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生物组织弹性测量:技术、仪器和应用
在临床上,可以通过用手触诊去感知某些组织的硬块来作出一些初步的诊断,例如乳腺癌的早期诊断.但是这种手触诊技术只能给出定性的结果,该结果依赖于操作者的经验,所以带有很大的主观性,于是能让诊断结果更加客观化的弹性成像和测量技术应运而生.弹性成像和弹性测量技术各有不同特点:弹性成像往往给出成像区域里面的弹性对比度而不必给出组织的本征参数;不同于弹性成像,弹性测量技术能给出组织弹性的本征参数例如杨氏模量等,有利于诊断某些弥漫性的组织疾病,例如肝硬化,并且跟踪组织的弹性随时间的变化情况,而且结果的比较不会受制于所使用的测量仪器.因此,伴随着各种医学成像技术,例如超声、核磁共振成像(MRI)和光学成像的广泛普及,针对活体组织的弹性测量学在近的二三十年里得到了长足的发展,诞生了很多新的测量技术和仪器,并且部分已经开始用于临床测试.可以预见,随着这些测量技术的发展和进步还将有源源不断的新的测量技术诞生,将会有越来越多的临床领域开始尝试或者大力普及通过弹性测量的方法来补充现有的一些不太完善的诊断方法,或者用来评估治疗方法的有效性.本文尝试给读者介绍一些传统和近来出现的弹性测量的技术和系统,然后简要介绍它们在诊断特定组织病变和评估治疗方法疗效方面的应用,后我们对此领域的未来研究方向和前景作一些展望.对于其中比较成熟的几种方法,我们会在这一期刊的随后几期作详细的介绍.
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离体软组织弹性的常用测试方法和应用
弹性是软组织-个很重要的力学参数,可用于生物力学系统的建模、分析和病灶的诊断及治疗手段有效性的评估.根据弹性力学和材料力学基本知识,可用标准测试例如压缩、拉伸、扭转和弯曲等来测量组织的弹性特征.这些测试的优点是边界条件简单,很容易直接获得组织的本征弹性参数例如杨氏模量、剪切模量或者泊松比.但是因为测试需要准备形状规则的样本,所以这些方法仅适用于离体组织的测量.结合适当的粘弹性模型,这些标准测试还可以用于测试组织的非线性粘弹性参数.因为可以方便测得组织很重要的基本弹性特征,这些离体组织样本测试方法还是被大量用于实际测量当中.这期我们将对离体组织样本的常用弹性测量方法作一些介绍,并分析这些测量方法及相关力学模型的优点和缺点,后以软骨的离体样本测试为例说明这些弹性测试方法在生物医学相关领域的应用.
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DXA、力学测试和矿盐含量评估大鼠股骨性能的精确性比较
目的 为深入了解DXA、力学测试和矿盐含量在航天骨丢失研究的应用,本文比较了这三种方法评估大鼠股骨性能的精确性,并比较了大鼠股骨在活体、离体和冷冻三种情况下的DXA测量差别.方法 选择3只雄性SD大鼠,首先对其两侧股骨进行DXA测量,得到活体、离体和冷冻三种情况的骨矿密度(BMD),然后进行力学测试和矿盐含量测试.结果 DXA、力学测试和矿盐含量的变异系数(CV)分别为7.5%～8.5%,10.1%～17.1%和0.8%.对于DXA测量,活体股骨BMD值与离体和冷冻股骨BMD值都有极其显著差别(P＜0.001),而离体与冷冻股骨BMD值无显著性差别.结论 矿盐含量精确性好于DXA和力学测试.DXA测量活体与离体骨骼差别很大,冷冻不会影响DXA测量.
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新型无尾帽自锁式椎弓根钉的设计与有限元力学分析
目的 设计新型无尾帽自锁式椎弓根钉,建立腰椎后路融合新型椎弓根钉内固定有限元模型并进行力学分析.方法 在传统椎弓根钉设计基础上,对尾帽旋转锁定方式进行优化,无尾帽自锁式椎弓根钉锁紧部分设计为螺钉座及紧固座,在固定连接棒的操作中实现外力提拉一步锁定.建立L45后路椎间融合新型椎弓根钉内固定有限元模型,分析腰椎前屈、后伸、侧弯、旋转时椎弓根钉的受力情况.结果 新型椎弓根钉内固定大应力值:前屈2.92×107 N/m2,后伸2.97×107 N/m2,侧弯3.12×107 N/m2,旋转2.89×107 N/m2.在前屈、后伸、侧弯及旋转情况下应力集中在螺钉中部及钉棒交界处,以钉棒交界处为显著.不同工况下腰椎各方向活动度均下降,以屈伸活动时为显著.结论 新型无尾帽自锁式椎弓根钉摒弃了传统椎弓根钉尾帽垂直加压锁定方式,零切迹、一体式锁定设计体现出良好的手术操作便利性,具有良好的临床应用前景.此外,有限元分析新型椎弓根钉受力特点可以为后期生物力学测试及疲劳试验提供数据支持.
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经椎弓根打压植骨与骨水泥椎体成形术治疗胸腰椎压缩骨折的生物力学比较
目的 通过对非内固定状态下经椎弓根打压植骨与骨水泥椎体成形术治疗胸腰椎压缩骨折的标本进行强度和刚度测试数据分析,探讨哪一种方法更符合生物力学,为临床采用经椎弓根打压植骨术治疗胸腰椎压缩骨折提供理论依据,为PVP、PKP慎用提供参考.方法 对9具冻干尸体胸腰段椎体(T12～L2)标本随机分成3组,即正常组、造成L1压缩骨折经椎弓根打压植骨和骨水泥椎体成形3组,每组3具标本,通过生物力学测试仪对各组标本在前屈、后伸、侧屈、中立位4种状态下,各组L1椎体、L1,2椎间盘测试其强度和刚度数据进行比较研究.结果 椎弓根打压植骨后椎体和相应椎间盘的强度、刚度接近正常组椎体,而骨水泥椎体成形组椎体强度明显增加,刚度则明显下降.这表明目前常用骨水泥椎体成形术可改变伤椎及邻近椎间盘的生物力学特性,增加伤椎再骨折机会和增加邻近椎间盘的应力,加速其退变.结论 通过此实验可以说明临床以经椎弓根打压植骨替代骨水泥椎体成形的可行性,可使骨折椎体和相邻椎间盘获得更好的生物力学康复结果.
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Hangman骨折侧方椎弓螺钉固定力学测试
目的比较Hangman骨折采用不同方法进行侧方椎弓螺钉固定时椎板的骨折暴力和螺钉的拔出力.方法 8例包含枢椎的新鲜颈椎标本利用计算机重建技术模拟寻找出进针点和进针方向后,造成Ⅰ型Hangman骨折模型,分为单侧单纯侧方椎弓螺钉固定组(A组,2例4侧)、双侧单纯侧方椎弓螺钉固定组(B组,4例8侧)和单侧加垫圈侧方椎弓螺钉固定组(C组,2例4侧),钻入3.5 mm AO皮质骨螺钉后进行螺钉拔出试验.结果 A、B两组在螺钉拔出前均发生钉孔周围椎板骨质的凹陷或骨折,椎板骨折暴力分别为(11.58±3.18) kg(8.5～16.0 kg)和(25.75±2.4) kg(22.5～28.3 kg),螺钉拔出力分别为(29.65±3.89) kg(25.0～33.6 kg)和(30.90±3.99) kg(26.8～38.0 kg).C组未见钉孔周围椎板骨折发生,螺钉拔出力为(33.83±4.20) kg(28.0～37.0 kg).结论在用侧方椎弓螺钉固定治疗Hangman骨折时,AO皮质骨螺钉钉尾添加垫圈可使钉孔处椎板抗骨折暴力明显增强,大于螺钉的拔出力.单侧垫圈螺钉固定组的固定效果略优于双侧单纯皮质骨螺钉固定的效果.
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救生伞背带材料的力学性能研究
目的 研究五种现役的救生伞背带的织带材料的力学性能,为研究救生伞背带约束系统的约束性能提供数据.方法 通过厚度计、力学实验机、摩擦测量装置分别对5种织带材料44-2600,44-2000A,44-1600,18-650和20-530A进行测试,其中前3种为主带,后2种为辅带.结果 该5种织带厚度分别为(1.88 ±0.04)mm,(1.99 ±0.03)mm,(1.78±0.01) mm,(0.99±0.01) mm和(1.72±0.01)mm,3种主带与棉布及皮革的摩擦系数分别为0.185,0.213,0.178以及0.411,0.432,0.375.44-2600和18-650分别在主带和辅助带中表现出高的抗拉强度.结论 主带和辅带分别为44-2600和18-650的救生伞背带能提供更好的力学强度和约束性能.
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改进型逆行旋入钉的生物力学测试
背景：目前，对于肱骨骨折主要以顺行旋入式髓内钉和传统带锁髓内钉治疗为主，但是该方法容易引起患者肩袖损伤等。相关研究结果显示，逆行髓内钉能够解决上述问题。
目的：分析改进型逆行旋入钉的生物力学测试结果，为临床上进一步推广使用提供依据。
方法：①根据人体肱骨解剖特点，对肱骨标本进行生物力学测试。②选取西安交通大学医学院附属红会医院骨外科2013年12月至2015年1月收治的80例肱骨骨折患者，采用随机数字方法将患者分为改进后旋入钉组和原型钉组，各40例，分别植入改进型钉和原型钉。
结果和结论：①改进后旋入钉抗轴向压缩、抗拉伸、抗扭转、抗弯曲性能显著优于原型钉(P<0.05)。②改进后旋入钉组患者临床疗效优良率显著高于原型钉组。两组患者植入后均未出现感染，金属断裂和内固定松动等并发症。提示和传统旋入钉相比，改进型逆行旋入钉优势较多，生物力学设计更合理，且操作也更加简单，患者治疗后并发症发生率较低，适合临床应用。 -
肱骨旋入式自锁髓内钉改进设计及其生物力学特征
背景：肱骨骨折可以利用旋入式自锁髓内钉进行治疗，以往的旋入式自锁髓内钉存在一定的应用局限性，需要对其进行改进设计，以获得更好的生物力学效果。
目的：对肱骨旋入式自锁髓内钉进行改进设计，并分析其生物力学特点和应用效果，为肱骨骨折的临床治疗提供一定的参考依据。
方法：①对旋入式自锁髓内钉进行改进设计，并进行力学测试。②选择63例肱骨骨折患者，根据随机数字表法分为两组，对照组(n=31)和实验组(n=32)。对照组利用常规旋入式自锁髓内钉进行治疗，实验组利用改进后的旋入式自锁髓内钉进行治疗。
结果与结论：改进后的髓内钉在抗轴向压缩、抗拉伸、抗扭转、抗弯曲方面的力学测试结果均显著优于改进前。置入前，两组患者的关节活动度指标得分差异均无显著性意义(P>0.05)；与治疗前相比，两组患者治疗后关节活动度指标得分均明显上升(P<0.01或P<0.05)，且实验组患者治疗后关节活动度指标得分均显著高于对照组(P<0.05)；同时实验组治疗优良率显著高于对照组(P<0.05)。表明在对旋入式自锁髓内钉进行适当的改进设计后，可以具备更加优良的力学特点，获得更好的临床应用效果。 -
人工关节力学性能测试硬件系统
在人工关节生物力学性能研究中,通过离体实验对内植入固定物的生物力学性能进行评价是国际上通用的方法,国内这方面的研究起步较晚,相应的测试手段缺乏,还没有形成统一的标准.该文围绕已有的力学试验机设计并搭建了完整的硬件测试系统,包括:双目视觉捕捉仪、力矩承载夹具、薄膜压力传感器等.该系统能准确地测量出各个关节相对运动角度值、外部力矩值、关节间压力值,具有较高的可靠性和稳定性,对于人工关节力学评估系统的成形和标准化具有一定的借鉴意义.
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伤口快速闭合装置的研究
复杂、巨大伤口的快速闭合是院前急救的关键步骤,可以有效减少院前患者的失血、失液量,对挽救患者生命有重要意义.该文研制了一种全新的伤口快速闭合装置,用于复杂、巨大伤口的快速闭合.首先,在对结构工作原理进行详细介绍的基础上,采用有限元仿真技术,对结构的受力情况进行了分析,结果表明结构受力后产生的应力没有超过材料的许用应力.在此基础上,进行离体伤口闭合实验.测试结果表明,该闭合装置操作时间为18.24 s,小穿透皮肤的力为4.08 kg.该闭合器可抵抗1.53 kg水平拉力和2.25 kg的垂直拉力,封闭性良好,符合设计要求.结果表明该装置设计合理,可以快速、有效地实现伤口的闭合.
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三种不同内固定方式对肱骨大结节骨折稳定性的影响
目的 对单纯肱骨大结节骨折的3种不同内固定方式(螺钉、张力带、肱骨大结节锁定钢板)进行生物力学测试,比较其稳定性,为临床肱骨大结节骨折内固定物的选择提供生物力学依据.方法 取18具保留肩袖肌的新鲜冰冻成人肱骨尸体标本,建立肱骨大结节骨折模型后,随机编号分为3组,分别采用螺钉、张力带及肱骨大结节锁定钢板技术固定大结节骨折块,牵拉冈上肌,测试力-位移曲线,记录2组参数:大结节移位5 mm时力的大小(load to 5 mm yield point,LtYP)及失效负荷(load to failure,LtF).结果 3组标本(螺钉组、张力带组、肱骨大结节锁定钢板组)在大结节移位5 mm时力的大小分别为(377±86)、(499±90)、(793±52)N,3组标本间LtYP差异有统计学意义(P＜0.01);两两比较,锁定钢板组LtYP远大于螺钉组(本研究中仅3例在内固定失效前位移达到5 mm),差异有统计学意义(P＜0.01),锁定钢板组LtYP相比张力带组差异有统计学意义(P＜0.01),张力带组Lt-YP相对螺钉组表现出明显的统计学意义(P＜0.01).3组标本失效负荷分别为(744±112)、(908±93)、(979±143)N,3组标本间LtF差异有统计学意义(P＜0.01);锁定钢板组LtF相对螺钉组具有明显的统计学意义(P＜0.01),张力带组LtF相对螺钉组有统计学意义(P＜0.01),但锁定钢板组LtF与张力带组之间无明显统计学差异(P＞0.05).结论 肱骨大结节锁定钢板组相对螺钉组及张力带组表现出明显的生物力学优势,锁定钢板将为临床治疗单纯肱骨大结节骨折提供新的、更好的选择.
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采用镜头套筒进行水下数字图像测量
目的 研究适用于水环境的生物材料力学测试技术.方法 基于数字图像相关法(digital image correlation, DIC)设计独特的镜头套筒,避免水下摄影的畸变,并将该技术应用到鱼鳞的力学性能测试中.结果 水槽平移实验表明:使用镜头套筒可以有效减小水下测量的误差,测试精度可靠.鱼鳞的力学性能测试表明:鱼鳞不同部位的力学性能具有明显差异,而失水后这种差异的显著性降低.结论 设计的镜头套筒能够有效地运用到图像采集系统中,利用DIC技术实现水下生物材料的力学测试.
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全脊柱终板抗压强度分布规律的生物力学研究
目的 通过测量全脊柱不同椎体上下终板不同位点的抗压强度,研究全脊柱终板抗压强度的分布规律.方法 选用5具成年男性新鲜脊柱标本(C3～S1),共225个终板.对终板平面49个测试点用平底压头进行压缩加载试验,获得大破坏载荷.结果 (1)全脊柱终板抗压强度呈颈腰椎较强、胸椎较弱趋势(P＜0.01).抗压强度自C3～7逐渐减小,在T1水平增大,然后再次逐渐减小,至T7降至低,自T8开始增强,至L4达到强度大值,L5复又降低后,S1再次增大.(2)除C5和T1外,下终板抗压强度大于上终板(P＜0.01).(3)除C5/6,T12/L1和L5/S1间隙外,椎间隙相邻面上一椎体下终板的抗压强度大于下一椎体上终板.(4)中央至外周抗压强度逐渐增大(P＜0.05).(5)处于不同角度组的压力点,其抗压强度存在差异(P＜0.01).(6)全脊柱终板不同节段前后强度分布不同(P＜0.01).C3/4后侧终板强度大于前部,C5～7前后部大体持平,至T1再次后部大于前部,经过T2～5过渡段后,自T6～L3出现前部抗压强度大于后部,L4再次相对均衡,至L5、S1出现后部抗压强度大于前部.结论全脊柱不同节段终板和终板不同部位的强度分布与脊柱生理弯曲关系密切.抗压强度下终板高于上终板,外周大于中央,椎间隙相邻面上一椎体下终板大于下一椎体上终板.
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孔隙率对多孔镍钛合金力学性能及离子析出量的影响
目的 筛选生物力学相容性优良的颌骨内植入用多孔镍钛合金,比较二氧化钛( Ti02)与羟基磷灰石(HA)涂层后的镍离子析出量.方法 采用粉末冶金法制备多孔镍钛合金,用金相显微镜观察孔隙形貌,进行压缩与抗折破坏实验,记录其弹性模量与断裂强度值;采用溶胶-凝胶法分别涂覆TiO2与HA涂层,测定1、3、7、15 d镍离子析出量.结果 孔隙由相互连通的50 ～ 200μm大孔和～50 μm微孔组成,孔隙率为(23.5±5.24)％ ～(38.8±1.82)％;弹性模量为(9.55±0.19)～(4.28 +0.32) Gpa,断裂强度值为(133±6.75)～(80.5±5.58) Mpa.表面涂层组与未涂层组比较,离子析出量显著降低;氧化钛与羟基磷灰石涂层组间差异无统计学意义.结论 随造孔剂增加,孔隙率增大,多孔镍钛合金的力学性能呈下降趋势;涂层能有效抑制多孔镍钛材料中镍离子析出.
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新型微创肱骨前置解剖锁定钢板固定肱骨干中下段骨折的生物力学研究
目的 验证自行研制的新型前置肱骨中下段解剖锁定钢板(以下简称新型钢板)的力学特性,为改进设计以及临床应用提供理论依据.方法 采集20例防腐肱骨标本,进行肱骨中下段骨折钢板构件的生物力学测试,比较新型钢板(A组)与4.5 mm有限接触动力加压钢板(limited contact dynamic compression plate,LC-DCP)(B组)在压缩、弯曲(正向、侧向)和扭转载荷下的生物力学性能.结果 新型钢板固定肱骨中下段骨折在4种不同载荷下的刚度、强度和应力遮挡的结果均优于4.5 mm LC-DCP,具有显著性差异(P＜0.05).结论 新型钢板能够满足肱骨干中下段骨折固定术后早期功能锻炼需要,具有较大临床应用价值.
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两种椎弓根螺钉钉道强化技术在骨质疏松绵羊椎体的应用
目的:应用绵羊骨质疏松椎体标本比较两种骨水泥强化技术对椎弓根螺钉固定强度的影响.方法:经体外脱钙建立绵羊骨质疏松椎体标本40节,完全随机分为A组(单纯螺钉组);B组(低剂量整体强化组);C1组(低剂量局部强化组);C2组(高剂量局部强化组).骨密度(bone mineral density,BMD)检测;螺旋CT及MicroCT的影像学观察;测试大轴向拔出力(Fmax)及能量吸收值(E).结果:各组BMD下降约25%-30%(P>0.05),成功建立骨质疏松椎体模型.影像学观察:B组螺钉完全被骨水泥包裹,形成"骨-骨水泥-螺钉"界面;C2组螺钉周围骨水泥呈局部对称分布,形成"骨-螺钉"和"骨-骨水泥-螺钉"的共存界面.B,C(1,2)组椎体的Fmax及E均显著高于A组(P<0.05);B,C2组椎体的Fmax及E均明显高于C1组(P<0.05);B,C2组椎体间Fmax及E无显著性差异(P>0.05).结论:钉道整体强化及局部强化技术均能显著提高骨质疏松情况下椎弓根螺钉的固定强度;钉道局部强化技术通过提高注射剂量,可以达到与整体强化技术相近的强化效果.
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可降解骨螺钉强度衰减体外测试模式的建立
目前可降解式固定器所面临大的难题在于强度的大小及降解时间的维持.为了评估可降解式固定器的降解速率,可建立一套体外强度衰减测试模式,以评估材料的机械强度.然而文献报道的测试流程及方法并不一致.本研究参考国外文献的报道及ASTM相关标准,以二种不同材料制成的可降解骨螺钉为对象,建立一套可降解固定器的体外强度衰减测试模式.使用恒温水槽,提供回旋摇晃运动,使磷酸盐缓冲液(PBS)与骨螺钉表面产生相对流动,pH值维持在7.4±0.2,温度控制在37±2℃,在设定的时间点职出骨螺钉进行强度测试.采用剪力及三点弯曲测试,每次测试五根骨螺钉,以得到强度衰减与时间的关系.结果表明,PLLA骨螺钉在第6～7周时强度产生急速衰减,PLGA骨螺钉在第4周强度已几乎消失.通过本研究建立的体外强度衰减测试模式,可得到可降解骨螺钉机械强度随时间衰减的曲线,此套测试模式的建立可作为研发可降解固定器的体外测试评估及参考依据.
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脊柱离体运动加载方法研究进展
离体脊柱生物力学测试研究对于理解和掌握脊柱的功能、损伤、退行性变以及脊柱植入物的影响均有重要的意义.脊柱生物力学的研究包括对脊柱的加载方法及脊柱运动状态的描述两个方面,脊柱的加载方法主要经历了从逐级加载到连续加载的过程.本文针对脊柱生物力学研究现状,分析国内外相关文献资料,总结了现有脊柱离体运动加载研究方法并对其进行了综述,为今后脊柱运动加载研究提供一定的参考和帮助.
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兔髌骨-髌腱结合部新骨形成与大小预测其愈合程度
目的 探讨髌骨-髌腱结合部愈合中新骨形成量和力学指标之间的关系.方法 15只雌性成年兔,在一侧后肢的髌骨远端1/3处横行截骨,切除远端1/3髌骨.将髌腱与髌骨断端连接.分别于术后第8和16周取材进行生物力学、组织学和新骨形成情况(X线摄片测量和骨密度测定)检测,进行对比研究.结果 髌骨-髌腱结合部新骨面积、新骨长度及骨矿密度在第8和16周之间仍未达到显著性水平,但在第16周时的拉断载荷、极限拉应力和拉断能量均明显大于第8周;新骨面积与拉断载荷及极限拉应力呈显著性相关.结论 新骨面积与拉断载荷及极限拉应力问显著相关,通过临床无创X线影像学对新骨面积的定量,可有效评估髌骨部分切除后髌骨-髌腱结合部愈合状况,为术后主动康复提供参考.
