基于Micro-CT影像的持续与间歇振动对骨折愈合影响的实验研究

发布时间：2016-10-25 07:11

第1章   绪论 

1.1   骨的基本概念和功能适应性 
骨是脊椎动物体内的重要构成部分，对内脏起到保护作用，为体重起到支撑功能，还能协助生物运动等。为了适应以上功能，骨必然具备复杂的形态结构和独特的力学性能，并可随力学性能的变化而自我改变自身性质和形状。 本小节将讨论骨的基本概念和骨的功能适应性。 1）骨质：骨的主要组成部分，由骨组织构成，分成坚硬的骨密质（或称骨皮质）和质地疏松的骨松质两种。骨质具有很大的可塑性[3]，基本遵从用进废退原则，经常锻炼会使骨密质变厚，如篮球运动员跖骨骨干增粗等。反之，经常不锻炼会导致骨质疏松。 2）骨膜：指附着在骨的外表面或内表面的致密纤维结缔组织。根据附着的部位不同分成外骨膜（或称骨外膜）和内骨膜（或称骨内膜）。骨膜对骨起到营养、保护等功能，因此在骨手术过程中尽量保证骨膜的完整性，以免发生骨延迟愈合或坏死不愈合的情况[4]，一般来说，手术时骨膜完整的病人要比骨膜不完整的病人愈合速度快得多。 3）骨髓：分为红骨髓和黄骨髓两种。通常人们所说的骨髓指的是红骨髓，能制造各种血细胞和各种基质细胞[5]，随着年龄增长，红骨髓逐渐被脂肪所替代，失去了造血功能，成为黄骨髓。但是在失血过多等情况下，黄骨髓可转换成红骨髓。4）骨的血管：骨的周围有着丰富的血管供应，血管分布随着骨的成长变化而变化。骨血管主要作用是为骨提供营养。 5）骨的淋巴管：近代研究证明，骨的淋巴管仅存于骨表面的骨膜内，而在骨的内部并未发现淋巴管[6]。 6）骨的神经：骨的神经多分布在骨膜上，一般伴随着血管分布。其主要作用是用来传递信号。 7）关节软骨：存在于骨骺端表面，光滑有弹性，主要作用是用来维持关节灵活运动。  
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1.2   骨折与振动促进骨折愈合理论 
骨折是骨科中最常见的疾病，在生活中发病率极高，通常发生在儿童和老人身上。严重骨折会带来各种并发症，甚至会危及生命，给骨折患者带来了极大的痛苦和负担。如何促进骨折愈合、提高骨折愈合质量一直是骨科研究领域中重点研究方向，而振动对骨折愈合的影响也一直是国内外研究者重点研究方向之一。 本小节将讨论骨折的基本概念和骨折愈合理论，并简单阐述国内外关于振动促进骨折愈合理论的研究。骨折分类标准很多，如按照骨折破碎的程度分成完全骨折和不完全骨折；按照骨折复位后稳定情况分成稳定性骨折和不稳定性骨折；按照骨折后的时间分成新鲜骨折和陈旧骨折；按照骨折出是否露出体外分成闭合性骨折和开放性骨折；按照骨折线形态分成裂纹骨折、青枝骨折、横形骨折、斜形骨折、螺旋形骨折、粉碎性骨折、嵌插骨折、骨骺分离、压缩骨折和凹陷骨折（图 1.3）。不同的分类标准，其目的是为了明确骨折的性质，从而更好地治疗骨折[18,19]。 
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第2章   Micro-CT 技术与有限元技术 

2.1   Micro-CT 技术 
计算机断层扫描技术(Computed  Tomography,  CT)是二十世纪最伟大发明。CT 技术由于其在检测物体结构上的优越性，被广泛应用于医药学、材料学、考古学等各个领域。随着人们对影像技术的要求越来越高，应用于科学研究的高分辨率的 CT，即 Micro-CT 应运而生。 本小节简单介绍了 Micro-CT 的定义、系统组成及成像原理，并在之后讨论了 Micro-CT 在骨科中的应用和研究。目前关于 Micro-CT 的定义还没有统一。工业使用上[48]将 CT 分为常规CT(1000?m)、高分辨率 CT(100?m)、超高分辨率 CT(10?m)和显微 CT(1?m)。陈惟昌[49]和桂建保[50]把 CT 分为宏观 CT 和显微 CT，但是他们对各自分辨率的界限的限定并不统一。通常上我们都沿用医学的分类方法，把 CT 划分为宏观 CT (>350?m)、小型 CT (100~350?m)、显微 CT (1~100?m)和纳米 CT (<1?m)[51]，即把分辨率为 1~100?m 的 CT 称为 Micro-CT。 不同密度物体对 X 射线的吸收程度不同，其强度成指数关系衰减。Micro-CT成像原理就是利用物体对 X 射线吸收衰减特性，对样本进行全方位扫描，由 X线接收器接受被吸收后的带有各部位密度信息的 X 射线并加以处理，最后转变为数字信号输出到图像处理系统中，利用 CT 重建算法重建图像。获得投影数据和衰减系数分布的过程是基于 Beer-Lambert 定律和 Radon 变换及其反变换这两大基本理论来实现的[55]。 
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2.2   有限元技术 
有限元技术是计算机出现后发展的产物，出现之初[63]就解决了在当时用传统解析方法无法解决的工程难题。后来借助于计算机的发展，广泛应用于力学、传热学、电磁学、声学、生物医学工程等领域，成为目前工程力学问题中应用最广泛的数值模拟方法。 本小节先简单介绍了有限元法的基本思想和基本解题步骤，之后简单阐述了有限元法在骨科中的应用和研究，并说明了有限元法在骨科研究中的优缺点。有限元法或称有限单元法（Finite Element Method, FEM）的基本思想归纳起来就是：化整为零、分段逼近思想。1943 年 Courant[64]使用分段逼近的方法研究扭转性能被公认为是最早的有限元法。 从数学角度分析，有限元法的基本思想是通过离散化手段将待求解域分成有限个子域，将偏微分或变分方程转变成代数方程求解。从力学角度分析，有限元法的基本思想是利用单元的力学性质，通过离散化手段将连续的几何体划分成有限个单元体的组合结构后求解[65]。 按照其求解过程，有限元法可以分成三种[65]：直接刚度法，即根据单元的物理意义，直接建立相关场变量表示的单元性质方程；变分法，，即把泛函数的极值问题转化成线性代数方程组近似求解；加权余量法，利用适当的权函数，将微分方程问题转化为数值计算问题近似求解。 
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第 3 章   动物实验及实验数据分析 ........ 17 
3.1  实验前准备工作 ........ 17 
3.1.1  实验动物的选取 .......... 17 
3.1.2  振动频率的选取 .......... 17 
3.1.3  手术构建骨折模型...... 17 
3.2  实验过程 ........ 19 
3.3  待测参数及统计学方法 ........ 25
3.4  结果统计与分析 ........ 27 
3.4.1  骨折愈合的影像学定性分析及结果 ........ 27 
3.4.2  骨折愈合的 Micro-CT 三维显微结构评估及结果 .......... 33 
3.5  本章小结 ........ 43 
第 4 章   跖骨骨折三维有限元模型建立 ...... 45 
4.1  骨骼有限元建模的研究现状 ..... 45 
4.2  骨折有限元建模相关软件介绍 ........ 45 
4.3  三维有限元模型的建立 ........ 47 
4.4  本章小结 ........ 55 
第 5 章   有限元模型计算与数据分析.... 57 
5.1  有限元计算前处理 .......... 57 
5.1.1  分析步模块（Step） ......... 57 
5.1.2  相互作用模块（Interaction） ...... 57 
5.1.3  加载模块（Load） ..... 58 
5.2  有限元计算 .......... 59 
5.3  有限元结果数据分析 ..... 60 
5.4  本章小结 ........ 64 

第5章   有限元模型计算与数据分析 

5.1   有限元计算前处理 

有限元计算前，需要对其进行分析步、相互作用关系及边界条件的设定。本小节将分别讨论上述三个方面的工作。本实验是通过有限元模拟跖骨压缩实验，计算其弹性模量。整个压缩过程一步就可以完成，一共两个状态，初始状态和压缩后的状态。用 ABAQUS 实现，即只要新建一个分析步即可。进入分析步模块，新建一个分析步，名称 Step-1，分析步类型选择通用，静力通用，点击继续按钮，设定几何非线性关，设置最大增量步数为 1000，增量步大小 0.1，最小 1E-005，最大 0.1，如图 5.1 所示。之后编辑场输出请求，选中作用力/反作用力下的反作用力 RT。上表面仅保留纵轴方向 U3 位移自由度，其他自由度均为 0，初始状态，z=0，终态 z 值等于 5%的应变值。由于参考点 RP-1 与上表面是耦合关系，故对上表面所有节点的操作相当于对参考点的操作，故直接将上表面的边界条件加载在参考点上即可，如图 5.4 和图 5.5 所示。在 ABAQUS 作业模块中新建一个分析作业后，提交作业后，ABAQUS 会自动计算输出场中所设置的待求变量，即 RT 值。有限元分析计算的速度与增量步大小、数量、及电脑内存、处理器等都有关系，可以通过设置这些参数适当提高计算速度。 计算完毕后，使用可视化模块中 XY 数据列表功能，绘制力与时间的关系图（图 5.7），并使用编辑查看功能，查看力的具体大小（图 5.8），记录下来。 

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结论 

基于上述动物实验及后续数据处理，我们从宏观影像定性分析、骨骼微观结构定量分析及有限元力学模拟分析作了对比分析，可以得出以下结论： 
（一）从宏观影像学定性检测分析可知：相比骨折自然愈合，施加低载荷机械振动能够提高骨折愈合级别，提升愈合质量；间歇性施加振动对骨折的愈合效果要优于持续性振动，其中间歇 7 天振动提高了 III 级愈合的出现率，对骨折愈合的促进效果最好。 
（二）从骨骼微观结构定量分析结果来看：骨骼健康时应该是组织矿物质密度、骨矿物质密度及骨体积分数都很高，骨小梁数量低但厚度大、分离度小的状态，我们称其为“骨完美状态”。当骨骼受损（假手术组与内固定组）或遭到骨折时，就会破坏这种完美状态，导致组织矿物质密度、骨矿物质密度及骨体积分数变小，骨小梁数量变多、厚度减少，分离度变大。 假手术组和内固定组在组织矿物质密度、骨矿物质密度、骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁数量上没有显著差异，但在骨小梁分离度上，内固定组要比假手术组要搞得多，说明钢板的应力遮挡效应对骨小梁的分离度影响较大。 与骨折自然愈合相比，施加低载荷机械振动能够提高组织矿物质密度、骨矿物质密度、骨体积分数、骨小梁厚度及骨小梁数量并降低骨小梁分离度，更有利于骨折愈合，即低载荷机械振动能够促进骨折愈合。其中间歇 1 天、3 天和 7 天振动能明显提升骨密度、增大骨体积分数，间歇 5 天和 7 天能明显提高骨小梁的数量，各组对其他量的提升不是很明显，综合可知，振动能够促进骨折愈合，且间歇振动 7 天对骨折愈合效果较好。 
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参考文献(略)

本文编号：152389