應(yīng)力與微動(dòng)刺激對(duì)骨折愈合影響的生物力學(xué)研究與仿真.pdf

1、骨折局部的力學(xué)環(huán)境是影響骨折愈合的一個(gè)重要因素，這一點(diǎn)已被廣泛地接受，但對(duì)于力學(xué)環(huán)境與骨折愈合結(jié)果之間的聯(lián)系方式仍然存在很多不同的觀點(diǎn)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床研究證明在骨折愈合早期，骨折斷端適當(dāng)?shù)奈?dòng)能夠促進(jìn)骨痂的形成和鈣化，加速骨折愈合，但對(duì)于微動(dòng)促進(jìn)骨折愈合的確切機(jī)理及其具體實(shí)施方案還缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。本文是從生物力學(xué)的角度研究應(yīng)力與微動(dòng)刺激對(duì)骨折愈合的影響，本文各章的主要內(nèi)容如下。 第一章首先對(duì)骨折局部的力學(xué)環(huán)境和微動(dòng)對(duì)骨折愈合影響方

2、面的文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述，然后提出了本文的研究內(nèi)容，并論述了機(jī)械工程學(xué)理論和方法在骨力學(xué)研究中的應(yīng)用。 第二章介紹了骨力學(xué)與骨折治療方面的基本理論，包括骨力學(xué)及其與骨傷科疾病的關(guān)系，骨的結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性，骨折的治療和愈合過程。本文的研究涉及長骨骨折外固定，因此還介紹了骨外固定器和骨折治療的彈性固定準(zhǔn)則。 第三章根據(jù)醫(yī)學(xué)理論和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了描述骨折愈合過程中，應(yīng)力刺激與愈合骨強(qiáng)度之間關(guān)系的模型，即一階系統(tǒng)模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

3、。一階系統(tǒng)模型表明愈合骨強(qiáng)度是對(duì)應(yīng)力適應(yīng)性的生物學(xué)反饋的結(jié)果，受局部應(yīng)力水平的調(diào)節(jié)。應(yīng)力刺激對(duì)愈合骨強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在骨折愈合中后期，說明此時(shí)需要功能鍛煉，使愈合骨承受的應(yīng)力刺激逐漸增加。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)影響因素與骨折愈合結(jié)果之間的關(guān)系建模和仿真，但本文提出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型還需要更多的實(shí)驗(yàn)或臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，以提高其預(yù)測的準(zhǔn)確性。 第四章建立了脛骨中段橫形骨折外固定系統(tǒng)的三維模型，然后采用有限元法分析了主動(dòng)負(fù)重和被動(dòng)加載時(shí)

4、骨折局部的力學(xué)環(huán)境。兩種微動(dòng)方式的生物力學(xué)比較結(jié)果表明，在骨折愈合早期適宜被動(dòng)加載，此時(shí)影響骨折愈合的力學(xué)因素是骨折斷端的位移。骨折斷端相對(duì)往復(fù)微動(dòng)形成的牽拉作用，使鄰近的骨痂內(nèi)部產(chǎn)生周期性的拉伸和壓縮應(yīng)變。我們認(rèn)為這種周期性變化的應(yīng)變刺激是微動(dòng)促進(jìn)骨折愈合的原因之一。骨折愈合中后期應(yīng)主動(dòng)負(fù)重，此時(shí)影響骨折愈合的力學(xué)因素是骨折部位的應(yīng)力。根據(jù)骨的功能適應(yīng)性原理，應(yīng)力刺激能夠促進(jìn)骨痂的塑形改建，加速骨折愈合。 由于控制性微動(dòng)目前還

5、處于研究階段，醫(yī)療器械市場上還沒有此類驅(qū)使骨折斷端微動(dòng)的機(jī)械裝置。在前面力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，我們研制了可調(diào)控微動(dòng)外固定裝置。該裝置與臨床上常用的單側(cè)外固定架配合使用，通過外固定架和鋼釘驅(qū)使骨折斷端相對(duì)往復(fù)微動(dòng)，并控制微動(dòng)的頻率和幅度。本文第五章介紹了可調(diào)控微動(dòng)外固定裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)該裝置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。 在第六章，我們采用自行研制的可調(diào)控微動(dòng)外固定裝置進(jìn)行動(dòng)物對(duì)比實(shí)驗(yàn)。對(duì)羊雙側(cè)脛骨中段截骨，截骨間隙2mm，以單側(cè)外固定

6、架固定。在術(shù)后10～28天，對(duì)一側(cè)脛骨施加微動(dòng)刺激，微動(dòng)頻率為1Hz，幅度為0.25mm。另一側(cè)不施加微動(dòng)刺激，作為對(duì)照。在術(shù)后3、4、6和9周分批處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，檢查骨折愈合情況。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，微動(dòng)組早期骨痂的量明顯多于對(duì)照組，愈合骨強(qiáng)度也高于對(duì)照組。組織學(xué)分析表明早期控制性微動(dòng)能夠促進(jìn)組織分化，向成骨方向轉(zhuǎn)變，加速骨折愈合進(jìn)程。 第七章為結(jié)束語，總結(jié)了本文的主要內(nèi)容、結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)，并提出了對(duì)進(jìn)一步研究工作的建議。