应变测量钢板的研制及骨折愈合模型评估的生物力学研究

发布时间：2020-06-21 00:36

【摘要】：研究目的研制一种“应变测量钢板”系统可以实时、自动测量、记录钢板上各应变点在外力下所发生的应变,并通过“应变测量钢板”在不同骨折愈合模型中测得应变的比较,探索一种骨折愈合评估新方法。研究方法1、研制“应变测量钢板”:将电阻应变片粘贴于锁定钢板之上,并通过惠斯通电路将钢板应变变化转化成电压信号,模数转换器再将电压信号转换为数字信号,最后WiFi发送器将信号无线传输至电脑或手机终端软件并显示钢板应变值。2、建立骨折愈合模型:模型状态A模拟骨折完全愈合状态:在一根完整股骨上,选用钢板桥接方法,将“应变测量钢板”固定于股骨张力侧;模型状态B模拟骨折愈合纤维连接状态:用线锯在股骨中央锯断,然后复位骨折断端,用同一块“应变测量钢板”在骨折断端两侧原钉孔处继续固定,使其与状态A一致,骨折两断端间隙约1mm,在间隙中填充蜡模拟骨折愈合中的纤维组织;模型状态C模拟粉碎骨折未愈合状态:在股骨中央位置用线锯锯除1cm骨段,用同一块“应变测量钢板”在骨折断端两侧原钉孔处继续固定,维持骨折两断端位置和力线,使其与状态A一致,两断端间隙约为1cm。3、生物力学实验:12根状态A下的新鲜山羊股骨,随机抽取一个样本,分别用三种不同螺钉固定方式,依次在状态A、B、C下进行轴向压缩实验和三点弯曲实验。用重复方差分析比较三种不同螺钉固定方式下钢板应变点测得应变值以确定“应变测量钢板”螺钉固定方式;用重复方差分析比较同一钢板4个不同位置应变点应变值以确定“应变测量钢板”应力分布;用Spearman等级相关分析确定各应变点应变与所受压缩或弯曲负载相关关系确定实验负载;用重复方差分析比较A、B、C三种状态下钢板轴向位移、挠度及各应变点应变来验证钢板应变对骨折愈合模型的评估。结果1、三种螺钉固定方式的应变比较:三种状态下,在轴向压缩实验和三点弯曲实验中,第二种螺钉固定方式钢板应变点应变明显小于第一、三种螺钉固定方式钢板应变点应变,p0.05。2、各应变点应变与负载关系及应变点间应变比较:在A、B、C三种状态轴向压缩实验和三点弯曲实验中,各应变点应变与负载呈高度正相关,r_s均大于0.8,p0.05。在A、B、C三种状态时对在轴向压缩(240N)和三点弯曲(120N)生物力学实验下,应变点1、2应变均明显大于应变点3、4应变,p0.05。3、骨折愈合三种状态间形变及应变比较:在轴向压缩实验(240N)和三点弯曲实验(120N)中,钢板-骨骼系统轴向位移及挠度在A、B、C三种状态下进行比较有明显差异,状态A状态B状态C,p0.05;钢板各应变点应变在A、B、C三种状态下进行比较有明显差异,状态A状态B状态C,p0.05。结论1、利用“大跨度、少螺钉”的固定原则固定钢板,可以有效降低钢板的应变,增强钢板抵抗变形的能力。2、“应变测量钢板”的应力分布主要集中在钉孔旁,当钢板在承受三点弯曲力时,其应力主要集中在骨折断端钉孔旁。3、“应变测量钢板”系统通过测得应变点应变可以有效评估骨折愈合模型的愈合程度,为日后临床上评估骨折愈合、指导患者定量地进行功能锻炼、预警钢板断裂和螺钉松动等带来了新的希望。
【学位授予单位】：中国人民解放军海军军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R687.3
【图文】：

示意图,电阻变化,应变片,惠斯通电桥

图 1 应变片工作原理示意图，b 钉孔，c 应变片，应变片 c 随着钢板粘贴位点的形变发生相应）信号输出和信号接收设计斯通电桥将电阻变化转化为电压信号（如图 2），输出电压与4×ΔR/R×E②（e：输出电压；E：输入电压；R：应变片初始电所引起的电阻变化值），钢板的机械形变量就这样被转换成电通过模数转换器转换为数字信号，通过 WiFi 发送装置无线传等终端上。最后由编程程序根据公式①和②推导得到应变计显示应变结果。WiFi 发送装置可以将信号无线传输，不需要对患者生活的影响。选择在电脑、手机、手表中的一个或多个、显示程序，可以使患者随时随地了解测量结果。

示意图,应变片,工作原理,示意图

图 1 应变片工作原理示意图a 钢板，b 钉孔，c 应变片，应变片 c 随着钢板粘贴位点的形变发生相应形变。（四）信号输出和信号接收设计通过惠斯通电桥将电阻变化转化为电压信号（如图 2），输出电压与电阻变化公式 e=1/4×ΔR/R×E②（e：输出电压；E：输入电压；R：应变片初始电阻值；ΔR长或缩短所引起的电阻变化值），钢板的机械形变量就这样被转换成电压变化信压信号再通过模数转换器转换为数字信号，通过 WiFi 发送装置无线传输至电脑机、手表等终端上。最后由编程程序根据公式①和②推导得到应变计算公式4e/EK，并显示应变结果。WiFi 发送装置可以将信号无线传输，不需要有线连接，降低了对患者生活的影响。选择在电脑、手机、手表中的一个或多个终端上编收、分析、显示程序，可以使患者随时随地了解测量结果。

【参考文献】