人骨拉伸和压缩力学的性能测试

背景:人体骨组织材料力学性能参数是进行骨骼内部应力计算分析、断裂损伤分析、应力骨改建研究等的基础数据,也是深入开展人体骨骼生物力学行为特性研究的必要已知条件之一,但目前国际上还没有统一的骨组织力学性能测试的试验标准。目的:探讨骨组织拉压力学性能测试的试样制备、试样约束和夹持、试验数据处理和试验误差等问题的研究进展。方法:在骨组织拉伸压缩试验无具体标准可循的环境下,对已验证的试验方法和途径进行介绍。总结并强调了骨组织拉压试验中的各项误差及其减少;以减少系统误差为目的,介绍了规范的骨组织宏观拉压测试方法。结果与结论:通过拉伸压缩试验可获得骨组织的弹性模量、泊松比、拉伸强度和压缩强度等重要力学性能参数,测试关键环节涉及标准试样设计和加工、试件夹持、试验数据处理和力学参数的计算,各环节均需参照最新研究以减少试验误差。

冲击条件下骨盆动脉损伤有限元模型的建立及验证

目的构建并验证含动脉的骨盆-股骨-软组织复合体的三维有限元模型,研究骨盆动脉在侧向冲击条件下的力学响应。方法基于1名女性志愿者的骨盆CT图像,建立骨盆及其动脉的三维有限元模型,包括骨、动脉、周围软组织以及骶髂关节、髋关节和耻骨联合等骨盆关节软骨和韧带。采用线弹性实体单元模拟骨骼,采用非线性的弹性连接单元模拟韧带,软组织包括软骨、包裹软组织和动脉等采用超弹性材料和实体单元仿真。以22.1 kg的冲击质量,3.13和5m/s的冲击速度对坐位下的复合体进行侧面碰撞,记录模型的输出。结果计算结果与文献报道的实验结果一致。3.31和5 m/s冲击速度下动脉的最大等效应力分别为98和216 kPa,最大拉伸应变为14.9%和20%,但不至于导致动脉断裂。结论所建立的骨盆-股骨-软组织复合模型可用于冲击载荷下骨盆动脉的动态响应和损伤分析,为预测动脉损伤程度提供生物力学依据。

侧向冲击载荷作用下髋护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响

目的利用三维有限元法研究髋部护具对人体股骨-骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下生物力学响应的影响。方法基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织,并在此基础上建立髋部护具和股骨-骨盆-软组织复合体系统的三维有限元模型;同时,在两个模型中构建刚体平面仿真地面。约束地面刚体,对两个模型均施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms。通过三维有限元分析计算获得两模型受侧向冲击载荷过程中应力、应变变化特性,对比分析髋部护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响。结果髋部护具使股骨-骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下的应力峰值出现时间提前4 ms以上,且应力应变水平出现大幅度降低;皮质骨上的应力峰值降低67.88%以上,松质骨上的峰值应力下降69.34%以上,松质骨上的压缩主应变峰值降低可达63%。结论在侧向冲击载荷作用下,髋部护具对股骨-骨盆复合体具有良好的保护作用,能够有效预防骨折的发生或降低骨折风险。

活动平台全膝关节假体和单髁膝关节假体置换术后的步态对比分析

目的比较活动平台全膝关节假体和单髁膝关节假体置换术后,患者膝关节在平地行走中的运动学及动力学特点。方法选择上海交通大学医学院附属瑞金医院骨科自2011年7月至2014年10月间进行的活动平台全膝关节置换术(29例)和单髁膝关节假体置换术(22例)的患者,并选择18例健康志愿者作为健康对照组。采用10镜头红外运动捕捉系统记录体表53枚反光标记物的运动轨迹,并采用测力板记录地面反作用力。通过这些运动轨迹和地面反作用力我们计算膝关节在平地行走中的三维运动(移动和转动)和关节受到的力和力矩。然后应用SPSS 19.0软件的单因素ANOVA对这些运动学和动力学参数进行比较。结果单髁置换术后股骨前移程度优于活动平台置换(F=6.5,P<0.05)。采用活动平台置换股骨内旋程度小于单髁置换(F=5,P<0.05)。采用单髁置换后,站立相膝关节伸直时的伸直扭矩(F=28.6,P<0.01)及站立中期的外翻扭矩(F=6,P<0.05)均显著大于正常人群,但活动平台减少扭矩的优势仅在站立初期阶段明显(F=9,P<0.05)。结论单髁置换后膝关节在正常平地行走中更接近正常的运动学和动力学表现,结合其较明显的临床优势,可推荐用于治疗单间室膝骨关节炎患者。

冲击暴力下骨盆血管损伤的研究进展

尽管过去十年骨盆骨折的救治水平已有明显提高，骨盆骨折的死亡率从8％下降至5％，但是伴有骨盆后环损伤的复杂骨盆骨折的死亡率仍然没有降低，失血性休克是其主要致死因素。我们的前期临床研究发现：骨折的严重程度与血管损伤程度并不完全吻合。解剖学研究发现，骨盆血管损伤不仅与骨盆的损伤严重程度相关，而且与骨折位置、位移及损伤机制相关。充分了解骨盆血管的损伤过程，明确血管的损伤机制，有助于临床抢救过程中及时判断血管损伤，从而提高血管损伤的救治成功率。