足部生物力学实验研究进展

人体足底压力测量、步态分析及足数字模型是目前足部生物力学研究的热点,为足部疾病基础研究和康复功能研究提供了有效的支持。现从基础研究、临床应用及足部功能康复角度出发,对上述三种应用技术在足部生物力学研究中的应用作出总结。根据临床常见足部疾病的解剖学特点与生物力学机制,在足部功能康复领域对足部生物力学在临床与市场需求的应用展开论述,并对今后的研究工作提出展望。

单侧椎弓根钉棒固定单节段腰椎及其邻近节段生物力学研究

目的分析单侧椎弓根钉棒固定对单节段腰椎的生物力学稳定性及其对邻近节段活动度的影响。方法新鲜成人尸体腰椎标本6具,测定L4～5不稳固定节段及其上下邻近节段屈伸、左右侧弯、左右旋转6个方向ROM,按4组顺序依次测试:A组(完整组);B组(模拟L4～5不稳组);C组(单侧椎弓根钉棒固定+椎间单枚cage);D组(双侧椎弓根钉棒固定+椎间单枚cage)。结果L4～5节段除左侧弯外,C组与D组相比各运动方向ROM差异无统计学意义(P>0.05);L3～4、L5～S1节段除左、右侧弯外,C组与D组相比各运动方向ROM差异无统计学意义(P>0.05)。结论单侧椎弓根钉棒固定对单节段腰椎在大部分运动方向上具有与双侧固定相似的即刻稳定性,邻近节段侧弯活动度较双侧固定后更少。

新型脊柱外固定器的生物力学有限元分析

目的:运用有限元方法对新型脊柱外固定器的力学性能进行分析,为其临床应用提供生物力学理论依据。方法:通过有限单元法(FEM)的结构分析功能,建立新型脊柱外固定器的计算机模型,并根据外固定器固定在椎体上的重力受压情况模拟加载,仿真分析模型各部分的应力、应变值及分布和压缩刚度。结果:在模拟受压的情况下,外固定器的应力集中在椎弓根钉与纵向固定螺钉、连接器的接触区,其它部分(包括钉椎体结合部位)的应力分布较均匀;外固定器的刚度较弱,单纯外固定架不足以提供椎体支持刚度。结论:外固定器的椎弓根钉与纵向固定螺钉、连接器的结合部容易产生应力疲劳;外固定器应结合其他的能有效地提供支撑刚度的手段才能更好地应用于临床。

镍钛记忆合金腕骨四角融合器的生物力学特性

目的:评价镍钛记忆合金腕骨四角融合器(NiTi shape memory alloy four-corner arthrodesis concentrator,NT-FCAC)的生物力学特性。方法:32侧头状骨、月骨、三角骨、钩骨标本分别采用NT-FCAC和克氏针固定,体外模拟四角融合术,858型双轴液压材料测试系统(858-MTS)测试固定强度;2件NT-FCAC施加20～200N循环拉伸载荷(1Hz),达到6%记录形变时的循环载荷次数;100N下压力和上提力加载NT-FCAC有限元模型,了解应力分布情况;分析试验结果,评价NT-FCAC生物力学特性。结果:NT-FCAC组固定强度大于克氏针组(P<0.05);2件NT-FCAC发生形变达到6%时,施加载荷次数分别为4239和4068次;应力分布集中在NT-FCAC体部与4个固定臂交界处。结论:NT-FCAC固定强度可满足四角融合术后不需外固定、早期功能锻炼的要求;疲劳度可满足四角融合后达到骨性愈合的需要;最易疲劳、断裂部位在NT-FCAC体部与4个固定臂交界处。

改良Elmslie-Trillat术治疗髌骨不稳定的生物力学与临床研究

目的：为改良Elmslie-Trillat术治疗髌骨不稳定提供生物力学依据并探讨临床疗效。方法：实验组新鲜冰冻膝关节完整标本制成髌骨不稳定模型，然后采用改良Elmslie-Trillat术矫正，在MTS试验机上，通过髌骨中心外侧施加相应的载荷，传感器记录髌骨移位距离。临床组关节镜下髌外侧支持带松解及改良Elmslie-Trillat术治疗复发性髌骨脱位20例21膝临床分析。结果：实验组改良Elmslie-Trillat术后标本与膝关节完整标本生物力学差异无统计学意义（P〉0．05）。临床组术后随访平均31个月（14～52个月），未见髌骨脱位复发。Lysholm膝关节功能评分手术前后分别为（62．3±5．1）分和（90．1±．3）分（P〈0．01），CT检查显示股骨髁滑车凹中心与胫骨结节水平距离（TA—GT）从术前（17．80±1．4）mm改善为（10．60±1．6）mm（P〈0．01）。结论：根据生物力学原则，改良Elmslie-Trillat术能有效治疗髌骨不稳定，恢复膝关节功能。

浮肩损伤内固定方式选择的生物力学研究

目的对浮肩损伤临床常用的3种内固定术式进行生物力学评价,为手术选择内固定方式提供生物力学依据。方法 7例包含锁骨及肩胛骨的左侧上肢防腐尸体标本,解剖出肩胛上悬吊复合体(SSSC),人为制造浮肩损伤模型,对4种状态进行试验:正常标本、单纯锁骨固定、锁骨加肩胛颈单钢板固定、锁骨加肩胛颈双钢板固定。利用脊柱三维运动分析系统测定不同状态下肩胛颈的运动范围(ROM),比较不同内固定方式对失稳SSSC的稳定作用。结果生物力学测试表明,单纯锁骨固定的ROM值分别是:前屈(12.60±0.95)°、后伸(8.53±0.60)°、左侧弯(12.47±0.73)°、右侧弯(12.32±0.69)°、左旋(10.17±0.59)°、右旋(11.42±0.62)°,与其他各组相比明显增大(P<0.05);锁骨加肩胛颈双钢板固定的ROM值分别是:前屈(5.50±0.96)°、后伸(2.77±0.67)°、左侧弯(3.61±0.70)°、右侧弯(5.06±0.71)°、左旋(3.28±0.58)°、右旋(3.58±0.92)°,与其他固定组相比明显减小(P<0.05)。结论治疗浮肩损伤的最佳内固定方式为同时固定锁骨及肩胛颈骨折,肩胛颈骨折采取双钢板坚强内固定,以避免肩胛骨畸形愈合而造成肩关节不稳定。

颈椎前路不同方式减压固定对颈椎稳定性影响的生物力学研究

目的:研究颈椎前路多节段病变不同减压、融合固定方式对生物力学稳定性的影响。方法:18具新鲜人尸体颈椎标本,分别行前路椎间盘切除植骨融合(ACDF)、分节段混合减压植骨融合(ACHDF)及椎体次全切除植骨融合(ACCF)术,依次测定正常状态、减压植骨后、钢板固定后、疲劳2000次后的三维活动度,计算稳定潜能指数(SPI),测定疲劳2000次后尾端螺钉和椎体间的活动度。结果:3种方式减压、植骨、钢板固定后,稳定性均明显提高;屈伸疲劳1200次后,ACDF、ACHDF组标准化的螺钉—椎体间活动度曲线无变化,而ACCF组曲线升高;疲劳2000次后,ACDF组三维运动SPIROM及SPINZ无变化,ACHDF组轴向旋转SPINZ降低,而ACCF组三维运动SPIROM及SPINZ均降低,统计学处理差异具有显著性(P<0.05)。结论:颈椎3节段病变3种手术方式均可恢复即刻稳定性,ACDF和ACHDF疲劳后仍保持较好稳定性,而ACCF组耐受疲劳性较差,节段间活动度增大,远端螺钉松动,稳定性降低。

下胫腓联合韧带损伤与体位关系的生物力学研究

目的对下胫腓联合韧带损伤与体位的关系进行生物力学研究,探讨下胫腓联合各韧带在踝关节何种体位上更容易损伤。方法 8只(左、右各4只)新鲜成人小腿,完全暴露下胫腓联合各韧带后自踝关节上方20 cm横断,上端用牙托粉包埋模拟上胫腓关节。足底自跟骨前方横断,保留距下、距舟、跟骰关节,同样用牙托粉平行足底板包埋置于生物材料实验系统上。固定踝关节于中立、背伸(15°)、跖屈(20°)、内翻(15°)、外翻(20°)、内旋(10°)、外旋(5°)7个体位,逐步缓慢轴向加载500N和外旋方向5N.m扭矩后测出各韧带相对于中立位未受力时的长度变化,计算出各韧带的应变。结果下胫腓前韧带在踝关节处于内翻、跖屈位时应变最大和次最大,分别为(0.1294±0.0030)、(0.1150±0.0018);下胫腓骨间韧带也在踝关节处于内翻、跖屈位时应变最大和次最大,分别为(0.1331±0.0030)、(0.1138±0.0053);下胫腓后韧带(包括深层的下胫腓横韧带)亦在踝关节处于内翻、跖屈位时应变最大和次最大,分别为(0.0427±0.0016),(0.0285±0.0015),统计分析具有显著性差异(P<0.05)。结论下胫腓前韧带在内翻位或内翻、跖屈复合体位(即旋后位)时应变最大因此受力最大更易损伤,同理下胫腓骨间韧带、后韧带也均在内翻位或旋后位时更易损伤。

骨骺生长滑动钢板的设计及生物力学研究

目的:通过生物力学试验对骨骺部生长滑动钢板生物力学性能进行评估,检测其避免产生骨骼纵向生长抑制的特殊结构是否影响其力学性能。方法:根据青少年股骨髁部的解剖特点设计出适用于青少年儿童股骨髁部骨折的内固定滑动钢板,并选用7具新鲜人体尸体股骨标本并制作骨折模型,行左右侧对比,左侧行滑动钢板固定,右侧行普通钢板固定,用MTS实验机进行三点弯曲、轴向压缩、扭转试验测试比较两种钢板力学性能。结果:力学试验显示轴向刚度(N/mm):滑动钢板数值为1766.88±106.30,普通钢板数值为1831.74±62.80,P=0.877>0.05;三点弯曲(跨距:8cmN/mm):滑动钢板数值为752.17±31.44,普通钢板数值为793.84±24.52,P=0.838>0.05;抗扭转(Nm/度):滑动钢板数值为3.29±0.26,普通钢板数值为3.62±0.15,t=-0.544,P=0.606>0.05。三项指标滑动钢板和普通钢板之间差异均无显著性。结论:可滑动钢板具有一定的力学强度,能够为骨折愈合提供可靠的固定强度。

肘后正中尺骨鹰嘴矢状面薄片截骨入路的可显露范围及其生物力学评价

目的研究肘后正中心的手术入路,即尺骨鹰嘴矢状面薄片截骨入路的可显露范围以及缝线固定后的效果,探讨其用于肱骨髁间骨折手术的可行性。方法在18具新鲜成人尸体上肢标本上,行肘后正中尺骨鹰嘴矢状面薄片截骨,观察测量此入路对肱骨远端的可显露范围,用PDS-Ⅱ缝线原位间断缝合所截两侧肌骨瓣,以MTS试验机模拟持续被动运动进行屈伸疲劳试验,检测固定效果。结果①所有标本均能完全显露向内至肱骨内髁及髁上的内侧面,向外至肱骨外髁及髁上外侧面,屈曲肘关节至100°以上则可将髁间窝、滑车及肱骨小头的后、下关节面完全显露。②疲劳试验前后横向距离差值、纵向距离差值分别为:(0.025±0.009)mm、(0.030±0.009)mm,均不超过0.05mm(P<0.001)。结论肘后正中尺骨鹰嘴矢状面薄片截骨的新入路显露肱骨髁间满意,缝线固定两侧肌骨瓣后完全能满足术后早期功能锻炼要求,此新的手术入路是治疗肱骨髁间骨折的理想入路。

计算机辅助设计重建下颌骨生物力学研究进展

下颌骨是颌面部骨骼的重要组成部分,不仅支撑面部轮廓与外形,更维系口腔功能,尤其是咀嚼功能。口腔恶性肿瘤、下颌骨良恶性肿瘤术后及下颌骨外伤造成的下颌骨缺损,特别是大型缺损给患者造成容貌及极大的生理功能障碍和心理障碍,严重威胁患者的生存质量和生活质量。所以下颌骨的重建不仅要恢复解剖外形,更为重要的是恢复必要的生理功能。

棘突间融合器联合改良PLIF技术对腰椎早期稳定性影响的生物力学评价

目的探讨棘突间融合器(interspinous fusion device,IFD)在联合改良PLIF技术时的生物力学特点。方法10具小牛(L3-6)腰椎标本,每具均经过4组状态测试:正常组(INTACT组);棘突间融合器+L4/5椎间放置单枚Cage(IFD组);单侧钉棒固定+L4/5椎间放置单枚Cage(UPS组)双侧钉棒固定+L4/5椎间放置单枚Cage(BPS组)。依次测试其屈伸、左/右侧弯、左/右旋转6个方向的腰椎活动范围(ROM)。结果在所有工况下UPS组的稳定性最低(<0.05);IFD组与BPS组之间无统计学差异(>0.05)。结论在一定载荷范围内,棘突间融合器联合改良PLIF技术能够提供与双侧钉棒系统相似的稳定性,因而在一定程度上可能成为双侧钉棒系统的替代固定方式。

新型弧形带终板环颈椎钛网生物力学测试

目的建立山羊颈椎不稳定模型,测试新型弧形带终板环颈椎钛网的生物力学稳定性。方法测量成年山羊颈椎的解剖学数据,选择适合山羊颈椎的新型弧形带终板环颈椎钛网。将保留关节囊、韧带及椎间盘的24只山羊颈椎骨性标本随机分成4组。A组(正常组,n=6)无特殊处理,B组切除C4部分椎体及上下椎间盘(模型组,n=6);在B组基础上,C组安装新型弧形颈椎钛网并予钢板螺钉辅助固定(实验组,n=6),D组安装传统直型钛网并予钢板螺钉辅助固定(对照组,n=6)。测量4组标本在2.0 N·m载荷下前屈、左右侧弯、左右旋转、后伸时活动范围(range of motion,ROM),测试其三维运动稳定性。测量C、D两组在200 N压缩力下的位移,计算其刚度,测试其术后整体标本的抗沉降能力。结果A组各方向ROM均小于B组,A组各方向ROM均大于C组,C组前屈ROM小于D组(P<0.05);C组刚度较D组高(P<0.05);C组压缩位移较D组少(P<0.05)。结论新型弧形钛网较直型钛网更加符合颈椎生理曲度,在颈椎最频繁的前屈活动上稳定性较传统钛网好,且短期应力下压缩位移较直型钛网少,术后抗沉降较直型钛网好,值得进一步实验及临床推广。

两种不同椎弓根螺钉内固定术式对腰椎稳定性影响的生物力学对比研究

目的通过腰椎双侧椎弓根螺钉内固定与单侧椎弓根螺钉结合对侧关节突螺钉固定两种不同内固定生物力学对比,为临床在腰椎内固定手术术式提供支持。方法采用4具新鲜人体标本的L4、5脊柱功能单元,在生物力学试验机上分别测量每具标本手术前、双侧椎弓根螺钉固定后、单侧椎弓根螺钉固定结合对侧关节突螺钉固定后,在前屈、后伸、左右旋转及左右侧弯状态下的活动范围(range of motion,ROM)。结果双侧椎弓根螺钉与单侧椎弓根螺钉结合对侧关节突螺钉两种内固定方式的6个方向的活动范围均小于术前,差异具有统计学意义(P<0.05)。与双侧椎弓根螺钉固定相比,单侧椎弓根螺钉结合对侧关节突螺钉在前屈、后伸、左侧(关节突螺钉侧)弯、右侧(椎弓根螺钉侧)旋状态下的活动范围差异无统计学意义(P>0.05),在右侧弯及左侧旋状态下的活动范围差异具有统计学意义(P<0.05)。结论两种不同内固定方式均可明显增强腰椎功能单元稳定性,其中,单侧椎弓根螺钉结合对侧关节突螺钉固定相比较于双侧椎弓根螺钉固定,在左旋(关节突螺钉侧)及右侧弯(椎弓根螺钉侧)活动状态下略差。

对寰枢椎侧块螺钉钛板固定装置的力学性能评价

目的:分析、评价寰枢椎侧块钉板装置的力学性能,为其临床应用提供生物力学理论依据。方法:通过有限单元法(FEM)的结构分析功能,建立寰枢椎侧块钉板装置的计算机模型,并根据钢板固定在椎体上的重力受压和前屈提拉情况模拟加载,仿真分析模型各部分的应力、应变值及分布。结果:在模拟受压和提拉情况下,钢板的应力集中区位于钢板中部两侧,螺钉的应力集中区则位于置入椎体根部。结论:钢板中部两侧以及螺钉置入椎体根部容易产生应力疲劳,在临床应用时应注意采取预防措施。

颈椎单开门OsteoMed M3钉板内固定椎管扩大成形术的疲劳实验

目的评价在颈椎单开门椎管扩大成形术中使用OsteoMedM3钉板内固定重建颈椎稳定性的效果。方法在6具颈椎标本上,分别行后路单开门丝线结扎及OsteoMed M3钉板内固定,在脊柱三维运动试验机上行颈椎前屈后伸疲劳运动试验,观察有无丝线断裂或平板螺钉脱出、断裂现象,如有则停止试验并记录发生时的周期。结果丝线结扎组的试验显示所有标本均出现部分缝合的关节囊韧带撕裂、门轴侧易活动,甚至关节囊撕裂、丝线脱落及再关门;而在OsteoMed M3钉板内固定组不损伤关节囊,试验显示未出现钢板螺钉松动、断裂,未出现再关门现象。结论在颈椎单开门椎管扩大成形术中应用OsteoMed M3钉板内固定具有良好的生物力学性能,能重建颈椎稳定性,可满足颈椎后路手术的要求。

纽扣钢板弹性固定法重建桡尺远侧关节的生物力学实验

目的:通过在尸体上模拟纽扣钢板悬吊固定治疗桡尺远侧关节脱位,观察使用钢板重建后关节的稳定性及抗疲劳性,探讨纽扣钢板重建桡尺远侧关节术式的可行性。方法:随机选取8具健康成年人完整的前臂标本,包括6个新鲜冰冻标本和2个防腐标本(用于预实验),选择合适的弹性固定材料,标本制备完成后进行生物性能动态分析,同组前后比较用配对t检验。结果:实验全过程无内固定断裂、骨折等发生,在同一状态下(旋前45°和旋后45°),发现各标本在疲劳实验前后各个节点所需扭矩的动态变化差异无统计学意义(P>0.05)。结论:使用纽扣骑跨钢板固定治疗桡尺远侧关节脱位,其生物力学性能可达到桡尺远侧关节暂时稳定性重建术式要求,为新术式进一步临床研究提供了生物力学实验数据支持。

中国数字人数据集三维重建的方法学研究

目的:探索适合于中国数字人数据集特点的图像配准,彩色图像分割以及三维重建方法。方法:首先基于中国数字人连续断层图像的4个定位杆坐标值,对断层图像进行射影变换,消除其射影失真。纠正失真后再将断层图像根据第一个定位杆的质心坐标值裁剪成大小一致的断层图像。其次使用photoshop中knockout滤镜,完成断层图像的分割。最后使用mimics软件完成三维重建。结果:建立了中国数字人女1号髋部骨骼肌精确的三维模型。结论:髋部骨骼肌模型的三维交互可视化可以准确反映该区域复杂的解剖结构及其空间毗邻关系,同时为数字人三维可视化提供了一种精确快速的方法。

足弓第2与第5跖列的肌骨系统有限元模型及其临床意义

目的:建立足部内侧纵弓第2跖列与外侧纵弓第5跖列的肌骨系统有限元模型,为研究跖骨应力性骨折与相关足痛症提供生物力学工具。方法:采用中国虚拟人“女性1号”CT图像和MRI图像;应用非线性有限元方法进行生物力学分析。结果:构建了包含皮质骨、松质骨、软骨、韧带、足底腱膜、肌腱、固有肌、脂肪垫、骨髓腔与骨髓窦等10种组织的第2、第5跖列的有限元模型。足弓直立时,最大vonMises应力/应变位于第2、第5跖骨骨干与基底。各种足底软组织中,足底腱膜承担着最大张拉应力,其次为足底长韧带,足底固有肌张拉应力最小。结论:有限元预测的应力应变为研究跖骨应力性骨折,足底腱膜炎引起的慢性跟骨痛,以及足弓塌陷的发生机制提供了生物力学依据。

股四头肌肌力与髌股关节稳定性关系的研究

目的:了解组成股四头肌的4块肌在维持髌骨稳定性中的作用,为临床治疗髌股关节不稳提供理论依据。方法:对6例新鲜膝关节标本,在不同屈曲度下,分4种工况进行加载分别模拟组成股四头肌的4块肌在生理及不同病理状态下的肌力。对髌骨施加外侧方移位载荷,记录使髌骨向外移位1cm的载荷。结果:生理状态下,在膝关节屈曲过程中,20°时使髌骨向外侧半脱位的载荷最小(61±13N),约为屈曲90°时的1/3;在松解股内侧肌后,屈膝10°—30°半脱位载荷明显减小(P<0.05),进一步松解股外侧肌导致整个屈膝过程中半脱位载荷均明显减小(P<0.05)。结论:整个股四头肌在髌骨外侧半脱位的预防、治疗及康复过程中具有重要作用,手术治疗不宜破坏股外侧肌,康复尤其应重视股内侧肌肌力的恢复。