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动态记忆应力的生物力学研究及临床意义探讨

许硕贵  
【摘要】: 通过实验生物力学、计算生物力学手段,研究生物记忆材料聚髌器及天鹅记 忆接骨器治疗骨折与骨不连的生物力学基础,并对三维立体固定,动态记忆应力 治疗骨折与骨不连的临床意义进行探讨。 实验分两个相对独立的部分。 一、镍钛聚髌器(NT-PC)治疗髌骨骨折的生物力学研究及临床意义探讨 方法:利用实验生物力学的电测、三维光弹技术、计算生物力学的三维有限 元分析进行研究。电测通过贴片,多次标定,得到聚髌器的载荷—应变曲线,并 通过聚合固定新鲜人体髌骨,得到聚髌器纵向持续记忆加压力值。光测法通过通 过精密浇铸,利用环氧树脂制作髌骨三维光弹模型,用临床使用的镍钛聚髌器对 髌骨三维光弹模型加载,并利用环氧树脂圆环分担加在髌骨模型上持续动态的记 忆力以保证实验的成功。将冻结了聚髌器记忆应力的环氧树脂髌骨三维光弹模 型,分层摄片、描图,用迭代法计算模型内部各节点的应力值;利用德国Leize 偏光显微镜结合三维光弹分析法分离了髌骨模型内部4个考察点的共24个空间 应力分量;对聚髌器、张力带、钢丝环扎技术治疗髌骨骨折的应力场进行了比较 分析。三维有限元法利用获得国际ISO9001认证的三维有限元分析ANSYS软件对 聚髌器、髌骨进行建模加载分析。将聚髌器建模后进行网格划分,有限元单元采 用20节点、八面体的三维砖块单元,六个定义自由度,共划分了10483个单元, 节点数为:17959。髌骨三维有限元模型划分为8775个单元,节点数15847。根 据聚髌器的五个聚合方向,对髌骨模型施加载荷,并根据空间力的守恒定律进行 计算分析。并对临床应用的4023例髌骨骨折伤型、疗效进行分析。 结果:电测得到NT-PC纵向动态记忆加压力为13.67kg,能从9个方向向心、 聚合、记忆加压髌骨于解剖位;光测得到12个层面共1262个节点的应力值,应 力分析表明聚髌器固定后髌骨模型为全场分布应力,以纵向为主,侧向为辅,剪 应力较小,髌骨关节面及髌骨下极部有持续固定应力存在,其主动、持续的记忆 应力及上述应力分布特点是其区别于张力带、钢丝环扎技术治疗髌骨骨折的本 第二军医大学博士学位论文 骨科专业 质。三维有限元分析表明固定骸骨后聚骸器内表面受拉力,外表面受压力,其最 大值分别为195.SMPa和18MPa,远小于其极限应力,同时亦远小于其疲劳极限。 聚骸器的纵向记忆加压聚合力为 134N,与电测结果基本吻合。应力分布除 5个 接触点外,整个骸骨表面受力比较均匀,约为0.SMPa。骸骨各节点应力计算表 明,所受应力主要为正应力。临床4023例病例分析表明:伤型—一骸下*2骨 折、骸尖骨折、全骸粉碎骨折占86.87儿疗效—一解剖复位率98.36兄术后2.5飞0 周,平均7.14周,伤膝功能达到健侧水平。 结论: 1)镍钛聚骸器设计安全,且有良好的重复使用性;5个功能爪枝形成空间立体 固定,能从9个方向持续、动态、记忆加压骸骨于解剖位,对抗股四头肌与 韧带传导的纵向拉应力、内外侧支持带稳定性的侧向拉应力,并将剩余的记 忆应力作用于骨断端,促进骨愈合。 2)镍钛聚骸器固定后13.67kg的纵向记忆聚合力为膝关节早期主动、循序渐进 的功能锻炼提供了根本保证。 3)与张力带等技术相比,镍钛聚骸器对占骸骨骨折86.87%的骸下*2、骸尖粉 碎骨折、全骸粉碎骨折的治疗有独特优越性,结束了“部分与全骸切除”的 历史。 4)镍钛聚骸器固定后的应力分布有利于维持粉碎骨折的稳定、关节面的平整并 可能促进骨折与软骨的愈合。 二、天鹅记忆接骨器治疗骨折与骨不连的生物力学研究及临床意义探讨 方法:利用实验生物力学的电测、三维光弹技术、计算生物力学的三维有限 元分析进行研究。电测通过贴片,标定,得到天鹅记忆接骨器uMC)的载荷一 应变曲线,并通过固定新鲜人体肽骨,计算接骨器的动态记忆持骨力值;通过二 维光弹性技术计算天鹅记忆接骨器鹅颈加压部动态记忆加压力值;用精密浇铸法 得到脑骨环氧树脂三维光弹性模型,并模仿临床使用,得到天鹅记忆接骨器固定 下的肽骨模型三维应力场分布,并利用Leiz偏光显微镜结合三维光弹法计算了 脑骨模型上考察点的三维应力场中的六个应力分量。三维有限元分析:利用获国 际IS09001认证的ANSYS软件,通过计算机仿真三维有限元技术,对肪骨型天鹅 2 第二军医大学搏士学位论文 骨科专业 记忆接骨器固定脑骨的生物力学行为进行模拟,接骨器有限元模型共划分了 3487个单元,节点数为5397,单元采用20节点四面体三维砖块单元;肽骨有限 元模型共划分5783个单元,节点数为9863,单元采用10节点,四面体三维单 元。临床应用锁骨、脑骨、尺榜骨骨折与骨不连,共188例243根,平均随访 2.25年。 结果:电测:脑骨型天鹅记忆接骨


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