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有限元在脊柱生物力学中的应用
有限元模型是现代脊柱生物力学研究的重要方法之一,可以根据需求模拟脊柱的各种状态,并计算该状态下各组分间的应力和应变分布,探究其力学原理、损伤机制和治疗效果.此外,在脊柱病理状态的研究中,有限元主要被用于了解病变位置的力学机制和评估不同治疗手段的作用,协助完成治疗方式的选择与改善,为脊柱相关病变的康复提供理论基础.有限元法还可以更有针对性的为病患脊柱的矫正、手术和个性化植入物设计进行服务,在应用于植入物的设计和性能评估中需注意个体差异和完善评价体系.当前,如何建立与真实情况更为贴近的模型一直是人体有限元研究的重点与难点.有限元法虽然能够较好的模拟复杂的工况条件,更需要的是综合运用影像学、统计学、运动学等多种手段,提高模型的真实性和对群体的共享性.
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股骨颈骨折2枚空心螺钉内固定的力学稳定性研究
目的:分析2枚和3枚空心螺钉固定不同骨折线方向的股骨颈骨折的力学稳定性,为2枚空心螺钉临床应用及其适应证的选择提供理论依据.方法:采集15具国人股骨尸体标本,构建3种Pauwels角(30°、50°和70°)的股骨颈骨折模型,分别行3枚及2枚空心螺钉内固定,采用生物力学检测仪分别测定抗张位移、竖向位移、剪切位移、综合位移、缝隙距、扭矩和刚度值,评价2枚和3枚空心螺钉内固定的力学稳定性.结果:Pauwels角为30°和50°时,2枚空心螺钉内固定的抗张位移、竖向位移、剪切位移、综合位移、缝隙距、扭矩和刚度值与3枚空心螺钉内固定相比较,差异无统计学意义(P＜0.05);当Pauwels角为70°时,采用3枚空心螺钉内固定后,其力学稳定性优于2枚螺钉内固定,差异有统计学意义(P＜0.05),同时发现Pauwels角为70°时,即使采用3枚空心螺钉内固定,其力学稳定性明显较Pauwels角为30°和50°时差.结论:Pauwels角为30°和50°时,2枚空心螺钉内固定与3枚空心螺钉内固定的力学稳定性相同,2枚空心螺钉内固定已能较好地维持股骨颈骨折的稳定.而当Pauwels角为70°时,3枚空心螺钉内固定力学稳定性则优于2枚空心螺钉内固定,但其力学稳定性较Pauwels角为30°和50°时弱,手术时需采用角稳定系统或者加用抗滑螺钉以增强骨折内固定的稳定性.
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γ射线终末辐照对同种异体肌腱病毒灭活效果及生物力学性能影响的研究
目的 研究 γ 射线终末辐照灭菌对同种异体肌腱病毒灭活的效果及对肌腱生物力学性能的影响.方法 采用细胞培养法,检测 γ 射线辐照 ( 照射剂量 25 kGy ) 灭活 PRV、VSV、PPV、EMCV、HIV-1 病毒的效果.取正常供体手部肌腱 12 根,直径 4~5 mm,随机分为实验组 ( 辐照组 ) 和对照组 ( 新鲜不处理 ),进行病毒滴度检测,MTS 力学试验机检测两组极限拉伸载荷.结果 经过 γ 射线辐照可使污染在同种异体肌腱上的病毒滴度下降超过 4 Log 值,且盲传 3 代无病毒检出.辐照前后,同种异体肌腱极限拉伸载荷和组织结构差异无统计学意义 ( P>0.05 ).结论 终末辐照灭菌 ( 照射剂量 25 kGy ) 是同种异体肌腱病毒灭活的有效方法,可避免引入其它化学试剂,且该工艺不会影响肌腱的极限拉伸载荷和组织结构.
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透明质酸酶对兔耳软骨组织生物力学的影响
目的 探讨透明质酸酶对兔耳软骨组织生物力学性质的早期影响.方法 于兔耳皮下分别注入生理盐水(生理盐水组)和3种浓度透明质酸酶组(低浓度75 U/ml、中浓度150 U/ml、高浓度300 U/ml)各4 ml.注射后第3天、第7天取材,对实验区耳软骨进行力学拉伸测试,分析3种浓度组耳软骨的弹性模量E和破坏强度σb差异性.结果 注射后第3天、第7天,透明质酸酶3种浓度组与生理盐水组比较,弹性模量和破坏强度差异有统计学意义(均P＜0.05);而3种浓度组之间比较,差异无统计学意义(均P＞0.05).同一组别在第3天、第7天,弹性模量和破坏强度差异有统计学意义(均P＜0.05).结论 透明质酸酶在注射后早期可改变兔耳软骨的生物力学性质,这种改变在7d内不能完全恢复.
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宫骶韧带悬吊术的中国女性在体生物力学研究
目的 对宫骶韧带悬吊术(ULS)所涉及的盆底支持结构进行在体生物力学性能测定.方法 在10具死亡时间为48 h内且未经防腐处理的新鲜中国女性尸体,按照ULS手术操作方式缝合其所涉及的宫骶韧带、子宫颈周围环,应用在体拉伸测量系统完成连续加载并同步记录载荷和位移参数,根据所得的载荷-变形曲线分析比较宫骶韧带、子宫颈周围环的生物力学性能.结果 10具新鲜尸体中宫骶韧带、子宫颈周围环的极限载荷分别为(37.3±23.5)、(49.3±28.4)N,两者比较,差异无统计学意义(P>0.05);其刚度分别为(1.26±1.22)、(1.45±0.92)N/mm,两者比较,差异无统计学意义(P>0.05).结论 宫骶韧带及子宫颈周围环均具有足够的强度且不易变形,ULS是治疗中盆腔缺陷的有效术式.
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人体大隐静脉桥外膜戊二醛交联对其生物力学特性的影响
背景:薄弱的静脉壁是冠状动脉旁路移植术后大隐静脉桥病变的诱发因素之一.目的:探讨人体大隐静脉桥外膜戊二醛交联对血管生物力学特性的影响.方法:收集冠状动脉粥样硬化性心脏病患者冠状动脉旁路移植术后剩余的大隐静脉40段,随机分A、B组,每组20段,将A组中的每段大隐静脉分成2小段,其中一段采用0.3％戊二醛溶液交联5 min,另一段不交联(对照);将B组的每段大隐静脉分成2小段,其中一段采用0.3％戊二醛溶液交联10 min,另一段不交联(对照).采用荧光显微镜及扫描电镜观察交联前后的血管壁微观形态;利用单轴拉伸测试检测交联前后血管的应力-应变关系、杨氏模量及破坏强度.结果与结论:①荧光显微镜:与对照血管相比,交联血管的Ⅰ型胶原纤维呈明显压缩改变,密度显著增大,管腔面结构未见明显差异;②扫描电镜:对照血管外膜表面胶原纤维呈现典型的波浪状疏松排列,交联血管外膜表面胶原纤维呈现致密的网状排列;③单轴拉伸测试:与对照血管比较,交联5,10 min血管的应力-应变曲线明显左移,并且在高应变区(延展率为1.3-1.5)杨氏模量显著增加(P<0.05);与交联5 min血管比较,交联10 min血管的应力-应变曲线明显左移,并且在高应变区(延展率为1.3-1.5)杨氏模量显著增加(P<0.05);交联5,10 min血管的破坏强度高于对照血管(P<0.05);④结果表明:血管外膜戊二醛交联增加了大隐静脉血管壁强度,降低了其延展性.
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不同类型护具对斜面垂直着地时踝关节运动力学和地面反作用力的影响
目的 探讨不同类型踝关节护具对运动过程中踝关节斜面着地时的运动力学和地面反作用力的影响.方法 随机选取21名健康运动员,受试者根据所佩戴护具不同分为无护具组、弹性护具组和半刚性护具组,每组各7人,研究对象在45 cm处垂直落下至倾斜25°的斜面上,采集三维运动力学、足底压力中心(COP)数值以及地面反作用力数据,采用重复测量方差分析比较在佩戴不同护具情况下对踝关节的保护作用.结果 半刚性护具组在矢状面踝关节着地角度和背曲大速度显著降低(P＜0.05),但与弹性护具组和无护具组比较,对背曲运动幅度的差异无统计学意义(P＞0.05);对平均地面反作用力(GRF)影响,半刚性护具组内翻着地角度和大内翻角度显著降低(P＜0.05),而3组的垂直GRF峰值和内侧GRF峰值的差异无统计学意义(P＞0.05);半刚性护具组COP除中心平均摇动速度较其余2组显著降低外(P＜0.05),其余数值亦无统计学意义(P＞0.05).结论 对于踝关节斜面着地时,佩戴半刚性护具有助于降低踝关节负荷,但对运动范围的影响有限.
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准分子激光原位角膜磨镶术联合快速角膜交联术矫正薄角膜近视合并散光的早期疗效
背景 准分子激光原位角膜磨镶术(LASIK)术后发生的医源性角膜扩张严重威胁患者的术后视力和角膜生物力学强度,LASIK联合角膜交联术(LASIK-CXL)有望提高手术的安全性,降低术后角膜扩张的风险,但其手术效果及安全性有待验证. 目的 探讨LASIK-CXL矫正薄角膜近视合并散光眼的临床应用价值及其安全性.方法 采用前瞻性队列研究设计,纳入2014年1月至2015年1月在北京同仁医院眼科拟接受LASIK的薄角膜近视合并散光患者64例128眼,患者分为LASIK组(37例74眼)和LASIK-CXL组(27例54眼),2个组基线特征匹配.所有术眼均采用飞秒激光制瓣,并用准分子激光进行角膜消融,LASIK-CXL组患者在LASIK术后立即用质量分数0.1％核黄素滴至角膜基质床持续90 s,平衡盐溶液(BSS)行瓣下冲洗后用紫外线交联加固仪照射进行角膜交联.2个组患者分别于术后1周及1、3、6个月进行随访,对2个组术眼视力、屈光度、角膜地形图参数、眼前节OCT(AS-OCT)检查结果及角膜生物力学参数进行比较.结果 LASIK组和LASIK-CXL组术前等效球镜度(SE)分别为(-6.49±2.41)D和(-6.97±2.41)D,术后6个月时分别降低至(-0.68 ±0.88)D和(-0.75±0.94)D;2个组术前裸眼视力(UDVA)(LogMAR)分别为1.18±0.28和1.05±0.38,术后6个月时分别提高至-0.06±0.09和-0.03±0.18;术前AveK值分别为(44.37±1.46)D和(44.47±1.50)D,术后6个月时分别减少至(39.30±2.06)D和(38.66±1.80)D;术前表面规则指数(SRI)分别为0.25±0.21和0.24±0.22,术后6个月时分别增加为0.29±0.24和0.28±0.24,术前表面不对称指数(SAI)分别为0.36±0.16和0.39±0.15,术后6个月时分别增至0.57±0.31和0.75±0.37,且LASIK-CXL组术后SAI值明显大于LASIK组,差异有统计学意义(F=10.22,P=0.002).LASIK组和LASIK-CXL组术前角膜阻力因子(CRF)值分别为(8.44±1.44)mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)和(8.63±1.35) mmHg,术后6个月分别下降至(5.74±1.31) mmHg和(6.25±1.24) mmHg,且LASIK-CXL组CRF值明显高于LASIK组,差异有统计学意义(F=8.650,P=0.004);LASIK组和LASIK-CXL组术前角膜滞后量(CH)分别为(8.78±1.51) mmHg和(8.69±1.62) mmHg,术后6个月分别降至(7.23±1.08) mmHg和(6.50±1.32) mmHg,LASIK-CXL组术后CH值明显低于LASIK组,差异有统计学意义(F=5.860,P=0.017).AS-OCT检查显示术后1个月LASIK-CXL组角膜基质出现高密度反光带者45眼,占81.82％,而LASIK组术眼未出现角膜基质高密度反光带. 结论 LASIK-CXL矫正薄角膜近视合并散光眼是有效的和安全的,其改善术眼术后视力的效果与LASIK接近,但在增加角膜硬度方面明显优于LASIK手术.
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飞秒激光小切口角膜基质透镜取出术术后角膜生物力学的影响因素分析
背景 角膜屈光手术术后的视觉效果和角膜生物力学改变是值得关注的问题,飞秒激光小切口角膜基质透镜取出术(SMILE)在临床上显示了较好的术后视觉效果,但其对角膜生物力学的长期影响及其影响因素尚不十分清楚. 目的 探讨SMILE术后角膜生物力学的改变及其主要的影响因素.方法 采用系列病例观察研究方法,纳入2011年8月至2013年7月在天津市眼科医院拟行SMILE的患者58例100眼,患眼术前平均球镜度为(-5.00±1.55)D,平均柱镜度为(-0.98±0.87)D.分别于术前及术后1、3、6、12个月时采用眼反应分析仪(ORA)进行角膜生物力学参数测量,包括角膜阻力因子(CRF)和角膜滞后量(CH).术眼按切削比(LTR)、术前CRF值和术后残余基质床厚度(RST)的不同分为低、中、高组,分析3种不同因素与术后ΔCRF和ΔCH的关系,并分析术前相关参数,如年龄、等效球镜度、球镜度与柱镜度之和、透镜厚度、RST/术前中央角膜厚度(CCT)、术前CCT、术前Km与术后ΔCRF和ΔCH的关系.结果 SMILE术后1个月CRF和CH值分别为(7.12±1.20)mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)和(7.90±0.97) mmHg,均明显低于术前的(10.17±1.46) mmHg和(10.00±1.16) mmHg,差异均有统计学意义(t=15.552,P=0.000;t=13.411,P=0.000).术后3、6和12个月术眼CRF值分别为(7.06±0.90)、(6.98±1.11)和(6.87±1.07)mmHg,CH值分别为(8.12±0.84)、(8.12±0.97)和(8.14±0.86) mmHg,与各自前一时间点CRF值和CH值比较差异均无统计学意义(CRF:P=0.848、0.992、0.270;CH:P=0.370、0.791、0.777).ΔCRF和ΔCH与LTR、术前CRF值及术前CH值均呈正相关(LTR:r=0.468,P=0.000;r=0.299,P=0.004;CRF:r=0.696,P=0.000;r=0.590,P=0.000;CH:r=0.576,P=0.000;r=0.690,P=0.000).术后12个月术眼ΔCRF和ΔCH值与术前等效球镜度、术前球镜与柱镜度之和及术后RST/术前CCT均呈负相关(等效球镜度:r=-0.496,P=0.000;r=-0.292,P=0.010;球镜与柱镜度数之和:r=-0.484,P=0.000;r=-0.293,P=0.005;RST/术前CCT:r=-0.362,P=0.000;r=-0.243,P=0.019),而与透镜厚度均呈正相关(r=0.495,P=0.000;r=0.325,P=0.002).此外,ΔCRF和ΔCH值与患者年龄、术前CCT和术前Km均无明显相关(均P＞0.05). 结论 术眼SMILE术后早期角膜生物力学强度减弱,术后1个月角膜生物力学逐渐恢复并达到稳定状态.RST/术前CCT越大,SMILE对角膜生物力学强度的保护作用越大.除术前CRF和CH外,影响SMILE术后角膜生物力学的主要因素还有透镜厚度和预矫正度数.
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富血小板血浆联合骨碎补对兔前交叉韧带重建术后腱骨愈合及生物力学的影响
目的:探讨骨碎补联合富血小板血浆(PRP)对兔前交叉韧带重建术后腱骨愈合及生物力学的影响.方法:选取72只新西兰大白兔,将兔随机分为富血小板血浆联合骨碎补组、富血小板血浆组、骨碎补组和空白对照组,每组各18只.所有兔均取同侧自体单股半腱肌腱移植重建ACL,实验组术后在骨隧道内注入1 ml RPP,同时于造模后第2d开始予骨碎补药液灌胃给药,连续21d.富血小板血浆组仅在骨隧道中注入RPP,骨碎补组仅于造模后第2天开始予骨碎补药液灌胃给药.空白组则在术后不作任何特殊处理.在术后4、8、12周处死兔子,行M icro-C T扫描及三维重建,测量骨隧道内口扩大宽度及腱骨界面处骨密度(BMD)并行生物力学测定,评估各组对前交叉初带重建后腱骨愈合及生物力学的影响.结果:在A C L重建术后4、8、12周各组比较可见:实验组股骨骨隧道内口扩大宽度、腱骨结合处骨密度、大加载负荷均优于富血小板血浆组、骨碎补组、空白组.富血小板血浆组、骨碎补组各时间点股骨骨隧道内口扩大宽度、腱骨结合处骨密度、大加载负荷均优于空白组.骨碎补组各时间点骨密度均优于富血小板血浆组,富血小板血浆组第4、8周大加载负荷均优于骨碎补组,而在骨隧道内口扩大宽度方面,富血小板血浆组虽优于骨碎补组,但两组相比差异无统计学意义.结论:骨碎补联合PRP可促进兔腱骨愈合,增加腱骨结合处骨密度,加强重建肌腱的韧性.
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应用计算机重建瞬时旋转轴精确评估腰椎节段稳定性及其临床意义
目的 应用计算机三维重建技术结合瞬时旋转轴(IAR)理论评估在体腰椎节段稳定性及其临床意义.方法 选取L4-5单节段不稳并伴有半年以上下腰痛症状患者42例作为病例组,70例健康成人作为对照组.采用三维CT扫描获得受试者中立位和右旋50°位腰椎DICOM数据,应用Mimics软件重建L1～S1的三维模型;以每节段下位椎体上终板重心为坐标原点建立局部坐标系,KINZEL法计算各节段运动椎体沿IAR旋转角度、IAR到坐标原点短距离及IAR到坐标原点近的P点坐标.采用独立样本t检验对两组间运动椎体沿IAR旋转角度及IAR到坐标原点短距离进行比较,组内各节段间的比较采用单因素方差分析和两两比较SNK-q检验.组间P点弥散程度的差异采用卡方检验进行分析.结果 正常人群L4-5节段IAR到坐标原点短距离大于其他节段(P＜0.05);L5-S1节段IAR旋转角度大于其他节段(P＜0.05),IAR到坐标原点短距离小于其他节段(P＜0.05).病例组L4-5节段IAR到坐标原点短距离及P点弥散程度大于对照组(P＜0.05),两组间IAR旋转角度比较差异无统计学意义(P＞0.05).结论 计算机三维重建技术结合IAR理论既可为腰椎失稳的临床诊断和治疗提供理论依据,又可为腰椎不稳动力学机制提供精确的研究方法.
