應(yīng)力與微動刺激對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重要因素，這一點已被廣泛地接受，但對于力學(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。動物實驗和臨床研究證明在骨折愈合早期，骨折斷端適當?shù)奈幽軌虼龠M骨痂的形成和鈣化，加速骨折愈合，但對于微動促進骨折愈合的確切機理及其具體實施方案還缺乏統(tǒng)一認識。本文是從生物力學(xué)的角度研究應(yīng)力與微動刺激對骨折愈合的影響，本文各章的主要內(nèi)容如下。 第一章首先對骨折局部的力學(xué)環(huán)境和微動對骨折愈合影響方

2、面的文獻進行了綜述，然后提出了本文的研究內(nèi)容，并論述了機械工程學(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則。 第三章根據(jù)醫(yī)學(xué)理論和動物實驗數(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)模型表明愈合骨強度是對應(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)力刺激對愈合骨強度的影響主要表現(xiàn)在骨折愈合中后期，說明此時需要功能鍛煉，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驗或臨床數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，以提高其預(yù)測的準確性。 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負重和被動加載時

4、骨折局部的力學(xué)環(huán)境。兩種微動方式的生物力學(xué)比較結(jié)果表明，在骨折愈合早期適宜被動加載，此時影響骨折愈合的力學(xué)因素是骨折斷端的位移。骨折斷端相對往復(fù)微動形成的牽拉作用，使鄰近的骨痂內(nèi)部產(chǎn)生周期性的拉伸和壓縮應(yīng)變。我們認為這種周期性變化的應(yīng)變刺激是微動促進骨折愈合的原因之一。骨折愈合中后期應(yīng)主動負重，此時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)力刺激能夠促進骨痂的塑形改建，加速骨折愈合。 由于控制性微動目前還

5、處于研究階段，醫(yī)療器械市場上還沒有此類驅(qū)使骨折斷端微動的機械裝置。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)使骨折斷端相對往復(fù)微動，并控制微動的頻率和幅度。本文第五章介紹了可調(diào)控微動外固定裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對該裝置進行了動力學(xué)分析。 在第六章，我們采用自行研制的可調(diào)控微動外固定裝置進行動物對比實驗。對羊雙側(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，對一側(cè)脛骨施加微動刺激，微動頻率為1Hz，幅度為0.25mm。另一側(cè)不施加微動刺激，作為對照。在術(shù)后3、4、6和9周分批處死實驗動物，檢查骨折愈合情況。動物實驗結(jié)果顯示，微動組早期骨痂的量明顯多于對照組，愈合骨強度也高于對照組。組織學(xué)分析表明早期控制性微動能夠促進組織分化，向成骨方向轉(zhuǎn)變，加速骨折愈合進程。 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，并提出了對進一步研究工作的建議。