骨缺损自修复过程中骨质体积变化规律分析

骨骼自修复理论认为外荷载是骨骼重建的直接刺激源。本文介绍了骨缺损自修复过程的实验观测方法及相关观测结果。首先对兔子股骨开孔以破坏骨的连续性,建立骨缺损模型,然后利用CT扫描提取股骨数据,并用MIMICS软件来观测分析骨缺损后由生长因子引起的自修复过程,最后建立骨质体积变化关系,为仿生拓扑优化方法引入自修复机制提供科学依据。实验结果表明,在同样的条件下青年兔骨缺损部位各层骨质的修复比成年兔快得多,并且修复过程中软质骨与硬质骨体积变化之间存在着按一增一减的比例交叉变化的特性。     

有限元分析腰椎传统椎弓根钉道和改良皮质骨钉道的生物力学性能

目的 通过有限元分析传统椎弓根钉道(traditional trajectory, TT)和改良皮质骨钉道(modified cortical bone trajectory, MCBT)在骨质疏松椎体上的力学性能。方法 建立L4椎体三维模型,在椎体两侧分别模拟置入椎弓根螺钉(pedicle screw, PS)(直径6.0 mm,长45 mm)和MCBT螺钉(直径4.5 mm,长40 mm)。比较螺钉在两种钉道上、下、左、右4种工况下载荷位移比和螺钉抗拔出力,评价在骨质疏松条件下螺钉和椎体之间的稳定性。结果 MCBT螺钉抗拔出力比PS提高13.1%。MCBT螺钉在上、下、左工况下载荷位移比相比PS分别提高57.1%、32.3%、31.6%,MCBT螺钉在右工况下载荷位移比虽高于PS,但不具有统计学差异。在轴向旋转和侧屈工况下,MCBT组椎体载荷位移比明显高于TT组;在前屈工况下,MCBT组椎体载荷位移比低于TT组;在后伸工况下,MCBT组椎体载荷位移比虽高于TT组,但不具有统计学差异。结论 MCBT在抗拔出力、螺钉稳定性、椎体轴向旋转和侧屈的稳定性优于TT,但在椎体前屈和后伸稳定性弱...     

股骨生长过程中的拓扑形状及骨质层变化机制研究

目的研究从胚胎期到成熟过程中股骨形成、生长和成形规律,分析骨生长中心形成、骨质层体积及骨形变化规律。方法采用CT扫描技术定期扫描新西兰兔股骨生长过程并获取图像信息,用Mimics医学图像处理软件分析CT扫描断层图像信息。利用骨元体积法对股骨成形及其骨质层的变化过程进行时间分段和空间分层分析,分析股骨形成过程及骨质层体积变化规律。结果股骨有多个骨生长中心。胚胎里股骨最早以软质骨的形式出现,随着生长逐渐硬化形成密质骨和硬质骨,最后形成最佳的股骨形状和骨质分布。结论股骨由独立的4个骨生长中心发育并组合而成;各骨质层在生长过程中存在明显的体积和位置变化,但最终趋于稳定状态。     

新型变径全皮质骨螺纹螺钉设计以及在腰椎改良皮质骨轨迹的应用

目的 设计一款用于改良皮质骨轨迹（modified cortical bone trajectory,MCBT）置钉技术的新型变径全皮质骨螺纹螺钉,验证新型变径全皮质骨螺纹螺钉在MCBT技术中的力学特性。方法 根据MCBT技术,设计螺钉的螺距为2 mm,全长45 mm,粗杆部分直径恒定5.5 mm,细杆部分直径为4.0~4.5 mm变径,粗杆和细杆连接的变径位置长度为2 mm。从变径位置、螺纹深度、螺纹类型3个方面设置参数,开展三因素三水平L9正交试验,并建立螺钉模型。基于有限元方法对设计的螺钉进行扭转、弯曲和拔出力计算,对结果进行极差分析并确定螺钉模型。建立骨质疏松标本L4椎体三维模型,并按照MCBT技术置钉。比较新型变径全皮质骨螺纹螺钉和常规非变径全皮质骨螺纹螺钉抗拔出力。结果 通过极差分析,得出螺钉6（变径位置距离螺钉头部24 mm,螺纹深度0.7 mm,螺纹类型为45°对称螺纹）为最优螺钉。在抗拔出力方面,第6款变径全皮质骨螺纹螺钉比4.5 mm常规非变径全皮质骨螺纹螺钉提高13.1%,与5.5 mm常规非变径全皮质骨螺纹螺钉相比不具有统计学差异。结论 螺钉变径位置对螺钉拔出力影响最小,螺纹类型对拔出力影响最大,螺纹深度对扭转、弯曲影响最大。与常规非变径全皮质骨螺纹螺钉相比,变径全皮质骨螺纹螺钉前端较细,可避免进钉点发生劈裂;螺钉后端直径较粗,具有较好的抗拔出力性能。研究结果为MCBT技术的临床应用提供新的理论基础。     

有限元分析改良皮质骨轨迹置钉在 腰椎翻修术中的力学性能

目的 利用有限元分析探究改良皮质骨轨迹置钉（modified cortical bone trajectory,MCBT）、皮质骨轨迹置钉（cortical bone trajectory,CBT）技术在腰椎翻修手术中的力学性能,并分析MCBT相比CBT在翻修手术中的优势。方法 根据CT扫描数据建立L1~5节椎体、终板、纤维环、髓核三维模型,在椎体模型中按传统轨迹（traditional trajectory,TT）椎弓根置钉技术进行置钉,再将TT螺钉去除,保留TT钉道,并用MCBT、CBT螺钉在该椎体上进行翻修置钉,对腰椎重新固定。利用有限元分析MCBT、CBT在翻修手术中的力学性能。结果 在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下,CBT翻修组相比对照组运动范围（range of motion,ROM）分别降低12.07%、19.60%、8.72%、7.66%,L3~4椎体间纤维环应力分别增加11.27%、30.43%、35.52%、25.36%,L4~5椎体间纤维环应力分别降低39.84%、52.64%、23.91%、15.77%;MCBT翻修组相比对照组,ROM分别降低13.18%、20.27%、25.63%、8.59%,L3~4椎体间纤维环应力分别增加10.41%、21.60%、15.83%、18.41%,L4~5椎体间纤维环应力分别降低37.14%、61.94%、39.46%、35.23%;MCBT翻修组相比CBT翻修组ROM分别降低1.26%、0.83%、18.53%、1.00%,L3~4椎体间纤维环应力分别降低0.77%、6.77%、14.53%、5.54%,L4~5椎体应力分别降低2.82%、15.91%、19.79%、8.75%。在前屈工况下,MCBT翻修组L4~5椎体间纤维环应力相比CBT翻修组增加4.49%,在后伸、侧弯、轴向旋转工况下分别降低19.65%、20.44%、23.11%。结论 采用MCBT、CBT进行椎体翻修时均能够提供满足椎体固定要求的力学性能,并且MCBT的固定性能与安全性能不劣于CBT。研究结果为腰椎翻修术提供了更多的入路选择,在临床中具有一定参考意义。     

不同屈曲角度时内侧髌股韧带重建的有限元分析

背景：内侧髌股韧带重建是目前治疗髌骨外侧脱位最常用的方法，最终目的是将髌骨调整到正常的解剖位置，恢复髌骨轨迹，目前内侧髌股韧带重建的主要核心问题在于其股骨端固定点的选取上。目的：运用有限元方法分析膝关节不同屈曲角度时重建内侧髌股韧带对髌骨的限制作用，模拟不同股骨端固定点重建内侧髌股韧带对髌骨的限制作用，为内侧髌股韧带重建时股骨端固定点的选取提供帮助。方法：依据提取的膝关节CT与MRI数据建立包含骨骼及软组织的膝关节有限元模型，在模拟膝关节30°与60°屈曲角度时，选取不同的股骨端固定点构建内侧髌股韧带，比较不同点位时髌股关节间接触应力与接触面积，以及对髌骨横向约束力的大小。对不同屈曲角度时相同股骨端固定点所构建的内侧髌股韧带等长性进行验证，以研究各种内侧髌股韧带重建位置的效果。结果与结论：(1)建立了30°与60°屈曲角度时膝关节的三维有限元模型，构建了不同股骨端固定点的内侧髌股韧带，不同屈曲角度时相同股骨端位置构建的内侧髌股韧带具有可用的等长性；(2)对髌骨向外侧施加位移后，在横向方向上，不同股骨端固定点构建的内侧髌股韧带对髌骨产生了不同的横向约束力，在前端10 mm处时横向约束力最...     

骨性关节炎模型兔股骨各骨质层体积与力学性能的关联性分析

目的：探讨骨性关节炎（OA）模型兔股骨各骨质层体积和力学性能的变化,阐明各骨质层体积与力学性能的关联性。方法：10只新西兰大白兔右后股骨关节腔分别在第1、5和12天注射0.3 mL•kg^-1 3%木瓜蛋白酶,建立OA模型,左后腿为正常对照组。分别在建模3 d前及建模后第7、27和37天进行4次CT扫描,将CT数据导入MIMICS软件,在MIMICS软件中提取股骨模型并获得各股骨骨质层的总体积。第4次CT扫描后,取兔左右股骨作为试件,进行三点弯曲试验,获得负载-挠度曲线。对比弹性载荷和弹性挠度,计算最大弯曲正应力。结果：与正常对照组比较,在兔股骨生长过程中,模型组兔右腿横截面惯性矩和挠度无明显变化（P>0.05）,但股骨生长速度、最大抗弯强度、最大抗弯正应力、股骨硬质骨增加速度和密质骨增加速度显著降低（P<0.05）,软质骨减少速度基本一致（P<0.05）。结论：OA可导致兔股骨各骨质层增加的速度和力学性能显著降低,其力学性能与各骨质层存在关联。
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维医学埋沙疗法对膝关节骨性关节炎兔股骨骨力学特性的影响

目的 探讨维医学埋沙疗法对膝关节骨性关节炎（OA）兔股骨骨力学特性的影响。方法 16只新西兰大白兔经右后股骨关节腔注射木瓜蛋白酶建立OA模型后分为沙疗组和对照组（n=8）。沙疗组在模拟的吐鲁番沙疗场给予沙疗,2次/d,每次30 min,连续4周;对照组不给予沙疗。CT扫描股骨并采集数据,采用交互式的医学影像控制系统（MIMICS）进行分析,比较两组各骨质层（软质骨、密质骨和硬质骨）的体积。对两组动物的左右后股骨进行离体三点弯曲试验,获得负载-挠度曲线,对比承载载荷和挠度,计算骨横截面惯性矩、最大弯曲正应力和最大剪切应力。归纳和对比两组CT扫描数据和三点弯曲试验结果。结果 各骨质层的CT扫描数据分析结果显示：对照组硬质骨有向密质骨和软质骨转化的趋势,沙疗组软质骨向密质骨和硬质骨转化较为明显。三点弯曲试验结果显示：沙疗组股骨断面的形态学参数均显著低于对照组（P〈0.05）,沙疗组股骨断面的最大承载载荷、最大弯曲正应力及最大剪切应力均显著高于对照组（P〈0.05）,两组间横截面惯性矩和挠度的差异无统计学意义（P〉0.05）。结论 维医学埋沙疗法对成年OA兔股骨的骨质层体积分布及力学性能有良性影响。     

传统与改良皮质骨轨迹置钉技术的生物力学性能比较

目的 采用有限元方法比较传统和改良皮质骨轨迹置钉技术的生物力学性能。方法 选取2019年11月新疆医科大学解剖实验室骨质疏松标本4具,平均年龄(70.5±6.5)岁,男性2名,女性2名,骨密度T值均<-2.5 SD。使用Mimics和Abaqus6.9建立L4椎体模型,传统皮质骨轨迹置钉技术选用螺钉直径为5.0 mm、长度为35 mm,改良皮质骨轨迹置钉技术选用直径为5.0 mm、长度为40 mm的螺钉进行置钉。为消除椎体骨质对力学性能的影响,在同一椎体的两侧椎弓根分别插入两种不同技术要求的螺钉,采用有限元方法测定两种螺钉的轴向抗拔出力,上下左右载荷情况下螺钉稳定性及前屈,后伸,轴向及侧屈旋转工况下椎体稳定性并比较其固定性能。结果 改良皮质骨轨迹置钉技术组的拔出力(1 822±83) N显著大于传统皮质骨轨迹置钉技术组拔出力(1 624±44) N,差异有统计学意义(P<0.05);改良皮质骨轨迹置钉技术组在受到上、下、右侧应力时载荷位移比明显大于传统皮质骨轨迹置钉技术组,差异有统计学意义(P=0.007;P=0.031;P=0.047);两种技术在左侧应力时载荷位移比差异...