生物力学固定技术（通用9篇）
生物力学固定技术 篇1
切开复位内固定是目前治疗移位型髌骨骨折的主要治疗方法,而AO改良克氏针钢丝张力带则是其内固定的经典方法,在临床上取得了较为肯定的治疗效果[1]。不过,目前大量文献质疑其固定的初期稳定性,另外,临床治疗中选择直径多粗的钢丝以何种形状的张力带固定方式固定髌骨骨折更加稳定,缺乏系统准确的试验数据依据。因此,我们对临床常用的不同直径的钢丝和不同张力带固定方式固定髌骨骨折的生物力学特点进行比较,以求为临床工作提供一定依据。
1资料与方法
1. 1标本材料及制备取4具新鲜冰冻尸体标本的8个膝关节,标本资料无膝关节病史,行X线片检查,排除骨质病变,并测量髌骨骨密度,排除骨质疏松。截取包括股骨下段20 cm和胫骨上段15 cm在内的膝关节,保留股四头肌肌腱, 膝关节囊及髌韧带,彻底剔除其余软组织,双层塑料袋密封, - 20°冰柜保存备用。常温下解冻,用摆锯于冠状面中点将髌骨锯断,制成横行骨折标准创伤模型。
1. 2试验方法
1. 2. 1试验步骤设计采用自身对照,将每个髌骨骨折先后以三种直径( 直径0. 8 mm、1. 0 mm、1. 2 mm) 钢丝按四种张力带固定方式固定( 见图1) 。试验分两步: 先测量膝关节屈伸循环活动后骨折间位移,再测量各种固定骨折间最大压力。选择骨折固定钢丝直径和张力带固定方式的先后顺序按均衡原则。
1. 2. 2外科技术在髌骨被制成横行骨折前,用直径2. 0 mm的克氏针在髌骨内外侧1 /3处距髌骨关节面5 mm处钻孔备用。以摆锯在髌骨纵轴中点将其横断,制成横行骨折标准创伤模型。在骨折后将骨折复位,穿入2. 0 mm的克氏针, 结合钢丝行张力带内固定。
1. 2. 3生物力学测试第一步: 完成髌骨骨折的张力带固定后,将膝关节股骨端固定于夹具,连于Instron试验机,股四头肌肌腱固定后经钢缆连于牵引装置,胫骨端于髌下25 cm处连一重3. 2 kg砝码模拟小腿远端重量。于贴近骨折线的髌骨前方和侧方贴关节面处骨折远、近端分别各钻入1枚1. 0 mm短克氏针标记,要求前方标记克氏针平行钻入,位于同一冠状面内; 侧方2枚克氏针亦要求平行钻入,位于同一矢状面内,且同一平面内2枚克氏针离骨折端距离相等,测量标记针初始距离,以25 mm/s的速度牵引股四头肌肌腱, 使膝关节做90° ~ 0°的屈伸200次循环。再次测量髌骨前方和关节面侧骨折间距离,记算疲劳试验导致髌骨骨折间的位移( 见图2) 。如试验中出现内固定失效,记录失效时的循环数,内固定失效定义为骨折间分离移位大于2 mm或关节面阶梯样移位大于2 mm。第二步: 取除内固定,于髌骨关节面骨脊处骨折间前沿和关节沿各放置一枚微型Entran压力传感器,再次内固定,均匀拧紧各钢丝直至钢丝断裂或出现明显骨质切割,记录骨折间最大压力。
1. 3数据处理将所有骨折间位移、压力数据用 ( ± s) 形式表示,采用SPSS 19. 0软件进行处理,采用析因方差分析进行显著性检验( 检验标准为: P = 0. 05) 。
2结果
2. 1钢丝直径和张力带固定方式与骨折间位移的关系在股四头肌肌腱负载牵引膝关节屈伸200次循环试验中,无髌骨内固定失效,钢丝直径和张力带固定方式与骨折间位移的关系表现如表1。膝关节90° ~ 0°屈伸200个循环后,均未出现内固定失效。其中使用直径1. 0 mm的钢丝固定髌骨骨折分离移位更小; 使用双组张力带钢丝固定产生的位移小于单组张力带钢丝固定; 而单组张力带固定中,横向双结“8”字张力带固定比纵向双结“8”字张力带固定产生移位小,双结比单结固定位移小( P < 0. 05) 。
2. 2钢丝直径和张力带固定方式与骨折间压力的关系各种固定方式中,未出现明显的骨质切割现象,测得骨折间最大初始压力。使用直径1. 2 mm的钢丝固定髌骨骨折骨折间初始压应力更大; 使用双组张力带钢丝固定产生的初始压力大于单组张力带钢丝固定; 而单组张力带固定中,横向双结 “8”字张力带固定比纵向双结“8”字张力带固定初始压应力更大; 双结“8”字钢丝张力带固定强于单结“8”字张力带( P < 0. 05) 。详细资料见表2。
3讨论
目前临床髌骨移位性骨折仍以切开复位内固定为主要治疗手段,但内固定方法繁多,包括AO改良张力带,各种螺钉,空心钉及钢丝固定,镍钛聚髌器,各种髌骨钢板以及各种缝合线固定。不同文献报道了各种固定的优势及缺点[2,3], 其中AO改良克氏针钢丝张力带使用历史最长,且目前仍广泛使用。首先,其力学特点符合髌骨的受力原理,张力带滑动加压能将前方的牵张折弯受力转化为骨折端的压应力; 其次,AO改良张力带对髌前软组织条件要求更低,结合环扎钢丝对粉碎严重的髌骨骨折仍能有效固定; 此外其费用低廉, 操作简单,容易被广泛接受。然而有些学者质疑AO改良张力带固定的稳定性[4],任玉猛等[5]通过对改良髌骨骨折克氏针钢丝张力带固定技术增加了其临床固定效果。所以笔者通过本研究了解其固定稳定性能否满足髌骨早期活动,此外通过改变张力带钢丝直径及构成方式提高固定稳定性。
本研究发现在骨质量正常的标本上,AO改良克氏针钢丝张力带固定髌骨横行骨折在200个循环的疲劳试验未出现内固定失效,表明AO改良克氏针钢丝张力带能满足髌骨横行骨折的固定要求,术后能早期功能锻炼。而从髌骨骨折间产生的压力和位移上,双组张力带优于单组张力带,横向 “8”字张力带优于纵向“8”字张力带; 双结比单结固定力量更强。在术中合理选用双组平行钢丝张力带能提高克氏针钢丝张力带固定髌骨骨折的稳定性。但是双组平行钢丝更适合固定横行骨折,对于髌骨中间部分有粉碎者,笔者仍推荐采用“8”字张力带结合克氏针固定。本研究同样表明选择直径合适的钢丝在AO改良张力带固定髌骨骨折中也同样重要。本研究发现使用直径1. 2 mm的钢丝配合直径2. 0 mm克氏针行双组张力带固定稳定性更好,但由于直径越大,其刚度越大,固定时与髌骨面之间的贴服性更差,所以在疲劳试验后,更容易出现钢丝松动,表现出更大的骨折间隙,所以推荐使用直径1. 0 mm的钢丝固定,既有较高的初期稳定性,后期发生松动的可能也更小,具有生物力学优势。综上所述,在临床上根据患者的骨质量,骨折粉碎情况及术者经验等选择合适的钢丝直径和张力带固定方式能提高克氏针钢丝张力带固定髌骨骨折的稳定性,从而更好发挥其生物力学优点。
AO改良克氏针钢丝张力带是固定髌骨横行骨折的有效方法,能满足骨折术后的早期功能锻炼。此外,通过调整克氏针张力带固定形状方式及固定钢丝的直径能增强其固定髌骨骨折的生物力学优点,从而达到对髌骨骨折更加有效的固定,为骨折的良好愈合提供基础。
摘要：目的 探讨改良AO张力带固定髌骨骨折,钢丝直径、固定方式对生物力学的影响。方法 截取无病变新鲜冰冻膝关节标本8个,将髌骨横行截断,建立髌骨横行骨折标准创伤模型,以三种直径钢丝、四种不同张力带固定方式固定,通过测试比较固定后骨折间的最大压力及屈伸活动前、后骨折间的位移。结果进行统计学分析,比较髌骨骨折多种张力带固定方式的生物力学特点。结果 直径1.2 mm的钢丝固定后骨折间最大初始压力更大,直径1.0 mm的钢丝固定疲劳试验后骨折间位移更小。双组平行钢丝张力带固定比单组钢丝张力带固定骨折间最大压力更大,位移更小,而单组单节张力带钢丝固定最大压力最小,位移最大。结论 AO改良克氏针钢丝张力带是固定髌骨横行骨折的有效方法,能满足骨折术后的早期功能锻炼。此外,通过调整克氏针张力带固定形状方式及固定钢丝的直径能增强其固定髌骨骨折的生物力学优点。
关键词：髌骨,骨折,张力带,生物力学
参考文献
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生物力学固定技术 篇2
南
大
学
运动生物力学论文
任课教师： 罗炯老师
姓
名： 余海龙
年
级： 2010级体育教育
学
号： ***
网球击球技术的运动生物力学分析
摘要 ：击球是网球运动基本技术之一,因击球多数都是指向接球方软弱的地方。因此，改进击球技术，提高击球速度，已成为当前我国网球技术训练中的焦点问题。采用了分类、归纳的方法对网球击球的生物力学进行分析，其目的是提炼得出主要观点和结论，为推动网球运动的发展提供理论的支持，供教练员和运动员参考。
关键词：网球运动、击球技术、分析
提高击球速度关键在于挥拍速度。而合理加大引拍幅度，选择好击球点，以球拍的有力部位击打球的中心部位等几项主要技术环节也是不容忽视的。击球时能合理加大挥拍的幅度，充分调动身体各部肌肉协调用力，提高击球的力量和速度，用平击球的方法以球拍的有力部位在恰当的击球点打球的中心部位，就能发挥球速快、力量大、打法凶狠的平击球特点。能使网球产生强烈的旋转的力是拍面与球撞击时拍线发生弯曲而下凹，部分球体被拍线兜住，如果这时向斜上方挥拍，位于球体下半部的弯曲拍线的弹性力就会大于上半部弯曲拍线的弹力，其结果是弹性力的合力就会向上偏离球心。弹性力偏离球心的距离虽然小于摩擦力偏离球心的距离（即球的半径，摩擦力沿球面的切线方向），但弹性力强度却远远大于摩擦力，它所产生的转动力距也就远比摩擦力的力距大。使球产生旋转的主要是这个力。还认为正拍技术本质上新的发展奥秘有:）握拍：现代正手多采用半西方或者西方式目的是开发更多的前臂以及手腕的力量，参与发力尤其是制造上旋。）引拍：从生物力学机制上分析，现在正手的最大优点在于角动量的充分开发，在引拍环节上，我们至下而上清楚的看到：膝关节、髋、躯干、肩都有明显的扭转。并且观察发现，至下而上的转动幅度是依次增大的。髋在膝关节转动的基础又转动了一个角度（髋与底线的角度通常接近90度），肩又在髋的基础上转动了20到30度。想象下，这么样依次扭转而储备的能量库，如果到时能象火箭发射时能量一级一级依次传递，那么由此产生的角动量当然是巨大的）挥拍：开始比目鱼肌、腓肠肌以及大腿股四头肌蹬伸做向心收缩向上传递能量。接着是臀大肌也做的向心收缩。向上再是腹内外斜肌，背部机群以及斜方肌做向心/离心收缩在积累起前面的能量继续向上肢，手臂传递。剩下依次是三角肌，胸大肌，肱二头肌、旋前圆肌以及手腕屈机群的向心收缩，最后全部力量传递到拍头而这其中手腕在击球瞬间将承担巨大的压力）随挥：肌肉的收缩形式恰好与挥拍加速阶段相反。
通过采用摄像和多媒体技术以及力学分析,认为击球的入射角一般在12°～30°之间,中等速度飞行的上旋球和平击球落地反弹后反弹角小于入射角,下旋球的反弹角大于入射角。网球的落地反弹形式有二种,一种是一般的反弹,球与地面没有滑动。另一种是球与地面有滑动的滑动反弹。滑动反弹的球,角度小、速度快更具攻击性。场地与球的摩擦系数越小越容易产生滑动反弹,入射角越小,入射速度越快,越容易产生滑动反弹。运动员应尽可能打入射角小入射速度快的球,以提高击球质量。下旋球最容易产生滑动反弹。在摩擦系数较小的场地可以多打下旋球。[8]通过分析两种不同网球底线击球技术的握拍法、步法和引拍挥拍的运动轨迹,比较它们的技术特点及其生物力学特征,认为现代鞭打式击球技术比传统长行程击球技术有明显优势,可以击出力量更大,速度更快,旋转更强,极具穿透力的上旋球,显著地提高了击球的攻击性和稳定性。两种不同类型底线击球各个技术环节的比较分析,不难看出它们各自技术环节互相之间存在必然的有机联系,构成一个特定的技术系统.它们各自表现出的技术特点和生物力学特征是由其技术结构所规定的,不会随人的愿望而任意改变.现代鞭打式底线击球所能发挥出的力量、速度和旋转是传统长行程击球技术难以达到的,前者的技术合理程度高于后者,代表了当今世界网球技术发展的主潮流.通过引拍挥拍击球全过程的肩膀变化和发球技术动作全过程的时间触球时拍切线速度及拍子与水平夹角的测试结果来看引拍动作与无引拍动作在触球时切线速度无明显差异，引拍动作击球时拍子与水平方向夹角小于无引拍动作拍子与水平的夹角。要打好上旋球，一必须加大击球的力量。球速是由击球的力量大小决定的，击球力量大小的外在表现形式是球向前飞行的速度快慢。加大击球瞬间的向前挥拍速度，以及提高参与工作的肌肉质量，是增强力量的关键。二是必须加大向上提拉的力量,降低重心，后引拍拍头低于击球点，配合手腕加大挥拍摩擦球力量，用力方向适当远离球心，采用向内凹的弧线形挥拍。[11] 彭承基学者运用基本的力学远离对一些容易使人迷惑、误解的现象作了通俗简明的分析，认为击球方向与球的实际运行方向之间差异（既“偏差角”）得存在以及影响这一差异（偏差角）得诸要素，对打好变向球有一定得指导价值；就旋转球产生得机制提出了与摩擦力说不同得看法，对右上旋球与右下旋球与下旋球落地后偏离方向相反得说法也提出了不同得看法。对网球拍击球一瞬间的冲击过程，采用一种简化的力学模型建立起动力学方程，通过数学推演，详尽地分析了网球拍弦张力与击球速度分离时间、分离距离之间的关系，得出弦张力较小时易于得到较大的击球速度，且与此对应有较长的分离时间和较大的分离距离，反之亦然。同时认为弦张力较小K1较小对应较大的击球速度，并对应有较大的分离距离和分离时间。影响网球运动员上臂爆发力的因素实质是指关键技术完成的快慢。网球运动员活动能力的大小,动作技术质量的优劣及运动成绩的好坏,往往取决于完成动作过程中肌肉功率的大小,即爆发力的大小。网球运动的特点,想要提高上臂的爆发力水平,就必须重点加强参与上臂屈、伸、内收和外展动作的肌群的爆发力训练。没有必要对上臂的旋内和旋外肌群进行专门的练习。
4.结束语
我国网球运动的生物力学研究主要涉及到两领域：一是网球发球技术的生物力学分析，二是网球击球技术的生物力学的分析。由于我国网球运动尚在处于发展初期，对网球发球、击球技术的生物力学分析的研究还比较少和不够深入，随着网球运动今后在我国的蓬勃发展，对用生物力学来研究和分析网球技术的必将推动我国网球的发展产生重要的影响。
参考文献
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生物力学固定技术 篇3
【关键词】跳高 起跳 摆动动作 摆动腿
引言
在体育运动中，人的运动都是在大脑皮层支配下，由人体各器官系统的协调活动实现的。但在人体运动中，身体各部分所承担的任务及所起的作用是不相同的，即有主次，由主要部分和配合部分之分。某个动作往往主要是由身体的某个部分完成的，但身体的其余部分的协调配合作用也是很重要的。跳高踏跳主要是由踏跳腿完成，但如果没有两臂和摆动腿的积极配合，起跳动作就难以做好。
一、跳高的概念
跳高是由人体经过一段直线助跑与弧线助跑后，以远离横杆的脚起跳，摆侧手臂，头，肩，腰，髋，两大腿，小腿与脚依次仰卧旋转过杆，用肩，背的上部着海绵堆的一种跳高技术。跳高技术是由助跑，（预先助跑，直线助跑，弧线助跑），过渡阶段，起跳，过杆和落地4部分组成的有机整体。
二、摆动动作的合理配合
摆动动作是指人体肢体为增加全身活动的协调性即增加动作效果而绕某一轴进行的一定幅度的转动。在跑跳动作中，所谓“蹬摆”脱节说明没有很好的利用蹬摆动作的合理配合规律。在实践中，初学者的摆动动作往往落后于蹬地动作，这对踏跳动作是不利的，它会加大踏跳退蹬伸阶段负担使瞪伸动作迟缓。在实践中还会看到另一种情况，所谓“摆动动作超过了瞪伸动作”，即摆动动作过快，超过了蹬地腿负荷能力。只有蹬 摆动作合理配合，才能使动量的传递顺利有效的完成。肢体摆动的配合形式对动作完成效果有很大影响。
三、跳高摆动技术
1.摆动腿的摆动
跳高采用的是屈腿或折叠式的摆动方法。摆动动作在蹬伸阶段减速到接近最高点时的制动动作，可造成身体重心加速向上运动，这样就减少了起跳腿的负荷，达到提高起跳蹬伸动作速度的目的。起跳前摆动腿支撑技术是助跑与起跳衔接的枢纽，具有承上启下的作用。摆动腿支撑技术的好坏直接影响助跑速度的保持和发挥、最后一步的步长、摆动腿的摆动效果以及起跳开始瞬间的身体姿态。
2.两臂的摆动
摆臂的方法有交叉双臂摆动和交叉双臂摆动两种。交叉双臂摆动的方法是，在起跳放腿阶段，随着起跳腿的前伸，起跳腿同侧臂交叉后引，而异侧臂像自然跑进一样向前摆出，但保持在相对较低的位置。当起跳腿同侧臂屈肘前摆时，双臂同时向前上方摆起，带动躯干伸展。交叉单臂摆动方法是，当起跳腿踏向起跳点时，两臂仍然自然的做前后摆动，随着摆动腿的摆动，起跳腿的同侧臂顺势迅速上举。两种摆臂方法在起跳蹬伸结束阶段与摆动腿相配合，采用制动动作，以增加蹬地力量。
3.摆腿和摆臂动作在跳高项目中具有重要意义
（1）协调人体动作，维持人体平衡。（2）摆动所产生的惯性力可反射性的加大地面对人体的支撑反作用力。（3）摆动的结果提高了起跳离地瞬间的身体中心的高度。做摆动动作时，由于摆动环节的质量向上移动改变了身体的质量分布，因而使得人体总中心的相对位置升高。（4）摆动动作的突停，可促进摆动肢体的动量距想全身的转移，增加了躯干和起跳腿向上的速度。
四、结论与建议
1.结论
1.1多数运动员起跳前摆动腿缓冲幅度过大，摆动腿蹬伸不积极，导致助跑速度损失严重，同时也影响了最后一步的步长。
1.2运动员在起跳结束瞬间起跳腿髓、膝、踩三关节没有充分伸展。原因是多方面的：首先与起跳开始瞬间放脚技术有关，放脚技术影响起跳阶段缓冲效果；部分运动员起跳过程中缓冲幅度过大，经相关分析，其原因主要受放脚技术和起跳腿伸肌的离心收缩能力的双重影响；另外还可能与踩关节的力量和柔韧性有关；当然，起跳腿是否充分蹬伸与起跳腿的绝对力量是分不开的。
2.建议
2.1运动员应根据专项技术特点发展摆动腿的力量，改进起跳前摆动腿支撑技术。
2.2建议着重发展起跳腿伸肌的离心收缩能力，离心收缩能力的加强一方面能够防在起跳阶段起跳腿出现缓冲幅度过大的现象；另一方面还有利于把握蹬伸时机，避免蹬伸时机晚而造成身体过早地倒向横杆；另外离心收缩能力的提高还有利于在起跳的冲阶段将助跑所获得的水平动能转化为起跳腿伸肌的弹性势能，时还能提高缓冲阶起跳腿伸肌的离心收缩速度，使神经系统产生较强的牵张性反射，从而有利于起跳腿蹬伸阶段产生较强的向心收
【参考文献】
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生物力学固定技术 篇4
1强度研究
椎弓根螺钉的固定强度主要指骨—螺钉界面的结合强度及固定系统的屈服强度。
1.1椎弓根螺钉的轴向拔出力
目前,研究者多用轴向拔出力评价椎弓根螺钉固定强度,因为轴向拔出力主要由螺钉和其周围的骨组织之间的剪切应力所决定,可以较好地反映骨-螺钉界面结合的初始强度。椎弓根螺钉的轴向拔出力受许多因素影响,包括:螺钉的自身结构、骨密度及置钉方法等。
1.1.1椎弓根螺钉的自身结构,如直径、长度、杆形等均会影响螺钉轴向拔出力。
Polly等[2]研究认为单纯增加螺钉长度不能明显增加固定强度,但如同时增加直径和长度,则两者会发生协同作用增加固定强度。Abshire等[3]及Inceoglu等[4]研究显示不同杆形的螺钉,固定的初始强度不同,圆锥形螺钉的拔出力比圆柱形螺钉的大。Lei等[5]比较4种螺钉的生物力学性能,结果表明,可膨胀螺钉的最大轴向拔出力显著大于其他三种螺钉;在翻修试验中,膨胀螺钉的最大拔出力也大于其他三种螺钉。Lill等[6]设计了一种新型螺钉,这种螺钉的内轴心有2个圆柱形区域,2个区域间是圆锥形的过渡区,外径为圆柱形,试验显示与常规的圆柱形螺钉相比,这种螺钉的拔出力较大,具有更好的锚定作用。
1.1.2骨密度和置钉方法也影响椎弓根螺钉固定的强度。
Halvorson等[7]研究骨密度与椎弓根螺钉固定强度之间关系,结果表明,正常骨质组平均轴向拔出力为(1540±361)N,骨质疏松组为(206±159)N;螺钉的轴向拔出力与骨密度有显著的相关性。对于骨质疏松的患者,骨水泥(PMMA)可提高螺钉的拔出力[8],其他骨填充材料[9,10,11]如:羟磷灰石、磷酸钙骨水泥、硫酸钙骨水泥等也可提高螺钉的拔出力。Linhardt等[12]对两种不同的置钉方法进行评价,与常规置钉技术相比,计算机辅助电视透视下植入的椎弓根螺钉的抗拔出力较大,认为计算机辅助电视透视下置钉能增加螺钉的拔出力。对于安装螺钉前孔道攻丝是否影响拔出力的研究较少。有研究[13]显示骨质疏松的腰椎攻丝后能降低螺钉的拔出力,但攻丝对胸椎椎弓根螺钉的拔出力没有影响。Pfeiffer等[14]在合成材料上的研究也显示骨密度接近20 1b/ft3 (相当于松质骨或骨质疏松的骨质)孔道攻丝后不能增加螺钉的拔出力,孔道攻丝后的螺钉拔出力低于未攻丝的螺钉。
1.1.3椎弓根螺钉扭力矩是否可以反映椎弓根螺钉的固定强度,这一直是许多学者所关心的问题。
有研究显示,椎弓根螺钉术中扭力矩的大小不能客观地反映术后螺钉的固定情况及临床结果的好坏。Okuyama等[15]观察62名椎弓根螺钉固定患者术中的扭力矩,平均随访2.7年,发现术后螺钉松动的患者的扭力矩为(1.28±0.37)Nm,螺钉未松动的患者的螺钉扭力矩为(1.50±0.40)Nm,两者之间没有统计学意义。Ozawa等[16]为了确定老年患者椎弓根螺钉的术中扭力矩是否可以预测术后螺钉的固定强度及临床结果,记录了术中螺钉的扭力矩,随访2.8年,发现术中扭力矩与螺钉松动没有显著相关性,而且术中高扭力矩患者的临床结果与术中低扭力矩患者的临床结果没有区别。Mizuno等[17]推测扭力矩可能与椎弓根螺钉早期的固定强度有关,但两者之间没有统计学意义。
2疲劳研究
疲劳试验是人为的对试件施加一定量预负荷,在一定的频率下,周期性作用于内固定系统直至断裂。所需周期数表示系统在该负荷强度下的疲劳寿命。
Cunningham等[18]对植入聚乙烯柱的不同椎弓根螺钉内固定系统进行了评价。600N、5Hz条件下,纵棒固定系统的断裂平均周期数明显高于钢板系统。Stanford等[19]研究万向螺钉的疲劳特性,结果显示,在75%的极限负荷下,螺钉疲劳的周期数为42 x 103～4719 x 103;在静态和循环加载的情况,疲劳断裂多发生在万向螺钉的头部连接处。Fogel等[20]也得出了相似的结论,100N/s的条件下,万向螺钉的第一个疲劳点多为万向头与螺钉的连接部分。Lei等[5]对可膨胀螺钉进行体外生物力学评价,结果显示,1500000次的循环负荷后,可膨胀螺钉没有断裂或弯曲;可膨胀螺钉与其他三种螺钉的抗疲劳性能相似。Akbay等[21]研究显示在胸椎上采用经关节突螺钉固定与椎弓根螺钉固定相比,刚性及疲劳负荷相似,认为在治疗胸椎损伤时,经关节突螺钉可以代替椎弓根螺钉。Luk等[22]研究两种双皮质骶椎椎弓根螺钉固定效果:一是向上穿过S1终板,二是向前内穿过S1的前皮质,结果显示,20 000次循环负荷后,与穿过S1前皮质的固定方法相比,穿过S1终板的固定方法的螺钉拔出力和扭力矩较大;循环负荷后,两种置钉方法的螺钉拔出力和扭力矩有显著的相关性。Johnston等[23]对比了颈椎椎弓根螺钉和侧块螺钉疲劳试验后的拔出力,结果表明,与侧块螺钉相比,椎弓根螺钉松动几率小、拔出力大。Sterba等[24]在50N、2Hz、2 000次循环负荷后,分析直向进钉和成角度进钉螺钉总的疲劳破坏程度,认为直向进钉时螺钉的疲劳破坏程度较小,提供的稳定程度更大。
通过疲劳研究可以模拟固定系统在体内长期受力情况,借此了解内固定系统的疲劳反应及其变化规律,用以指导内固定系统的设计和临床应用。但是,试验本身具有破坏性,因此只能用于特定的若干负荷模式,同时这种试验也无法显示在不同负荷模式下损伤及固定部位的生物力学特性,而这一点在促进愈合方面常比维持矫形更值得注意。
3稳定性研究
为了全面评价内固定系统的生物力学性能,有学者[25]提出了稳定性试验,这是一种非破坏性试验,可详细地反映固定节段的生物力学特性。稳定性试验包括刚度试验和柔度试验。
3.1刚度试验
刚度试验是将内固定结构的一端固定于实验台上,另一端置于材料试验机的连杆器上。在非破坏范围内对架好的标本施加轴向压力负荷。将连杆器沿标本轴向移动,产生负荷,并改变负荷线的位置以造成不同的负荷模式。Burney等[26]进行体外生物力学试验研究多节段椎弓根螺钉固定时,横向连接装置对固定节段刚度的影响,结果显示,无论是否加用横向连接装置,在人椎体和木制模型上,固定节段的旋转刚度均随椎弓根螺钉数量增多而呈线性增加;在木制模型上,两个横向连接装置能显著增加用12和20个螺钉固定节段的旋转刚度,而对6个螺钉固定节段的旋转刚度没有影响;在人的脊柱标本上,横向连接装置对固定节段的旋转刚度没影响。Valdevit等[27]比较不同的横向连接装置的扭转刚度,认为与水平方向加用连接装置或不加用连接装置的椎弓根螺钉固定系统相比对角线方向加用连接装置的椎弓根螺钉固定系统扭转刚度较大。Rhee等[28]研究C7侧块螺钉(C7LM),C7侧块螺钉+棘突钢丝(C7LM+W),C7、C6侧块螺钉(C6C7LM),C7、C6侧块螺钉+棘突钢丝(C6C7LM+W)及C7椎弓根螺钉(C7PS)的标化刚度,结果显示,所有采用钢丝加强的侧块螺钉固定方法的标化刚度均没有增加;轴向压缩时,C7PS的标化刚度显著大于其它四种固定方法;后伸时,五种固定方法的标化刚度没有区别;屈曲、左右侧弯、左右旋转时,C7PS的标化刚度显著大于C7LM,C6C7LM的标化刚度与C7PS的标化刚度相似。Mahar等[29]研究认为单节段融合时,经皮关节突关节螺钉固定的刚度与椎弓根螺钉固定的刚度相当,并且可以最小程度的破坏软组织及保存临近的关节突关节。
3.2柔度试验
柔度试验即将标本下端固定于试验台上,而其上端仍保持自由。然后,非限制性对标本上端施以一单一力矩,使标本产生多方向位移。Burton等[30]和An等[31]比较不同后路固定方法的稳定性,结果表明,椎弓根螺钉能为损伤节段提供足够的稳定性。Niemeyer等[32]也认为椎弓根螺钉可以加强损伤节段的稳定性,采用椎弓根螺钉固定后,cage的设计和植入方式对节段稳定性的影响很小。Eichholz等[33]比较脊柱前后路固定的稳定性,结果显示,在轴向旋转上,与正常完整椎体相比,后路椎弓根螺钉固定能显著增加损伤节段的稳定性,但前路固定不能。Deviren等[34]研究椎弓根螺钉对失稳脊柱的固定效果。取人尸体胸椎T5～T11节段,制成两种失稳模型:①T5～T11相邻椎体的双侧关节突关节切除(失稳程度小),②T5～T11相邻椎体的双侧关节突关节切除+相邻椎体间的纤维环切除(失稳程度大)。依次采用Min法(T5、T11双侧椎弓根螺钉固定)、Apex法(T5、T8、T11双侧椎弓根螺钉固定)、Alt法(T5、T7、T9和T11双侧椎弓根螺钉固定)、Fullmin法(T5、T6、T10和T11双侧椎弓根螺钉固定)、Fulluniapex法(T5、T6、T10和T11双侧椎弓根螺钉固定;T8单侧椎弓根螺钉固定)、Max法(T5、T6、T7、T8、T9、T10和T11双侧椎弓根螺钉固定)对失稳模型进行固定,结果显示,与正常完整状态和第一种失稳状态相比,各种固定方法均能显著减少节段的活动范围;Max法稳定性最大,Min法稳定性最小。Beaubien等[35]研究显示,前路腰椎钢板固定的稳定性虽然小于椎弓根螺钉和椎板螺钉,但前路钢板可以作为后路固定的辅助系统以加强损伤节段的稳定性。Slucky等[36]比较①TLIF (经椎间孔腰椎椎体间融合)+双侧椎弓根螺钉固定、②TLIF+单侧椎弓根螺钉固定、③TLIF+单侧椎弓根螺钉固定+对侧关节突螺钉固定对失稳模型的固定效果,结果显示,三种固定方法均能减少节段的活动范围;①与③固定提供的稳定性相当;与①、③相比,②固定提供的稳定性较小。
与前两种破坏性试验不同,稳定性试验不会对固定装置和脊柱标本造成破坏,同时可以测试多种载荷模式,因此该类实验获得的数据更多,可以提供更为全面的骨折固定部位或融合部位局部生物力学环境的变化,因而在临床上意义更大。
4有限元研究
近年来,三维有限元法(finite element method,FEM)在脊柱生物力学研究方面的应用日益增多。随着计算机技术的不断更新,有限元法所构建的三维非线性模型不仅能逼真地模拟椎骨、椎间盘,还能将周围的韧带、肌肉直接或间接地加入模型,使模拟更加真实和完美。用三维有限元构建的脊柱模型对内固定系统进行力学评价,能较全面的反映不同固定系统的生物力学性能,椎弓根螺钉固定后受力情况,分析螺钉弯曲和螺钉断裂的机制等。
目前,许多学者利用有限元对脊柱固定系统进行生物力学的评价和研究。Lim等[37]采用有限元对腰椎椎弓根螺钉固定系统的生物力学特性进行评价,结果显示,与常规横向加用连接装置的椎弓根螺钉固定系统相比,对角线方向加用连接装置的螺钉固定系统在前屈和后伸时更加坚固;在侧弯、轴向旋转时相对较弱,而且应力也相对较大,这对横向连接装置的设计具有一定的指导意义。Chen等[38]用有限元法对螺钉-骨复合体中力的传导机制进行研究,结果显示螺钉在椎体中受到一系列不连续的载荷,产生局部的弯曲力矩;螺钉的最大应力作用在螺钉底部与螺纹的交界处,这与临床上观察的螺钉断裂部位相一致。Chen等[39]采用有限元的方法对螺钉的载荷进行分析,结果表明,后外侧融合后,固定系统下端螺钉的轴向应力大于上端螺钉的轴向应力,这一结果支持临床上75%的螺钉断裂发生在下端螺钉的事实。Hsu等[40]对比了圆锥形钉和圆柱形钉的拔出力和扭力矩,有限元分析及力学实验均显示圆锥形螺钉的拔出力和扭力矩显著高于圆柱形螺钉。
与上述的三种研究方法不同,三维有限元法是采用计算机技术对脊柱模型和固定系统进行构建,借此研究固定系统的生物力学性能。该方法具有费用低、节省时间、可重复性等优点。但三维有限元毕竟是采用计算机技术对脊柱或固定系统进行模拟和重建,并不能真正的反映固定部位的生物力学环境。因此该方法还有待进一步完善。
5展望
生物力学固定技术 篇5
【关键词】马拉松；跑步技术；生物力学
On the Current Biomechanical Research of Marathon
CHEN Yu-xia
(Henan Institute of Sport Science, Zhengzhou, Henan 450044)
【Abstract】 After consulting documents and experts, and collecting the current research related to marathon, we find that there are a dozen indicators on kinematics and dynamics on the research of marathon. A comprehensive analysis of these indicators offers references for the future biomechanical research of marathon.
【Keywords】 marathon; running technique; biomechanics
1 引言
马拉松运动不仅是一种运动，而且体现着挑战自我、超越极限、坚忍不拔、永不放弃的精神。如今马拉松的赛事愈来愈多，参赛的人数猛增，运动水平也突飞猛进。马拉松跑的技术大致和长跑技术相似。由于它的距离长，并且是在地形不一的公路上进行，因此在技术上有其独有特点。在跑步时，上体微向前倾或正直。后蹬的力量较小，大腿向前上方的摆动比较低。从外形上看，蹬地后小腿向上摆的动作比长跑小些。脚的落点离身体重心投影点较近，并且用全脚掌或脚的外侧先着地，再过渡到全脚掌，着地时应柔和而有弹性，脚应很好地弯曲、缓冲。两臂的摆动要自然，幅度不要过大。在加速跑、终点冲刺和上坡跑时，两臂配合双腿做积极的摆动，有利于跑速的提高。步长和步子的频率应结合运动员的训练水平、身高、体重而确定，并根据途中地形的不同而进行调整，以保证用比较均匀的速度跑完全程。
但目前对马拉松赛跑的成绩与跑步技术动作的科学研究偏少，很大程度上阻碍了该项运动的发展，因此，探索马拉松运动跑步动作技术的最有效方法对普及与提高我国马拉松运动的发展具有重要的意义。
2研究方法
本文主要是通过文献资料法和专家访谈法进行研究。
3研究结果与分析
马拉松比赛数据显示，各个运动员运动水平不同，跑步速度不一样，故而生物力学运动机制也不尽相同。不同的速度给不同水平运动员的比较带来了困难。步长和步频经常重复被应用于马拉松长跑的研究中，但即使是这些常用的参数，有时候也会得到自相矛盾的结果。
有研究表明〔1〕，我国马拉松运动员体重较轻、身体质量指数(BMI)较低。体重轻能够提高跑的经济性,并能够减轻脚落地时的冲击力。然而,徐茂典〔2〕在对男女5000m、10000m和半程马拉松跑各组运动员的研究发现,马拉松跑的成绩与年龄、身高、体重、身体质量指数之间不存在相关性,而且优秀组运动员和国家级组运动员的身体特征差别不大。徐茂典的研究认为，马拉松跑的成绩与5000m、10000m和半程马拉松跑的成绩高度相关。因为持续时间超过3min的赛跑主要依靠有氧代谢供能，所以那些5000m和10000m跑得快的运动员,马拉松跑的成绩相应较好。
部分长距离跑的生物力学研究，试图从不同水平运动员的肌肉横截面积情况或者是新陈代谢水平着手。也有研究从解剖学、生物力学和损伤敏感度展开，假设减少损伤将会使运动员得到更好的训练和比赛时的发挥。不过，令人失望的是，大多研究的结果是比较矛盾的、含糊不清的。如KeithR.Williams在对八名穿着两种不同鞋子的长跑运动员跑步时足内旋最大角度进行了对比，得到的是有两名运动员和其他六名运动员相反的结果。宋雅伟等人〔3〕通过对马拉松跑鞋和网球鞋进行比较研究发现，鞋的前脚掌厚度和后鞋掌厚度与不同表面的摩擦力有不同的相关程度。不同鞋底花纹与花纹深度与不同表面摩擦力的相关性不具有显著的差异性。
EnomotoY,AeM.在对肯尼亚长跑运动员和日本长跑运动员进行生物力学方面的比较研究中〔4〕，通过观察不同运动员的步长、步频、下肢关节角度和角速度、躯干前倾角度、脚前掌离地时的踝关节角度和支撑时的踝关节角度变化，以及摆动时大腿小腿运动的角速度，得出肯尼亚长跑运动员和日本长跑运动员最显著的区别在于躯干前倾度角度和下肢质心的运动。肯尼亚长跑运动员的躯干前倾角度大于日本长跑运动员的躯干前倾角度，肯尼亚长跑运动员的下肢质心较日本长跑运动员下肢质心有更大的运动幅度和更快的运动速度，从而在每个跑步周期腿能够更大跨度且更快地向前摆动。而且，肯尼亚长跑运动员的膝关节峰值力矩和功率也均大于日本长跑运动员的膝关节峰值力矩和功率。
国家体科所的教授从生物力学专业角度对马拉松跑步选手进行了技术分析。采用两台德国basler高速摄像机分别放置在马拉松比赛路线的15公里处和39公里处。分析马拉松队员的跑步着地类型、着地时间（T0）、着地瞬间至全脚掌着地时间(T1)和腾空时间(T2)等指标。对15公里处和39公里处专业组的受试者跑步着地类型进行对比分析发现，跑步时采用脚跟着地的受试者比例从15公里处的98.4%下降到39公里处的91.3%。造成差异的原因可能是39公里处接近终点，部分运动员进入冲刺阶段而改变了跑步的着地方式。通过对15公里处和39公里处专业组各指标的平均值进行对比分析，研究发现受试者在15公里处的着地时间要小于39公里处的着地时间，受试者在15公里处的着地腾空时间均要大于39公里处相应的指标。造成这些指标差异的主要原因是受试者在15公里处的跑步速度要快于39公里处的跑步速度。
一些研究马拉松跑步者在研究中提出，可能分析单个个体长跑运动员比研究整个马拉松长跑组群更有意义。一个行之有效的方法，是针对马拉松优秀个体，对其身体结构和身体机能进行单独研究。正如我们不能要求所有参赛队员都穿同样大小的鞋子一样，每个运动员的最佳跑步机制也不可能完全相同。
4结论
目前对马拉松跑的生物力学研究较少，且没有明确一致的结论。这可能是由于在对马拉松跑步技术进行研究中，除了对不同水平运动员进行比较研究之外，还有运动员的男女性别问题以及人类种族遗传问题需要考虑。
运用生物力学知识认识跑步动作技术的结构，深入探讨马拉松运动员跑步动作的合理化运动机制，采用最为合理的跑步技术提高马拉松跑步的成绩，减少马拉松跑步中创伤疾患的发生，提供科学实用的马拉松跑步技术方法，在马拉松长跑运动中具有十分重要的意义。
参考文献
〔1〕 夏伟恩.优秀马拉松运动员身体素质与年龄结构〔J〕.田径, 2002(10): 15.
〔2〕 徐茂典.我国优秀马拉松运动员的训练特点〔J〕.体育科学研究, 2010(10): 72-75.
〔3〕 宋雅伟,孙天瑜等.网球鞋与马拉松鞋鞋底摩擦力的实验研究〔J〕.实验室研究与探索，2009(7):29-32.
生物力学固定技术 篇6
1资料与方法
1.1标本制取:使用8例新鲜的人体(C2~T5)颈胸段脊柱标本,标本年龄21~42岁,平均(35.9±3.8)岁。全部标本经影像学检查确认无结构畸形和肿瘤等影响试验的因素,标本骨密度均近似。清除标本的脂肪和肌肉,并注意保留骨性结构韧带和关节的完整,后密封存储于-20 ℃。
1.2脊椎的切除和重建:对椎体切除为5~8区,全脊椎切除为1~12区。 椎体内固定重建前路使用钛网进行椎体的重建,Orion前路钢板进行固定;后路使用SUMM IT螺钉枕颈胸钉棒系统进行固定,模拟临床的T1肿瘤破坏程度,颈胸段的内固定重建方式分为8种形式:1不做处理的对照标本(IS);2椎体切除+前路钢板固定(C+AP);3全脊椎切除+前路钢板固定+钛网椎体重建(S+AP);4全脊椎切除+前路钢板固定+钛网椎体重建+T1的肋椎关节切除(S+AP+CVD);5全脊椎切除+前路钢板固定+钛网椎体重建+后路颈胸椎弓根固定+单节段固定(S+AP+PPS+S);6全脊椎切除+前路钢板固定+后路颈胸椎弓根固定+双节段固定(S+AP+PPS+M);7全脊椎切除+后路颈胸椎弓根固定+双节段固定(S+PPS+M);8全脊椎切除+后路颈胸椎弓根固定+ 单节段固定(S+PPS+S)。
1.3器材准备和测量:在标本的上下端均制作好骨水泥平台,试验中椎体位移的测量采用KG-101高精度的微距测量仪,施加负荷为50、 100、150、200、250牛顿,逐级增加,负荷的加载模拟人体生理运动的左右侧屈和前屈后伸的方式,并保证加载平稳。使用前2 h解冻,后做好测量的接线等准备。测量时模拟生理活动每一次加载30 s内行数据测量一次。
1.4统计学处理:使用SPSS17.0软件进行统计分析,计量资料使用方差分析。
2结果
颈胸段全脊椎切除后不同重建方式在载荷下的平均应变和平均位移和平均刚度情况:试验未出现固定物的损坏和骨折; S+AP+PPS+M、S+AP+PPS+S、C+AP、S+PPS+M、S+PPS+S这5种固定方式在后伸(Flex)、屈曲(Ext)以及侧屈(LB)的应变全小于正常标本,稳定性较好;S+AP+PPS+M和S+AP+PPS+S与IS的平均应变、平均位移和平均刚度比较具有显著差异(P<0.05),而两组相互均无显著差异(P>0.05);S+AP和S+CVD+AP与IS的平均应变、平均位移、平均刚度比较均具有显著差异(P<0.05)。见表1。
3讨论
摘要：目的 研究脊柱颈胸段行全脊椎切除术后,几种可行的内固定重建方式的各自生物力学特点和优劣。方法 使用新鲜的人体颈胸段脊柱标本8例进行研究。标本未做任何破坏处理的情况下全部进行力学分析,之后按照脊柱肿瘤的解剖分区进行T1椎体的切除,后路使用SUMM IT螺钉枕颈胸钉棒系统进行固定,前路使用钛网和颈椎前路带锁Orion钢板给予内固定。固定方式共分为8种。使用非破坏性的生物力学测试方式对每种形式的固定进行测试。结果 前路钢板固定加后路的椎弓根固定方式优于单纯行前路固定和单纯行后路固定的刚性。结论 颈胸段全脊椎切除术后,单纯的前或后路内固定重建方式稳定性较差,前后路联合固定具有较好的稳定作用。
关键词：全脊椎切除,内固定,生物力学
参考文献
[1]李冬月,刘晓光,刘忠军.全脊椎切除及脊柱稳定性重建治疗颈胸段脊柱肿瘤的疗效分析[J].中国脊柱脊髓杂志,2014,24(11):964-970.
[2]杨强,李建民,杨志平.全脊椎整块切除术治疗胸腰椎肿瘤及稳定性重建结果[J].中华肿瘤杂志,2013,35(3):225-230.
生物力学固定技术 篇7
关键词：髌骨,骨折,内固定术,生物力学
髌骨骨折是一种常见的关节内骨折, 它占所有骨折的1.65%[1], 复 位标准要求解剖复位。其内固定方法较多, 有克氏针、螺钉、记忆合金、解剖钢板、钢丝、可吸收线、人工韧带张力带内固定等, 其中克氏针加钢丝的张力带内固定得到了临床医生的广泛认可。但克氏针加钢丝的张力带内固定在临床上有许多并发症, 如术中在术野内扭曲克氏针时空间受限, 克氏针移位或钢丝断裂而致内固定失效, 克氏针穿破皮肤引起感染, 针尾触痛影响功能锻炼, 应力集中钢丝勒断骨质, 骨折块严重粉碎不易固定等。作者于2004年10月至2006年12月, 在临床上试用改良的预置带孔克氏针加可吸收线构建的张力带系统内固定治疗髌骨骨折, 取得了良好疗效[2], 但可吸收线能否完全代替钢丝在理论上缺乏依据。为此, 作者通过复制髌骨横断性骨折标本, 分别以克氏针结合可吸收线与结合钢丝张力带固定后进行生物力学测试, 通过稳定性试验与破坏试验的比较, 了解它们能否满足髌骨骨折的固定要 求。
1 材料和方法
1.1 实验材料
取13具新鲜尸体左右膝关节标本, 年龄20～40 岁, X线片证实无膝关节疾患, 除保留股四头肌腱和髌韧带外剔除所有髌旁软组织。在髌骨横轴上分成3等份, 分别于内1/3处、中1/3处, 自髌骨下极向上极钻入直径2 mm的克氏针。克氏针上每间隔40 mm横行预钻孔一个, 直径1 mm, 以便穿可吸收线或钢丝以构建张力带系统。在髌骨纵轴上中点处作水平标线, 水平锯断, 将髌骨一分为二, 制成髌骨横断骨折模型。标本冷藏保存于-20℃冰柜中, 实验前12 h取出自然解冻。
1.2 实验方法
将26个髌骨标本随机分成两组, 每组13个, 制成髌骨横断骨折。两组均使用2根直径2 mm的克氏针固定。一组用克氏针加双股可吸收线行张力带固定, 另一组用克氏针加直径0.8 mm的钢丝行张力带固定。可吸收线组采用美国强生公司生产的2号“薇乔”线, 直径约0.8 mm。该缝线通过水解反应, 4～5周开始降解, 56～70 d之间在体内完全吸收和代谢。
距髌骨骨折线1 cm处, 在髌骨上下极部位, 分别用4根直径2 mm、长50 mm的克氏针水平方向钻入髌骨骨折块中, 用薄层橡皮泥包埋暴露于髌骨外的内固定材料 (2根克氏针两端、髌骨前面的可吸收线、钢丝) 以模拟体内状况。距髌骨骨折断面0.5 cm处, 与髌骨体三维空间平行, 做2个8 cm×8 cm×8 cm的牙托粉正方体, 分别包埋于髌骨标本的上下端 (两个正方体相距1 cm) 。干固后将标本采用夹具在MTS 858 Min Bionix试验机 (美国, MTS系统公司) 上行标本生物力学检测, 用推压杆进行顶伸折曲试验, 以50 N/s匀速施压, 试验机自动记录压力与推压杆位移情况, 以骨折线分离为终点。
重新固定克氏针、可吸收线及钢丝, 然后进行拉力 (破坏) 试验, 对两端牙托粉固体块以50 N/s匀速施加牵拉力, 记录牵拉力与骨折端位移情况。
骨折移位的测量:将MTS实验机上线性运动传感器安放在远近骨折块前面, 记录骨折间隙相对移位的距离, 当骨折块移位3 mm时表明内固定失效, 同时记录牵拉及折压的力量[3]。
1.3 统计学分析
采用SPSS 13.0统计软件进行分析, 实验数据以undefined表示。采用t检验, P<0.05为有统计学意义。
2 结 果
固定失效时最大折压力:可吸收线张力带组 (713.13±88.75) N, 钢丝张力带组 (958.38±67.49) N;固定失效时最大牵拉力:可吸收线张力带组 (358.45±27.75) N, 钢丝张力带组 (532.91±153.49) N。
3 讨 论
3.1 克氏针加钢丝张力带治疗髌骨骨折的优缺点
克氏针加张力带内固定治疗髌骨骨折是目前临床上最常用, 效果最好的方法。它操作简便、固定可靠、费用较低, 但在临床实践中常常发生一些并发症[4]。作者[2]于1995～2004年用传统克氏针加钢丝张力带内固定治疗髌骨骨折58 例, 其中针尾触痛影响功能锻炼10 例, 克氏针移位3 例, 张力带脱落3 例, 穿破皮肤引起感染3 例, 钢丝断裂1 例, 髌股关节骨关节炎4 例, 总并发症发生率达30%以上。2004年10月以后, 我们以改良克氏针加可吸收线张力带内固定治疗髌骨骨折。其原理是采用克氏针尾部打孔穿可吸收线张力带的方法, 既防止克氏针移位、张力带脱落和内固定失效, 又避免克氏针旋转, 针尾向外戳破皮肤产生皮肤触痛、感染。并且骨折愈合后取内固定物方便可行, 减轻了患者的痛苦, 降低了医疗费用, 在临床上取得了良好的效果。但从生物力学角度分析, 可吸收线能否代替钢丝作为张力带内固定材料的问题未得到试验证实。本实验证实, 改良克氏针加可吸收线张力带固定髌骨骨折的稳定性、结构强度与传统克氏针加钢丝张力带无显著性差异, 在临床上可吸收线完全可以替代钢丝作为张力带材料。
3.2 可吸收线张力带治疗髌骨骨折的可行性
张力带固定髌骨骨折多年来一直是人们研究的热点[5,6,7,8,9], 经历了从不可吸收线[5,6,7,8]到可吸收线[9,10]的过程。有作者[5,6]用不可吸收缝合线治疗髌骨骨折, 缪荣明[9]单用可吸收线来固定认为也可以达到固定的效果。
谢扬等[10]比较了可吸收线张力带和钢丝张力带即时和疲劳后在0～300N拉力状态下的骨折线分离情况, 钢丝张力带比可吸收线张力带强, 疲劳后则相反, 超过300N则两者无显著性。
内固定失效的标准定为骨折端相对移位3 mm。Bostman等[11]认为骨折块分离小于3 mm对临床效果不产生任何副作用。因此, 据此标准测定的固定强度对临床应用很有意义。
本研究表明, 固定失效时最大压力和牵拉力以及可吸收线张力带和钢丝张力带效果相当。临床实践也证明此方法的确可行[2]。多数报道[5,6,7,8,9]认为它不但承袭了钢丝内固定的优点, 适应范围更广, 并弥补了钢丝张力带的弊端, 可用于各种类型的髌骨骨折。
总之, 可吸收线作为张力带材料, 经生物力学实验与钢丝比较, 有如下优点:a) 简便了第二次取除内固定的操作, 减少患者的组织创伤, 降低了患者的医疗费用;b) 同样达到内固定要求, 有较好的临床应用前景。因此, 可吸收线完全可以替代钢丝作为张力带材料应用于临床并适于推广。
参考文献
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[10]谢扬, 黄永豪, 杨扬震, 等.可吸收线与钢丝张力带治疗髌骨横断骨折的生物力学评价[J].中国临床解剖学杂志, 2004, 22 (4) :411-413.
生物力学固定技术 篇8
关键词：胫骨平台,生物力学,固定钢板,关节周,下颌髁
胫骨平台双髁骨折发生率极低,是外科手术和手术设计的重大挑战[1,2]。典型干骺端、关节粉碎以及脆弱软组织膜损伤都需要手术治疗,并可能导致明显的术后并发症。20%~70%胫骨平台双髁骨折患者治疗过程中出现并发症,且预后极差[3,4],因此需要持续改进治疗方式。目前,高胫骨平台双髁骨折的治疗方法仍然存在争议,学者依据特定的骨折类别、软组织膜完整性和骨质量,研究出多种固定方法。为让关节能够早些活动和负重,本研究重建关节协调性,进行解剖学复位,恢复关节稳定性,并权衡保护可能出现的局部生物环境变化。传统固定方法包括使用双侧支撑钢板、外侧支撑钢板联合小块后内侧钢板、混合外固定器以及近期使用的外侧锁定钢板。
传统双钢板骨固定术需要切开可疑的软组织膜并用钢板压迫骨头,可能对骨膜局部纤细的血管存在潜在危害。大量文献证明,传统固定方法存在伤口裂开、深层组织感染、腔室综合征、延迟愈合、骨折不愈合、复位丢失、腓侧麻痹、钢板出现问题以及关节纤维化等并发症,治疗效果不稳定[5,6]。虽然使用混合外固定器不再需要大范围的手术解剖,但是仍有许多并发症发生,如浅表和钉孔感染、骨髓炎、化脓性关节炎、内翻足错乱排列和膝运动损伤等[7,8]。
以往复杂性双髁骨折固定方法的生物力学研究使用的是微创内固定系统 (less invasive surgical system,LISS)胫骨近端锁定钢板,这是一种大段的钢板,由5.0 mm锁定钢钉构建而成[9]。新胫骨近端锁定钢板可以选择不锈钢植入物。目前,尚未见不同尺寸胫骨近端锁定钢板在单纯胫骨近端骨折模型中的生物力学比较报道。本研究旨在比较3.5和4.5 mm胫骨近端锁定钢板固定胫骨平台内、外髁骨折 (Schatzker Ⅴ型)模型和胫骨平台髁骨折伴干骺端分离骨折(Schatzker Ⅵ型)模型的整体稳定性。
1材料与方法
1.1材料选择
人尸体骨标本骨质量差异较大,因此本研究选择合成材料使待测样本统一。复合胫骨的优势包括样本间差异较小,易于获得和处理,不易降解。
1.2钢板固定方法
建立Schatzker胫骨平台 骨折模型 , 分为SchatzkerⅤ和Ⅵ型两个组。骨折模型解剖复位后,使用3.5或4.5 mm钢板固定,共测试24个模型,每组12个。其中6个模型用3.5 mm钢板固定,6个用4.5 mm钢板固定。在Schatzker Ⅴ型胫骨平台骨折模型钢板近端面放置3个软骨锁定钢钉,在骨干外侧放置1个支架锁定钢钉并打入到内侧胫骨平台的软下骨,另外2个锁定钢钉从钢板远端面打入胫骨干, 骨干钢钉明显长于体内通常使用的钢钉(见图1)。
1.3两种钢板植入后效果检测
模型保持站立姿势,使用骨水泥将胫骨复合材料安装到夹具上。将骨植入物安装至MTS电液伺服试验机。植入物按100 N/s的速度加载负荷到500 N, 使用球形载荷装置将负荷加载于内侧胫骨平台上。
3 Hz时,每块胫骨循环性加载50~500 N,共计105个循环。分别在有500 N加载和没有加载下,测量第10、100、1 000和10 000循环的位移。测试该结构极限抗拉力。从500 N开始施加轴向压力,逐渐增加直至失效。内侧髁关节面位移 >3 mm即为失效。
1.4统计学方法
采用SPSS 19.0统计软件进行数据分析,计量资料以均数±标准差(x±s)表示,用t检验,P <0.05为差异有统计学意义。
2结果
2.1两种钢板对SchatzkerⅤ型骨折模型生物力学的影响
Schatzker Ⅴ型骨折模型内侧髁循环加载500 N, 结果显示,10、100、1 000和10 000次循环后,两种钢板内侧段的向下位移比较差异无统计学意义(见表1);两钢板间弹性变形比较差异无统计学意义。 而不加载500 N的循环加载结果显示,在测量的循环中,两种钢板内侧段的向下位移比较差异无统计学意义(见图2);两钢板间塑性变形比较差异无统计学意义。Schatzker Ⅴ型骨折模型 >1 000个循环后,3.5 mm钢板的塑性变形有增加趋势,但两种钢板的塑性变形比较差异无统计学意义。
2.2两种钢板对SchatzkerⅥ型骨折模型生物力学的影响
Schatzker Ⅵ型模拟骨折模型内侧髁循环加载500 N,结果显示,10、100、1 000和10 000次循环后, 两种钢板内侧段的向下位移比较差异无统计学意义;两种钢板的弹性变形比较差异无统计学意义(见表2)。不加载500 N的循环加载结果显示,在测量的循环中,两种钢板内侧段的向下位移比较差异无统计学意义(见图3)。Schatzker Ⅵ型骨折模型 >1 000次循环后,3.5 mm钢板的塑性变性有增加趋势,但两种钢板的塑性变性比较差异无统计学意义。
2.3两种钢板固定失效后轴向载荷比较
Schatzker Ⅴ型骨折模型中,4.5 mm钢板的固定失效时轴向载荷明显高于3.5 mm钢板(P =0.053)。 Schatzker Ⅵ型骨折模型中,4.5 mm钢板的固定失效时轴向载荷高于3.5mm钢板,但差异无统计学意义 (P =0.214)。见图4。
3讨论
随着固定钢板技术的发展,学者研发出各种解剖上预成型的新型钢板,以满足不同骨折的需求,如肱骨近端、股骨近端和股骨远端、胫骨近端和远端[10]。 本研究旨在比较3.5和4.5 mm胫骨近端钢板固定Schatzker Ⅴ、Ⅵ型骨折模型的整体稳定性,分析和探讨两种钢板固定对Schatzker Ⅴ、Ⅵ型骨折模型的生物力学强度。
基于线性载荷、循环载荷和固定失效时的载荷数据,使用3.5和4.5 mm锁定钢板治疗单纯性胫骨平台双髁骨折,在生物力学方面比较两者差异无统计学意义。以往对复杂性胫骨平台双髁骨折进行的生物力学研究都将重点集中于LISS胫骨近端锁定钢板;LISS胫骨近端锁定钢板是由5.0 mm锁定钢钉构建的大段钢板。
EGOL等[11]使用外侧钢板和前内侧抗滑钢板比较LISS钢板和双层钢板的使用。给予样本500 N轴向载荷后,不同结构比较差异无统计学意义。加载500 N的循环载荷后,位移差异有统计学意义。但一旦撤销载荷,位移差异无统计学意义。笔者认为,循环荷载的差异是因为与双层钢板结构中使用的不锈钢植入物比较,LISS钢板的弹性模量更低。
尽管笔者发现锁定钢板的位移更大,但其他学者仍然认为该固定方法足以充分治疗胫骨平台双髁骨折。EGOL等[11]的临床应用研究显示,38例Schatz ker Ⅴ、Ⅵ型胫骨平台骨折患者接受LISS钢板治疗, 其中36例(94%)患者4个月后骨折愈合,无固定失败或感染。EGOL等[11]认为,发生的微动可能会引起后续骨折愈合,并合理解释临床上X射线检查中发现的干骺端部位的位痂。本研究使用的锁定钢板为不锈钢材质,比LISS钢板更硬。
GOSLING等[12]也使用外侧和前内侧抗滑钢板比较单层外侧锁定钢板和双层钢板,观察4个不同负载(400、800、1 200和1 600 N)的塑性变形(不可逆)和弹性变形(可逆)。塑性变形是样本上负载撤消后存在的沉降量,而弹性变形则是有负载时的沉降量。GOSLING等[12]研究表明,样本中发现的最大沉降主要是可逆或弹性的并依赖于固定技术,且锁定钢板组最大沉降明显更高。两种固定方法的不可逆或塑性变形量没有区别。GOSLING等[12]认为该差异是由于锁定钢板组骨折块间没有压迫,锁定钢板组的样本仍保留干骺端的裂缝。GOSLING等[12]还指出因为微动可提高骨折处骨痂形成;因此,较大量的可逆运动可能是可取的。分析文献可得出这样的结论, 即锁定钢板与双层钢板结构的塑性变形量相似,但软组织剥离较少,因此可能是一种更好的用于治疗复杂骨折的结构。GOSLING等[12]的研究只包括20个循环的测试。笔者进一步进行测试,包括固定失效的载荷和疲劳测试,进一步证明使用锁定钢板治疗这些复杂骨折的有效性。
值得注意的是,锁定钢板可以模拟外固定的机械性能。本研究显示,如果为非骨质疏松骨,且骨折模式简单,能够允许负载在移植物和骨骼上真实分配, 则在治疗这种胫骨平台Schatzker Ⅴ、Ⅵ型骨折时, 并非总是需要4.5 mm胫骨近端锁定钢板骨钉,可用3.5 mm钢板替代,因为本研究中,3.5 mm钢板能够提供类似的、足够的固定功能。
本研究中,每种钢板的整体位移不同,差异无统计学意义。3.5 mm钢板有明显的初始位移,1 000个循环后,发现该位移呈线性增加。而4.5 mm钢板位移的线性变化程度更高。这可能是由于薄板取代初始位移需要的初始循环少于厚板,而两种钢板负载循环的进展性能相似。本研究中,每个钢板的趋势略有不同。3.5 mm钢板的位移线性趋势更明显,而4.5 mm钢板则较不稳定。这可能是因为两板间放置钢钉的细微差异,以及在相距较远的时间测量位移,图形的数据点越多,越能更准确地反映出结果趋势。
本研究结果可应用到骨质足够,没有粉碎或骨折间隙程度较小的Schatzker Ⅴ、Ⅵ型骨折。与预期一致的是,3.5 mm比4.5 mm钢板的塑性和弹性变形趋势更明显。该种现象可以解释为何两种结构中不同钢板类型固定失效时的载荷差异无统计学意义。3.5 mm钢板的塑性和弹性变形可能允许大的非粉碎性骨折碎片承受一些压缩力,从而导致继发的稳定性,这正是4.5 mm钢板所缺乏的。但该现象不适用于骨质差、愈合能力差的粉碎性骨折患者。此外, 3.5比4.5 mm钢板使用更自由、凸出部分较小,有助于避免潜在刺激和植入物相关的伤口愈合。同时,选择小段钢板可以实现软骨下多点固定,定位更近,使关节粉碎处有更多支撑。
与所有生物力学研究一样,本研究也有一些局限性。本研究采用没有软组织附着的合成胫骨测试钢板性能,合成胫骨的生物力学性质类似于尸体和人类骨骼,但并非人体样本。加载负荷到内侧胫骨平台检测模型,但这种加载不完全是生理性的,不能再现走路中胫骨平台上的复杂载荷。虽然本实验对结构的最大力臂进行测试分析,但没有创建有骨折间隙的模型,因此研究结果不能应用于粉碎性骨折。
生物力学固定技术 篇9
本工作以海带为生物吸附材料,采用海藻酸钠和明胶作为固定剂,制备了固定化海带生物吸附剂,并研究了该吸附剂对Ni2+的等温吸附过程和动力学特性。
1 实验部分
1.1 材料和仪器
海藻酸钠、明胶:化学纯;氯化钙、NiSO4·7H2O:分析纯。
7554-85型蠕动泵:Cole-Parmer 公司;FD-1 PF型冷冻干燥机:北京德天佑科技发展有限公司;Optima 2100/5000型电感耦合等离子体原子发射光谱仪:珀金埃尔默仪器有限公司。
1.2 吸附剂的制备
新鲜海带用去离子水冲洗,冷冻干燥24 h,粉碎至粒径为0.3～80 μm的粉状,置于干燥器中待用。
将质量分数为2%的海藻酸钠和质量分数为0.5%的明胶溶解于一定体积的去离子水中,经加热搅拌形成胶液,将海带粉加入胶液中,搅拌均匀形成混合胶体。用蠕动泵将混合物滴入质量分数为4%的氯化钙溶液中,形成小球状的生物吸附剂,固化4 h,过滤,用去离子水冲洗并浸泡1 h,滤出小球,冷冻干燥12 h,制得粒径为2 mm左右的固定化海带生物吸附剂。
1.3 对Ni2+的吸附实验
用NiSO4·7H2O和去离子水配制成一定质量浓度的镍溶液,取100 mL镍溶液置于300 mL锥形瓶中,加入0.25 g固定化海带生物吸附剂,在pH为6、25 ℃的条件下振荡吸附,每间隔一定时间取一定体积吸附后的镍溶液真空抽滤,采用原子发射光谱仪测定其中的Ni2+浓度。
1.4 Ni2+吸附效果的评价方法
采用吸附量和去除率来评价固定化海带生物吸附剂对Ni2+的吸附效果,见式(1)和式(2)。
undefined (1)
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式中:qe为平衡吸附量,mg/g;ρo为Ni2+的初始质量浓度,mg/L;ρe为吸附平衡时Ni2+的质量浓度,mg/L;V为溶液体积,L;m为吸附剂质量,g;η为吸附剂对Ni2+的去除率,%。
2 结果与讨论
2.1 吸附时间对固定化海带生物吸附剂的Ni2+吸附量和Ni2+去除率的影响
在Ni2+初始质量浓度为80 mg/L、pH为6、25 ℃的条件下,吸附时间对固定化海带生物吸附剂的Ni2+吸附量和Ni2+去除率的影响见图1。由图1可见,固定化海带生物吸附剂对Ni2+的吸附分为3个阶段。第一阶段为快速吸附,吸附速率较大,在吸附40 min时吸附量达到平衡吸附量(20.7 mg/g)的84%;第二阶段为缓慢吸附,吸附速率较小,在吸附60 min时吸附量达到平衡吸附量的92%;第三阶段为吸附平衡,在180 min时达到吸附平衡。固定化海带生物吸附剂对Ni2+的去除率随时间变化的规律与吸附量变化规律相似。董新姣等[7,8]研究铜绿假单胞菌吸附Cu2+的吸附动力学和橘皮对锌的吸附动力学也有类似的规律。
去除率; 吸附量
2.2 Ni2+初始质量浓度对固定化海带生物吸附剂的Ni2+吸附量和Ni2+去除率的影响
在pH为6、25 ℃的条件下,Ni2+初始质量浓度对固定化海带生物吸附剂的Ni2+吸附量和Ni2+去除率的影响见图2。由图2可见,随Ni2+初始质量浓度的增加,固定化海带生物吸附剂对Ni2+的去除率几乎呈线性下降,固定化海带生物吸附剂的Ni2+吸附量则随Ni2+初始质量浓度的增加而增大。这是因为,Ni2+初始质量浓度较低时,Ni2+与吸附剂可以充分接触,所有的Ni2+均可与吸附剂作用,Ni2+去除率较高。但吸附剂的吸附位点是一定的,当吸附达到平衡时,吸附位点饱和,Ni2+初始质量浓度再提高时,Ni2+去除率则降低。Ni2+初始质量浓度越高,在驱动力上越有助于克服Ni2+在吸附剂和液体之间的迁移阻力,提高迁移动力;另外,Ni2+初始质量浓度提高也增加了Ni2+与吸附剂碰撞的几率,使固定化海带生物吸附剂的Ni2+吸附量逐渐增大。但由于吸附剂吸附容量的限制及溶液中Ni2+浓度的降低,随着吸附的进行,固定化海带生物吸附剂的Ni2+吸附量增加趋势逐渐变缓[9,10]。从图2还可看出,Ni2+初始质量浓度低于50 mg/L时,Ni2+去除率保持在60%以上,说明固定化海带生物吸附剂适宜处理低浓度Ni2+废水。
去除率; 吸附量
2.3 吸附动力学特性
为进一步了解固定化海带生物吸附剂吸附Ni2+的动力学特性,采用 Lagergren 准一级和准二级反应动力学方程对实验数据进行拟合,准一级反应动力学方程表达式为
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式中:k1为一级吸附速率常数,min-1;qt为 t 时刻的吸附量,mg/g。将方程变形为
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准二级反应动力学方程表达式为
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可整理为
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式中:k2为二级吸附速率常数, g/(mg·min),h≡ qundefinedk2,表示初始吸附速率,mg/(g· min)[11]。
拟合结果见图3和表1。由表1可见,准一级反应动力学方程拟合所得吸附剂的qe为12.0 mg/g,明显低于实验所得数值(20.7 mg/g),且相关性较差(R2=0.955)。因此,固定化海带生物吸附剂吸附Ni2+的吸附过程不符合准一级反应动力学方程。由Lagergren准二级反应动力学方程拟合,R2=0.999,拟合所得的吸附剂qe为21.4 mg/g,与实验所得数值接近,说明固定化海带生物吸附剂吸附Ni2+的吸附过程符合准二级反应动力学方程。根据准二级反应动力学方程建立的机理,可以推测吸附过程中质量扩散对吸附速率的影响可以忽略,限速步骤是化学吸附过程,该过程可能与吸附剂及Ni2+之间电子共享或电子交换的共价力有关。准二级反应动力学参数可用于平衡吸附量、去除率等的计算,由准二级反应动力学确定的初始吸附速率和二级速率常数等有助于反应器的设计[12]。
2.4 吸附等温线
在Ni2+初始质量浓度为10～200 mg/L、25 ℃的条件下,固定化海带生物吸附剂对Ni2+的吸附等温线见图4。由图4可见,随平衡浓度的增加,固定化海带生物吸附剂对Ni2+的吸附量逐渐增大。在Ni2+平衡质量浓度为125 mg/L时,固定化海带生物吸附剂对Ni2+的吸附量达33 mg/g,还有继续上升的趋势。说明固定化海带生物吸附剂对Ni2+有较大的吸附潜力。采用Langmuir和Freundlich等温吸附方程对实验数据进行拟合。Langmuir方程线性表达式为
undefined (7)
式中:Qc为最大吸附量,mg/g;b为吸附平衡常数,L/mg。
Freundlich方程线性表达式为
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式中:k和n为Freundlich常数,k表示吸附剂与Ni2+的亲和力;n表示Ni2+浓度对吸附性能的影响[3]。
拟合结果见图5,拟合参数列于表2。Langmuir吸附等温方程是单分子层吸附模式,而Freundlich吸附等温方程是多分子层不均匀吸附模式。由表2可见,固定化海带生物吸附剂对Ni2+的等温吸附数据对Langmuir和Freundlich吸附等温方程的拟合情况均较好(R2 >0. 970),说明该吸附体系既有物理吸附又有化学吸附,从吸附状态看属于多层吸附,表明生物吸附剂颗粒的表面作用、微孔吸附及功能团作用在对Ni2+的吸附中均起重要的作用。由Langmuir等温方程得出的最大吸附量为39.43 mg/g,说明固定化海带生物吸附剂对Ni2+有较好的吸附性能。
3 结论
a)以海藻酸钠、明胶和海带粉为原料制备了固定化海带生物吸附剂。固定化海带生物吸附剂对Ni2+的吸附过程可分为3个阶段:快速吸附阶段、缓慢吸附阶段和吸附平衡阶段。动力学过程可用Lagergren准二级反应动力学方程描述,限速步骤为化学吸附。
b)随Ni2+初始质量浓度的增加,固定化海带生物吸附剂的Ni2+吸附量逐渐增大,Ni2+去除率逐渐降低。吸附过程符合Langmuir和Freundlich吸附等温方程,说明该吸附体系既有物理吸附又有化学吸附,从吸附状态看属于多层吸附,由Langmuir吸附等温方程得出固定化海带生物吸附剂对Ni2+的最大吸附量为39.43 mg/g,说明固定化海带生物吸附剂对Ni2+有较好的吸附性能。
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