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

(1. 新疆大學 機械工程學院, 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)

生物力學研究力作用下的生物效應,包括生物體整體到各個器官生長、消亡和運動中的力學問題,特別是與人體有關(guān)的力學問題[1-6]。在研究生階段,學習生物力學課程的學生來自不同的專業(yè)。工科學生雖然有材料力學的基礎,但材料力學試驗用標準試樣進行分析,對骨骼固定系統(tǒng)等實際的生物力學問題沒有涉及。醫(yī)科的學生知道類似于骨折內(nèi)固定接骨板及螺釘會斷裂案例,但不清楚其中的力學原理。

對于骨折內(nèi)固定系統(tǒng)的力學分析,多采用萬能力學試驗機施加壓力,用靜態(tài)應變儀采集貼在骨或內(nèi)固定系統(tǒng)上的應變片的應變,通過計算得到測點應力[7-11]。這種方式由于測點分散,導致測得的數(shù)據(jù)有限,不能反應被測對象的整體狀態(tài)。本實驗以股骨干骨折的接骨板內(nèi)固定方式為研究對象,設計了一個綜合性的生物力學實驗,在傳統(tǒng)靜態(tài)應變儀采集應變片數(shù)據(jù)的基礎上,結(jié)合三維數(shù)字散斑動態(tài)應變測量系統(tǒng)來分析接骨板的變形、接骨板及骨上的應力分布特點。

1 股骨干骨折模型的建立

不同的骨折、不同的固定方式,其受力特點不相同。為了使學生深入了解這種多樣性,本實驗的骨折模型采用真實的骨折病例,通過股骨骨折患者的CT數(shù)據(jù),重構(gòu)了的骨折的股骨三維CAD模型(見圖1(a)),再利用3D打印技術(shù)制作出1∶1的骨折股骨的實物模型。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3D打印方式能夠制作多個相同的骨折模型,可以測試多種不同的固定方案。

圖1 股骨干骨折模型

2 實驗方案

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。實驗針對垂直壓力作用下的接骨板的變形、應力,以及股骨干的應力進行了測試分析。實驗流程見圖2。

圖2 實驗流程

2.1 接骨板變形測量

采用XJTUDIC三維數(shù)字散斑動態(tài)應變測量分析系統(tǒng)直接測量接骨板的外側(cè)表面,通過相機拍攝的被測物變形過程中的序列散斑圖像,快速檢測被測物的全場三維坐標、位移、應變數(shù)據(jù),測量結(jié)果由三維彩色顯示。實驗時加載過程平穩(wěn)、緩慢,采集模式設為低速采集。觸發(fā)模式為軟觸發(fā),觸發(fā)間隔100 ms。

2.2 接骨板與骨的應變測量

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個螺釘孔中間粘貼應變片,共7個應變片,如圖3(a)所示。在骨折模型與接骨板內(nèi)側(cè)相對應的表面,在所有孔的兩側(cè)均貼有應變片,共計8片,如圖3(b)所示。

圖3 接骨板和股骨干的螺釘孔和應變片的位置

應變片均貼在三維數(shù)字散斑動態(tài)應變測量分析系統(tǒng)無法測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應,是固定接骨板的螺釘穿過骨干形成的。通過應變片測得的應變值即可計算出對應的應力值。應變的測量采用DH3820高速靜態(tài)應力應變測試分析系統(tǒng),采集頻率為 100 Hz,采集模式為連續(xù)采集,應變片為1/4橋方式連接,應變片為BX120-0.5AA,柵長×柵寬為0.5 mm×0.5 mm。

2.3 螺釘?shù)姆植挤桨?/h3>

實際手術(shù)時并不需要在接骨板上所有的孔上都裝上螺釘,過于堅強的固定方式會導致應力遮擋效應,因此骨科醫(yī)生根據(jù)經(jīng)驗確定所需螺釘?shù)臄?shù)量及安裝位置。揭示螺釘數(shù)量和位置的對接骨板、螺釘?shù)淖冃巍Φ鹊挠绊懸?guī)律是此實驗的主要目的。

實驗中接骨板的中間部分對應在骨折斷口處,上下各分布4個螺釘孔,第4個為加壓型螺釘孔(長孔)不上螺釘,第5個螺釘孔(H4)因太接近斷口也不上螺釘。實驗中采用的方案如表1所示,螺釘編號1—3(對應H1、H2、H3孔)在骨折斷口上側(cè)部分,螺釘編號4—6(對應H5、H6、H7孔)在骨折斷口下側(cè)部分,黑色圓點表示該位置有螺釘,空白表示該位置沒有螺釘。

表1 螺釘分布方案

圖4為本實驗系統(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)的壓力實驗裝置壓板下表面的錐形孔中,股骨骨干軸線根據(jù)人體解剖學的股骨角設為80°。

圖4 實驗系統(tǒng)的組成

3 實驗結(jié)果與分析

通過旋轉(zhuǎn)加壓螺桿向骨折模型頂部垂直施加150 N的壓力,壓力大小通過壓力傳感器顯示。施壓前5 s啟動三維數(shù)字散斑動態(tài)應變測量分析系統(tǒng)與靜態(tài)應變測量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),施壓至150 N后保持5 s后停止采集。

3.1 實驗結(jié)果

3.1.1 接骨板的變形

圖5為通過三維數(shù)字散斑動態(tài)應變測量分析系統(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 接骨板與骨的應力

圖7為接骨板內(nèi)側(cè)7個應變片(F1—F7)處對應的應力測試結(jié)果,圖8為股骨骨折模型上的8個應變片(B1—B8)處對應的應力測試結(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,說明接骨板中部的2個螺釘對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中沒有第2和第5個螺釘,較長的跨度導致了其在壓力作用下使上半部內(nèi)凹下半部外凸呈現(xiàn)出S形：在方案7中也沒有第2個螺釘,圖6(b)中也反映出接骨板上半部與第二個螺釘孔對應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)的應力

3.2.2 接骨板的應力

從圖7與圖8可以看出：螺釘?shù)奈恢门c數(shù)量對接骨板的應力分布有明顯的影響。接骨板在骨折斷口上側(cè)的部分應力明顯較高,且均為壓應力,下側(cè)部分應力較小。方案3與其S形的變形相對應,在下側(cè)部分有較大的拉應力。采用每側(cè)2個螺釘?shù)姆桨?、3、4,其應力值總體上高于其他方案,其中方案2的應力值最大,這是因為螺釘數(shù)量較少的情況下不利于應力的分散。方案6的應力分布均勻且應力值很小。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力。

3.2.3 股骨干的應力

股骨干上的應變片被貼于兩螺釘孔的中間,該位置上的應力實際上是孔兩側(cè)的螺釘施加力的結(jié)果,因此可以通過骨干上的應力根據(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。從圖8可以看出,在骨折斷口下側(cè)所測得的壓應力值很大,明顯高于接骨板上測得的應力?？梢酝茢喑龉钦蹟嗫谙聜?cè)的螺釘?shù)膽艽?總體上越靠下的螺釘?shù)膽υ酱?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ψ畲蟆２捎蒙先露?方案5)和上二下三(方案6)的兩種方案在骨干上的應力明顯小于其他方案,及螺釘?shù)膽σ蚕鄳虒W。

圖8 股骨干的應力

綜上所述,螺釘?shù)臄?shù)量與分布對骨、接骨板、螺釘構(gòu)成的內(nèi)固定系統(tǒng)的力學性能有顯著的影響。當螺釘數(shù)量較少時,在壓力載荷作用下會造成接骨板的彎曲變形增大,若壓力載荷超過屈服極限,則會導致接骨板的塑性彎曲變形；若壓力載荷較小未達到屈服極限時,在接骨板變形最大的區(qū)域有可能經(jīng)過長時間的彎曲與恢復產(chǎn)生疲勞斷裂。骨折斷口下側(cè)的螺釘?shù)膽γ黠@高于上側(cè)的螺釘,因過載導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)后進行康復鍛煉時,患者需要隨著骨折的愈合過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)量與分布對內(nèi)固定系統(tǒng)的力學性能有顯著的影響。當螺釘數(shù)量較少時,在壓力載荷作用下會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γ黠@高于上側(cè)的螺釘,因過載導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力特點,方案6的綜合性能優(yōu)于其他方案。

(2) 通過此綜合性的生物力學實驗,學生能夠掌握三維數(shù)字動態(tài)散斑應變測量和靜態(tài)應變測量方法。了解接骨板的固定方式,螺釘?shù)臄?shù)量與分布對骨、接骨板、螺釘構(gòu)成的內(nèi)固定系統(tǒng)的力學性的影響規(guī)律。提高了學生利用Origin、Excel、AutoCAD等軟件來處理、分析問題、繪制圖表等能力,大大激發(fā)了學生的科研積極性。