骨科生物力學參數(shù)測試理論及方法研究進展

郭占社，房遠勇，梁向黨，孫賡

1 北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京，100191 2 解放軍總醫(yī)院骨科，北京，100853 3 北京軍區(qū)醫(yī)院骨科，保定，071000

骨科生物力學參數(shù)測試理論及方法研究進展

【作 者】郭占社1，房遠勇1，梁向黨2，孫賡3

1 北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京，100191 2 解放軍總醫(yī)院骨科，北京，100853 3 北京軍區(qū)醫(yī)院骨科，保定，071000

介紹了骨生物力學參數(shù)測試理論近年來的發(fā)展，同時對骨生物力學參數(shù)測試方法以及相應測試設備的測試原理、優(yōu)缺點及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了詳細介紹。最后，展望了其未來的研究方向。

骨科生物力學；生物醫(yī)學；測試方法；測試設備

0 前言

生物力學（biomechanics）是應用力學原理和方法對生物體中的力學問題定量研究的生物物理學分支。而骨科生物力學（orthopaedic biomechanics）是以骨骼為對象,研究骨的機械運動規(guī)律的科學。它通過對骨和骨骼系統(tǒng)力學性質(zhì)的剖析和研究，不斷揭示骨骼生長、發(fā)育、畸變、衰退等一系列進程中與力作用之間的相互關(guān)系，為預防骨損傷、診斷和治療骨科疾患、進行骨矯形、骨移植及骨的功能康復提供理論依據(jù)。1638年，伽利略發(fā)現(xiàn)了施加載荷與骨形態(tài)之間的關(guān)系，這是有記錄的對骨科生物力學進行研究的最早報道。1867年，瑞士教授Herman Von Meyer指出，骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)一樣，與其承受的載荷大小與方向有直接關(guān)系。該理論促進了骨科生物力學的進一步發(fā)展。1884年，德國醫(yī)學博士Julius Wolff發(fā)表了著名的《骨轉(zhuǎn)化的定律》[1]，該著作至今仍是骨科生物力學重要的基礎(chǔ)理論之一，大大推動了該領(lǐng)域研究的進展。近年來，科學技術(shù)的發(fā)展，骨科生物力學已發(fā)展成一門門類齊全、多學科交叉的新興研究領(lǐng)域。骨科生物力學其研究涉及基礎(chǔ)力學理論研究、臨床實驗研究、參數(shù)測試理論研究等，并出現(xiàn)了多種用于骨力學參數(shù)測試的設備。

本文以骨科生物力學參數(shù)研究為對象，對其理論研究、測試方法以及測試設備研究的進展進行了論述。

1 骨生物力學理論研究現(xiàn)狀

在骨科生物力學理論研究方面，Julius Wolff早在1884年就提出了一個重要的假說（通常稱為沃爾夫定律[1]）：骨在需要的地方就生長，不需要的地方就吸收，即骨的生長、吸收、重建都與骨的受力狀態(tài)有關(guān)。這個重要的思想指出了力學與生命的聯(lián)系，因此在沃爾夫之后，人們一直為這一論斷尋求理論的和實驗驗證，并取得了較大進展。同時，上世紀七十年代發(fā)展起來的均勻化理論是一套嚴格的數(shù)學理論，一直是應用數(shù)學領(lǐng)域的研究課題之一。將其用于多元分析力學，建立材料的宏觀本構(gòu)和其微結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并預測組織的生長和改變，被認為是一條有效的研究途徑。它從構(gòu)成材料的微結(jié)構(gòu)的“胞元”(base cell)入手，假定胞元具有空間可重復性，同時引入宏觀尺度和微觀尺度，利用漸進分析的方法，從而可以詳盡地考慮微結(jié)構(gòu)對材料的影響。Crolet(1990，1993)[2-3]將均勻化理論用于密質(zhì)骨的分析中。Hollister[4]et al分析了松質(zhì)骨的幾種胞元模式。Ko和Kohn[5]等分別將均勻化理論用于分析螺紋型移植片、骨界面和孔狀涂層的移植片和骨界面的力學性質(zhì)，從而向我們展示了均勻化理論在生物力學的廣闊應用前景。

在生理機制理論研究上，F(xiàn)rost和Jee[5-8]等提出骨組織中可能存在著引起骨量重新分配而適應力學環(huán)境的機制，稱為“Mechanosat”(力學調(diào)控系統(tǒng))。力學載荷作用于骨組織，骨內(nèi)感應系統(tǒng)把監(jiān)測到的力學刺激轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W信號，由生物力學反饋系統(tǒng)作用于骨組織，通過骨構(gòu)建和骨霞建來調(diào)節(jié)骨量，使骨量的分布能更有效地承受外力作用。

在數(shù)值理論與算法的研究上，Mullender等[9]在適應性骨再造模擬模型的基礎(chǔ)上，將骨再造用數(shù)學方法描述為自組織生物控制過程。Carcia等[10-12]提出了一個在力學上比較接近實際的各向異性損傷修復骨再造模型。

骨科生物力學理論研究中的另一分支為在進行細胞、基因?qū)哟蔚牧W研究，表現(xiàn)為研究力學刺激對細胞的功能及活性的影響，希望通過一系列研究，除了能對細胞特性了解更加透徹外，亦能理清細胞在受力后的調(diào)控機制。寄望能將此種研究結(jié)果應用于臨床醫(yī)療上，實現(xiàn)骨骼生成與吸收作用間的調(diào)控，加速骨折的愈合或改善骨質(zhì)疏松癥等常見的骨科臨床疾病。Ko等[13]于2000年證實細胞骨架在力量傳遞過程中扮演著非常重要的角色，能將力量籍細胞骨架迅速傳導至細胞內(nèi)的各個部位。Kaspar 等[14]致力于研究力學刺激對于體干細胞分化的影響，并于2002年發(fā)現(xiàn)力學刺激可促進體干細胞分化成為骨母細胞并促進骨母細胞的增殖。此外，力學刺激亦能影響骨母細胞及骨細胞的活性，若增加力學刺激，則可促進骨母細胞對于生長因子、骨形態(tài)發(fā)生蛋白與骨骼生成相關(guān)蛋白質(zhì)分泌量增加。該研究對當時的相關(guān)研究提供了重要的實驗數(shù)據(jù)。由于細胞骨架亦有細胞核，近年來有學者針對細胞骨架在受力后對于基因調(diào)控的影響進行研究。

2 骨科生物力學測試方法及測試裝置研究進展

在骨科生物力學理論研究進展的同時，隨著力學、機械學、電子計算機等技術(shù)的發(fā)展，骨科生物力學中骨參數(shù)的測量也越來越精確。這類測試設備的發(fā)展，為相關(guān)理論研究提供了重要的實驗數(shù)據(jù)。目前，國內(nèi)外典型的對骨科生物力學參數(shù)測試的設備主要可分為電子萬能材料試驗機、電阻應變測試系統(tǒng)和光學測試系統(tǒng)等。

2.1萬能材料試驗機

圖1 萬能材料試驗機Fig.1 Universal Material testing machine

典型的萬能材料試驗機如圖1所示，該類試驗機是當今骨性能測試的主要設備之一。它以伺服電機作為動力源，絲杠、絲母作為執(zhí)行元件，實現(xiàn)試驗機移動橫梁的速度控制。它操作簡單，對實驗員要求不高，試驗行程可任意定制。該設備可依據(jù)測試需要增配不同噸位的傳感器、夾具和附件，實現(xiàn)一機多用，完成拉、壓、彎、剪、剝離、撕裂、扭轉(zhuǎn)等的功能，實現(xiàn)多種參數(shù)測試。

2009年，蘆淼等利用該設備進行了滑動椎弓根釘系統(tǒng)穩(wěn)定性體外生物力學測試[15]。他們比較了滑動椎弓根釘系統(tǒng)與通用椎弓根釘系統(tǒng)對脊柱側(cè)凸固定強度、剛度和穩(wěn)定性等方面的作用效果，改進現(xiàn)有通用椎弓根釘系統(tǒng)，為臨床醫(yī)學提供了重要依據(jù)。同年，胡輝瑩、何忠杰[16]等用萬能試驗機做了人體胸廓胸外按壓的力學測試，定性地得出了載荷與胸廓向下位移之間的關(guān)系，以及相同力作用下胸骨與肋間連線作用點力的大小關(guān)系。這些結(jié)論都從生物力學的角度支持了傳統(tǒng)心肺復蘇胸外按壓機制中的“心泵理論”和”胸泵理論”觀點。成永忠[17]等于2009年利用該設備開展了外固定器背伸位固定治療三踝骨折內(nèi)踝的頂針的力學性能的測試，探討了外固定器背伸位固定治療三踝骨折時使內(nèi)踝骨折穩(wěn)定的最佳踝關(guān)節(jié)固定位置。通過實驗確定了外固定器背伸位固定治療三踝骨折時，使內(nèi)踝骨折穩(wěn)定的最佳踝關(guān)節(jié)固定位置是背伸中立位。

萬能試驗機作為通用的材料實驗裝置，能夠完成常規(guī)的拉、壓、彎、剪、剝離、撕裂、摩擦系數(shù)測量和扭轉(zhuǎn)等功能，也存在較為突出的弊端。如夾具對被測骨骼的夾持效果不好，常造成被測骨骼的滑動或者骨骼試件的破壞，難以測量骨骼的疲勞的性能參數(shù)等。但作為最容易獲得的力學實驗裝置，萬能試驗機在骨力學實驗中應用較為廣泛。

2.2電阻應變測試系統(tǒng)

圖2 電阻應變測試系統(tǒng)Fig.2 Resistance Strain Measurement System

典型的電阻應變測試系統(tǒng)如圖2所示。該設備對骨力學參數(shù)測試主要是基于電阻-應變效應實現(xiàn)的。電阻-應變效應是指金屬導體的電阻在導體受力產(chǎn)生變形（伸長或縮短）時的變化。電阻應變計與彈性敏感元件、補償電阻一起可構(gòu)成多種用途的電阻應變式傳感器。實現(xiàn)對骨力學參數(shù)的測量，其最核心敏感元件為電阻應變計。相對于其它測量方法，該方法具有頻率響應好、測量數(shù)值范圍廣、易于實現(xiàn)測量的數(shù)字化、自動化和無線電遙測等優(yōu)點。 Maliniak 等[18]對應變片的粘貼技術(shù)進行了研究，實現(xiàn)了體內(nèi)對骨的應變進行長時間的測試。他們用羥基磷灰石(HA) 包被并用聚砜進行粘貼電阻應變片，固定于狗的股骨上并連接導線，12 周后發(fā)現(xiàn)所有的應變片都完好。張建新[19]等采用電阻應變測量法探討肱骨外髁翻轉(zhuǎn)骨折的發(fā)生機制和合理的固定方法，提出肱骨外髁骨折的好發(fā)部位是肘關(guān)節(jié)半屈曲位，骨折后最佳的固定位是屈肘90o前臂旋后衛(wèi)。許碩貴[20-21]等利用電阻應變計首次對記憶合金內(nèi)固定器—聚髕器的動態(tài)記憶生物力學進行了測試，得到聚髕器的縱向動態(tài)加壓記憶生物力學力值，并進一步對鎳鈦合金天鵝記憶接骨器(SMC) 進行測試，通過貼片、標定得到SMC 的載荷—應變曲線，并通過固定新鮮人體肱骨，計算SMC的動態(tài)記憶的骨力值。王成等[22]以人離體脛骨中部短斜型骨折的新型動力型Hoffmann外固定器、改良型Hoffmann外固定器、多功能外固定器為實驗模型，用電阻應變計法觀測三種外固定器固定的強度、剛度、穩(wěn)定性及應力遮擋率變化。譚遠超等[23]采用單釘-溝槽柱翼鋼板加WDFC(Wendeng fusion cage)分剮制成單節(jié)段和跨節(jié)段固定試件，通過用電阻應變計測量證明單釘-溝槽柱翼鋼板加WDFC治療腰椎滑脫復位固定有著良好的穩(wěn)定性。同時，通過彎扭實驗也證明單節(jié)段固定抗扭轉(zhuǎn)性比跨節(jié)段固定有更好的穩(wěn)定性。

雖然在利用該設備研究方面取得了較多的研究成果，但該設備測量精度受溫度影響較大，測試精度相對較低。因此，需要設計相應的溫度補償電路，以提高系統(tǒng)測試精度。

2.3光學測試系統(tǒng)

圖3 骨生物力學參數(shù)光學測試系統(tǒng)Fig.3 Optical measurement system of the biomechanical parameters

典型的對骨科生物力學參數(shù)光學測試系統(tǒng)如圖3所示。該設備對骨生物力學參數(shù)測試主要是通過光學的反射、衍射等實現(xiàn)的，目前用于測量骨應力的光學方法主要有曲率法、拉曼光譜法、中子衍射法 、壓痕法和X 射線衍射法等。其中X 射線衍射技術(shù)是應力測量研究分析中比較理想的測量手段，而其它方法則由于各自可操作性上的缺點受到一定的限制。在利用該方法進行骨生物力學研究方面，Yamamoto 等[24]首次利用光彈性技術(shù)對大變形的生物體組織前交叉韌帶(ACL) 進行分析，研究了其應力方向、分布，取得了較大的成功。2000年，Antonescu[25]等通過光測力學技術(shù)，證實了骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生后關(guān)節(jié)不正常的應力分布的情況，依據(jù)該結(jié)論，指出了脛骨上端截骨術(shù)是對骨關(guān)節(jié)炎進行病因治療的方法，并對152例病人的療效進行觀察，發(fā)現(xiàn)效果良好。同年，Plath 等[26]利用光測力學技術(shù)，并結(jié)合有限元分析，對Depuy 公司無水泥假體出現(xiàn)失敗率較高的原因進行了分析。取得了較好的實驗結(jié)果。許碩貴等[20-21]利用三維光彈性技術(shù)，對聚髕器固定髕骨骨折的應力場進行了研究。這項結(jié)果表明，聚髕器固定后髕骨有全場應力分布，髕下及髕尖部有持續(xù)記憶應力存在，而且較其它內(nèi)固定器械相比，髕骨關(guān)節(jié)面部有持續(xù)記憶應力存在，從而佐證了臨床上聚髕器對全髕粉碎骨折、髕骨下極粉碎骨折治療的優(yōu)越性。該結(jié)果對骨臨床醫(yī)學研究具有非常重要的理論指導意義。

2.4結(jié)合三維重構(gòu)的有限元方法

有限元法是最近發(fā)展起來的，繼機械法、電測法和光彈法等傳統(tǒng)的實驗生物力學測試技術(shù)之后的一種新的生物力學測試方法，屬于計算生物力學測試技術(shù)的范疇。隨著相關(guān)技術(shù)尤其是計算機技術(shù)的不斷發(fā)展、更新，有限元技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，其計算精度和建模速度等也得到了很大的提高，已成為該研究必不可少的工具之一。將標本的三維重建、實時檢測、三維有限元技術(shù)及定量生物力學等技術(shù)結(jié)合起來，建立起一種既能動態(tài)實時顯示標本的運動情況又能進行精確的三維有限元分析的實驗系統(tǒng)，已成為骨生物力學研究最新的研究方法之一。該研究為骨科提供了一種新的研究方法，使研究者在不使用新鮮人體標本的情況下即可進行骨折、脫位機理的研究，減少了實驗者的痛苦。利用該技術(shù)，可以進行各種材料如椎弓根釘、鋼板或人工椎間盤對機體影響的研究；可以進行術(shù)前手術(shù)方案的設計；可對截骨后的脊柱進行生物力學評價，以提高手術(shù)安全性及減少手術(shù)的并發(fā)癥；可以對骨科手術(shù)進行愈后分析，在術(shù)后進行植入物植入人體后生物力學特性及疲勞性的分析，并可按不同的分析結(jié)果進行不同的處理，減少如斷釘、鏍釘松動等并發(fā)癥的發(fā)生，使手術(shù)更為有效。

在相關(guān)研究成果方面，1995年，朱青安等[27]采用計算機視覺原理，在Windows下進行軟件編程，完成脊椎三維運動分析系統(tǒng)SPINE2000的研制。該系統(tǒng)可應用于脊柱及其他人體關(guān)節(jié)的三維運動分析，并精確評價脊柱三維運動。相關(guān)研究為脊柱椎弓根器械固定手術(shù)可視化研究的展開提供了理論基礎(chǔ)。Gignac[28]等于2000年利用有限元方法研究更為有效的三維支具的報道引起了廣泛的關(guān)注。他們利用多重影像學技術(shù)將肋骨、胸骨、骨盆引入有限元模型，分析對于脊柱側(cè)凸施加三維矯形力的最佳方式，取得了較大的研究成果。2005年，Duke[29]等建立了側(cè)凸脊柱、胸廓和骨盆的三維有限元模型，模擬不同的體位以及麻醉狀態(tài)下脊柱的生物力學特性。該模型使用軟組織松弛來體現(xiàn)麻醉效果，模擬的脊柱形態(tài)取得了較好的研究結(jié)果。2006年，Rohlmann等[30]建立了脊柱側(cè)凸的三維非線性有限元模型，模擬了7個手術(shù)矯形方案，分析植入物的力學性質(zhì)，提出降低頭側(cè)螺釘拔出風險的手術(shù)策略。分析認為對頭端運動節(jié)段過度矯正，使最頭端的螺釘拔出力量加大，增加了螺釘拔出的風險。

3 發(fā)展與展望

隨著相關(guān)研究的進展，骨科生物力學研究已成為一個新的多學科交叉的研究科學，其研究涉及力學、材料學、臨床醫(yī)學、化學等多個領(lǐng)域，已經(jīng)從單一的理論研究發(fā)展到有限元仿真技術(shù)以及相關(guān)先進的測試設備相結(jié)合的多學科綜合考慮研究。同時，隨著骨生物力學理論的發(fā)展，國內(nèi)外骨生物力學的測試已經(jīng)由傳統(tǒng)的應力應變測試向著動態(tài)測試的方向發(fā)展。研究的重點轉(zhuǎn)變成為研究骨骼疲勞理論以及骨骼受到多種復合力作用下的骨力學性能。另一方面，三維重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，基于三維重構(gòu)的有限元仿真技術(shù)在骨骼生物力學研究中扮演這越來越重要的角色。相關(guān)工程技術(shù)例如計算機技術(shù)的發(fā)展，必將對骨生物力學的發(fā)展提供重要的推動作用。

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Development on measuring method for the parameters of orthopaedic biomechanics

【W(wǎng)riters】Guo Zhanshe1, Fang Yuanyong1, Liang Xangdang2, Sun Geng3
1 School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Beihang University, Beijing 100191 2 Orthopaedic Department, General Hospital of PLA , Beijing, 100853 3 Orthopaedic Department of 252 hospital of PLA , Baoding , 071000

Orthopaedic biomechanics, Biomedicine, Measuring method, Measuring device

】This paper introduces the development on the research of measuring theory for orthopaedic biomechanics in detail. Then, the measuring method and corresponding measuring device are also mentioned. Advantages, disadvantages and development for the device are also introduced. Finally, the research prospect for it is introduced.

1671-7104(2010)05-0350-05

2010-06-10

房遠勇，E-mail:fangyuanyong@126.com

TH781

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.05.010

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