应力与微动刺激对骨折愈合影响的生物力学研究与仿真

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1、上海交通大学博士学位论文应力与微动刺激对骨折愈合影响的生物力学研究与仿真姓名：王小平申请学位级别：博士专业：机械设计及理论指导教师：李柱国;张先龙20050601申请上海交通大学博士学位论文应力与微动刺激对骨折愈合影响的生物力学研究与仿真摘要骨折局部的力学环境是影响骨折愈合的一个重要因素，这一点已被广泛地接受，但对于力学环境与骨折愈合结果之间的联系方式仍然存在很多不同的观点。动物实验和临床研究证明在骨折愈合早期，骨折断端适当的微动能够促进骨痂的形成和钙化，加速骨折愈合，但对于微动促进骨折愈合的确切机理及其具体实施方案还

2、缺乏统一认识。本文是从生物力学的角度研究应力与微动刺激对骨折愈合的影响，本文各章的主要内容如下。第一章首先对骨折局部的力学环境和微动对骨折愈合影响方面的文献进行了综述，然后提出了本文的研究内容，并论述了机械工程学理论和方法在骨力学研究中的应用。第二章介绍了骨力学与骨折治疗方面的基本理论，包括骨力学及其与骨伤科疾病的关系，骨的结构与力学特性，骨折的治疗和愈合过程。本文的研究涉及长骨骨折外围定，因此还介绍了骨外固定器和骨折治疗的弹性固定准则。第三章根据医学理论和动物实验数据提出了描述骨折愈合过程中，应力刺激与愈合骨强度之间

3、关系的模型，即一阶系统模型和BP神经网络模型。一阶系统模型表明愈合骨强度是对应力适应性的生物学反馈的结果，受局部应力水平的调节。应力刺激对愈合骨强度的影响主要表现在骨折愈合中后期，说明此时需要功能锻炼，使愈合骨承受的应力刺激逐渐增加。利用神经网络可以对影响因素与骨折愈合结果之间的关系建模和仿真，但本文提出的BP神经网络模型还需要更多的实验或临床数据进行训练，以提高其预测的准确性。第四章建立了胫骨中段横形骨折外固定系统的三维模型，然后采用有限元法分析了主动负重和被动加载时骨折局部的力学环境。两种微动方式的生物力学比较结果

4、表明，在骨折愈合早期适宜被动加载，此时影响骨折愈合的力学因素是骨折断端的位移。骨折断端相对往复微动形成的牵拉作用，使邻近的骨痂内部产生周期性的拉伸和压缩应变。我们认为这种周期性变化的应变刺激是微动促进骨折愈合的原因之一。骨折愈合中后期应主动负重，此时影响骨折愈合的力学因素是骨折部位的应力。根据骨的功能适应性原理，应力刺激能够促进骨痂的塑形改建，加速骨折愈合。由于控制性微动目前还处于研究阶段，医疗器械市场上还没有此类驱使骨折断端微动的机械装置。在前面力学分析的基础上，我们研制了可调控微动外固定装置。该装置与临床上常用的单

5、侧外固定架配合使用，通过外固定架和钢钉驱使骨折断端相对往复微动，并控制微动的频率和幅度。本文第五章介绍了可调控微动外固定装置的结构和工作原理，并对该装置进行了动力学分析。在第六章，我们采用自行研制的可调控微动外固定装置进行动物对比实验。对羊双侧胫骨中段截骨，截骨间隙2mm，以单侧外固定II申请上海交通大学博士学位论文架固定。在术后10～28天，对一侧胫骨施加微动刺激，微动频率为1Hz，幅度为O．25mm。另一侧不施加微动刺激，作为对照。在术后3、4、6和9周分批处死实验动物，检查骨折愈合情况。动物实验结果显示，微动组早

6、期骨痂的量明显多于对照组，愈合骨强度也高于对照组。组织学分析表明早期控制性微动能够促进组织分化，向成骨方向转变，加速骨折愈合进程。第七章为结束语，总结了本文的主要内容、结论和创新点，并提出了对进～步研究工作的建议。微动刺激是一门新的、发展中的骨折治疗技术，相信随着微动促进骨折愈合机理和最佳微动参数的确立，将在临床实践中得到应用，从而提高骨折治愈率，缩短愈合时间，造福广大骨折患者。关键词：力学刺激，控制性微动，骨折愈合，生物力学，有限元法，仿真Ill摘要BIOMECHANICALSTUDYANDSIMULATIONoFT

7、HEEFFECTOFSTRESSANDMICRoMoVEMENTSTIMULATIoN0NFRACTUREHEALINGABSTRACTItisgenerallyacceptedthatlocalmechanicalenvironmentisoneoftheimportantfactorsinfluencingfracturehealing，buttherearestillmanydifferentviewpointsonhowmechanicalenvironmentiscorrelatedtothefracture

8、healingprocess．Animalexperimentsandclinicalresearchhaveprovedthatinterfragmentarymicromovementinearlystagesofbonefractureimprovestheformingandcalcifyingofcallus，andac