股骨干骨折的接骨板內(nèi)固定生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

阿孜古麗·克熱木, 阿依古麗·喀斯木, 滕 勇, 帕提古麗·艾合麥提, 烏日開(kāi)西·艾依提

(1. 新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830047；2. 解放軍新疆軍區(qū)總醫(yī)院 全軍骨科中心脊柱外科, 新疆 烏魯木齊 830000)

生物力學(xué)研究力作用下的生物效應(yīng),包括生物體整體到各個(gè)器官生長(zhǎng)、消亡和運(yùn)動(dòng)中的力學(xué)問(wèn)題,特別是與人體有關(guān)的力學(xué)問(wèn)題[1-6]。在研究生階段,學(xué)習(xí)生物力學(xué)課程的學(xué)生來(lái)自不同的專(zhuān)業(yè)。工科學(xué)生雖然有材料力學(xué)的基礎(chǔ),但材料力學(xué)試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行分析,對(duì)骨骼固定系統(tǒng)等實(shí)際的生物力學(xué)問(wèn)題沒(méi)有涉及。醫(yī)科的學(xué)生知道類(lèi)似于骨折內(nèi)固定接骨板及螺釘會(huì)斷裂案例,但不清楚其中的力學(xué)原理。

對(duì)于骨折內(nèi)固定系統(tǒng)的力學(xué)分析,多采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)施加壓力,用靜態(tài)應(yīng)變儀采集貼在骨或內(nèi)固定系統(tǒng)上的應(yīng)變片的應(yīng)變,通過(guò)計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)應(yīng)力[7-11]。這種方式由于測(cè)點(diǎn)分散,導(dǎo)致測(cè)得的數(shù)據(jù)有限,不能反應(yīng)被測(cè)對(duì)象的整體狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)以股骨干骨折的接骨板內(nèi)固定方式為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合性的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn),在傳統(tǒng)靜態(tài)應(yīng)變儀采集應(yīng)變片數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)來(lái)分析接骨板的變形、接骨板及骨上的應(yīng)力分布特點(diǎn)。

1 股骨干骨折模型的建立

不同的骨折、不同的固定方式,其受力特點(diǎn)不相同。為了使學(xué)生深入了解這種多樣性,本實(shí)驗(yàn)的骨折模型采用真實(shí)的骨折病例,通過(guò)股骨骨折患者的CT數(shù)據(jù),重構(gòu)了的骨折的股骨三維CAD模型(見(jiàn)圖1(a)),再利用3D打印技術(shù)制作出1∶1的骨折股骨的實(shí)物模型。采用FDM(fused deposition modeling-熔融沉積成型)方式打印股骨模型,材料為PLA(聚乳酸),填充率設(shè)為100%,打印出的骨折模型如圖1(b)所示。利用病人的CT數(shù)據(jù)重建骨折三維模型,通過(guò)3D打印方式能夠制作多個(gè)相同的骨折模型,可以測(cè)試多種不同的固定方案。

圖1 股骨干骨折模型

2 實(shí)驗(yàn)方案

內(nèi)固定系統(tǒng)的失效主要是接骨板與螺釘?shù)淖冃闻c斷裂,原因主要是疲勞破壞與塑性變形。實(shí)驗(yàn)針對(duì)垂直壓力作用下的接骨板的變形、應(yīng)力,以及股骨干的應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程

2.1 接骨板變形測(cè)量

采用XJTUDIC三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)直接測(cè)量接骨板的外側(cè)表面,通過(guò)相機(jī)拍攝的被測(cè)物變形過(guò)程中的序列散斑圖像,快速檢測(cè)被測(cè)物的全場(chǎng)三維坐標(biāo)、位移、應(yīng)變數(shù)據(jù),測(cè)量結(jié)果由三維彩色顯示。實(shí)驗(yàn)時(shí)加載過(guò)程平穩(wěn)、緩慢,采集模式設(shè)為低速采集。觸發(fā)模式為軟觸發(fā),觸發(fā)間隔100 ms。

2.2 接骨板與骨的應(yīng)變測(cè)量

選用的接骨板為8孔不銹鋼接骨板,在接骨板的內(nèi)側(cè)分別在2個(gè)螺釘孔中間粘貼應(yīng)變片,共7個(gè)應(yīng)變片,如圖3(a)所示。在骨折模型與接骨板內(nèi)側(cè)相對(duì)應(yīng)的表面,在所有孔的兩側(cè)均貼有應(yīng)變片,共計(jì)8片,如圖3(b)所示。

圖3 接骨板和股骨干的螺釘孔和應(yīng)變片的位置

應(yīng)變片均貼在三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)無(wú)法測(cè)到的被接骨板遮擋的區(qū)域。骨折模型上的孔與接骨板上的孔對(duì)應(yīng),是固定接骨板的螺釘穿過(guò)骨干形成的。通過(guò)應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變值即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。應(yīng)變的測(cè)量采用DH3820高速靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng),采集頻率為 100 Hz,采集模式為連續(xù)采集,應(yīng)變片為1/4橋方式連接,應(yīng)變片為BX120-0.5AA,柵長(zhǎng)×柵寬為0.5 mm×0.5 mm。

2.3 螺釘?shù)姆植挤桨?/h3>

實(shí)際手術(shù)時(shí)并不需要在接骨板上所有的孔上都裝上螺釘,過(guò)于堅(jiān)強(qiáng)的固定方式會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力遮擋效應(yīng),因此骨科醫(yī)生根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定所需螺釘?shù)臄?shù)量及安裝位置。揭示螺釘數(shù)量和位置的對(duì)接骨板、螺釘?shù)淖冃巍?yīng)力等的影響規(guī)律是此實(shí)驗(yàn)的主要目的。

實(shí)驗(yàn)中接骨板的中間部分對(duì)應(yīng)在骨折斷口處,上下各分布4個(gè)螺釘孔,第4個(gè)為加壓型螺釘孔(長(zhǎng)孔)不上螺釘,第5個(gè)螺釘孔(H4)因太接近斷口也不上螺釘。實(shí)驗(yàn)中采用的方案如表1所示,螺釘編號(hào)1—3(對(duì)應(yīng)H1、H2、H3孔)在骨折斷口上側(cè)部分,螺釘編號(hào)4—6(對(duì)應(yīng)H5、H6、H7孔)在骨折斷口下側(cè)部分,黑色圓點(diǎn)表示該位置有螺釘,空白表示該位置沒(méi)有螺釘。

表1 螺釘分布方案

圖4為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成示意圖,裝有接骨板的骨折模型下端的膝關(guān)節(jié)部分利用丙烯酸樹(shù)脂固定在底座中,骨折模型上端的股骨頭部分定位在自主研發(fā)的壓力實(shí)驗(yàn)裝置壓板下表面的錐形孔中,股骨骨干軸線根據(jù)人體解剖學(xué)的股骨角設(shè)為80°。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)旋轉(zhuǎn)加壓螺桿向骨折模型頂部垂直施加150 N的壓力,壓力大小通過(guò)壓力傳感器顯示。施壓前5 s啟動(dòng)三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)與靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),施壓至150 N后保持5 s后停止采集。

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 接骨板的變形

圖5為通過(guò)三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)得到的接骨板的變形圖像。沿接骨板的縱向設(shè)置一條路徑,并輸出不同方案的路徑曲線,即可得到接骨板在壓縮載荷下的變形曲線,如圖6所示。

圖5 接骨板的變形圖像

3.1.2 接骨板與骨的應(yīng)力

圖7為接骨板內(nèi)側(cè)7個(gè)應(yīng)變片(F1—F7)處對(duì)應(yīng)的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果,圖8為股骨骨折模型上的8個(gè)應(yīng)變片(B1—B8)處對(duì)應(yīng)的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。

3.2 分析與討論

3.2.1 接骨板的變形

從圖6可以看出：方案2的接骨板變形最大,為0.33 mm；方案3的接骨板變形最小,為0.14 mm；方案1、方案4—方案7的變形相差不大,說(shuō)明接骨板中部的2個(gè)螺釘對(duì)接骨板的變形影響顯著；方案3的接骨板變形與其他方案中接骨板向外側(cè)彎曲成拱形不同,呈現(xiàn)出S形,方案3中沒(méi)有第2和第5個(gè)螺釘,較長(zhǎng)的跨度導(dǎo)致了其在壓力作用下使上半部?jī)?nèi)凹下半部外凸呈現(xiàn)出S形：在方案7中也沒(méi)有第2個(gè)螺釘,圖6(b)中也反映出接骨板上半部與第二個(gè)螺釘孔對(duì)應(yīng)的部分也有輕微的內(nèi)凹現(xiàn)象。

圖6 接骨板的縱向變形曲線

圖7 接骨板內(nèi)側(cè)的應(yīng)力

3.2.2 接骨板的應(yīng)力

從圖7與圖8可以看出：螺釘?shù)奈恢门c數(shù)量對(duì)接骨板的應(yīng)力分布有明顯的影響。接骨板在骨折斷口上側(cè)的部分應(yīng)力明顯較高,且均為壓應(yīng)力,下側(cè)部分應(yīng)力較小。方案3與其S形的變形相對(duì)應(yīng),在下側(cè)部分有較大的拉應(yīng)力。采用每側(cè)2個(gè)螺釘?shù)姆桨?、3、4,其應(yīng)力值總體上高于其他方案,其中方案2的應(yīng)力值最大,這是因?yàn)槁葆敂?shù)量較少的情況下不利于應(yīng)力的分散。方案6的應(yīng)力分布均勻且應(yīng)力值很小。上述結(jié)果與股骨骨折模型的固定方式有關(guān),骨折斷口下側(cè)的部分是固定約束,而骨折斷口上側(cè)股骨頭處為球形,自由度大,在壓力載荷作用下接骨板的上側(cè)部分更容易產(chǎn)生大的變形從而造成大的壓應(yīng)力。

3.2.3 股骨干的應(yīng)力

股骨干上的應(yīng)變片被貼于兩螺釘孔的中間,該位置上的應(yīng)力實(shí)際上是孔兩側(cè)的螺釘施加力的結(jié)果,因此可以通過(guò)骨干上的應(yīng)力根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系反推出相鄰螺釘?shù)氖芰μ攸c(diǎn)。從圖8可以看出,在骨折斷口下側(cè)所測(cè)得的壓應(yīng)力值很大,明顯高于接骨板上測(cè)得的應(yīng)力?？梢酝茢喑龉钦蹟嗫谙聜?cè)的螺釘?shù)膽?yīng)力很大,總體上越靠下的螺釘?shù)膽?yīng)力越大,而且骨折斷口兩側(cè)各有兩螺釘?shù)姆桨傅淖畹撞康穆葆數(shù)膽?yīng)力最大。采用上三下二(方案5)和上二下三(方案6)的兩種方案在骨干上的應(yīng)力明顯小于其他方案,及螺釘?shù)膽?yīng)力也相應(yīng)教學(xué)。

圖8 股骨干的應(yīng)力

綜上所述,螺釘?shù)臄?shù)量與分布對(duì)骨、接骨板、螺釘構(gòu)成的內(nèi)固定系統(tǒng)的力學(xué)性能有顯著的影響。當(dāng)螺釘數(shù)量較少時(shí),在壓力載荷作用下會(huì)造成接骨板的彎曲變形增大,若壓力載荷超過(guò)屈服極限,則會(huì)導(dǎo)致接骨板的塑性彎曲變形；若壓力載荷較小未達(dá)到屈服極限時(shí),在接骨板變形最大的區(qū)域有可能經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的彎曲與恢復(fù)產(chǎn)生疲勞斷裂。骨折斷口下側(cè)的螺釘?shù)膽?yīng)力明顯高于上側(cè)的螺釘,因過(guò)載導(dǎo)致塑性變形或疲勞斷裂的可能性大。因此在股骨內(nèi)固定手術(shù)后進(jìn)行康復(fù)鍛煉時(shí),患者需要隨著骨折的愈合過(guò)程逐漸增加鍛煉力度,以避免接骨板和螺釘?shù)淖冃?、斷裂?/p>

4 結(jié)論

(1) 接骨板上采用的螺釘?shù)臄?shù)量與分布對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的力學(xué)性能有顯著的影響。當(dāng)螺釘數(shù)量較少時(shí),在壓力載荷作用下會(huì)造成接骨板的彎曲變形增大,增加了接骨板塑性變形及疲勞斷裂的可能性。骨折斷口下側(cè)的螺釘?shù)膽?yīng)力明顯高于上側(cè)的螺釘,因過(guò)載導(dǎo)致塑性變形及疲勞斷裂的可能性大。根據(jù)綜合分析七種方案的變形與應(yīng)力特點(diǎn),方案6的綜合性能優(yōu)于其他方案。

(2) 通過(guò)此綜合性的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn),學(xué)生能夠掌握三維數(shù)字動(dòng)態(tài)散斑應(yīng)變測(cè)量和靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量方法。了解接骨板的固定方式,螺釘?shù)臄?shù)量與分布對(duì)骨、接骨板、螺釘構(gòu)成的內(nèi)固定系統(tǒng)的力學(xué)性的影響規(guī)律。提高了學(xué)生利用Origin、Excel、AutoCAD等軟件來(lái)處理、分析問(wèn)題、繪制圖表等能力,大大激發(fā)了學(xué)生的科研積極性。