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踝关节生物力学实验放置压敏片入路新方法
目的:探讨踝关节生物力学试验放置压敏片的新方法,为踝关节生物力学试验提供依据.方法:采用6具防腐尸体标本,左足组为A组,从内踝放入压敏片,右足组为B组,从外踝放入压敏片.标本固定在实验机上,轴向压缩700 N,维持120秒,分析压敏片.结果:A、B组踝关节接触面积分别是(284.8±27.3)、(281.3±24.7)mm2;踝关节前内、前外、后内、后外受力面积A组分别是(77.4±8.3)、(67.8±6.2)、(78.1±6.5)、(61.5±9.2)mm2,B组分别是(81.5±9.2)、(64.2±5.9)、(80.9±6.1)、(54.7±8.2)mm2;平均压强A组分别是(2.09±0.06)、(2.30±0.48)、(1.73±0.41)、(1.87±0.43)MPa,B组分别是(2.11±0.47)、(2.33±0.45)、(1.70±0.38)、(1.82±0.40)MPa;峰值压强A组分别是(3.24±0.44)、(3.38±0.47)、(2.89±0.38)、(3.02±0.41)MPa,B组分别是(3.29±0.43)、(3.36±0.49)、(2.85±0.34)、(3.05±0.44)MPa.A、B组比较差异均无统计学意义(P＞0.05).结论:经内踝入路放置压敏片试验效果同经外踝入路放置压敏片相当,为踝关节力学研究提供了一个新方法.
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压敏片成像分析系统的研制及生物力学应用
本文对低压型及超低压型压敏片在环境温度为25℃,相对湿度为40%的条件下进行了光密度值的标定,结果用四阶多项式曲线拟合,并利用计算机实现了对压敏片压力信息的图像分析,系统误差约为12.O%.我们用压敏片测量了腰椎小关节的接触应力分布,并利用这套系统进行了分析,结果令人满意.
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桡骨远端关节内骨折对腕关节影响的生物力学研究
目的研究桡骨远端关节内骨折对桡腕关节的影响.方法12只成人上肢标本于距关节面3 cm处截骨去除1 cm骨块,于桡骨远端关节面舟骨窝与月骨窝交界处纵形劈开桡骨,使桡尺侧骨块可分别向近端移动,制作桡骨远端关节内骨折模型,利用压敏片测试随关节面移位,桡腕关节面的应力分布和受力面积改变情况.结果桡舟关节面移位≥2 mm时,月骨接触面积及接触应力增加,舟骨接触面积及接触应力减少(P＜0.01);桡月关节面移位≥2 mm时,舟骨接触面积及接触应力增加(P＜0.01),月骨接触面积无明显变化(P＞0.01)而及接触应力减少(P＜0.01).结论桡骨远端关节内骨折关节面移位≥2mm以上时,桡腕关节面的应力分布和受力面积发生改变,影响腕关节功能.
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颈椎人工椎间盘置换或前路融合内固定术后关节突间压力的改变
目的:通过测量颈椎前路融合内固定或人工椎间盘置换术后关节突间压力的变化,探讨两种手术对颈椎手术节段后部结构的力学影响.方法:6具成年男性新鲜尸体颈椎标本(C2～C7)作为测试对象,分为完整颈椎组、人工椎间盘置换组及前路融合内固定组.在完整颈椎测试后,所有标本先后行C4/5节段Prestige-LP人工椎间盘置换和前路C4/5节段植骨融合固定术后进行测试.将顶制的压敏片置于C4/5左侧关节突关节内,标本先给予75N跟随载荷,再持续加载纯力偶进行三维运动测试.屈伸和侧屈大运动载荷为2.0N·m、旋转大运动载荷为4.0N·m,测量加载后的运动范围围和零运动载荷、大运动载荷时的关节突间压力.结果:与零运动载倚时相比,在运动加载后完整颈椎组和颈椎人工椎间盘置换组在后伸、左侧屈和右旋时均表现出左侧关节突间压力明显增大(P<0.05);但前屈、右侧屈和左旋时左侧关节突间压力变化没有差异;颈椎前路融合内固定组各运动加载后关节突间压力与零运动载荷下压力均无显著性差异(P>0.05).在三个测试组间比较,完整颈椎组和人工椎间盘置换组在各运动载荷下的关节突间压力为接近;颈椎前路融合内固定组虽然在后伸、左侧屈和右旋时关节突间压力都有减小,但与其他两组比较无显著性差异(P>0.05).结论:颈椎人工椎间盘成形术后关节突间压力与正常颈椎相比没有明显改变,可以有效地维持关节突间正常生理压力.
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桡骨远端截骨术后桡腕关节的解剖学及生物力学变化
目的:研究桡骨远端截骨术后新桡腕关节的解剖学特点及生物力学变化.方法:选择甲醛同定的尸体腕标本(观察组)26只,模拟桡骨远端截骨术后观测桡腕关节面;纵行剖开桡腕关节,描拓桡腕关节的匹配曲线;选用26只新鲜标本(对照组)牙托粉包埋后,用压敏片在双轴液压材料测试系统上测试正常及术后桡腕关节的接触面积和压力变化.结果:对照组桡腕关节匹配曲线良好,桡骨远端截骨术后匹配性略差.腕中立位下,平均腕单位面积负荷为(22.9±4.3)N/cm2,观察组为(13.9±4.0)N/cm2,两组相比,差异显著(P<0.05).结论:桡骨远端截骨术后形成新桡腕关节的解剖学和生物力学均显著异常.
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压敏片测量离体颈椎后路钢板固定术后关节突关节内压力的变化
目的:利用压敏片技术,测量颈椎后路钢板固定术后关节突关节内压力的变化,探讨颈椎后路手术后远期并发症的生物力学发病机制. 方法:实验于2005-07/12在南方医科大学生物力学实验室完成.10具颈椎标本取自非颈椎外伤意外死亡的成年男性新鲜尸体.截取C1-T1节段,行后路C4全椎板切除、C4.5椎弓根螺钉固定术.将压敏片置于关节突关节内,在脊柱三维运动试验机上测量零载荷和2N·m载荷下,后伸、左/右侧弯、左/右旋转过程中关节突关节内压力的变化.结果:颈椎关节突关节内的压力值为中间大于两边,C3,4,C5,6大于C2,3和C6,7.在中立位时对关节突关节内压力变化不大;左/右侧弯时的压力将会增加,但差异无显著性意义(P＞0.05);而左/右旋转和后伸运动时,各节段关节突关节内压力均明显增加,差异具有显著性(P＜0.05),后伸位增加为明显,差异具有非常显著性(P＜0.01).后伸位时关节突关节承受较大的负荷,脊柱内固定术后,压力值的大小依次为C3,4＞C5,6＞C2,3＞C6,7,反映出后路手术后固定节段上位的压力变化大于下位节段.结论:颈椎后路钢板固定术后,邻近节段关节突关节内压力明显增加,可诱发邻近关节突关节的退变,从而引起相应的并发症.
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颈椎三维运动对关节突关节压力的作用
背景:颈椎关节突关节压力变化是颈椎生理运动中的一个重要环节,但目前缺少对颈椎生理载荷下关节突间接触压力的直接测量研究.目的:通过测量颈椎三维运动中关节突关节压力的变化,探讨关节突对颈椎应力分布和运动协调的作用.方法:6具成年男性新鲜尸体颈椎标本(C2～C7)作为测试对象,将预制的压敏片置于C3～4、C4～5和C6～7左侧关节突关节内.标本先给予75 N跟随载荷,再以持续加载模式加载力偶.屈伸和侧弯大2.0 N·m载荷,轴向旋转大4.0 N·m载荷,测量零力偶和大力偶时的关节突关节内压力.结果与结论:零载荷时,C3～4、C4～5和C6～7左侧关节突分别承受75 N跟随载荷的20.6%,20.0%,21.3%.在运动加载后,完整颈椎在后伸、左侧弯和右旋时均表现为左侧关节突间压力明显增大(P<0.05);但前屈、右侧弯和左旋时左侧关节突间压力无明显改变.3个节段在各运动方向关节间压力变化无显著性差异(P>0.05).结果提示关节突关节内压力变化主要取决于关节突的角度和加载方向.颈椎关节突在传递分散颈椎应力和协调三维运动中发挥重要作用.
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三种内固定方式治疗髋臼横行后壁骨折后髋臼接触特性的生物力学比较
背景:髋臼横行后壁骨折是常见的复杂髋臼骨折类型,目前多采用手术切开复位内固定方法进行治疗,主要内固定装置包括后柱重建钢板、后柱重建钢板联合前柱拉力螺钉及后壁螺钉、后柱锁定重建钢板联合后壁半皮质螺钉等.目的:通过模拟髋臼横行后壁骨折,利用压敏片技术测量并探讨3种内固定方式固定髋臼横行后壁骨折后,髋臼关节面的应力特性.方法:12具新鲜成人骨盆标本按随机数字表法分成3组,每组4具.将每组的髋臼成功造模后,按固定方式的不同分成3组.A组进行髋臼后柱重建钢板;B组:髋臼后柱重建钢板联合前柱拉力螺钉、后壁拉力螺钉固定;C组:髋臼后柱锁定重建钢板固定.将制备成"柳叶状"的股骨头压敏片贴于股骨头上,于单足站立位进行轴向载荷实验.分别测量各组髋臼关节面的应力集中面积及峰值应力.结果与结论:当载荷为600 N时,A组髋臼关节面面积小于B组和C组,而峰值应力值大于B组和C组;B组与C组髋关节面面积以及峰值应力差异无显著性意义(P>0.05).说明髋臼横行后壁骨折在进行内固定治疗时,应用后柱重建钢板联合前柱拉力螺钉、后壁螺钉以及锁定重建钢板联合后壁半皮质螺钉可增加髋臼关节面的接触面积,降低固定后髋臼关节面的应力集中.髋臼后柱锁定重建钢板在治疗髋臼横行后壁骨折时的生物力学特性与应用髋臼后柱重建钢板联合前柱拉力螺钉及后壁拉力螺钉固定相当.
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部分腕骨融合术对腕关节生物力学影响的实验研究
目的探讨部分腕骨融合术后腕关节的活动范围、压力负荷及对腕关节生理状态的影响.方法选用12例新鲜腕关节标本随机分为3组,A组:舟大小融合术;B组:舟骨三角骨切除+头月融合术;C组:四角融合+舟骨切除术.通过CSS-44020系列生物力学试验机,用100 N力,以5mm/s的速度分别牵引腕关节被动掌屈、背伸、尺偏和桡偏,并测量A、B、C 3组标本的活动角度.然后,于腕关节内放置压敏片,用自制的实验架将腕关节固定于中立位,以5 N/s的压速对腕关节施压至200 N,维持60 s后测量压敏片上各组标本的受力面积和压力负荷.结果 (1) 活动范围:A组掌屈(68.4±5.2)°(±s,下同)、背伸(51.5±4.6)°、尺偏(24.5±2.3)°、桡偏(15.7±3.4)°.B组掌屈(64.5±7.1)°、背伸(60.0±5.2)°、尺偏(42.4±3.2)°、桡偏(26.9±5.2)°.C组掌屈(61.9±6.6)°、背伸(54.9±5.3)°、尺偏(27.1±3.9)°、桡偏(17.0±4.9)°.(2) 腕关节的受力面积:A组为(265.00±8.97)mm2.B组为(125.81±5.97)mm2.C组为(164.00±8.43)mm2.(3) 负荷压力:A组为(53.87±3.07)N/cm2.B组为(112.86±0.74)N/cm2.C组为(55.28±5.11)N/cm2.结论舟大小融合术、舟骨切除+四角融合术对腕关节应力负荷的影响与正常腕关节相比变化不大,而舟三角骨切除+头月融合术对腕关节的影响较大,其应力负荷的增加明显超出了正常腕关节所承受的压力负荷.
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近排腕骨切除术后对腕关节生物力学影响的实验研究
目的测定正常腕关节和近排腕骨切除术后腕关节的活动范围和生物力学变化,探讨近排腕骨切除术后腕关节功能丧失和并发症出现的机制.方法选用16例新鲜腕关节标本,通过CSS-44020系列生物力学试验机(中国长春试验机研究所制造),牵引腕关节于被动掌屈、背伸、尺偏和桡偏位,测量正常腕关节和近排腕骨切除术后腕关节的活动范围.然后在腕关节内放置压敏片,于中立位对腕关节施压,分析压敏片上相关信息.结果正常腕关节标本掌屈(74.2°±4.9°,x±s,下同)、背伸63.3°±3.6°、尺偏36.8°±2.6°、桡偏20.2°±3.4°.近排腕骨切除后掌屈48.1°±5.6°、背伸43.6°±4.6°、尺偏21.0°±4.3°、桡偏10.3°±4.1°.正常腕关节的受力面积平均为(640.57±23.15)mm2,近排腕骨摘除组为(81.26±2.38)mm2.正常腕关节负荷压力为(27.68±0.73)N/cm2,近排腕骨切除组为(169.81±2.27)N/cm2.结论近排腕骨切除术后腕关节活动范围丧失较大,其应力负荷的增加明显超出了正常腕关节所承受的压力负荷,使腕关节功能丧失较多并容易在术后产生腕关节退行性关节炎等并发症.
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五种治疗腕塌陷术式的生物力学比较
目的测定5种治疗腕塌陷术式术后腕关节的生物力学变化.方法成人新鲜腕关节标本6侧,模拟不同的治疗腕塌陷的术式.于腕关节内置入压敏片,在双轴液压材料测试系统(material test system MTS,858型,美国产)上,于腕关节在中立位、掌屈5°位、背伸30°位、桡偏10°位、尺偏15°位下加载,分析压敏片上的相关信息.结果腕中立位下,正常的腕单位平均面积的负荷为[(22.9±4.3) N/cm2,±s,下同].腕舟骨远端切除+近端和头月融合术、腕舟骨全切除+头月融合术两手术后,该值无明显变化.四角融合术后,负荷值为(29.4±8.5) N/cm2.腕舟骨+三角骨切除和头月融合术后为(103.2±37.2) N/cm2,近排腕骨切除术后为(136.4±30.7) N/cm2.各功能位状态下,近排腕骨切除术以腕中立位时的负荷高;而另4种部分腕骨融合术都以腕背伸30°位的单位面积负荷高.结论在正常腕中立位下,通过腕关节的压应力负荷十分均匀.在腕舟骨远断切除+近端和头月融合术、腕舟骨全切除+头月融合两术后,生物力学改变不明显.四角融合术后,腕关节的单位面积负荷开始上升,腕舟骨+三角骨切除和头月融合术、近排腕骨切除术后该负荷开始大幅度上升.近排腕骨切除术后形成的桡头关节及其生物力学改变具有明显的反生理性.
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腓骨短缩对胫距关节生物力学接触特性的影响
[目的]测定腓骨短缩时,胫距关节的接触特性的变化,探讨腓骨短缩的大允许程度.[方法]6具小腿标本,去除踝关节以上的皮肤、肌肉等软组织,用夹具将其固定于正常行走踝关节中立位,分别测出在正常,腓骨短缩2、4、6 mm时,胫距关节的接触压及接触面积并进行比较,观察并总结出接触压及接触面积的变化趋势.[结果]通过模拟试验发现,腓骨短缩时,胫距关节总接触面积呈减小趋势,前外、后外象限的接触面积、接触压呈增大趋势,而前内,后内象限的接触面积、接触压均减小.[结论]2 mm以上(包含2 mm)的腓骨短缩,均会造成胫距关节接触特性的显著改变.
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桡骨远端骨折成角改变对桡腕关节影响的生物力学研究
目的:研究桡骨远端骨折后掌倾角及尺偏角改变对桡腕关节的影响.方法:12只成人上肢标本于距关节面3cm处截骨去除1cm骨块,制作桡骨远端骨折成角畸形模型.利用压敏片测试桡腕关节面的应力分布和受力面积改变情况.结果:随着桡腕关节面背倾加大,舟骨和月骨接触面向关节面背侧移位,随着背倾角度和桡偏角度的加大,舟骨的接触面积、接触应力显著减少(P＜0.01),月骨的接触面积、接触应力显著增大(P＜0.01).结论:桡腕关节面背倾10°以上时,桡偏10°以上时,舟骨和月骨的接触面积及接触应力有显著变化,影响腕关节功能.
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颈前路钛制网状接骨板固定系统的生物力学研究
目的:对自行研制的颈前路钛制网状接骨板固定系统(ACSRP)进行生物力学评价.方法:(1)稳定测试 14例新鲜颈椎标本,随机分为A、B两组,模拟颈椎前路手术制作颈椎双间隙并部分椎体摘除的模型.分别以网状接骨板(ACSRP)和进口Caspar钢板固定,依次测量两类颈椎模型的三维运动数据;(2)植骨块的应力测试选择压力敏感胶片,分别置于A、B两组C4～C6与植入髂骨块之间,计算出其所受应力大小.结果:(1)损伤颈椎在两种钢板固定后的ROM均明显减少,稳定程度增加,但提高颈椎的稳定程度不同;(2)压敏片测量ACSRP固定后的植骨块与Caspar组间应力分布有差异.结论:ACSRP有较好的生物力学稳定作用,ACSRP固定的植骨块较Caspar组固定的植骨块有较好的应力分布.
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膝半月板载荷的压敏片测量
目的:采用压敏片技术测量膝关节半月板的承受载荷.方法:把压敏片剪成与半月板相应的形状和大小,置于膝关节间隙半月板的上方.利用材料试验机向标本加栽,将所得压敏片的图像经扫描后输入计算机,进行分析计算得出膝半月板的承受压力值.结果:通过这种方法可以直接测得膝半月板承受的压力和受力面积的大小,并同时可以观察半月板的受力分布.结论:利用压敏片的测量方法对于膝关节的研究有很高的应用价值.
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桡骨短缩对桡腕关节影响的生物力学研究
目的:研究桡骨远端骨折后桡骨短缩对桡腕关节的影响.方法:12只成人上肢标本于距关节面3 cm处截骨去除1 cm骨块,使骨块可向近端移动,制作桡骨远端骨折后桡骨短缩模型,利用压敏片测试桡腕关节面的应力分布和受力面积改变情况.结果:随着桡骨短缩的增加,舟骨的接触面积无显著变化(P＞0.01),接触应力显著增大(P＜0.01);月骨的接触面积轻度增加,接触应力显著增大(P＜0.01),桡骨短缩≥4 mm时即有显著变化,桡骨短缩≥4～6 mm造成尺骨撞击三角骨.结论:桡骨远端骨折短缩4mm以上时,接触应力有显著变化,影响腕关节功能.
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身体姿势对腰椎小关节受力的影响
目的:分析脊柱处于不同姿势时腰椎小关节受力大小及变化情况.方法:采用8具新鲜脊柱腰骶段(L1～S1)标本,在MTS系统上用压敏片测量L4、5小关节面在中立位和前屈、后伸位时受力大小.结果:中立位时L4、5小关节受力为(31.16± 7.15)N,占轴向压缩载荷的15%;前屈时小关节受力减小,前屈10°、20°时受力大小为(18.32±4.46)N、(9.38±1.82)N,占压缩载荷的比例减为9%、5%;后伸时小关节受力增大,后伸10°、20°时受力大小为(45.92±11.06)N、(65.68±10.16)N,占压缩载荷的比例增至23%、33%.结论:腰椎小关节在中立位能承受脊柱的一部分压缩载荷,且随脊柱姿势不同小关节面受力也不同.
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压敏片材料在关节生物力学中的应用
压敏片材料既能反映接触压力的大小,同时又能直观的显示受力分布,实验的条件也容易控制,是一种可行性较好的压力敏感材料,国内外生物力学实验已有所应用.本文结合实验,阐述了压敏片材料在关节生物力学中的应用,并提出一些独到的见解.
关键词： 压敏片 关节 MTS生物材料试验机 生物力学 计算机 -
胫腓下联合分离的生物力学研究
目的分析踝关节内、外侧结构和胫腓下联合损伤对踝关节稳定性的影响,探讨胫腓下联合固定的指征.方法12具新鲜膝关节以下下肢标本,随机分为a、b两组,分别模拟内踝骨折和三角韧带撕裂的旋前-外旋型踝关节骨折,按该型骨折加重顺序依次切断周围韧带,用压敏片和位移传感器分别测定每次处理后的关节接触面积和胫腓下联合分离距离.分析各操作步骤对关节接触面积、胫腓下联合分离距离的影响.结果a组切断三角韧带、b组切断骨间韧带后,关节接触面积及胫腓下联合分离距离较基线状态均有明显改变,差异有极显著性意义(P＜0.01).关节接触面积和下联合分离距离呈线性回归关系.结论踝关节的稳定性主要由踝关节内、外侧结构和中间的胫腓下联合共同维持,只有当三者中两处以上发生不可逆性损伤时,踝关节的稳定性才会发生根本性改变.因此,胫腓下联合分离时,下联合固定应选择性地使用.
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颈椎前路手术后邻近节段运动变化的生物力学研究
目的利用压敏片(PSF)技术,测量颈椎前路手术后关节突关节内压力的变化,探讨颈前路手术后远期邻近节段退变的生物力学发病机制.方法10具新鲜成人颈椎尸体标本(C2～T1),行前路C4,5椎间盘切除、C4,5椎间植骨钢板内固定术.将压敏片置于关节突关节内,在脊柱三维运动试验机上测量0载荷和2 N·m载荷下,后伸、左右侧弯、左右旋转过程中关节突关节内压力的变化.结果颈椎前路手术后,邻近节段关节突关节内的压力增加,以后伸和左右旋转时为明显,差异有显著性意义(P＜0.05).结论颈椎前路短节段植骨融合术后,邻近节段关节突关节内压力明显增加,可诱发邻近节段关节突关节的退变,从而引起相应的病症.
