光纤布拉格光栅测量钢板固定长管状骨骨折应力的实验研究

发布时间：2018-12-21 19:51

【摘要】：目的:通过在光纤布拉格光栅封装于预先开槽的钢板上,应用光学测量仪器及方法,连同骨科生物力学实验仪器,进行生物力学实验,测量反射光谱变化从而间接测量应力变化。初步探索光纤布拉格光栅封装在钢板上进行测量的方法及其在创伤骨科生物力学钢板应力变化测量中的应用前景,探索光纤布拉格光栅封装钢板的封装形式及其位置在应力变化中的规律。为光纤布拉格光栅能够通过进一步研究,应用于临床,对于骨折断端固定的牢固程度、术后功能锻炼的指导以及最终骨折愈合的判定提供客观的参考依据,而做出初步的基础研究。方法:选取新鲜羊胫骨10根,胫骨两端磨平,均制作成为中段横断骨折(Fig 2),进行编号1-10,选用8孔上肢内固定锁定钢板(山东威高,上肢长骨锁定内固定钢板)10块,分别在其侧面及正面进行开槽,开槽深度:0.5mm;宽度:0.5mm;将光纤布拉格光栅分别封装于两槽内,对10块钢板依次编号1-10,将封装光纤后的钢板1-10号分别对应羊胫骨骨折1-10号进行固定,远近折端分别打入3枚锁定自攻型内固定螺钉(3.5mm×18mm及3.5mm×20mm),以螺钉在胫骨钢板对侧外露约1mm为准,制作成10组实验模型。(1)将钢板侧面封装的光纤布拉格光栅一端连接于1x2耦合器单端口侧,将宽谱光源(EDFA)及光谱分析仪(AQ6317B)连接到耦合器另外两个端口(Fig 1)上,将该实验模型安装于生物力学机上,施加垂直压力载荷,对其进行垂直压缩实验,压力增加幅度约为10±5N,记录生物力学机载荷、位移变化及光谱分析仪测得的波长变化。(2)以生物力学机对上述模型进行三点弯曲实验,施加三点弯曲压力载荷,压力增加幅度约为7±3N,记录生物力学机载荷、位移变化及光谱分析仪测得的波长变化。(3)将钢板正面封装的光纤布拉格光栅一端连接于1x2耦合器单端口侧,将宽谱光源(EDFA)及光谱分析仪(AQ6317B)连接到耦合器另外两个端口(Fig 1)上,将该实验模型安装于生物力学机上,以生物力学机对骨折模型进行垂直压缩,生物力学机给予模型施加压力,压力增加幅度约为10±5N,记录生物力学机载荷、位移变化及光谱分析仪测得的波长变化。(4)对该正面封装的光纤布拉格光栅实验模型进行三点弯曲测量实验:以生物力学机给予其施加弯曲压力载荷,压力增加幅度约为7±3N,记录生物力学机载荷、位移变化及光谱分析仪测得的波长变化。将其余9组模型分别重复上述四步过程,记录每组载荷、位移及波长变化。(5)随机选出一组模型,依次重复5次上述实验过程,进行同组组内实验,记录每组载荷、位移及波长变化。最后将10组模型安装于三点弯曲状态,进行破坏性实验,增加载荷,记录波长变化情况。意义在于记录光纤能够测量的最大钢板形变位移情况及其所对应的载荷数据。结果:1组间统计分析:将上述每组数据分别进行正态性检验:其中正面封装的光纤布拉格光栅垂直压缩组及三点弯曲压缩组各组数据符合正态分布;侧面封装的光纤布拉格光栅垂直压缩组及三点弯曲压缩组各组数据不符合正态分布。1.1 10组模型在上述四步过程中均出现位移随载荷的增大而增大;1.2 10组侧面封装的光纤布拉格光栅垂直压缩所记录的载荷及波长数据进行双变量秩相关分析,P值均大于0.05,可认为侧面封装的光纤布拉格光栅垂直压缩组载荷与波长无直线相关关系;1.3 10组侧面封装的光纤布拉格光栅三点弯曲压缩所记录的载荷及波长数据进行双变量秩相关分析,P值均大于0.05,可认为侧面封装的光纤布拉格光栅三点弯曲压缩组载荷与波长无直线相关关系;1.4 10组正面封装的光纤布拉格光栅垂直压缩所记录的载荷及波长数据进行双变量直线相关分析,P值均小于0.05,可认为正面封装的光纤布拉格光栅垂直压缩组载荷与波长有直线相关关系;1.5 10组正面封装的光纤布拉格光栅三点弯曲压缩所记录的载荷及波长数据进行双变量直线相关分析,P值均小于0.05,可认为正面封装的光纤布拉格光栅三点弯曲压缩组载荷与波长有直线相关关系。2组内统计学分析:将选出的一组模型所记录的数据进行统计学分析,将上述每次数据分别进行正态性检验:其中5次正面封装的光纤布拉格光栅垂直压缩组及三点弯曲压缩组各组数据符合正态分布;侧面封装的光纤布拉格光栅垂直压缩组及三点弯曲压缩组各组数据不符合正态分布。5次正面封装的光纤布拉格光栅垂直压缩所记录的载荷及波长数据进行双变量直线相关分析,P值均小于0.05,可认为正面封装的光纤布拉格光栅垂直压缩组载荷与波长有直线相关关系;5次正面封装的光纤布拉格光栅三点弯曲压缩所记录的载荷及波长数据进行双变量直线相关分析,P值均小于0.05,可认为正面封装的光纤布拉格光栅三点弯曲压缩组载荷与波长有直线相关关系。5次侧面封装的光纤布拉格光栅垂直压缩所记录的载荷及波长数据进行双变量秩相关分析,P值均大于0.05,可认为侧面封装的光纤布拉格光栅垂直压缩组载荷与波长无直线相关关系;5次侧面封装的光纤布拉格光栅三点弯曲压缩所记录的载荷及波长数据进行双变量秩相关分析,P值均大于0.05,可认为侧面封装的光纤布拉格光栅三点弯曲压缩组载荷与波长无直线相关关系。3对10组模型进行三点弯曲破坏性实验时,每组实验载荷增加到600-650N时,光谱分析仪采集到的反射光谱中心波长数值开始出现漂移。结论:1光纤布拉格光栅能够记录不同载荷下钢板位移而产生的波长变化;将光纤光栅封装到钢板上对长管状骨骨折钢板固定后,测量骨端受到载荷发生位移而造成钢板产生形变的位移变化是可行的。2不同光纤布拉格光栅封装形式及位置对于光谱分析仪所测得的波长变化影响很大。3钢板正面封装的光纤布拉格光栅无论是垂直压缩还是弯曲测量的波长与载荷均呈直线相关关系。钢板侧面封装的光纤布拉格光栅无论是垂直压缩还是弯曲测量波长与载荷均无直线相关关系。同组模型钢板侧面封装的光纤布拉格光栅无论是垂直压缩还是弯曲测量波长与载荷均无直线相关关系,钢板正面封装的光纤布拉格光栅无论是垂直压缩还是弯曲测量的波长与载荷均呈直线相关关系。4组内及组间统计结果相同,钢板钢性本身对测量结果无影响,且模型具有可重复性。5当生物力学机载荷达到600-650N时,波长数据开始出现漂移,说明光纤内部结构遭到破坏,增加的载荷到达其极限值。6本实验证明钢板正面封装的光纤布拉格光栅波长与载荷具有极强的直线相关关系,再此基础之上,可以通过进一步系列实验及数学模型公式转换,测量得到不同载荷下,骨折断端的位移变化,从而为光纤布拉格光栅对于临床中骨折断端固定的牢固程度、术后功能锻炼的指导以及最终骨折愈合的判定提供客观的参考依据。
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【学位授予单位】：河北医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R687.3

【参考文献】