used for our analysis: c ₁₁ =19.5 GPa, c ₂₂ =20.1 GPa, c ₃₃ =30.9 GPa, c ₄₄ =5.72 GPa, c ₅₅ =5.17 GPa, c ₆₆ =4.05 GPa, c ₂₃ =12.5 GPa. The remaining coefficients were determined by assuming that the specimens possessed at least an orthorhombic elastic symmetry, and further assuming that c ₁₃ =c ₂₃ , c ₁₂ =c ₁₁ –2c ₆₆ . Our analysis revealed a substantial anisotropy in Young's modulus in the plane containing the long axis of the tibia, with maxima of 20.9 GPa parallel to the long axis, and minima of 11.8 GPa perpendicular to this axis. A less pronounced anisotropy was observed in the plane perpendicular to the long axis of the tibia. To display our results for the full three-dimensional anisotropy of cortical bone, a closed surface was used to represent Young's modulus in all spatial directions.     

冷冻、冻干、辐照对用于脊柱融合的胫骨皮质骨力学性能的影响

目的研究冷冻、冻干及辐照处理方法对胫骨皮质骨抗压强度和硬度的影响,探讨适合的胫骨皮质骨处理方法。方法收取外伤截肢的胫骨干中段皮质骨,将其加工成大小约10 mm×10 mm×5 mm的皮质骨板,并随机平均分为7组:正常组(A组)、深冻组(B组)、冻干组(C组)、冷冻+~(60)Co辐照(25 J/g)组(D组)、冷冻+~(60)Co辐照(50 J/g)组(E组)、冻干+~(60)Co辐照(25 J/g)(F组)、冻干+~(60)Co辐照(50 J/g)组(G组)。应用生物材料试验机分别对不同处理方法的同种皮质骨进行抗压强度和硬度测试。结果胫骨皮质骨的最大抗压强度为6.089~9.089 k N。与A组比较,B、C、D、F组胫骨皮质骨的抗压强度无明显区别(P0.05),B、C组硬度无明显区别(P0.05),但D、F组硬度分别减少9.6%(P0.05)和8.7%(P0.05);E、G组与A组比较,抗压强度分别减少29.6%(P0.05)和33.1%(P0.05),硬度分别减少16.7%(P0.05)和14.8%(P0.05)。结论对胫骨皮质骨进行冷冻、冻干处理时,抗压强度及硬度较无处理组无明显变化。与无处理组比较,冷冻后或冻干后接受小剂量60Co辐照时胫骨皮质骨的抗压强度无明显变化,但硬度有一定降低;大剂量60Co辐照时,抗压强度及硬度均有明显降低。在应用同种皮质骨融合支架行椎间融合时,辐照灭菌剂量应控制在15~25 J/g。     

流体动力学网格划分技术在骨骼有限元建模中的应用

目的研究一种高质量、高效率的骨骼分网方式。方法结合骨结构的特点,将流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)的分网方法引入到骨生物力学的网格划分中,用六面体单元模拟皮质骨,四面体单元模拟松质骨。结果采用CFD网格划分技术能够划分出高质量的六面体单元,并且较好地模拟骨骼的结构特征,可以实现计算机自动分网,分网花费时间约为传统分网方法的1/5,有限元模型计算结果基本符合尸体实验测量值。结论CFD网格划分技术可应用于骨生物力学领域中,为复杂人体骨骼的重构探索了一条有效途径。     

不同年龄段健康国人肱骨头区域骨皮质区域性分布差异分析

目的 探讨不同年龄段健康人群肱骨头区的骨皮质区域性分布差异。方法 本研究共纳入健康志愿者51人,男27人,女24人;年龄20～88岁,平均48.69岁。所有健康志愿者行肩部CT扫描,按照年龄分为3组:A组(20～39岁)17人;B组(40～59岁)18人;C组(≥60岁)16人。应用骨皮质测量软件Stradwin 5.2读取CT原始影像数据,生成骨皮质的彩色分布图。垂直于肱骨头关节面,将肱骨头高度四等分后建立相互平行的3个横截面;在横断面1、2、3,测量分析肱骨头区前壁、外侧壁和后壁的骨皮质厚度、骨皮质密度和皮质下骨小梁密度。结果 在A组,骨皮质厚度和密度在肱骨头区前壁、外侧壁、后壁差异均有统计学意义(P值均<0.01);在B、C组,骨皮质厚度和密度在肱骨头区前壁、外侧壁、后壁相似,差异均无统计学意义(P值均>0.05)。后壁的骨皮质厚度和密度在A、B、C 组的横截面1、2中均较低。在C组的横截面3,外侧壁的骨皮质厚度和密度值最低。A、B、C组在横断面1、2、3中各个测量点的皮质下骨小梁密度差异均无统计学意义(P值均>0.05)。结论在各个年龄段,肱骨头区的骨皮质区域性分布差异程度不同,40岁以后差异程度有所减弱。肱骨头区的外侧壁或者后壁,是骨皮质的薄弱区域。