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力臂式单侧液压调控粘弹性骨折外固定系统对骨干骨折愈合全过程的三维有限元模型实验研究

张爱平  
【摘要】: [目的] 揭示骨折愈合过程动静矛盾的辩证关系,从生物学、力学、工程学、人体生理学、仿生学、运动学、材料科学及计算机应用科学等多学科交叉的创新研究,建立中国骨伤科学动静结合治疗原则实验基础,用现代计算机分析手段论证中医治疗骨折现代模式在科技哲学领域存在的合理性,并具体地结合到研制治疗骨干骨折新型单侧液压调控粘弹性外固定系统的实践上,从实验研究、临床验证到哲学概括,阐明骨折愈合过程动静结合调控的反向作用(反馈与负反馈作用)规律,研制新型外固定支架供临床实践,并期待在否定之否定的科技哲学发展进程中,为中国骨伤科学动静结合治疗原则的基础研究开创科学的发展方向。 [方法] 应用现代科技“自组织理论”耗散结构系统方法及系统科学的三大基本思维(系统论与系统方法、信息论与信息方法、控制论与控制方法)为指导,针对中国骨伤科学(中西医结合骨科学)理论体系临床治疗四大原则的核心内容——骨折外固定治疗的动静结合理论的实验基础论证及其内容的系统完善与创新,设计力臂式单侧液压调控粘弹性骨折外固定系统,对胫腓骨骨折愈合全过程(骨折早期、血肿形成,中期纤维连接,晚期临床愈合及后期结构塑形)的三维模型进行加载实验。采用8节点6面体单元的有限元方法对模型进行离散建模,通过论证采用胫骨、腓骨、胫腓上下关节、骨折端、支架(钉、杆)、支架弹性端等不同材料模拟(E弹性模量、μ泊松比、G剪切模量),达到对小腿骨折的外固定系统再现,具有整体活动、稳定重复、无限加载、全程应力显示及微机分析的优势,是信息时代的前沿工具。 运用SUPER-SAP V(超级空间有限元电算程序)将活体小腿全程CT平扫断层(n=28,h=5mm)胫腓骨及关节韧带组织和外固定架各节点的三维坐标测量值,按空间有限离散原则 划分为386个单元,962个节点。通过CT扫描图像准确定位建立三维空问坐标系,模拟腔 脐骨骨折外固定实验模型 112个,模拟临床工况 35个,分祈主要参数 3项(Von Mises. Translation.X=0,Y二0,Z=1)完成实验组合系统11760个,经过大量的对比筛选预试验 分析,最后确定采用切合临床实验的常用工况12项,标准模型14个,分析参数3项(Mises 应力、位移量、Z灿应力)完成504个系统的实验数掂成果分析。应用SPSS10统计软件对 数据进行处理分析。 在实验的基础上,根据材料分析数掂,模型及支架固定加载的破坏应力分布规律、应变 位移量及Z轴应力的动态变化结果,仿照骨折愈合的一般过程(旱、中、晚、后期模式)研 制可调液压单侧粘弹性骨折外固定系统,应用于临床实例,验证治疗效果,采用反馈与负反 馈理论,确定支架的最佳组合及应用方案。 【结果】腥骨单侧lmnl骨折无支架固定模型实验结果是小的拉压应力负佝时骨折端应力集 中不明显,肌骨平骨折处出现应力遮挡。弯曲、剪切负荷加载时,骨折端应力集中明显,并 呈不均匀分布,在与W骨对应线位置的节点实验测量绝对值均较其它节点(前外侧、后内侧) 明显为小,P<0.of。胜骨单侧2。m骨折无支架固定模型实验结果显示,自然下垂承载自重时, 应力集中不明显,而承载压应力时,既伎很小的重量(F=1.skg)亦出现明显的破坏应力, 并呈现折端各点Z轴应力的规律性应力集中,前外侧及后内侧高应力,而前内侧及后外侧低 应力,弯曲加载时,甚至出现方向相反的应力分布状况,此时,统计处理计算分析已失去意 义,采用力学,践用直接观测对比史能说明应力集中及损伤应力分析规律问题。胚脓骨1mm、 Zmm双侧骨折无支架同定模型实验均显示,骨折端台阶状应力集中,在骨干连续体中,出现 应力值跳跃性集中,方向丛本一致,但位移最方向出现离敞,腥脓骨旱分离状向不同方向移 位并旋转(外旋)。胶肌骨 Zllllll双骨折支架同定模川文验可分为三种类川的纠果:采用逆向 固定时(即旱期骨折用坚强同定,中期骨折用次强固定,晚期骨折用微动固定,后期骨折用 滑动固定)可减少应力遮挡作用,并保证折端Von Mises应力处于极限值以下,位移量较 小,并且较平均,并保持一定量的Z轴应力(有压应力、也有拉应力),并且呈现各向不同, 但胜肺骨的骨折端承受的应力分布呈互相一致性变化,P>0.05。其二,是采用错位固定时(即 早期骨折用次强固定,中期骨折用微动固定,晚期骨折用滑动固定,后期骨折用坚强固定), 出现较逆向同定叫巳放大的应力改变,加载结果在骨折端出现偏心受力(自然下乖,承受微 小轴位牵拉应力时除外〕,什移景也较大,P<O.05。但Z灿应力则保持较稳定的数值,变化 不显著,P>0.05。其三,是采用正向固定时(即早期骨折用滑动固定,中期骨折用微动固定, 晚期骨折用次强固定,)GyR骨折用坚强固定),结果旱朋骨折出现强大的Von Mises应力在 7 骨折端及弹性端集中,而且相反地,在后期骨折固定中发生明显的应力遮挡,脖腕骨只承受 无架时应力的一半不到,P<0.of。同时


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