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。     

骨小梁的生物力学特性

骨小梁的生物力学特性胡侦明综述戴克戎校（上海第二医科大学附属第九人民医院骨科）近年来的研究表明，椎体、股骨近端和桡骨远端骨小梁结构区是与年龄增长有关骨折的好发部位，特别是在绝经期和绝经后的妇女。根据九十年代初的统计，美国每年有近５０万人发生椎体骨折，...     

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。     

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。     

松质骨微观骨小梁结构的生物力学有限元分析

股骨松质骨具有骨小梁的微观结构,其单元特性影响了股骨的整体力学性能.找到适当的单元形状与骨小梁分布特点可以帮助人们有效地进行松质骨及股骨整体的生物力学特性分析.本文采用不同结构的微观骨小梁单元模型,分析各单元的生物力学特性,并采用有限元方法,对由不同骨小梁单元及不同分布形式构成的股骨模型进行生物力学分析,获得了骨小梁单元密度与单元生物力学特性的关系的综合分析结果,找到了较好的微观骨小梁单元模型及总体布局形式,并应用于股骨松质骨建模.仿松质骨的骨小梁结构可以有效提高整体生物力学性能,所获得的微观单元优化结构可以应用于仿生结构材料的制造.     

激素性股骨头坏死与股骨颈骨折患者股骨头内骨小梁形态学对比研究

目的利用微计算机断层扫描技术(Micro-CT)对比分析激素性股骨头坏死与股骨颈骨折患者的股骨头内骨小梁的结构特点。 方法选取2016年9月至2017年9月因股骨颈骨折与激素性股骨头坏死于大连大学附属中山医院行人工全髋关节置换术的患者,分别设为骨折组与坏死组,每组各20例(20髋),术中完整取出股骨头作为研究材料。应用计算机对股骨头进行三维重建,利用x、y、z轴各2个相互平行的平面将股骨头分割成27个区域,27个区域的编号规则：分为内侧、中间、外侧3个区,每组按照由前向后、由上向下的顺序编为1～9号。内侧区编号为m1、m2……m9;中间区编号为c1、c2……c9;外侧区编号为l1、l2……l9。对样本进行Micro-CT断层扫描,获取股骨头样本的计算机三维图像。手工选取兴趣区,采用骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁数量、骨小梁间隙等三维空间参数分别对2组股骨头内骨小梁进行评价。数据比较采用t检验和单因素方差分析。 结果在骨折组中,将股骨头按矢状面分割为内侧区、中间区、外侧区进行对比,中间区表现为骨体积分数均值最大、厚度均值最大、数量均值最大、间隙均值最小的优势骨小梁区域,差异均有统计学意义(F＝36.59、73.50、38.60、48.50,P值均小于0.05);将股骨头按冠状面分割为前区、中间区、后区进行对比,前区表现为骨体积分数均值最大、厚度均值最大、数量均值最大、间隙均值最小,差异均有统计学意义(F＝69.50、43.92、85.40、36.00,P值均小于0.05);将股骨头按水平面分割为上区、中间区、下区进行对比,上区表现为骨体积分数均值最大、厚度均值最大、数量均值最大、间隙均值最小,差异均有统计学意义(F＝37.03、29.47、255.50、45.50,P值均小于0.05)。对比坏死组股骨头不同部位骨小梁微结构参数,如果将股骨头分为内侧区、中间区、外侧区,中间区表现为骨体积分数均值最大、厚度均值最大、数量均值最大、间隙均值最小的优势骨小梁区域,差异均有统计学意义(F＝41.42、26.60、400.00、36.00,P值均小于0.05);如果将股骨头分为上区、中间区、下区,上区表现为骨体积分数均值最大、厚度均值最大、数量均值最大、间隙均值最小,差异均有统计学意义(F＝52.99、25.33、28.50、37.33,P值均小于0.05);如果将股骨头分为前区、中间区、后区,前区表现为骨体积分数均值最大、厚度均值最大、数量均值最大、间隙均值最小,差异均有统计学意义(F＝2 567.17、57.29、42.11、41.17,P值均小于0.05)。与坏死组相比,骨折组骨小梁骨体积分数均值更大,差异有统计学意义(t＝4.90,P＝0.01)、骨小梁厚度均值更大,差异有统计学意义(t＝－4.17,P＝0.01)、骨小梁数量均值更大,差异有统计学意义(t＝－31.37,P＝0.01),骨小梁间隙均值更小,差异有统计学意义(t＝－7.12,P＝0.01)。 结论激素对于坏死股骨头的影响不仅仅是坏死区,包括硬化区、正常骨小梁区,即对于整个股骨头都产生了影响。     

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。     

股骨头缺血性坏死塌陷预测的生物力学研究

目的：探索不同部位囊性变对股骨头缺血性坏死的生物力学影响，为预测股骨头的塌陷和指导临床治疗方法的选择提供基础。方法：取新鲜股骨上段标本，行螺旋CT断层扫描，所得图像用Efilm软件系统处理，利用Ansys-5．7大型计算机软件建立股骨上段三维有限元异物同构模型，模拟股骨头内囊性变。施加3种不同载荷，分析股骨头内应力分布情况。结果：股骨头受压后，中央区域表现为压应力，而前方和后方区域则表现为张力，符合球体受压后的膨胀趋势。股骨头负重区下方及其内侧和外侧的囊性变应力集中最明显，易引起股骨头塌陷。当囊性变位于股骨头的前方、后方、中心和下方时，其上下缘的应力集中不是很明显，股骨头塌陷断裂风险不大。结论：股骨头内不同部位的囊性变对股骨头缺血性坏死的生物力学影响是不同的，三维有限元应力分析法可以预测坏死股骨头的塌陷，并指导临床选用适当的显微外科治疗方法。     

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.     

The three-dimensional microstructure of the trabecular bone in the mandible

This study investigated the three dimensional (3D) trabecular microstructure of the alveolar and basal bone in the mandible using micro-CT and compared the morphometric values of the different sites. Ten specimens were prepared and scanned using a micro-CT system. Both the alveolar and basal trabecular bone of the premolar region in the mandible were measured for the structural analysis. Cross-sectional 1024×1024 pixel images were created. From the two-dimensional (2D) images produced, 3D structural images were reconstructed. After scanning the specimen, the volumes of interest (VOI) of the alveolar and basal bone regions were selected from the 3D reconstruction images, and the structural parameters such as bone volume fraction, bone surface density, trabecular thickness, trabecular separation, trabecular number and structural model index were analyzed. The trabecular structure showed a marked variation within the sites of the specimen, especially in the basal trabecular bone inferior to the mandibular canal. In both the alveolar and basal bone regions, a mixture of both plate-like and rod-like structures was observed. The alveolar region showed a more compact, plate-type trabecular structure than the basal regions. In parametric comparison with the basal bone, the alveolar bone generally had a higher bone volume fraction, bone trabecular thickness and trabecular number, and lower bone surface density, trabecular separation and structural model index. The alveolar bone consisted of a compact bone structure with a large amount of thick plate-type trabecular bone, which was effectively resistant to the masticatory forces. As the measurements were made closer to the basal bone, a loose structure was observed with lower bone volume and fewer, thin, rod-like trabeculae.     

股骨头钻孔减压孔径对股骨颈生物力学影响的实验研究

目的　观察经转子间股骨头减压钻孔的孔径对股骨颈生物力学的影响。 方法 取新鲜尸体股骨标本24具, 随机分成4组：正常组、单孔减压组(D=10 mm)、双孔减压组(D=7 mm)和3孔减压组　(D=7 mm)。在股骨颈主张力侧、主压力侧和小转子处各选择1点作为应变测试点,检测4组标本在,0～1200 N分级载荷下各测点的应变。 结果　在股骨颈主张力侧和主压力侧的测试点中,单孔减压组、双孔减压组和3孔减压组的应变值均大于正常组,其中双孔减压组的应变值在三组钻孔组间最小,并且与其它组间相比差异具有显著性（P<0.05）。 结论　经转子间股骨头钻孔减压明显影响股骨颈生物力学性能,与单纯大孔钻孔面积相同的2小孔钻孔减压对股骨颈生物力学性能影响较小。     

股骨头双极假体置换及内固定修复老年股骨颈骨折的生物力学特征

BACKGROUND: Bipolar femoral head prosthesis has achieved the desired repair effect in patients with femoral neck fracture, but there is still much controversy on the biomechanical properties of bipolar artificial femoral head prosthesis.