光纖布拉格光柵測(cè)量鋼板固定長(zhǎng)管狀骨骨折應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、目的：
　　通過(guò)在光纖布拉格光柵封裝于預(yù)先開(kāi)槽的鋼板上，應(yīng)用光學(xué)測(cè)量?jī)x器及方法，連同骨科生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，進(jìn)行生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量反射光譜變化從而間接測(cè)量應(yīng)力變化。初步探索光纖布拉格光柵封裝在鋼板上進(jìn)行測(cè)量的方法及其在創(chuàng)傷骨科生物力學(xué)鋼板應(yīng)力變化測(cè)量中的應(yīng)用前景，探索光纖布拉格光柵封裝鋼板的封裝形式及其位置在應(yīng)力變化中的規(guī)律。為光纖布拉格光柵能夠通過(guò)進(jìn)一步研究，應(yīng)用于臨床，對(duì)于骨折斷端固定的牢固程度、術(shù)后功能鍛煉的指導(dǎo)以及最終骨折愈

2、合的判定提供客觀的參考依據(jù)，而做出初步的基礎(chǔ)研究。
　　方法：
　　選取新鮮羊脛骨10根，脛骨兩端磨平，均制作成為中段橫斷骨折（Fig2），進(jìn)行編號(hào)1-10，選用8孔上肢內(nèi)固定鎖定鋼板（山東威高，上肢長(zhǎng)骨鎖定內(nèi)固定鋼板）10塊，分別在其側(cè)面及正面進(jìn)行開(kāi)槽，開(kāi)槽深度：0.5mm；寬度：0.5mm；將光纖布拉格光柵分別封裝于兩槽內(nèi)，對(duì)10塊鋼板依次編號(hào)1-10，將封裝光纖后的鋼板1-10號(hào)分別對(duì)應(yīng)羊脛骨骨折1-10號(hào)進(jìn)行固定，遠(yuǎn)

3、近折端分別打入3枚鎖定自攻型內(nèi)固定螺釘（3.5mm×18mm及3.5mm×20mm），以螺釘在脛骨鋼板對(duì)側(cè)外露約1mm為準(zhǔn)，制作成10組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?）將鋼板側(cè)面封裝的光纖布拉格光柵一端連接于1x2耦合器單端口側(cè)，將寬譜光源（EDFA）及光譜分析儀（AQ6317B）連接到耦合器另外兩個(gè)端口（Fig1）上，將該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b于生物力學(xué)機(jī)上，施加垂直壓力載荷，對(duì)其進(jìn)行垂直壓縮實(shí)驗(yàn)，壓力增加幅度約為10±5N，記錄生物力學(xué)機(jī)載荷、位移變化及光譜

4、分析儀測(cè)得的波長(zhǎng)變化。（2）以生物力學(xué)機(jī)對(duì)上述模型進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，施加三點(diǎn)彎曲壓力載荷，壓力增加幅度約為7±3N，記錄生物力學(xué)機(jī)載荷、位移變化及光譜分析儀測(cè)得的波長(zhǎng)變化。（3）將鋼板正面封裝的光纖布拉格光柵一端連接于1x2耦合器單端口側(cè)，將寬譜光源（EDFA）及光譜分析儀（AQ6317B）連接到耦合器另外兩個(gè)端口（Fig1）上，將該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b于生物力學(xué)機(jī)上，以生物力學(xué)機(jī)對(duì)骨折模型進(jìn)行垂直壓縮，生物力學(xué)機(jī)給予模型施加壓力，壓力增加幅度

5、約為10±5N，記錄生物力學(xué)機(jī)載荷、位移變化及光譜分析儀測(cè)得的波長(zhǎng)變化。（4）對(duì)該正面封裝的光纖布拉格光柵實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)量實(shí)驗(yàn)：以生物力學(xué)機(jī)給予其施加彎曲壓力載荷，壓力增加幅度約為7±3N，記錄生物力學(xué)機(jī)載荷、位移變化及光譜分析儀測(cè)得的波長(zhǎng)變化。將其余9組模型分別重復(fù)上述四步過(guò)程，記錄每組載荷、位移及波長(zhǎng)變化。（5）隨機(jī)選出一組模型，依次重復(fù)5次上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，進(jìn)行同組組內(nèi)實(shí)驗(yàn)，記錄每組載荷、位移及波長(zhǎng)變化。最后將10組模型安裝于

6、三點(diǎn)彎曲狀態(tài)，進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，增加載荷，記錄波長(zhǎng)變化情況。意義在于記錄光纖能夠測(cè)量的最大鋼板形變位移情況及其所對(duì)應(yīng)的載荷數(shù)據(jù)。
　　結(jié)果：
　　1組間統(tǒng)計(jì)分析：將上述每組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)：其中正面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組及三點(diǎn)彎曲壓縮組各組數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布；側(cè)面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組及三點(diǎn)彎曲壓縮組各組數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布。1.110組模型在上述四步過(guò)程中均出現(xiàn)位移隨載荷的增大而增大；1.210組側(cè)面封裝的

7、光纖布拉格光柵垂直壓縮所記錄的載荷及波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量秩相關(guān)分析，P值均大于0.05，可認(rèn)為側(cè)面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組載荷與波長(zhǎng)無(wú)直線相關(guān)關(guān)系；1.310組側(cè)面封裝的光纖布拉格光柵三點(diǎn)彎曲壓縮所記錄的載荷及波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量秩相關(guān)分析，P值均大于0.05，可認(rèn)為側(cè)面封裝的光纖布拉格光柵三點(diǎn)彎曲壓縮組載荷與波長(zhǎng)無(wú)直線相關(guān)關(guān)系；1.410組正面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮所記錄的載荷及波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量直線相關(guān)分析，P值均小于0.0

8、5，可認(rèn)為正面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組載荷與波長(zhǎng)有直線相關(guān)關(guān)系；1.510組正面封裝的光纖布拉格光柵三點(diǎn)彎曲壓縮所記錄的載荷及波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量直線相關(guān)分析，P值均小于0.05，可認(rèn)為正面封裝的光纖布拉格光柵三點(diǎn)彎曲壓縮組載荷與波長(zhǎng)有直線相關(guān)關(guān)系。
　　2組內(nèi)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：將選出的一組模型所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，將上述每次數(shù)據(jù)分別進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)：其中5次正面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組及三點(diǎn)彎曲壓縮組各組數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布

9、；側(cè)面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組及三點(diǎn)彎曲壓縮組各組數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布。5次正面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮所記錄的載荷及波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量直線相關(guān)分析，P值均小于0.05，可認(rèn)為正面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組載荷與波長(zhǎng)有直線相關(guān)關(guān)系；5次正面封裝的光纖布拉格光柵三點(diǎn)彎曲壓縮所記錄的載荷及波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量直線相關(guān)分析，P值均小于0.05，可認(rèn)為正面封裝的光纖布拉格光柵三點(diǎn)彎曲壓縮組載荷與波長(zhǎng)有直線相關(guān)關(guān)系。5次側(cè)面封裝的光纖布

10、拉格光柵垂直壓縮所記錄的載荷及波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量秩相關(guān)分析，P值均大于0.05，可認(rèn)為側(cè)面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組載荷與波長(zhǎng)無(wú)直線相關(guān)關(guān)系；5次側(cè)面封裝的光纖布拉格光柵三點(diǎn)彎曲壓縮所記錄的載荷及波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量秩相關(guān)分析，P值均大于0.05，可認(rèn)為側(cè)面封裝的光纖布拉格光柵三點(diǎn)彎曲壓縮組載荷與波長(zhǎng)無(wú)直線相關(guān)關(guān)系。
　　3對(duì)10組模型進(jìn)行三點(diǎn)彎曲破壞性實(shí)驗(yàn)時(shí)，每組實(shí)驗(yàn)載荷增加到600-650N時(shí)，光譜分析儀采集到的反射光譜中心

11、波長(zhǎng)數(shù)值開(kāi)始出現(xiàn)漂移。
　　結(jié)論：
　　1光纖布拉格光柵能夠記錄不同載荷下鋼板位移而產(chǎn)生的波長(zhǎng)變化；將光纖光柵封裝到鋼板上對(duì)長(zhǎng)管狀骨骨折鋼板固定后,測(cè)量骨端受到載荷發(fā)生位移而造成鋼板產(chǎn)生形變的位移變化是可行的。
　　2不同光纖布拉格光柵封裝形式及位置對(duì)于光譜分析儀所測(cè)得的波長(zhǎng)變化影響很大。
　　3鋼板正面封裝的光纖布拉格光柵無(wú)論是垂直壓縮還是彎曲測(cè)量的波長(zhǎng)與載荷均呈直線相關(guān)關(guān)系。鋼板側(cè)面封裝的光纖布拉格光柵無(wú)論是

12、垂直壓縮還是彎曲測(cè)量波長(zhǎng)與載荷均無(wú)直線相關(guān)關(guān)系。同組模型鋼板側(cè)面封裝的光纖布拉格光柵無(wú)論是垂直壓縮還是彎曲測(cè)量波長(zhǎng)與載荷均無(wú)直線相關(guān)關(guān)系，鋼板正面封裝的光纖布拉格光柵無(wú)論是垂直壓縮還是彎曲測(cè)量的波長(zhǎng)與載荷均呈直線相關(guān)關(guān)系。
　　4組內(nèi)及組間統(tǒng)計(jì)結(jié)果相同，鋼板鋼性本身對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)影響，且模型具有可重復(fù)性。
　　5當(dāng)生物力學(xué)機(jī)載荷達(dá)到600-650N時(shí)，波長(zhǎng)數(shù)據(jù)開(kāi)始出現(xiàn)漂移，說(shuō)明光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，增加的載荷到達(dá)其極限值。