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    股骨干骨折的生物力学研究进展

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    股骨干骨折的生物力学研究进展

    帖子  Admin 于 周三 四月 04, 2012 1:38 pm


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    【关键词】 骨折

    股骨干是人体中最长的管状骨,由厚而坚强的圆柱形密致骨构成。股骨干骨折是临床的常见病和多发病,其正确治疗需要了解股骨干的解剖、生物力学及创作机制,并根据骨折类型选择合适的固定方法。无论术前内固定物的选择、术中固定的实施及术后康复都需要根据生物力学确定,故有必要对股骨干骨折的生物力学研究进行了解。

    1 股骨干的解剖及生物力学特性

    骨生物力学的研究大体上可从结构力学特性和材料力学特性两方面考察。结构力学特性是指整个骨结构的力学性能,受骨的几何特性,即形状、尺寸等影响;材料力学性能反映骨的自身强度和韧性,与骨的微细结构、骨骼中矿物质含量和骨密度有关。

    1.1 股骨干结构力学特性 股骨干的形状并不规则,有一个微凸向前方的生理弧度[1],上段呈圆柱形,向下逐渐延伸为三棱柱形。同时,股骨干与地面亦非垂直,骨干的解剖轴与两髁远端关节面的连线(膝关节平面)成100°的股内角[1]。从生物力学方面观察,人体正常股骨的解剖轴与力学轴并非在同一轴线上,两者间有6°~9°夹角。人站立负重时,重力线偏心作用使股骨产生弯距而发生弯曲。弯曲的凸侧在股骨的前外侧,接受张应力和产生张应变,从而使股骨外形保持不变。

    股骨干下1/3段,即股骨踝上5~7 cm的部位为股骨干与股骨髁的移行部,此处股骨的横截面由圆形逐渐增大变成扁圆形,骨髓腔也产生相应的变化,股骨嵴的两唇在此平面的后侧彼此分离形成一尖端向上的三角形平面(面),此处骨表面凹凸不平。根据工程力学原理[2],在构件断面突然改变的附近区域或构件表面粗糙不平、光洁度不好的部分,会引起应力集中,成为力学上的薄弱点,应力损伤往往由此开始。王平等[3]收治的23 例股骨干应力骨折均发生在股骨干中下1/3交界处,考虑与此处易引起应力集中有关。汪金平等[4]采用有限元法对股骨的生物力学特性进行了研究,结果是在各种载荷下,股骨干内侧中下1/3交界处的应力最大,故股骨干应力骨折好发于中下1/3交界处,与此处应力集中有关。刘安庆等[5]也通过实验分析认为,在不同的载荷下股骨干上的应力分布范围主要集中在中下1/3处,并由此得出,载荷的传导主要通过压力骨小梁和股骨距,由股骨颈区传至股骨干的中下1/3处,此处是股骨在负重情况下的应力集中处。

    1.2 股骨干材料力学特性 股骨干是一种具有新陈代谢功能的有生命的材料。它主要由密质骨构成,是胶原纤维增强的层合复合材料,除血管和骨细胞外,空隙极少,含有大量的哈佛式系统,呈现非线性粘弹性性能。它的生长符合Wolff定律,活体骨不断进行着骨再建的过程,使骨的内部结构和外部形态适应其载荷环境的变化。与此同时,骨的再建使构建骨材料所需的营养物质,如钙等需求更旺,而严重的低钙摄入因远远不能满足股骨再建的需要,致使骨的材料特性(骨韧性、骨弹性)下降,其生物力学性能(骨应力、骨应变、骨强度、弹性模量、骨材料韧性等)亦相应下降。何成奇等[6]认为,钙盐沉积是骨强度的基础,而胶原含量是决定因素。

    史念坷等[7]研究发现,肾上腺次全切术的大鼠股骨生物力学特性降低,主要表现为骨刚度较韧度变化明显性和弹性模量较正常降低,说明只需要较少的能量即可破坏骨质;而且硬度下降,表明骨的材料特性受损,其原因与体内糖皮质激素不足造成的骨微细结构的变化直接相关。此外,雌激素缺乏会使骨生长滞缓,而低钙饮食虽不会影响骨的正常生长,保持同正常组相同的骨质量,但是却显著影响骨内部结构的重新分布[8]。

    2 股骨干周围的肌腱及肌肉的生物力学特性

    股骨前面、内侧和后面共有三群肌肉,它们的功能是通过主动收缩使自身出现拉应力,而后将此力通过肌腱传到骨上造成身体的运动。据计算[9],步行时髋关节承受的应力约为体重的2.7倍,跑步时约为体重的5倍,而在剧烈跳跃时可急剧上升为体重的16倍。日常活动中肢体承受如此巨大的应力而不发生骨折,附着在骨骼上的肌肉收缩起着极其重要的作用。但是过度活动会引起肌肉的疲劳,当肌肉疲劳后,肌肉收缩力降低,从而改变了骨的应力分布,使高载荷出现,随此种情况循环次数增加,可导致疲劳骨折。

    髂胫束是阔筋膜张肌的腱束部分,起于髂前上棘和髂嵴的前1/4,在大腿前外侧形成一宽大的纤维束带,止于胫骨外上方关节面下。下肢承载时恰像一条绷紧的束带,产生张力,改变股骨的应力分布。据测量[10],无髂胫束存在时,股骨前外侧曲线承受约69 kg/cm的张应力,后内侧曲线承受约83 kg/cm的压应力;有髂胫束存在时,股骨前外侧的张应力可下降为8 kg/cm,后内侧压应力也可减少为48 kg/cm,这样就保证了载荷下股骨的安全。

    3 股骨干骨折内固定的生物力学特性

    对于股骨干骨折,20世纪70年代以前多数学者主张保守治疗,但畸形愈合、膝关节强直和创伤性关节炎等并发症很高,之后人们为降低这些并发症,设计了各种内固定物。目前股骨干骨折的手术内固定器材主要有钢板和髓内钉,这些内固定物的稳定性及优缺点都有待于生物力学的研究和了解。

    股骨干骨折使用带锁髓内钉固定已成为一种首选的方法[11]。滑利等[12]采用电测技术在不同载荷下对髓内钉固定股骨干骨折的应力、应变的影响作了探讨,结果证实,股骨骨折后骨折端的稳定性依赖于可靠的内固定,在骨折断端接触紧密承载(588N)时,应力传导由骨与髓钉共同承担,其中62%载荷应力由髓钉承担,38%由骨承担。骨折未愈合前髓钉适宜载荷不应超过196N,过载势必金属弱化,出现过载应变疲劳包申格(Bauschinger)效应,以致引起髓钉弯曲断裂,影响骨愈合。

    孙先润等[13]分析带锁髓内钉、钢板、普通髓内钉和矩形钉加钢丝等材料对股骨干骨折的治疗效果,认为带锁髓内钉固定股骨干具有良好的生物特性。a)它为中轴固定,不存在应力遮挡,符合生物学固定原理;b)多数患者可闭合穿钉,避免了由于剥离骨膜而造成的血供破坏;c)术中扩髓时对骨的强度影响小且不影响骨折愈合速度[14],扩髓后加大了钉骨的接触面,并通过增加摩擦力提高骨折固定的稳定性;d)扩髓时产生的大量骨屑是良好的植骨材料;e)扩髓是一种新的组织损伤,产生的生物刺激效应能释放成骨活性物质,刺激骨痂成长。以上这些均有利于骨折的愈合,是钢板、矩形钉所无法比拟的。

    郑琦等[15]从强度和刚度两方面对四种内固定物固定股骨髁上骨折的生物力学性能进行了测试比较,认为股骨髁上逆行交锁髓内钉比动力加压髁钢板(dynamic condyle screw,DCS)、95°髁钢板(L shaped condyle plate,LCP)和Ender钉都坚强,其应力强度、应变、位移分析均占有一定的优势。从股骨髁的极限承载力学性能来看,采用逆行交锁髓内钉固定的极限载荷可达7 850 N,原始正常股骨髁为8 040 N,两者相差仅2%;而DCS的极限载荷为6 782 N,LCP为5 180 N,Ender钉仅为2 850 N,三者与原始正常骨相比均具有显著性差异(P<0.01),分别相差16%、36%、65%。DCS相对于逆行交锁髓内钉的极限力学性能稍差,但DCS的极限力学性能仍较LCP、Ender钉为佳。从扭转的极限力学性能来看,原始正常股骨髁的极限扭矩可达26.34 Nm,采用逆行交锁髓内钉固定的股骨髁为18.42 Nm,DCS固定的股骨髁为19.20 Nm,LCP固定的股骨髁为17.88 Nm,Ender钉固定的仅为9.48 Nm,与正常股骨髁相比,分别相差30%、27%、32%、64%,具有显著性差异(P<0.01)。逆行交锁髓内钉和DCS两者结果比较,DCS优于逆行交锁髓内钉内固定,但无显著性差异。该结果说明了采用逆行交锁髓内钉和DCS固定时抗扭应力的性能十分良好,两者相比DCS比逆行交锁髓内钉极限抗扭能力略胜一筹,但逆行交锁髓内钉固定抗扭时受力强度比较均匀,扭角较小,抗扭刚度比较好,变形较小。

    曹斌等[16]研究新型股骨低应力遮挡交锁髓内钉治疗股骨干骨折的生物力学特性。将股骨干交锁髓内钉远端锁孔向近端分别扩大1、2、3 mm,采用4具成人男性尸体的8根股骨干标本制成横断骨折模型,分别打入四种不同孔径髓内钉,进行骨折断端应力分析实验。结果认为,远端锁孔直径3 mm的交锁髓内钉与实验中其他组相比,应力遮挡率最小(20.60%,P<0.05),在载荷应变、载荷位移、轴向强度及刚度上均占有明显优势(P<0.05);而四种髓内钉在弯矩应变、弯矩桡度、扭矩扭角关系中无明显差异(P<0.05)。作者认为,用不同孔径髓内钉固定股骨干骨折后,其在提高抗弯能力、抗变形能力方面基本相同,无显著性差异,其中远端锁孔直径扩大3 mm的交锁髓内钉不但应力遮挡小,而且强度、刚度符合骨折内固定的生物力学要求。

    王明才等[17]比较股骨干不稳定骨折采用新型交锁加压髓内钉和自动开叉交锁加压髓内钉内固定的生物力学性能,并与常用梅花钉、GK钉进行对照比较,用实验应力分析方法分析它们在生物力学性能上的优劣。结果是自动开叉交锁加压髓内钉力学性能明显优于对照组(P<0.05)。因而得出结论:自动开叉交锁加压髓内钉内固定生物力学性能优越,应力遮挡小,明显优于其他髓内钉。

    方跃等[18]亦将自研的旋转臂自锁式髓内钉与国产带锁髓内钉作比较,分别对骨折模型进行固定,在MTS试验机上对髓内钉及髓内钉固定骨折模型依次进行旋转、四点弯曲及压缩试验。结果旋转臂自锁式髓内钉固定股骨干粉碎性骨折,可以承担2倍体重,且在此范围内其抵抗骨折轴向位移的能力强于国产带锁髓内钉,且具有一定的防旋转和抗弯曲能力。

    此外,还有林斌等[19]研制的自带内锁髓内钉,肖德明等[20]研制的防旋加压髓内钉等,这些自行设计的髓内钉在临床上均取得了一定的治疗效果。

    4 总结展望

    随着生物力学研究的深入,目前逐渐重视将股骨及其周围组织作为一个整体进行研究,而不是单纯的股骨局部力学。同时将深入到股骨内部微结构的力学特性及股骨干应力骨折发生的时间、部位的研究,进一步揭示股骨干骨折的发病机制,并建立一套完整的优化设计及分析平台用于股骨干骨折的治疗。

    内固定器械生物力学研究的开展是与其临床应用的发展同时进行的,随着各学科理论知识的不断完善以及临床经验的逐渐丰富,股骨干骨折的内固定将有更广阔的发展前景。



    【参考文献】
    [1]郭世绂.临床骨科解剖学[M].天津:天津科学技术出版社,1989:750.

    [2]苏忠孝.工程力学(下册)[M].北京:人民教育出版社,1978:98.

    [3]王平,邢文荣,狄欧,等.股骨干应力骨折的生物力学分析[J].实用骨科杂志,2001,7(5):337339.

    [4]汪金平,杨天府,钟凤林,等.股骨生物力学特性的有限元分析[J].中华创伤骨科杂志,2005,7(10):931934.

    [5]刘安庆,张银光,王春生,等.人股骨生物力学特性的三维有限元分析[J].西安医科大学学报,2001,22(3):242244.

    [6]何成奇,丁明甫,蓝群,等.骨痛宁搽剂对去势雌性大鼠股骨生物力学的影响[J].中国临床康复,2004,8(11):20862088.

    [7]史念坷,富东慧,蔡霞,等.大鼠股骨生物力学实验研究[J].天津大学学报,2006,39(4):458462.

    [8]Geng W,DeMoss DL,Wright GL.Effect of calcium stress on the skeleton mass of intact and ovariectomized rats[J].Life Sci,2000,66(24):23092321.



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