關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)特性精選(九篇)

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第1篇：關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)特性范文

關(guān)鍵詞：生物力學(xué)；骨質(zhì)疏松；腰椎；模型；體層攝影術(shù)

脊柱的生物力學(xué)試驗(yàn)可以通過(guò)體內(nèi)和體外試驗(yàn)兩種方式進(jìn)行。近年來(lái)有限元分析法作為一種骨科生物力學(xué)的研究方法越來(lái)越受到關(guān)注。有限元分析不僅能模擬脊柱的各種運(yùn)動(dòng)方式，還能模擬正常人、患者和手術(shù)后的脊柱外形，從而計(jì)算出相應(yīng)的各個(gè)結(jié)構(gòu)的受力和位移情況。腰椎的有限元模型可以為骨質(zhì)疏松椎體彌補(bǔ)以上試驗(yàn)的不足，為骨質(zhì)疏松椎體的生物力學(xué)試驗(yàn)提供良好的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。擬建立包含多個(gè)完整的功能脊柱單位（Functional spinal unite，F(xiàn)SU）骨質(zhì)疏松腰椎的三維有限元模型，模型包括四個(gè)椎體和三個(gè)個(gè)椎間盤(pán)。模型將用于骨質(zhì)疏松的椎體的治療評(píng)價(jià)的生物力學(xué)試驗(yàn)。

1 資料與方法

1.1  一般資料：①志愿者1名：根據(jù)國(guó)人解剖學(xué)數(shù)值選取1個(gè)有代表性的健康成年男性志愿者，35歲，身高175 cm，體重73 kg；②General Electrics 64層螺旋CT機(jī)；③計(jì)算機(jī)工作站：Intel（R）Xeon（TM）CPU 3.00 G 雙核四節(jié)點(diǎn)（8 cpu），內(nèi)存：16 G，硬盤(pán)：320 G；④醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 10.0（Materialise's interactive medical image control system 10.0）：一款由比利時(shí)Materialise 公司開(kāi)發(fā)的介于醫(yī)學(xué)與機(jī)械領(lǐng)域之間的一套逆向軟件，可以快捷的將CT或是MRI的斷層掃瞄的二維圖像轉(zhuǎn)化為機(jī)械領(lǐng)域中CAD/CAM軟件或完全的三維模型；⑤有限元分析軟件MSC.PATRAN 2005：MSC.PATRAN最早由美國(guó)宇航局（NASA）倡導(dǎo)開(kāi)發(fā)的，是工業(yè)領(lǐng)域最著名的并行框架式有限元前后處理及分析系統(tǒng)，其開(kāi)放式、多功能的體系結(jié)構(gòu)可將工程設(shè)計(jì)、工程分析、結(jié)果評(píng)估、用戶化身和交互圖形界面集于一身，構(gòu)成一個(gè)完整CAE集成環(huán)境；⑥有限元分析軟件ABAQUS：ABAQUS由美國(guó)公司開(kāi)發(fā)，是世界知名的高級(jí)有限元分析軟件，其解決問(wèn)題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。ABAQUS包括一個(gè)十分豐富的、可模擬任意實(shí)際形狀的單元庫(kù)。

1.2  方法與步驟：模型的建立：①螺旋CT掃描：采用General Electrics 64層螺旋CT對(duì)已經(jīng)選定的對(duì)象進(jìn)行螺旋掃描及斷層圖像處理。掃描時(shí)志愿者采取仰臥位靜止不動(dòng)，盡量保持掃描斷面與身體長(zhǎng)軸垂直。掃描參數(shù)如下：層厚0.699 mm，球管電流200 mA、電壓120 kV。②CT圖像處理及保存：在CT工作站中，通過(guò)調(diào)整圖灰度、增加對(duì)比度等，對(duì)圖像觀察細(xì)節(jié)進(jìn)行處理，得到清晰的骨窗斷層圖像，并將其保存為DICOM格式，刻錄為光盤(pán)保存。③CT圖像處理及胸腰段三維圖像的重建：將DICOM格式的圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics。在MIMICS中逐層分割提取已選取的CT圖像，去除骨骼周?chē)浗M織圖像，盡量把胸腰椎T11～T12～L1～L2段從背景中分割。得到處理后每一個(gè)斷層的CT圖像，然后重建出胸腰段的三維圖像。④胸腰段椎體三維實(shí)體模型的建立和光滑處理：把生成的三維圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Magic rp軟件，利用Remesh模塊對(duì)模型進(jìn)行光滑處理，生成光滑和幾何高度近似，具有較好面網(wǎng)格質(zhì)量的模型以便導(dǎo)入Patran前處理軟件，構(gòu)建有限元模型。⑤胸腰段三維模型的前處理：將優(yōu)化的面網(wǎng)格文件導(dǎo)入MSC Patran前處理軟件，生成正常T11～T12～L1～L2段椎體的四面體單元。并在體單元的基礎(chǔ)上根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)的材料屬性不同，把椎體分割成皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎體后部3個(gè)部分，其中皮質(zhì)骨厚度約為1～2 mm。⑥T11/T12、T12/L1、L1/L2椎間盤(pán)的建模過(guò)程：在已有的椎體四面體單元的基礎(chǔ)上生成椎間盤(pán)和終板模型，采用六面體單元?jiǎng)澐帧Ｗ甸g盤(pán)髓核被模擬為不可壓縮的體單元（Hybird）。髓核的體積約占椎間盤(pán)體積的35%～45%，靠近中后部1/3。椎間盤(pán)的上下表面由1.0 mm 厚的軟骨終板構(gòu)成。⑦關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎間盤(pán)纖維、韌帶的建模過(guò)程：選擇關(guān)節(jié)軟骨，并把關(guān)節(jié)軟骨層的表面接觸選用面-面接觸單元模擬（無(wú)摩擦的滑動(dòng)表面接觸單元），關(guān)節(jié)囊使用三維Truss單元模擬。纖維環(huán)纖維由只承受拉應(yīng)力的Truss單元構(gòu)建，纖維在環(huán)狀體中呈剪刀狀方式走行，并與椎間盤(pán)平面成平均25°～40°的夾角。有限元模型包含的前縱韌帶、后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、橫突間韌帶以及黃韌帶均采用只受拉力Truss單元模擬。⑧賦予各結(jié)構(gòu)材料學(xué)參數(shù)：對(duì)整個(gè)胸腰段有限元模型單元材料相關(guān)屬性進(jìn)行設(shè)定，構(gòu)建與實(shí)際模型在材料參數(shù)和力學(xué)行為上相吻合的三維有限元模型，其中纖維、韌帶、關(guān)節(jié)囊為只受拉應(yīng)力的線彈性材料。各部位的材料屬性見(jiàn)表1。

表1  正常胸腰段有限元模型的材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)彈性模量（MPa）泊松比截面積（mm2）皮質(zhì)骨    12 0000.30

松質(zhì)骨1000.2

關(guān)節(jié)軟骨100.4

L5-椎體后部3 5000.25

終板1 0000.4

椎間盤(pán)纖維環(huán)基質(zhì)4.20.45

椎間盤(pán)髓核0.20.4999

纖維環(huán)纖維500非線性

前縱韌帶200.33 8.0后縱韌帶700.320.0黃韌帶500.360.0棘間韌帶280.335.5棘上韌帶280.335.5橫突間韌帶500.310.0關(guān)節(jié)囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41

骨質(zhì)疏松的材料模型為在正常模型材料參數(shù)的基礎(chǔ)上，皮質(zhì)骨、終板、后部結(jié)構(gòu)模量減少33%，松質(zhì)骨減少66%，同時(shí)考慮髓核脫水，彈性模量增加1倍，其他結(jié)構(gòu)保持不變。見(jiàn)表2。

表2  骨質(zhì)疏松胸腰段有限元模型的材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)彈性模量（MPa）泊松比截面積（mm2）皮質(zhì)骨    8 0400.30

松質(zhì)骨340.2

關(guān)節(jié)軟骨100.4

L5-椎體后部2 3450.25

終板6700.4

椎間盤(pán)纖維環(huán)基質(zhì)4.20.45

椎間盤(pán)髓核0.40.4999

纖維環(huán)纖維500非線性

前縱韌帶200.338.0后縱韌帶700.320.0黃韌帶500.360.0棘間韌帶280.335.5棘上韌帶280.335.5橫突間韌帶500.310.0關(guān)節(jié)囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41

2 結(jié)果

正常脊柱胸腰段三維有限元模型已經(jīng)建立起來(lái)。完整的脊柱胸腰段三維有限元模型包括共276 580個(gè)四面體單元，8 532個(gè)六面體單元，673個(gè)桿單元，總計(jì)共95 219個(gè)結(jié)點(diǎn)。見(jiàn)表3。

表3  正常胸腰椎有限元模型的單元?jiǎng)澐?/p>

結(jié)構(gòu)單元類(lèi)型數(shù)量節(jié)點(diǎn)

95 219椎體骨四面體單元276 580椎間盤(pán)、終板六面體單元8 532韌帶、關(guān)節(jié)囊、纖維三維桿單元673

建成后的三維有限元模型與實(shí)體組織具有良好的幾何相似性。

完全按照上述步驟我們利用有限元軟件Patran前處理功能，對(duì)不同組織的物理特性進(jìn)行定義，皮質(zhì)骨、終板、后部結(jié)構(gòu)模量減少33%，松質(zhì)骨減少66%，同時(shí)考慮髓核脫水，彈性模量增加1倍，其他結(jié)構(gòu)保持不變?；痉险鎸?shí)的生物力學(xué)要求，真實(shí)模擬了骨質(zhì)疏松椎體的材料特性，成功建立了T11～L1的骨質(zhì)疏松有限元模型。見(jiàn)圖1。

圖1  建立關(guān)節(jié)囊、纖維、韌帶的正常胸腰段脊柱有限元模型

3 討論

1974年，Belytschko首先將有限元分析法應(yīng)用于脊柱力學(xué)研究，建立二維椎間盤(pán)模型，標(biāo)志著有限元在骨科生物力學(xué)分析中應(yīng)用的開(kāi)端[1]。Liu等在1975年首次提出三維有限元模型，將其用于椎間盤(pán)生物力學(xué)研究并將理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。由于有限元法在求解過(guò)程中條理清晰，步驟同一，通用性強(qiáng)，特別適合計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算。隨著電腦軟硬件技術(shù)的發(fā)展，有限元法在骨結(jié)構(gòu)生物力學(xué)及醫(yī)療研究中愈顯重要且前景廣闊。

有限元分析不僅能模擬脊柱的各種運(yùn)動(dòng)方式，還能模擬正常人、患者和手術(shù)后的脊柱外形，從而計(jì)算出相應(yīng)的各個(gè)結(jié)構(gòu)的受力和位移情況。脊柱某些結(jié)構(gòu)的外在位移用普通試驗(yàn)方法容易測(cè)得，但內(nèi)在應(yīng)力的改變則需要復(fù)雜的測(cè)試技術(shù)，利用有限元分析能夠精細(xì)地得到模型內(nèi)部地受力變化。這比外在位移來(lái)說(shuō)更具有深遠(yuǎn)地意義。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步及功能完善的專(zhuān)用軟件的問(wèn)世，為確保有限元模型的精確性奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)今的研究成果使有限元模型不僅能逼真地模擬椎骨、椎間盤(pán)，還能將脊柱周?chē)捻g帶、肌肉直接或者間接地加入模型，使模型更加真實(shí)完善。正因?yàn)槿绱?，近年?lái)有限元分析法作為一種骨科生物力學(xué)的研究方法越來(lái)越受到關(guān)注。有限元模型最大的優(yōu)勢(shì)在于可以反映集體內(nèi)部的應(yīng)力變化情況，這是其他試驗(yàn)方法難以做到的。

3.1  骨質(zhì)疏松腰椎三維有限元模型的建立：有限元建模有多種方法，由于人體結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，同時(shí)CT、MRI機(jī)器普及，圖像建模的方法比較適合于臨床生物力學(xué)的研究，目前多數(shù)臨床相關(guān)的研究是通過(guò)此方法建模的[2-3]。

在本試驗(yàn)中，我們采用General Electrics 64層螺旋CT對(duì)已經(jīng)選定的對(duì)象進(jìn)行薄層螺旋掃描及斷層圖像處理。得到清晰的胸腰段椎體骨窗斷層圖像，并將其保存為DICOM格式，再將DICOM格式的圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics。這樣通過(guò)CT建立的胸腰段椎體有限元仿真模型與真實(shí)的胸腰段脊柱在幾何上就近似人體骨形態(tài)。并且我們建立的是四面體椎體模型，四面體相比六面體，對(duì)復(fù)雜幾何體的形狀擬和較好。脊柱六面體有限元模型和本課題建立的四面體椎體加六面體椎間盤(pán)的胸腰段有限元模型示意圖：見(jiàn)圖2～3。

圖2  脊柱六面體有限元模型

圖3  胸腰段六面體、四面體混合有限元模型

另外，由于韌帶從生理結(jié)構(gòu)上，只承受拉力作用，不受壓力作用，因此，本試驗(yàn)中采用只受拉力作用的線彈性材料模型，采用三維桿單元模擬，一定程度上符合韌帶的生理特性。由于CT無(wú)法建立椎間盤(pán)模型（因?yàn)樵贑T上椎間盤(pán)的灰度和周?chē)浗M織的灰度重疊無(wú)法取值）且椎間盤(pán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，文章根據(jù)椎間盤(pán)的生理結(jié)構(gòu)，通過(guò)CAD構(gòu)建了簡(jiǎn)化的椎間盤(pán)模型。椎間盤(pán)被固定在相鄰的椎體之間，分散來(lái)自椎體的壓力，通過(guò)與雙側(cè)軟骨終板結(jié)合的纖維環(huán)和髓核使椎體間具有一定的活動(dòng)度。

3.1.1 三維胸腰椎體幾何模型的準(zhǔn)確性：我們研究所建立的有限元模型是骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折好發(fā)的脊柱胸腰段，更符合臨床實(shí)際情況。模型的建立選擇健康成年人的胸腰段脊柱作為基礎(chǔ)，應(yīng)用螺旋CT掃描獲得胸腰段脊柱的詳細(xì)輪廓數(shù)據(jù)，經(jīng)Materialise Mimics逆向處理軟件，建立胸腰段脊柱的三維實(shí)體模型。本研究采用基于CT原始數(shù)據(jù)的先進(jìn)逆向建模技術(shù)，解決了CAD傳統(tǒng)正向建模技術(shù)無(wú)法構(gòu)建骨骼等復(fù)雜幾何體的問(wèn)題，從而保證了幾何高度近似，為下一步的研究提供了良好的三維模型。

3.1.2 三維胸腰椎體網(wǎng)格模型的優(yōu)點(diǎn)：在對(duì)胸腰椎體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到椎體的幾何復(fù)雜性，對(duì)椎體采用自適應(yīng)四面體網(wǎng)格劃分方法，并對(duì)在著重考察和形狀非常不規(guī)則的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，保證了網(wǎng)格模型和幾何模型的高度近似性。因此，本研究的網(wǎng)格模型更加細(xì)化和逼真，保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。同時(shí)對(duì)于椎間盤(pán)模型，采用六面體模型，保證了椎間盤(pán)纖維模型的合理構(gòu)建。采用椎體骨四面體和椎間盤(pán)六面體的復(fù)合網(wǎng)格模型，即保證了網(wǎng)格模型的幾何逼真，又保證了胸腰椎各解剖部位的合理構(gòu)建，為胸腰椎生物力學(xué)的研究提供了良好的網(wǎng)格模型。

3.1.3 胸腰椎模型材料屬性的可靠性：因?yàn)樵囼?yàn)條件的限制，本研究胸腰段脊柱有限元模型各部位的材料屬性及基本參數(shù)采用了國(guó)外學(xué)者在胸腰椎材料力學(xué)研究中的試驗(yàn)結(jié)果，并已被不同研究學(xué)者引用進(jìn)行胸腰脊柱的有限元模擬分析[4-6]。雖然因?yàn)檠芯康姆椒?、試?yàn)的條件以及力學(xué)標(biāo)本來(lái)自不同地區(qū)人種的關(guān)系，不同研究學(xué)者的材料試驗(yàn)造成材料屬性有所偏差，但是本研究采用同一學(xué)者的研究結(jié)果，對(duì)不同模型進(jìn)行力學(xué)分析，從縱向上進(jìn)行定性比較分析，是合理的。

3.2  胸腰椎模型建立的臨床意義：很多老年病如椎間盤(pán)退變，椎體的壓 縮性骨折等都與老年性的骨質(zhì)疏松有關(guān)，而很多的骨質(zhì)疏松椎體的病因和治療均與其生物力學(xué)有關(guān)，因此，分析不同的手術(shù)及創(chuàng)傷對(duì)骨質(zhì)疏松的腰椎的影響是十分關(guān)鍵的。精確的生物力學(xué)試驗(yàn)可以幫助選擇準(zhǔn)確的植入物和手術(shù)方法，指導(dǎo)患者的術(shù)后康復(fù)和鍛煉[7-8]。目前，很多學(xué)者通過(guò)有限元模型來(lái)進(jìn)行骨科研究，并取得了好的成果[9-12]。本試驗(yàn)建立的有限元模型可以在計(jì)算機(jī)上隨意的對(duì)椎體產(chǎn)生變形，可以模擬椎體骨折的模型，分析骨折后的生物力學(xué)變化，同時(shí)可對(duì)目前治療骨質(zhì)疏松骨折的新技術(shù)如椎體成型和后凸成型做比較，以及椎體疏松后內(nèi)固定松動(dòng)的問(wèn)題，還可用于腰椎退變性滑脫，能夠很好的模擬腰椎的生物力學(xué)試驗(yàn)。我們建立此模型想利用此模型觀察骨質(zhì)疏松椎體骨折后椎體成形后的相鄰椎體骨折的問(wèn)題，最近越來(lái)越多的報(bào)道認(rèn)為這種骨折與椎體剛度和強(qiáng)度的增強(qiáng)有關(guān)。是否椎體成形術(shù)后的相鄰椎體的骨折是由椎體的生物力學(xué)的改變引起，目前尚無(wú)定論。以往試驗(yàn)利用有限元的方法對(duì)椎體增強(qiáng)后的相鄰椎體的生物力學(xué)進(jìn)行了報(bào)道，但得出的結(jié)論不一致。這些生物力學(xué)試驗(yàn)均證明了椎體剛度的增強(qiáng)是目前相鄰椎體骨折的原因[13-14]，認(rèn)為相鄰椎體的骨折與骨水泥增強(qiáng)椎體的彈性模量有關(guān)，但部分學(xué)者認(rèn)為相鄰椎體的骨折和椎體的增強(qiáng)沒(méi)有關(guān)系[15]。我們將利用建立的有限元模型對(duì)目前比較關(guān)注的椎體成型手術(shù)后的相鄰椎體的骨折問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的探討。通過(guò)更精確的模型來(lái)排除其他因素對(duì)增強(qiáng)椎體周?chē)刁w的影響。

3.3  試驗(yàn)的局限性及展望：有限元模型材料參數(shù)的獲得是通過(guò)生物試驗(yàn)得到的，但是到目前為止，退變組織的材料參數(shù)的獲得對(duì)于我們模擬退變的三維有限元模型來(lái)說(shuō)仍是個(gè)難以解決的問(wèn)題，不同研究學(xué)者對(duì)材料屬性的定義有所偏差。另外，雖然近年來(lái)建立的生物力學(xué)有限元模型越來(lái)越接近客觀實(shí)體，并且對(duì)生物力學(xué)機(jī)制有更深入的理解和預(yù)測(cè)。但有限元法是一種理論性的分析，只有在更好地結(jié)合臨床檢測(cè)與試驗(yàn)觀察之后，才能最真實(shí)地反映脊柱的受力狀況，為疾病的發(fā)生、發(fā)展分析及疾病的治療提供準(zhǔn)確的參考。

今后，我們還將做深入的研究。包括進(jìn)一步完善有限元模型的設(shè)計(jì)，特別是退變椎間盤(pán)和髓核的有限元模擬，并考慮肌肉力的影響；探討KP治療中骨水泥最佳的注射容積量；骨水泥在治療椎中不同的分布對(duì)治療椎體及相鄰椎體的生物力學(xué)的影響；使用不同性質(zhì)的骨水泥對(duì)脊柱的生物力學(xué)的影響；把有限元分析和生物試驗(yàn)的方法良好的結(jié)合起來(lái)。

本研究建立的骨質(zhì)疏松腰椎三維有限元模型接近真實(shí)的生物力學(xué)標(biāo)本，是理想的研究骨質(zhì)疏松腰椎生物力學(xué)的數(shù)字化模型，可應(yīng)用于胸腰段骨質(zhì)疏松后凸成形術(shù)相關(guān)的有限元生物力學(xué)研究。

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第2篇：關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)特性范文

Threedimensional finite element pelvic modeling during standard gait and its biomechanical significances

【Abstract】　AIM: To construct a threedimensional (3D) finite element pelvic model which includes both 3D pelvic muscle and acetabular contact forces during standard gait. METHODS: A normal pelvis　from an adult male subject was scanned by CT and the images of every crosssection were obtained. A pelvic model including both threedimensional pelvic muscle and acetabular contact forces during standard gait was　constructed with PATRAN 2005R2 software. RESULTS: The constructed 3D finite element pelvic model clearly reflected the real pelvic anatomy and biomechanical behavior， especially the muscle force and hip contact force. The model was pided into 113 028 nodes and 137 524 units. CONCLUSION:　The construction of 3D finite element pelvic model provides basic data which are critical for accurately modeling either normal loads or stresses and strains， or the effects of abnormal conditions.

【Keywords】　pelvis; threedimensional finite element; acetabular contact force; pelvic muscle force

【摘要】　目的： 構(gòu)建包含骨盆肌肉及頭臼作用力的標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)下骨盆三維有限元模型. 方法： 選擇標(biāo)準(zhǔn)成年男性志愿者行骨盆CT掃描成像得到骨盆每層橫截面圖像， 運(yùn)用Mimics軟件行三維重建， 利用有限元分析軟件PATRAN 2005R2構(gòu)建髖臼三維有限元模型，并將標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)中肌肉收縮力及頭臼作用力也設(shè)計(jì)到該模型中. 結(jié)果： 所構(gòu)建髖臼模型共劃分為113 028個(gè)結(jié)點(diǎn)、137 524個(gè)單元， 模型模擬了骨盆皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、關(guān)節(jié)軟骨以及股骨頭結(jié)構(gòu)的材料特性. 所建模型結(jié)構(gòu)完整，空間結(jié)構(gòu)測(cè)量準(zhǔn)確度高，單元?jiǎng)澐志?xì)，重點(diǎn)突出，尤其肌肉及頭臼作用力加載模擬形象、逼真，客觀反映髖臼真實(shí)解剖形態(tài)結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特點(diǎn). 結(jié)論： 構(gòu)建的髖臼三維有限元模型為正常髖臼或異常髖臼力學(xué)研究提供可循模型.

【關(guān)鍵詞】　 骨盆；三維有限元；髖臼作用力；骨盆肌肉收縮力

0引言

對(duì)于髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)的研究，有必要了解跨髖關(guān)節(jié)肌肉的收縮力的大小方向及部位，完整地了解髖臼接觸力與骨盆肌肉收縮力力學(xué)機(jī)制，有助于進(jìn)一步模擬髖關(guān)節(jié)力學(xué)行為、解剖學(xué)與手術(shù)后改變的影響，雖然有文獻(xiàn)［1-3］討論過(guò)骨盆髖臼生物力學(xué)行為，然而這些先前的模型或沒(méi)包括髖臼接觸力或不包括肌肉收縮力. 因此其結(jié)果已受到大多學(xué)者的質(zhì)疑. 作為實(shí)驗(yàn)研究骨盆與髖臼負(fù)載的需要，本實(shí)驗(yàn)試圖報(bào)導(dǎo)一個(gè)既包含了肌肉又包含了髖臼接觸力的三維有限元模型，這些數(shù)據(jù)將對(duì)于準(zhǔn)確模擬髖關(guān)節(jié)與骨盆的正常負(fù)載或異常負(fù)載將尤為重要.

1材料和方法

1.1材料① 成年男性志愿者骨盆（男性，40歲）；② 　西門(mén)子SOMATOM Volume Zoom CT 機(jī)；③　DELL工作站；④　Mimics軟件；⑤　Patran 2005 r2 軟件；⑥ Windows XP操作系統(tǒng).

1.2方法

1.2.1骨盆三維有限元模型構(gòu)建具體可以分為3個(gè)步驟① 步驟一： 對(duì)一成年男性志愿者（40歲）的骨盆進(jìn)行CT斷層成像；在CT成像過(guò)程中要志愿者在骨盆縱軸方向保持不動(dòng)，每隔1 mm層厚掃描一次. 所得圖像以DIMCOM格式存入CT機(jī)，刻錄光盤(pán)，從而得到表示骨盆每層橫截面的圖像. ② 步驟二： 將上述以DIMCOM格式存儲(chǔ)的圖像導(dǎo)入Mimics軟件，設(shè)定門(mén)檻下界灰度值為270，上界不限. 通過(guò)Region growing 選擇感興趣區(qū)域，進(jìn)行骨盆三維重建. ③ 有限元分析與計(jì)算： 三維重建圖像以out格式導(dǎo)出，并導(dǎo)入Patran 2005 r2軟件，并重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立皮質(zhì)骨的外表面與內(nèi)表面，其內(nèi)外表面都相互連接，分別建立骨盆的皮質(zhì)骨及松質(zhì)體模(圖1). 與骨盆骨相互作用的股骨頭也被建模，此外關(guān)節(jié)軟骨也被建模，以保證一個(gè)光滑且真實(shí)的髖關(guān)節(jié)作用力的加載［4］，除了髖關(guān)節(jié)頭臼作用力(表1)，22塊附著在骨盆上的肌肉也被設(shè)計(jì)到該模型中(表2，圖2)，肌肉的生理附著點(diǎn)被繪制到有限元網(wǎng)格中，其相關(guān)參數(shù)皆來(lái)自于Pedersen1997年的研究結(jié)果［5］.

圖1髖臼皮質(zhì)骨(A)與松質(zhì)骨(B)有限元模型　略

表1步態(tài)循環(huán)中支撐相時(shí)負(fù)載受力參數(shù)　略

1.2.2設(shè)置單元屬性根據(jù)骨盆的解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，骨性結(jié)構(gòu)模擬材料為皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、軟骨下骨及關(guān)節(jié)軟骨，材料參數(shù)的選擇參考文獻(xiàn)［6-7］（表3）.

1.2.3加載情況固定骶髂關(guān)節(jié)處的節(jié)點(diǎn)模擬骶骨的支持，只對(duì)左半側(cè)骨盆進(jìn)行加載，在恥骨聯(lián)合處模擬彈性邊界條件. 根據(jù)步態(tài)循環(huán)周期中左支撐相的第4個(gè)子步相的髖關(guān)節(jié)的頭臼之間的作用力，從股骨頭的中心點(diǎn)處進(jìn)行加載. 此外肌肉收縮力也被考慮，收縮力的方向是根據(jù)遠(yuǎn)近端的附著點(diǎn)獲得［8］，并且步態(tài)中骨盆肌肉與股骨的相對(duì)位置關(guān)系也被考慮進(jìn)去. 本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定股骨頭內(nèi)收15°，同時(shí)在前后位上骨盆與股骨頭(髖關(guān)節(jié)的伸屈)的角度是可以變化的(表1). 肌肉的收縮力以分布載荷運(yùn)用到模型的表面，肌肉的收縮力的方向是由其遠(yuǎn)近端的生理附著點(diǎn)的連線，并同時(shí)兼顧髖關(guān)節(jié)的屈伸角度對(duì)遠(yuǎn)端生理附著點(diǎn)的坐標(biāo)影響. 假設(shè)條件:本實(shí)驗(yàn)所涉及的生物材料均假定為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性. 受力時(shí)模型各截面不產(chǎn)生相互滑動(dòng)，各單元有足夠的穩(wěn)定性;材料受力變形為小變形.

表25步態(tài)載荷中肌肉收縮力的大小(略)

表3骨盆三維有限元模型單元屬性表　略

2結(jié)果

2.1模型建立本研究中，應(yīng)用CT圖像專(zhuān)用的DICOM醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像通訊標(biāo)準(zhǔn)，CT專(zhuān)用的Mimics圖像識(shí)別分割建模軟件和PATRAN有限元專(zhuān)用軟件，將薄層CT橫斷面圖像進(jìn)行分割識(shí)別，建立了適合生物力學(xué)研究的髖臼三維有限元模型(表4，圖1)，肌肉的生理附著點(diǎn)被繪制到有限元網(wǎng)格中，并由肌肉的遠(yuǎn)近端的附著點(diǎn)獲得肌肉收縮力的方向，并兼顧髖關(guān)節(jié)的屈伸角度對(duì)遠(yuǎn)端生理附著點(diǎn)的坐標(biāo)影響(圖2). 髖臼三維有限元模型共劃分為113028個(gè)單元，137524個(gè)節(jié)點(diǎn). 股骨頭采用四節(jié)點(diǎn)tet10單元，共劃分為37090個(gè)單元50392個(gè)節(jié)點(diǎn). 松質(zhì)骨模型在髂骨中央有橢圓形孔，及髂前下棘處有缺失，既該兩處為皮質(zhì)骨充滿. 旋轉(zhuǎn)觀察模型形態(tài)與骨盆解剖形態(tài)具有滿意的相似性，可任意切割和調(diào)整幾何及材料參數(shù)以模擬不同臨床與實(shí)驗(yàn)狀態(tài).

表4模型的有限元如下表　略

2.2模型的受力分析模擬步態(tài)4髖關(guān)節(jié)的頭臼之間的作用力及附著在骨盆上的22塊肌肉的收縮力對(duì)模型進(jìn)行加載. 得到該情況下髖臼的力場(chǎng)分布(圖3). 結(jié)果顯示：主應(yīng)力集中在髖臼軟骨的臼頂區(qū)，傳遞至軟骨下骨后，沿弓狀線及臼頂?shù)耐馍掀べ|(zhì)至骶髂關(guān)節(jié).

3討論

3.1骨盆有限元模型的應(yīng)用1995年Dalstra等首次詳細(xì)報(bào)告了骨盆三維有限元模型. 2000年Garcia等應(yīng)用三維有限元對(duì)內(nèi)固定后的骨盆進(jìn)行應(yīng)力分析，研究骨盆骨折后不同固定對(duì)其穩(wěn)定性的影響；2006年Yew運(yùn)用有限元分析影響髖關(guān)節(jié)假體置換穩(wěn)定性的因素［9］. 國(guó)內(nèi)張春才等［10］報(bào)道了應(yīng)用三維有限元法對(duì)骨盆骨折損傷機(jī)制的分析. 在骨折內(nèi)固定的應(yīng)力分布、人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，骨折危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、骨折愈合、預(yù)測(cè)骨的塑型以及骨質(zhì)疏松癥研究方面有限元模型已是不可缺少的方法［7］.

圖3單腿站立位時(shí)皮質(zhì)骨(A)，松質(zhì)骨(B)和髖臼軟骨(C)受力分布　略

本研究應(yīng)用16排螺旋掃描 CT掃描，并用MIMICS軟件直接讀取DICOMR的CT文件，選取興趣區(qū)域行3D計(jì)算，獲得髖臼的三維模型，并導(dǎo)入MSC公司PATRAN軟件，建立了髖臼的三維有限元模型，并對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行細(xì)劃分. 與標(biāo)本的相似程度高，形態(tài)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確完整. 操作過(guò)程使圖像失真減少到最小. 以往［4-5］建立骨盆三維有限元模型采用的 CT膠片掃描或照相技術(shù)， 在對(duì)圖像反復(fù)采樣過(guò)程中， 圖像的細(xì)節(jié)和信息在采樣過(guò)程中丟失較多， 而且工作繁重而導(dǎo)致建模差異較大， 出現(xiàn)建模質(zhì)量的問(wèn)題，影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性. 本實(shí)驗(yàn)三維建模過(guò)程為全數(shù)據(jù)化處理，避免了數(shù)據(jù)收集過(guò)程中關(guān)鍵信息的丟失，最大限度上保證了建模的準(zhǔn)確性和精確性.

3.2模型的力學(xué)相似性本研究結(jié)合了結(jié)合頭臼之間的作用力與肌肉的收縮力，不當(dāng)在外形上最大限度上保證了建模的準(zhǔn)確性和精確性. 并且在力學(xué)加載上更與實(shí)體相似程度高，更加準(zhǔn)確完整. 本研究頭臼作用力由股骨頭中心點(diǎn)處進(jìn)行加載，同時(shí)參予髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)有關(guān)的22塊肌肉也被考慮，肌肉收縮力的方向由遠(yuǎn)近端附著點(diǎn)決定，并同時(shí)兼顧了髖關(guān)節(jié)屈伸角度對(duì)肌肉遠(yuǎn)端附著點(diǎn)的影響；肌肉收縮力大小與方向及頭臼作用力大小與方向參考相關(guān)文獻(xiàn)［5-6］，并轉(zhuǎn)換為本研究的坐標(biāo)系，更加真實(shí)地模擬實(shí)際步行情況.

3.3髖臼受力的分析生理狀況下，骨骼的結(jié)構(gòu)和功能在很大程度上依賴(lài)于其所處的力學(xué)環(huán)境. 在髖臼骨折治療中， 施加的力學(xué)環(huán)境， 對(duì)治療效率、準(zhǔn)確的愈合是至關(guān)重要的. 本研究嘗試對(duì)髖臼模型進(jìn)行受力分析， 將骶髂關(guān)節(jié)和恥骨聯(lián)合部位鎖定后， 模擬步態(tài)4下髖臼的力場(chǎng)分布， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在股骨頭與髖臼接觸部位， 最大接觸力出現(xiàn)在髖臼的后上區(qū)域，提示在髖臼受力部位為高應(yīng)力狀態(tài)，皮質(zhì)與松質(zhì)最大受力部位較一致，皆出現(xiàn)在髖臼頂部附近(18 kPa， 0.36 mPa)，軟骨的峰值出現(xiàn)在臼頂內(nèi)側(cè)區(qū)(4.1 kPa). 本研究的意義說(shuō)明， 所構(gòu)建的髖臼三維有限元模型可以分割， 可以進(jìn)行受力的分析.

3.4標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)下骨盆三維有限元模型建立的意義骨盆肌肉的收縮力的大小、部位及方向與髖臼的接觸力對(duì)于髖關(guān)節(jié)異常情況(如畸形、手術(shù))的模擬非常重要. 完整地了解髖臼接觸力與骨盆肌肉收縮力力學(xué)機(jī)制有助于進(jìn)一步模擬髖關(guān)節(jié)力學(xué)行為、解剖學(xué)與手術(shù)后改變的影響，以往對(duì)髖臼進(jìn)行有限元分析， 鑒于形狀復(fù)雜，載荷條件復(fù)雜， 一般均對(duì)其作簡(jiǎn)化處理， 先前的模型很少有髖關(guān)節(jié)接觸力的三維模擬，或是沒(méi)有對(duì)附近肌肉負(fù)荷的三維模擬［1-3，9］. 髖關(guān)節(jié)周?chē)膶?shí)驗(yàn)及理論力學(xué)模型運(yùn)行時(shí)都是在缺乏肌肉收縮力的影響上得出的結(jié)果，因此分析的結(jié)果必然引起誤差［5］，了解髖關(guān)節(jié)的接觸與跨髖關(guān)節(jié)肌肉作用力對(duì)于準(zhǔn)確模擬手術(shù)后幾何條件及負(fù)載改變是非常重要的. 本研究成功構(gòu)建一個(gè)既包含了肌肉有包含了髖臼接觸力的髖臼三維有限元模型，真實(shí)模擬人體髖臼解剖形態(tài)，肌肉載荷及頭臼作用力，而且三維有限元圖像還原性好， 能從力學(xué)上真實(shí)代表實(shí)物. 當(dāng)然，這是全面認(rèn)識(shí)髖臼生物力學(xué)改變的第一步，理想的模型將為進(jìn)一步的研究提供可靠的手段和方法，也將有助于豐富髖臼的相關(guān)生物力學(xué)研究.

參考文獻(xiàn)

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第3篇：關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)特性范文

【摘要】［目的］利用工程力學(xué)分析軟件CatiaV5，模擬在不同的肩關(guān)節(jié)功能位置上、間接沖擊暴力所致肱骨骨折的受傷力學(xué)機(jī)制和力學(xué)環(huán)境，為認(rèn)識(shí)和治療肱骨骨折提供生物力學(xué)依據(jù)。［方法］采用高分辨率的人體肩關(guān)節(jié)斷層解剖圖作為三維重建的數(shù)據(jù)源，選取自鎖骨頂端至肱骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面、共380層的斷層圖像，層厚1mm，按照點(diǎn)、線、面的建模方式，先建立人體肩關(guān)節(jié)的三維幾何模型，再予網(wǎng)格化，建立人體肩關(guān)節(jié)的三維有限元模型，利用該模型，模擬在12個(gè)不同的肩關(guān)節(jié)功能位置上（外展30°、45°、60°、90°、同時(shí)合并內(nèi)旋、中立、外旋）、肱骨受到分級(jí)加載的軸向沖擊載荷時(shí)的骨折位置以及瞬時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變狀況。［結(jié)果］根據(jù)肱骨在不同的功能位置上載荷－應(yīng)變關(guān)系曲線，載荷從0～250N時(shí)，呈線性變化，后為非線性期，卸載后，殘余骨變形；隨著載荷的增加，肱骨干的應(yīng)變隨之增加。當(dāng)肩關(guān)節(jié)的外展位置由90°逐漸變?yōu)?0°時(shí)，肱骨干上內(nèi)外側(cè)應(yīng)變逐漸增加，內(nèi)外旋45°時(shí)應(yīng)變比中立位時(shí)增加顯著；同時(shí)，肱骨干內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力不同，內(nèi)側(cè)應(yīng)力大，外側(cè)應(yīng)力小，內(nèi)外旋時(shí)，肱骨干的應(yīng)力增加更快、更大。［結(jié)論］在肩關(guān)節(jié)不同的功能位置上，三維有限元分析逼真地模擬出各自不同的肱骨應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)值及骨完整性受到破壞的三維圖像、骨折線的大體走向；肱骨骨折的三維有限元模擬和分析是研究與骨折相關(guān)的力學(xué)原理的非常有價(jià)值的方法。

【關(guān)鍵詞】間接暴力；肱骨骨折；三維有限元；模擬

Abstract：［Objective］Tosimulatethebiomechanicsmechanismandenvironmentofhumeralfracturecausedbyindirectimpactforceforthepurposeofbiomechanicsunderstandingandtreatmentofsuchfracture.［Method］Basedonthedatasource,whichwashighresolutionanatomicsliceimagesfromapproximalclavicletodistalhumerus,1mmthicknessandtotally380layers,thegeometricmodeloftotalshoulderjointwasestablishedaccordingtotheorder:point,line,area,andfurthermeshedtosetupthethreedimensionfiniteelementmodelofshoulder,fracturesitesandinstantaneousstressandstrainofhumerusweresimulatedandanalyzedundertheconditionwhichlongitudinalimpactforcewasloadedonthehumerusbasedonthe12functionalpositionsofshoulder(abduction30°、45°、60°、90°,andsimultaneousneutrality,internalrotation45°,externalrotation45°).［Result］Accordingtothehumeralshaftloadstraincurveindifferentfunctionalpositionsofshoulder,linearrelationwasfoundwhenloadchangedfrom0Nto250N,afterwhichnonlinearcomeout,andevenloadwasremoved,bonewasdeformedeternally.Withtheriseinloadamount,theincreaseinstresswasdetected.Whenabductiondegreechangedfrom90°to30°,thestrainofhumerus,boththelateralandthemedialincreasedgradually,andincreaseininternalrotation45°andexternalrotation45°wasmoresignificantthanthatinneutrality.Meanwhile,stressdifferencecouldbeseenbetweenthelateralandthemedial,andmedialwaslargerthanthelateral.Increaseinstressinrotationpositionswasquickerandmorethanthatinotherfunctionalpositions.［Conclusion］Basedon4abductiondegrees(30°,45°,60°,90°)and3rotationdegrees(neutrality,internalrotation45°,externalrotation45°),thethreedimensionalfiniteelementshouldercouldsimulatepreciselystress,strain,generaltrendoffractureline,threedimensionimagesofbonefailure.Threedimensionfiniteelementsimulationandanalysisofshoulderisavaluablemechanicalmethodforresearchonbiomechanicstheoryrelatedtohumerusfracture.

Keywords：indirectimpactforce;humerusfracture;threedimensionalfiniteelement;simulation

臨床上，肱骨骨折的發(fā)生率并不少見(jiàn)。目前，對(duì)于肱骨骨折確切的損傷機(jī)制尚缺乏較深刻的了解，較透徹的闡明肱骨骨折的機(jī)制方面的知識(shí)對(duì)于肱骨骨折的預(yù)防和治療將會(huì)產(chǎn)生重要的指導(dǎo)意義。本研究就是利用人體肩關(guān)節(jié)的三維有限元模型，模擬不同的軸向沖擊載荷下，肱骨的形變情況，并顯示其動(dòng)態(tài)過(guò)程，探討肱骨骨折的受傷應(yīng)力機(jī)制。

1材料與方法

1.1肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的幾何實(shí)體重建

采用高分辨率的人體肩關(guān)節(jié)斷層解剖圖作為三維重建的數(shù)據(jù)源，按照點(diǎn)－線－面－體的方式建立肩關(guān)節(jié)的幾何實(shí)體形狀，可以分別顯示皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、軟骨及髓腔結(jié)構(gòu)，在CatiaV5運(yùn)行平臺(tái)上可以任意角度轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察模型的解剖結(jié)構(gòu)和方向（圖1）。

1．2肩關(guān)節(jié)三維有限元模型的構(gòu)建

肩關(guān)節(jié)的三維實(shí)體建模完成后，根據(jù)材料特性的不同，定義軟骨、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨材料力學(xué)參數(shù)（表1）。選用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元，該四面體具有6個(gè)方向的自由度，在CatiaV5運(yùn)行平臺(tái)上，定義肩關(guān)節(jié)的各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)，選擇中上等精度的自動(dòng)網(wǎng)格劃分模式，對(duì)肩關(guān)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格化，生成3977個(gè)節(jié)點(diǎn)（nodes）、20919個(gè)四面體單元（elements）（圖2）。表1肩關(guān)節(jié)的材料力學(xué)參數(shù)（Joseph.A等2002年）

1.3肩關(guān)節(jié)不同功能位置上肱骨骨折的三維有限元模擬

啟動(dòng)CatiaV5的結(jié)構(gòu)模塊。根據(jù)盂肱關(guān)節(jié)面的接觸關(guān)系，及肱骨頭的旋轉(zhuǎn)中心的確立，固定肩胛骨相對(duì)不動(dòng)，將肱骨分別從0°位外展到30°、45°、60°、90°每個(gè)位置上；分別設(shè)定3種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)：中立位、外旋45°、內(nèi)旋45°，從而將肩關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)功能過(guò)程分割成12個(gè)不同的功能位置。在每一個(gè)位置下，根據(jù)盂肱關(guān)節(jié)面接觸區(qū)域的位置和范圍，設(shè)定肱骨的邊界約束，限制其所有方向的自由度。

自肱骨遠(yuǎn)端分別加載以0.1s梯度增加的300N軸向沖擊載荷，載荷持續(xù)時(shí)程為1s，同時(shí)自肱骨大結(jié)節(jié)加載50N水平恒定載荷，啟動(dòng)CatiaV5的求解模塊，計(jì)算機(jī)進(jìn)入沖擊受力分析模塊程序。運(yùn)算結(jié)束后，得到動(dòng)態(tài)顯示的加載－形變過(guò)程，分析其應(yīng)力分布和骨折移位狀況。根據(jù)圖像的模擬結(jié)果，我們可以判斷不同的功能位置上的骨斷裂的位置和移位方向，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的斷裂度判斷骨折線的大致走向。

2結(jié)果

計(jì)算機(jī)運(yùn)算結(jié)束后，得到12個(gè)功能位置上、暴力載荷下的肱骨應(yīng)力、形變趨勢(shì)，并且動(dòng)態(tài)展示出來(lái)。本文以45°外展位為例(圖3～5)；此外，通過(guò)鼠標(biāo)取值，可以記錄肱骨上的平均應(yīng)變值（圖6），從而進(jìn)一步繪制載荷－應(yīng)變曲線（圖7），了解肱骨隨載荷變化的生物力學(xué)規(guī)律。

3討論

3.1本研究中骨折模擬的力學(xué)合理性

造成骨折的原因有內(nèi)因和外因兩個(gè)方面，前者是指骨結(jié)構(gòu)本身的特性，例如材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，后者是指骨骼受外力的方向、大小、變化速度以及肢體的空間位置等［1］。對(duì)于肱骨骨折而言，常見(jiàn)于摔倒時(shí)，上肢撐地，沖擊載荷在較短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)間接傳遞作用于骨骼，造成骨折［2］；同時(shí)，由于人體上臂具有靈活的運(yùn)動(dòng)范圍，故摔倒時(shí)，肱骨可以有多個(gè)不同的功能位置，而這種位置直接影響骨骼的受力矢量，因此，本研究在前期肩關(guān)節(jié)三維有限元模型和肩關(guān)節(jié)試驗(yàn)力學(xué)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，模擬不同功能位置上的肱骨骨折狀態(tài)，是符合肩關(guān)節(jié)生物力學(xué)原理的［3］。

3.2三維有限元分析法模擬肱骨骨折的優(yōu)勢(shì)所在

肱骨發(fā)生骨折時(shí)，由于其瞬時(shí)性的特點(diǎn)，往往很難重復(fù)其具體過(guò)程，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。試驗(yàn)研究的條件下進(jìn)行骨折力學(xué)分析時(shí)，當(dāng)載荷超過(guò)骨的極限強(qiáng)度時(shí)，骨小梁斷裂，骨結(jié)構(gòu)的完整性破壞。目前的力學(xué)記錄儀器尚不能記錄峰值強(qiáng)度以后的骨應(yīng)力和骨應(yīng)變，特別是骨的內(nèi)部力學(xué)狀況，所以，用試驗(yàn)的方法研究骨折的力學(xué)機(jī)制存在著明顯的不足，它不能提供骨折完整過(guò)程的信息，故本研究嘗試用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，憑借工程力學(xué)的軟件，按照生物力學(xué)的原理，去研究肱骨骨折的損傷機(jī)制，是對(duì)試驗(yàn)力學(xué)有力的補(bǔ)充和完善。運(yùn)用三維的視覺(jué)環(huán)境，高度形象地模擬骨折的形變和應(yīng)力分布。作為一項(xiàng)被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)技術(shù)，三維有限元分析法可以高度模擬物體結(jié)構(gòu)與材料的特性；既可以精確地反映區(qū)域性的信息，又可以完整地反映全域性的信息；既可以進(jìn)行精確的計(jì)算分析，又可以從事形象的、直觀的定性研究，分析研究的重復(fù)性好，應(yīng)用面廣，適應(yīng)性強(qiáng)，可以反復(fù)使用，無(wú)損耗，能夠通過(guò)模擬分析的方法研究實(shí)驗(yàn)方法所不能研究的工況（或生理狀況），得到客觀實(shí)體實(shí)驗(yàn)法所難以得到的研究結(jié)果［4］。

3.3有限元模擬肱骨骨折受傷機(jī)制的臨床意義

從肱骨骨折的三維有限元?jiǎng)討B(tài)模擬圖像資料上看，當(dāng)關(guān)節(jié)盂實(shí)施邊界約束、肱骨大結(jié)節(jié)加載基礎(chǔ)載荷、于肱骨遠(yuǎn)端加載以0.1s梯度增加的300N沖擊載荷時(shí)，應(yīng)力逐漸由肱骨遠(yuǎn)端移向骨干部，隨著力的傳遞，壓力集中在肱骨頸干交界部位和干部上段部分，應(yīng)力在其前側(cè)和/或內(nèi)側(cè)達(dá)到最大聚積；而與此同時(shí)，與關(guān)節(jié)盂相接觸的肱骨關(guān)節(jié)面的部分，應(yīng)力也逐漸增加，這兩個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域在沖擊載荷作用下，應(yīng)力增加不顯著。骨應(yīng)變圖提示這個(gè)區(qū)域此時(shí)承載的載荷逐漸轉(zhuǎn)成張力區(qū)，2種載荷交界區(qū)域即是骨小梁承受彎曲最大的部位，當(dāng)能量完全釋放，骨小梁斷裂，骨折線產(chǎn)生，遠(yuǎn)段肱骨部分移向后側(cè)或/和外側(cè)。應(yīng)變是應(yīng)力作用于骨組織的的結(jié)果，伴隨著應(yīng)力的變化，肱骨上應(yīng)變發(fā)生變化，骨形變不可避免。另外，作者看到，在12個(gè)不同的功能位置上，相同的加載時(shí)，肱骨的應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生了轉(zhuǎn)移和變化。當(dāng)從30°90°外展時(shí)，高應(yīng)力區(qū)由內(nèi)側(cè)逐漸轉(zhuǎn)向外側(cè)，而以60°外展外旋位置上應(yīng)力最高，達(dá)3.13MPa。也就是說(shuō)在這個(gè)位置上摔倒時(shí)，骨骼承受最大的應(yīng)力，骨應(yīng)變?cè)诖藚^(qū)域最大，故骨折發(fā)生率較高，特別對(duì)于本身骨強(qiáng)

度減弱的情況下（例如、

圖1肩關(guān)節(jié)的三維幾何實(shí)體重建圖像圖2肩關(guān)節(jié)的三維網(wǎng)格化圖345°外展中立位的骨折形變模擬過(guò)程（ae.形變過(guò)程；f.骨折線的走行）圖4

45°外展內(nèi)旋位的骨折形變模擬過(guò)程（ae.形變過(guò)程；f.骨折線的走行）

圖545°外展外旋位的骨折形變模擬過(guò)程（ae.形變過(guò)程；f.骨折線的走行）圖6箭頭所指為鼠標(biāo)取值圖7外展45°位置上中立位、外旋45°、內(nèi)旋45°時(shí)肱骨干上載荷－應(yīng)變關(guān)系曲線質(zhì)疏松時(shí)），在30°外展位置上易發(fā)生由肱骨外科頸和肱骨上段后上向前下的骨折移位［5］；而在90°外展加載時(shí)，骨折線接近橫行走向，因此可以推測(cè)在健康人群中，肩關(guān)節(jié)30°～90°范圍摔倒時(shí)，骨折線由斜形逐漸變成橫行，且肱骨外科頸和肱骨上段時(shí)更易于骨折和移位置［6,7］。

此外，不同的肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)位置對(duì)肱骨骨折也產(chǎn)生一定的影響。從圖像中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)旋和外旋時(shí)，肱骨上的應(yīng)力分布發(fā)生轉(zhuǎn)移。內(nèi)旋時(shí)，高應(yīng)力區(qū)移向肱骨的前外側(cè)，外旋時(shí)，高應(yīng)力區(qū)移向肱骨的內(nèi)側(cè)，并伴隨骨折線出現(xiàn)部位的轉(zhuǎn)移。根據(jù)動(dòng)態(tài)模擬圖像中，可以清晰顯示骨折的動(dòng)態(tài)現(xiàn)況，且可以反復(fù)回放，任意提取任何一個(gè)需要的信息。

3.4肩關(guān)節(jié)有限元模擬分析的應(yīng)用前景

本研究中所建立的肩關(guān)節(jié)三維有限元是一個(gè)良好的生物力學(xué)研究工具，利用它，不僅可以對(duì)關(guān)節(jié)的骨性結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，同時(shí)通過(guò)建立三維連接單元，還可以重建肩關(guān)節(jié)的任一個(gè)軟組織結(jié)構(gòu)；通過(guò)這些軟組織的試驗(yàn)力學(xué)測(cè)試，獲得相關(guān)的材料參數(shù)，同樣可以將軟組織的有限元模型建立起來(lái)，繼而進(jìn)行力學(xué)分析。本論文僅僅對(duì)肱骨骨折實(shí)施了有限元的模擬，使用同樣的方法，可以對(duì)其他肩關(guān)節(jié)的其他結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理進(jìn)行模擬，如鎖骨骨折、脫位、肩胛骨骨折、盂肱關(guān)節(jié)的脫位、慢性肩關(guān)節(jié)不穩(wěn)、肩峰撞擊癥等。

總之，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及力學(xué)分析軟件的不斷完善，三維有限元分析法一定會(huì)在骨關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

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第4篇：關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)特性范文

中圖分類(lèi)號(hào)： G 804.5 文章編號(hào)：1009783X（2012）03027406 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期：20110509

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（30771046）。

作者簡(jiǎn)介：張?。?963—），男，北京人，碩士，副教授，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)；卜淑敏（1967—），女，山西人，博士，教授，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生理學(xué)；魏兆松（1981—），男，安徽人，碩士，講師，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。

作者單位：首都體育學(xué)院，北京 100191

Capital University of Physical Education and Sports，Beijing 100191，China. 隨著人口的老齡化，骨質(zhì)疏松癥不僅是一個(gè)醫(yī)療問(wèn)題，也是一個(gè)社會(huì)問(wèn)題，是常見(jiàn)的骨代謝性疾病，是一種危害中老年人群常見(jiàn)的疾病，在世界多發(fā)病中位居第6位，對(duì)該類(lèi)疾病的研究及治療在影響人類(lèi)生存質(zhì)量的因素中，已經(jīng)占有了越來(lái)越重要的地位。骨密度是診斷骨質(zhì)疏松的重要標(biāo)準(zhǔn)，受很多因素的影響。為探求骨密度對(duì)骨質(zhì)疏松癥的影響，本文采用去卵巢大鼠模型，通過(guò)觀察各組大鼠的體重、脛骨體重指數(shù)、脛骨長(zhǎng)度、股骨和第4腰椎的骨密度的變化情況，得出運(yùn)動(dòng)和雌激素對(duì)骨質(zhì)疏松預(yù)防和治療的作用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

60只雌性健康3月齡SD大鼠，體重（220±20）g，身體情況正常。由北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供，飼養(yǎng)于北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)部，嚙齒類(lèi)動(dòng)物飼料喂養(yǎng)，自由飲食、飲水，動(dòng)物室溫度22～25 ℃，相對(duì)濕度50%～55%。

1.2 方法

1.3 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定

在取材的前2 d開(kāi)始制備取材的設(shè)備和儀器并注意制備充足的材料，開(kāi)始斷食。在取材的當(dāng)日5時(shí)從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)學(xué)部用專(zhuān)門(mén)的鼠籠把動(dòng)物帶到首都體育學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行取材。

1.3.1 體重

在平時(shí)要注意觀察大鼠的精神狀況和運(yùn)動(dòng)能力的變化，并注意各組的飲食量。在取材時(shí)要準(zhǔn)確地測(cè)量出每只大鼠的體重。

1.3.2 股骨和腰椎骨標(biāo)本的制備

大鼠飼養(yǎng)到期時(shí)，要提前2 d斷食物，但正常飲水。麻醉后測(cè)量體重，股動(dòng)脈放血處死。注意勿損傷骨質(zhì)去除附著的肌肉和結(jié)締組織將兩側(cè)股骨、脛骨和腰椎骨摘出，將摘出的骨骼用pbs生理鹽水浸透的紗布包裹，裝入密閉試劑盒中，放置于-20℃冰箱內(nèi)，測(cè)試時(shí)將其于室溫下自然解凍[12]。

1.3.3 脛骨干重和長(zhǎng)度的測(cè)定

用水合氯醛麻醉并用電子天平（JA5002）稱(chēng)量出大鼠的體重。對(duì)所有的大鼠進(jìn)行股動(dòng)脈放血處死并取下大鼠的后下肢左、右脛骨。把脛骨按編號(hào)放置在60℃的實(shí)驗(yàn)室烤箱（型號(hào) XU027200）烘烤 12 h后取出。用電子分析天平（型號(hào) FA1004A）稱(chēng)量所有脛骨的質(zhì)量。再用游標(biāo)卡尺（精確度為0.02 mm）測(cè)出大鼠脛骨的長(zhǎng)度（測(cè)量時(shí)，采用游標(biāo)卡尺卡緊骨的兩端結(jié)構(gòu)，并且骨兩端的距離是最短（要求骨的縱徑與游標(biāo)卡尺主尺面平行）。計(jì)算出左、右脛骨質(zhì)量的平均值和大鼠體重的質(zhì)量指數(shù)（脛骨和體重的質(zhì)量指數(shù)=一側(cè)脛骨的質(zhì)量/大鼠體重）。

1.3.4 股骨和腰椎骨的骨密度的測(cè)定

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計(jì)

所有指標(biāo)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，數(shù)理統(tǒng)計(jì)采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 12.0進(jìn)行單因素方差分析，組間相互比較采用LDS法，對(duì)F值明顯的指標(biāo)，用t檢驗(yàn)對(duì)各組均值進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

去勢(shì)大鼠作為骨質(zhì)疏松模型也已經(jīng)是一門(mén)成熟的技術(shù)。大鼠在3月齡時(shí)性腺與內(nèi)分泌系統(tǒng)才完全發(fā)育成熟，肌肉骨骼系統(tǒng)基本定型，故以3月齡青春期大鼠為研究的起始年齡；但此時(shí)大鼠的骨骼仍然在生長(zhǎng)，至7月齡時(shí)，皮質(zhì)骨才發(fā)育成熟達(dá)到骨峰值，故3～8月齡為復(fù)制成年大鼠疏松模型的合適年齡，7～8月為最佳年齡；但采用 7、8 月齡大鼠耗資較大，故在設(shè)立對(duì)照組的前提下，用3～4月齡的大鼠仍是可行的[3]。通過(guò)以上所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以看出本次實(shí)驗(yàn)的造模是成功的，得到手術(shù)靜止組的大鼠的體重和骨密度與假手術(shù)組、手術(shù)干預(yù)組有高度顯著性差異（P

3.1 脛骨指標(biāo)數(shù)據(jù)的比較分析及討論

骨長(zhǎng)軸方向的成長(zhǎng)依靠軟骨內(nèi)骨化過(guò)程，骸軟骨細(xì)胞不斷增生和不斷骨化（軟骨變成骨的過(guò)程），使骨長(zhǎng)度不斷增加[7]。比較手術(shù)靜止組與假手術(shù)靜止組，可以看出SD雌性大鼠的脛骨由于在去勢(shì)手術(shù)的環(huán)境下生長(zhǎng)而導(dǎo)致其脛骨長(zhǎng)度的增長(zhǎng)不明顯（P

3.2 骨密度指標(biāo)分析及討論

骨密度（BMD）是機(jī)體某一部位骨組織中單位骨面積內(nèi)所含的礦物質(zhì)量，是影響骨強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，是評(píng)價(jià)骨強(qiáng)度的一個(gè)最方便、最常用的指標(biāo)，并且BMD的高低也被作為診斷骨質(zhì)疏松的一項(xiàng)主要標(biāo)準(zhǔn)。BMD受到諸多因素的影響，如遺傳背景、性別、年齡、激素、營(yíng)養(yǎng)和運(yùn)動(dòng)因素等。宋冰，張兆強(qiáng)研究顯示，切除大鼠雙側(cè)卵巢后，骨礦物元素Ca、S、Mg、Zn、Co、Mn等含量顯著降低（P

雌激素具有下調(diào)骨重建閾值的作用[16]，當(dāng)雌激素減少時(shí)骨重建閾值提高，因此，原先使骨骼進(jìn)行保留型骨重建的應(yīng)變只能進(jìn)行廢用型骨重建了。絕經(jīng)后雌激素減少，通過(guò)運(yùn)動(dòng)可以增加骨骼載荷以增加骨骼的應(yīng)變，使之達(dá)到骨重建閾值而進(jìn)行保留型骨重建，減少絕經(jīng)后骨量的丟失[17]。體育運(yùn)動(dòng)影響骨的力學(xué)特性。影響骨的力學(xué)特性的因素包括骨的幾何形態(tài)（體積、橫斷面、管壁厚度等）、骨礦密度（與骨組織的孔隙率呈反比）、骨質(zhì)的質(zhì)量（原有骨質(zhì)和新形成骨質(zhì)之比、礦化度、骨膠原成分和含量、骨膠原和骨礦的排列方向，以及骨基質(zhì)中和骨單位周?chē)嬖诘募?xì)微骨折數(shù)量等。骨骼所受的外力，即使骨產(chǎn)生形變的外源性機(jī)械力可概括為內(nèi)源性肌肉收縮力與外源性反作用力。這些力對(duì)骨生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控主要通過(guò)調(diào)節(jié)軟骨內(nèi)生長(zhǎng)與骨化、關(guān)節(jié)軟骨的發(fā)育，以及軟骨周緣/骨膜的骨化和軟骨內(nèi)成骨[18]。機(jī)械力學(xué)信號(hào)可轉(zhuǎn)化成促進(jìn)成骨的生化信號(hào)。力學(xué)信號(hào)激活骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)通路而成骨，尤其在達(dá)到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)[19]。跑步運(yùn)動(dòng)時(shí)骨骼肌的頻繁收縮，大量增加肌肉的血液供應(yīng)，進(jìn)而增加骨皮質(zhì)血流量，改善骨組織血液供應(yīng)，促進(jìn)鈣的吸收，保存骨量。陳柏齡等的研究顯示：雌激素和運(yùn)動(dòng)均可顯著提高骨密度及生物力學(xué)性能；但與雌激素相比，運(yùn)動(dòng)在防治Ⅰ型骨質(zhì)疏松的作用中具有如下優(yōu)點(diǎn)：1） 更強(qiáng)的促進(jìn)骨形成的能力；2）調(diào)節(jié)骨重建的部位和方向，使骨的顯微結(jié)構(gòu)適應(yīng)其生物力學(xué)功能；3）提高骨的硬度，增強(qiáng)骨抵抗變形的能力[20]。李梅、李爽等人研究顯示：運(yùn)動(dòng)和雌激素均能明顯提高去卵巢大鼠脛骨的BMD，但在維持去卵巢大鼠BMD方面，運(yùn)動(dòng)的功效作用優(yōu)于雌激素。這可能是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)不僅能對(duì)骨骼系統(tǒng)提供有效的力學(xué)刺激，而且可以改善機(jī)體神經(jīng)內(nèi)分泌功能，明顯提高絕經(jīng)后婦女的內(nèi)源性雌二醇水平，能夠有效緩解絕經(jīng)后各種低雌激素癥狀從而達(dá)到良好的維持或改善骨健康的功效[21]。

本實(shí)驗(yàn)手術(shù)運(yùn)動(dòng)組大鼠的骨密度相對(duì)手術(shù)靜止組有高度顯著性差異，就是運(yùn)動(dòng)給予骨骼機(jī)械力的作用而引起的，通過(guò)上述研究分析可以明確為什么運(yùn)動(dòng)組大骨密度增高。同樣孫穎等[2224]的研究發(fā)現(xiàn)，低、中強(qiáng)度的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以延緩股骨骨量的丟失，高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)并不能產(chǎn)生這種效果。王怡婧，張焱等人研究發(fā)現(xiàn)中等強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)和E2單獨(dú)或聯(lián)合作用均能顯著增加去卵巢大鼠肝組織勻漿NO含量，二者是通過(guò)上調(diào)肝臟 eNOS 蛋白表達(dá)而發(fā)揮作用[25]；因此，大部分研究認(rèn)為，中等強(qiáng)度的承重性練習(xí)更有利于延緩骨量的丟失。張林等人的研究顯示：去卵巢后大鼠表現(xiàn)為高轉(zhuǎn)換型骨代謝特征，雌激素下降，甲狀旁腺激素分泌加強(qiáng)，促進(jìn)骨吸收，從而骨鈣流失；因此，血鈣含量上升，而運(yùn)動(dòng)可使血鈣流入并沉積在骨中，主要原因推測(cè)為：1）運(yùn)動(dòng)能促進(jìn)血液循環(huán)，利于血鈣向骨內(nèi)輸送和破骨細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變，促進(jìn)骨鈣化，增加骨密度。2）運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的機(jī)械應(yīng)力可促進(jìn)骨細(xì)胞的增殖，加強(qiáng)其活性，使骨的礦化過(guò)程加強(qiáng)，使血中的鈣以鈣鹽的形式沉積在骨中，從而使骨量增加。

運(yùn)動(dòng)結(jié)合藥物對(duì)由于去勢(shì)而導(dǎo)致的骨礦物質(zhì)丟失有預(yù)防和治療的作用，已經(jīng)成為人們的共識(shí)。很多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)都已經(jīng)證明：適度運(yùn)動(dòng)結(jié)合雌激素對(duì)由于老年化而導(dǎo)致的骨質(zhì)疏松有協(xié)同的效果。本實(shí)驗(yàn)的手術(shù)給藥加運(yùn)動(dòng)組與手術(shù)給藥和手術(shù)運(yùn)動(dòng)組大鼠間有顯著性差異也證明在該實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)去勢(shì)大鼠的骨骼礦物質(zhì)的丟失是有效果的。

4 結(jié)論

3）本實(shí)驗(yàn)的不足之處，假手術(shù)運(yùn)動(dòng)與靜止組別在一些數(shù)據(jù)指標(biāo)上沒(méi)有顯著性的差異；可能是該運(yùn)動(dòng)量對(duì)健康大鼠的影響程度不高，沒(méi)有去勢(shì)大鼠改善效果明顯的緣故。

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提示我們?cè)陬A(yù)防和治療由于老年化引起的骨質(zhì)疏松，單純的藥物與運(yùn)動(dòng)干預(yù)，不如兩者共同協(xié)同作用效果顯著，并且在實(shí)際的對(duì)待人類(lèi)而言，很重要的一點(diǎn)是必須控制好藥物量及運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和量度，還要安排好干預(yù)的時(shí)間和頻率。

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第5篇：關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)特性范文

攝影／柳宗游

現(xiàn)在電視上宣傳的中老年補(bǔ)鈣產(chǎn)品，已經(jīng)不僅僅強(qiáng)調(diào)補(bǔ)鈣效果，而是強(qiáng)調(diào)提高骨密度，預(yù)防骨質(zhì)疏松功效，這是為什么呢？究其根本原因，是骨質(zhì)疏松和關(guān)節(jié)炎已經(jīng)成為現(xiàn)代中老年人的常見(jiàn)病和多發(fā)疾病，這類(lèi)疾病已經(jīng)不是單純補(bǔ)鈣可以奏效的。

骨質(zhì)疏松和關(guān)節(jié)炎都與骨基質(zhì)中膠原蛋白的流失有關(guān)，骨骼、軟骨組織、關(guān)節(jié)液中的膠原蛋白叫“骨骼膠原”，約占骨骼中有機(jī)物的70%～80%。人過(guò)中年后，由于骨骼膠原及鈣質(zhì)的大量流失，骨骼中的骨質(zhì)含量逐漸減少，造成骨質(zhì)疏松，導(dǎo)致患者容易發(fā)生骨折。另外，人的關(guān)節(jié)軟骨每天都承受著各種活動(dòng)引起的機(jī)械摩擦力，人到中年后肌肉功能逐漸減退，容易導(dǎo)致關(guān)節(jié)損傷，軟骨破壞，引起骨性關(guān)節(jié)炎。

醫(yī)學(xué)證明，補(bǔ)充適量的骨骼膠原，不僅可以延緩骨質(zhì)疏松，同時(shí)也能維持人體自身軟骨組織的生成機(jī)制，保護(hù)關(guān)節(jié)免于磨損和毀壞，還可預(yù)防由各種原因引發(fā)的關(guān)節(jié)炎。就是說(shuō)骨骼膠原在我們關(guān)節(jié)中起到的作用。試想一下，將我們的身體比作一臺(tái)機(jī)器，每天都在運(yùn)行，骨骼之間摩擦不斷，為了降低關(guān)節(jié)的磨損和毀壞，就要勤于保養(yǎng)，而保養(yǎng)的關(guān)鍵不僅僅是補(bǔ)鈣，還要降低關(guān)節(jié)之間的摩擦力，這就是為什么身體需要膠原蛋白。在骨骼膠原誘導(dǎo)和正反饋?zhàn)饔孟?，氨基葡萄糖作為膠原蛋白合成的前體物質(zhì)，能迅速參與人體代謝，及時(shí)為骨骼膠原的合成提供充足的硫基和多糖蛋白。

骨骼生成時(shí)，首先必須合成充足的膠原蛋白纖維來(lái)組成骨骼的框架。因此，有人稱(chēng)膠原蛋白為骨骼中的骨骼。其實(shí)，膠原蛋白更像是骨骼的黏合劑，由于膠原纖維具有強(qiáng)大的韌性和彈性，在補(bǔ)充鈣的同時(shí)補(bǔ)充膠原蛋白，這樣鈣才能在膠原蛋白的黏合下，沉積在骨骼中，增強(qiáng)骨的韌性、硬度。也就是說(shuō)，只有攝取足夠的膠原蛋白，人體對(duì)鈣才能夠有正常的吸收和利用，骨質(zhì)疏松的問(wèn)題才能得以解決。

第6篇：關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)特性范文

[關(guān)鍵詞] 膝關(guān)節(jié)；骨性關(guān)節(jié)炎；關(guān)節(jié)鏡；綜合治療

[中圖分類(lèi)號(hào)] R684.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] B [文章編號(hào)] 1673-9701（2013）16-0143-02

骨性關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種慢性關(guān)節(jié)病，其特征是關(guān)節(jié)軟骨退變，關(guān)節(jié)邊緣骨贅形成，病理變化以軟骨變性、軟骨下骨質(zhì)病變?yōu)橹?。膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎是中老年人常見(jiàn)病、多發(fā)病，主要癥狀為膝關(guān)節(jié)疼痛和功能障礙，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的治療尚無(wú)統(tǒng)一治療標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)節(jié)鏡在治療膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎中的作用長(zhǎng)期以來(lái)充滿爭(zhēng)論。我們采用關(guān)節(jié)鏡手術(shù)治療為主輔以關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射玻璃酸鈉、口服氨基葡萄糖片、指導(dǎo)患者功能鍛煉等綜合治療85例膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者，療效較好，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本組符合美國(guó)風(fēng)濕病學(xué)會(huì)關(guān)于骨性關(guān)節(jié)炎的診斷標(biāo)準(zhǔn)，以膝關(guān)節(jié)疼痛和活動(dòng)障礙為主要癥狀。本組患者男35例，女50例，年齡42～75歲，平均65歲；左膝37例，右膝46例，雙膝2例。綜合治療前VAS疼痛評(píng)分為（4.8±2.4）分、Lysholm膝關(guān)節(jié)功能評(píng)分為（54.6±12.3）分。根據(jù)治療前膝關(guān)節(jié)X線片，我們按Kellgren-Lawrence分級(jí)：Ⅰ級(jí)18膝，Ⅱ級(jí)41膝，Ⅲ級(jí)23膝，Ⅳ級(jí)5膝。發(fā)病時(shí)間3個(gè)月～10年不等，平均3年。大部分患者本次綜合治療前曾口服抗炎鎮(zhèn)痛藥、氨基葡萄糖、鈣片等藥物治療或進(jìn)行針灸理療，部分患者曾行關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射等處理，但療效均欠佳。

1.2 手術(shù)方法

本組患者采用椎管內(nèi)麻醉78例，氣管插管全麻5例，膝關(guān)節(jié)腔浸潤(rùn)麻醉2例。常規(guī)通過(guò)膝關(guān)節(jié)前外、內(nèi)側(cè)入路對(duì)關(guān)節(jié)腔進(jìn)行鏡檢、探查。根據(jù)鏡下所見(jiàn)具體病變采取相應(yīng)處理措施，包括沖洗關(guān)節(jié)腔、清除炎性物質(zhì)和碎屑、摘除游離體；射頻消融去除不穩(wěn)定的軟骨，修整軟骨缺損的邊緣；刨削過(guò)度增生的滑膜及卡壓的脂肪墊；打磨產(chǎn)生撞擊的骨贅，打磨擴(kuò)大狹窄的髁間窩；部分切除退變撕裂不穩(wěn)定的半月板、修整成形；對(duì)負(fù)重區(qū)的關(guān)節(jié)軟骨面剝脫行微骨折處理；對(duì)Q角>20°、髕骨半脫位者，行髕外側(cè)支持帶松解術(shù)。本組患者14例行軟骨修整成形，16例行半月板修整成形，4例行半月板切除，13例行軟骨修整+半月板成形，10例行軟骨修整+取游離體，8例行脂肪墊切除+軟骨修整，7例行微骨折，6例行滑膜切除，3例行軟骨修整+打磨骨贅，2例行軟骨修整+髕外側(cè)支持帶松解術(shù)，2例行髁間窩成形。

1.3 術(shù)后其他治療方法

①關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射：術(shù)畢抽盡關(guān)節(jié)積液，關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射2 mL玻璃酸鈉，棉墊加壓包扎?；贾珡椓噹О⑻Ц?，患膝冰敷24 h。②功能的鍛煉：術(shù)后第1天行股四頭肌收縮、直腿抬高及活動(dòng)髕骨訓(xùn)練；術(shù)后2～3 d可扶拐或助行器下床行走，術(shù)后3～4 d做膝關(guān)節(jié)屈伸鍛煉，術(shù)后6周后可視患者的耐受情況進(jìn)行游泳、騎車(chē)等肌力強(qiáng)化訓(xùn)練。③藥物治療：口服氨基葡萄糖片0.75 g/次，2次/d，共6周。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，采用t檢驗(yàn)，P < 0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

所有患者均獲隨訪，隨訪時(shí)間3～36個(gè)月不等，平均18個(gè)月。期間無(wú)感染及下肢靜脈栓塞等并發(fā)癥。絕大部分患者對(duì)關(guān)節(jié)鏡手術(shù)為主綜合治療效果滿意，膝痛癥狀明顯減輕，膝關(guān)節(jié)活動(dòng)功能得到不同程度改善，最后隨訪時(shí)疼痛VAS評(píng)分較治療前降低，Lysholm膝關(guān)節(jié)功能評(píng)分較治療前提高，治療前后差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P < 0.05）。見(jiàn)表1。

3 討論

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者幾乎均有膝痛，疼痛原因復(fù)雜，目前尚未完全清楚。軟骨破壞致軟骨下骨外露磨損，滑膜炎性滲出、半月板損傷均與膝關(guān)節(jié)疼痛有關(guān)[1]。此外，疼痛程度還可受膝關(guān)節(jié)以外因素的影響，如缺少幫助的環(huán)境、受教育程度和體重指數(shù)等[2]。本組患者以膝關(guān)節(jié)疼及功能障礙為主要癥狀。術(shù)中鏡檢見(jiàn)絕大多數(shù)患膝以關(guān)節(jié)軟骨病損為主，脂肪墊卡壓、骨贅及髕骨運(yùn)動(dòng)軌跡改變常常合并關(guān)節(jié)軟骨破損，前者可能是導(dǎo)致軟骨破損的原因，半月板的病變也較常見(jiàn)，半月板病變后會(huì)加快關(guān)節(jié)軟骨的退變和病損。因此，關(guān)節(jié)軟骨病變確實(shí)是膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)病的基本病變，關(guān)節(jié)軟骨及半月板的病損可能是膝關(guān)節(jié)疼痛的主要原因。骨性關(guān)節(jié)炎患者疼痛的復(fù)雜性決定了其治療需綜合治療。關(guān)節(jié)鏡手術(shù)作為一種微創(chuàng)技術(shù)已成為治療膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎最常用的方法，但關(guān)節(jié)鏡在治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎中的作用長(zhǎng)期以來(lái)倍受爭(zhēng)論。Gross等1991年報(bào)道了43例不同程度骨性關(guān)節(jié)炎患者治療情況，提出關(guān)節(jié)退行性病變的嚴(yán)重程度是手術(shù)成功與否的重要因素。陳意磊等[3]研究證明膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎行關(guān)節(jié)清理術(shù)的結(jié)局和患者的臨床癥狀、放射學(xué)表現(xiàn)、軟骨損傷程度相關(guān)，術(shù)前Kellgren-Lawrence分級(jí)低、VAS疼痛評(píng)分低和軟骨outerbridge分級(jí)低是預(yù)后良好的獨(dú)立因素。肖國(guó)慶等[4]報(bào)道對(duì)于輕中度膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者，關(guān)節(jié)鏡下手術(shù)治療可獲得較滿意療效。目前臨床上普遍認(rèn)為關(guān)節(jié)鏡手術(shù)只適用于輕中度OA患者，對(duì)于重度的膝關(guān)節(jié)OA患者中不能耐受或不愿接受膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者關(guān)節(jié)鏡治療是否有利尚無(wú)定論。本組85例患者中不排除重度骨性關(guān)節(jié)炎患者原因是臨床上確有相當(dāng)數(shù)量的這類(lèi)患者不能耐受或不愿意接受膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)。我們應(yīng)用關(guān)節(jié)鏡治療的目的在于期望能改善患者癥狀、延緩病變進(jìn)展、修復(fù)局部軟骨病損，從而盡可能恢復(fù)膝關(guān)節(jié)正常的組織學(xué)結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特性。我們對(duì)各型有癥狀的骨性關(guān)節(jié)炎患者，采用關(guān)節(jié)鏡手術(shù)治療為主輔以關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射玻璃酸鈉、口服氨基葡萄糖片、指導(dǎo)患者肢體功能鍛煉等綜合治療，分析其臨床療效，結(jié)果表明各型骨性關(guān)節(jié)炎患者均能從關(guān)節(jié)鏡手術(shù)為主的綜合治療中獲益。下面就其原因進(jìn)行探討。

骨性關(guān)節(jié)炎根本的病理改變是關(guān)節(jié)軟骨的軟化、破潰和局部剝脫以及關(guān)節(jié)邊緣與軟骨贅生物的形成[5]。關(guān)節(jié)鏡手術(shù)通過(guò)刨削、打磨、吸引、沖洗等方法，去除游離體、碎屑、不穩(wěn)定的軟骨碎片、撕裂的半月板、過(guò)度增生的滑膜以及產(chǎn)生撞擊的骨贅，去除病灶、機(jī)械因素，減輕組織內(nèi)壓，改善局部新陳代謝和血液循環(huán)，減輕或消除物理或化學(xué)刺激，去除前列腺素、組織胺、5-羥色胺、白介素-2、腫瘤壞死因子等致痛因子[6]，減輕膝關(guān)節(jié)疼痛癥狀；磨平受損的軟骨面，通過(guò)微骨折技術(shù)，治療軟骨表面的退化區(qū)域，幫助軟骨再生，行髕外側(cè)支持帶松解，恢復(fù)髕骨的運(yùn)動(dòng)軌跡，改善力線從而盡可能恢復(fù)膝關(guān)節(jié)正常的組織學(xué)結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特性，減輕疼痛，恢復(fù)肢體功能。關(guān)節(jié)鏡手術(shù)后抽盡關(guān)節(jié)內(nèi)液體即將玻璃酸鈉注入膝關(guān)節(jié)內(nèi)適當(dāng)活動(dòng)膝關(guān)節(jié)使玻璃酸鈉迅速附著關(guān)節(jié)表面，形成生物屏障，阻止軟骨基質(zhì)降解酶對(duì)基質(zhì)的破壞，具有和營(yíng)養(yǎng)軟骨、促進(jìn)軟骨修復(fù)的作用。通過(guò)肢體功能鍛煉，增強(qiáng)機(jī)體抵抗力、提高對(duì)疼痛的耐受力，改善關(guān)節(jié)的血液循環(huán)，有利于關(guān)節(jié)液新陳代謝，改善軟骨營(yíng)養(yǎng)，利于病變修復(fù)。氨基葡萄糖是氨基葡萄多聚糖和蛋白多糖的生物合成的基礎(chǔ)構(gòu)建要素，是關(guān)節(jié)軟骨中非常重要的組分?？诜被咸烟瞧?，即外源性攝入氨基葡萄糖，使關(guān)節(jié)內(nèi)氨基葡萄糖含量恢復(fù)平衡狀態(tài)，刺激軟骨細(xì)胞合成蛋白多糖和膠原纖維，生成軟骨基質(zhì)，修復(fù)破損軟骨，根治骨性關(guān)節(jié)炎的基本病變；氨基葡萄糖修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨、催生關(guān)節(jié)滑液、減少關(guān)節(jié)面間摩擦，從而改善關(guān)節(jié)功能，減輕疼痛。此外，氨基葡萄糖對(duì)致炎劑引起的毛細(xì)血管通透性增加有抑制作用，從而達(dá)到抗炎、減輕疼痛、保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨的作用。

本組患者年齡42～75歲，平均65歲，可見(jiàn)膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者多見(jiàn)于中老年，是關(guān)節(jié)退行性改變，即關(guān)節(jié)老化，任何一種治療方法都無(wú)法終止老化。關(guān)節(jié)鏡手術(shù)治療為主輔以關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射玻璃酸鈉、口服氨基葡萄糖片、指導(dǎo)患者肢體功能鍛煉等綜合治療，雖然是針對(duì)骨關(guān)節(jié)病的基本病理變化而采取的干預(yù)手段，但只能是相對(duì)而言，不可能完全去除病因，逆轉(zhuǎn)已形成的退變。本組綜合治療取得了較滿意的療效，但我們隨訪時(shí)間不夠長(zhǎng)，而末次隨訪結(jié)果影響療效的評(píng)價(jià)，有待于進(jìn)一步研究。我們無(wú)法完全治愈骨性關(guān)節(jié)炎患者，晚期嚴(yán)重的骨性關(guān)節(jié)炎患者應(yīng)該首選關(guān)節(jié)置換。但是，我們對(duì)有癥狀的膝關(guān)節(jié)OA患者在保守治療無(wú)效而又不能耐受或不愿接受關(guān)節(jié)置換術(shù)者，采用關(guān)節(jié)鏡手術(shù)治療為主的綜合治療，具有創(chuàng)傷小、恢復(fù)快且能有效緩解疼痛、改善關(guān)節(jié)功能、延緩疾病進(jìn)程的優(yōu)點(diǎn)，至少短期可獲得較滿意療效，是一種有臨床應(yīng)用價(jià)值的方法。

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第7篇：關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)特性范文

【關(guān)鍵詞】 顳下頜關(guān)節(jié)；軟骨基質(zhì)；免疫組織化學(xué)技術(shù)；印度豪豬蛋白；小鼠

Experimental Study on the Temporomandibular Joint Cartilage Matrix and the Expression of Ihh in Newborn Rats by Immunohistochemical Technique

SHAO Xiang，CHEN Hou-huang，CHEN Da，MA Yu-huan，ZHENG Wen-wei，YE Hong-zhi，LI Xi-hai

【ABSTRACT】Objective：To investigate the molecular mechanism of the development of temporomandibular

joint.Methods：Heads of five BAL B/C newlyborn rats were taken，fixed，decalcified，dehydrated and embedded.Immunohistochemical technique was used to detect the expressions of CollagenⅡ（ColⅡ），CollagenⅠ

（ColⅠ），Aggrecan and Ihh.Results：In the temporomandibular joint disk，the expressions of ColⅠ and ColⅡ

were positive，the expression of Ihh was strongly positive and Aggrecan had no obvious expression；while in condylar cartilage，the expression of ColⅡ was positive，the expression of Aggrecan was strongly positive，and Ihh and ColⅠ had a little expression.Conclusion：ColⅡ，ColⅠ，Aggrecan and Ihh have normal expressions，playing an important role in the formation and development of the temporomandibular joint.

【Keywords】 temporomandibular joint；cartilage matrix；Immunohistochemical technique；Ihh；mouse

顳下頜關(guān)節(jié)（temporomandibular joint，TMJ）由下頜骨的下頜頭關(guān)節(jié)面、顳骨的下頜窩和關(guān)節(jié)結(jié)節(jié)關(guān)節(jié)面、關(guān)節(jié)囊、關(guān)節(jié)腔，以及將關(guān)節(jié)腔分為上、下兩部分的關(guān)節(jié)盤(pán)組成[1]，多種因素參與影響顳下頜關(guān)節(jié)的生長(zhǎng)發(fā)育[2-3]，了解顳下頜關(guān)節(jié)的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，對(duì)深入研究頜面部畸形的發(fā)病機(jī)制有著重要的臨床意義。小鼠的顳下頜關(guān)節(jié)基本結(jié)構(gòu)與人相似，但下頜骨升支端有髁狀突、喙突與角突，其中只有髁狀突參與構(gòu)成顳下頜關(guān)節(jié)。目前，顳下頜關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和功能已有系統(tǒng)的描述，但其發(fā)育相關(guān)的分子生物學(xué)機(jī)制有待深入研究[4-5]。因此，本研究以新生乳鼠顳下頜關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，采用免疫組織化學(xué)技術(shù)，觀察小鼠發(fā)育過(guò)程中顳下頜關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)與印度豪豬蛋白（Ihh）的表達(dá)變化，為揭示顳下頜關(guān)節(jié)發(fā)育機(jī)制提供新的

途徑。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 BAL B/C新生乳鼠5只，上海斯萊克實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限責(zé)任公司購(gòu)買(mǎi)雌性孕鼠生產(chǎn)，動(dòng)物合格證號(hào)：SCXK（滬）字第2012-0002號(hào)。實(shí)驗(yàn)室室溫恒定（22±1）℃，濕度（56±5）%，紫外線定期消毒，自由攝食飲水，給予質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的鈉飲食。

1.2 試劑和儀器 磷酸鹽緩沖液（PBS，pH = 7.4，美國(guó)Hyclone公司）；Ihh（1∶200；ab39634）、ColⅡ（1∶200；ab53047）、ColⅠ（1∶500；ab34710）和蛋白聚糖（Aggrecan）（1∶500；ab36861）抗體（美國(guó)Abcam公司）；枸櫞酸鹽緩沖液（pH = 6.0，美國(guó)Sigma公司）；山羊血清，通用型二步法檢測(cè)試劑盒（含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的過(guò)氧化氫去離子水和多聚辣根酶標(biāo)記羊抗兔IgG即二抗）以及DAB顯色試劑盒（美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司）；光學(xué)顯微鏡（德國(guó)徠卡公司）；石蠟切片機(jī)（德國(guó)徠卡公司）；生物組織石蠟包埋機(jī)（孝感亞光醫(yī)用電子技術(shù)有限公司）。

1.3 取 材 空氣栓塞法處死新生乳鼠，立即放入PBS中，取下頭部置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的多聚甲醛4 ℃ 固定24 h，Kristense液脫鈣1周，常規(guī)脫水、透明、浸蠟、包埋、切片備用。

1.4 免疫組織化學(xué)技術(shù)染色 室溫下石蠟組織切片，二甲苯脫蠟，梯度乙醇脫水，將切片放入

10 mol?L-1枸櫞酸鹽緩沖液（pH = 6.0）的電爐鍋內(nèi)，鍋內(nèi)的水沸騰開(kāi)始計(jì)時(shí)20 min，進(jìn)行抗原修復(fù)，然后自然冷卻到室溫。山羊血清（1∶10）封閉非特異性染色，室溫孵育15 min；然后分別加入一抗ColⅠ（1∶500）、ColⅡ（1∶200）、Aggrecan（1∶500）和Ihh（1∶200），PBS替代一抗作為陰性對(duì)照，4 ℃過(guò)夜；PBS洗滌后加入二抗（羊抗兔，1∶1000），37 ℃孵育20 min，再按試劑盒的說(shuō)明書(shū)，ABC復(fù)合物處理，DAB顯色，封片。光學(xué)顯微鏡下觀察顳下頜關(guān)節(jié)免疫組化染色的

形態(tài)。

1.5 陽(yáng)性細(xì)胞判斷標(biāo)準(zhǔn) 顳下頜關(guān)節(jié)出現(xiàn)棕黃色顆粒為陽(yáng)性細(xì)胞，觀察蛋白的分布、陽(yáng)性強(qiáng)度和陽(yáng)性率。按染色強(qiáng)度打分：-為無(wú)色，+為淺黃色，++為棕黃色，+++為棕褐色，染色強(qiáng)度需與背景色相對(duì)比。

2 結(jié) 果

免疫組化染色結(jié)果定位明確，背景清晰，陽(yáng)性顆粒清楚。ColⅡ在關(guān)節(jié)盤(pán)與髁狀突軟骨中均表達(dá)強(qiáng)陽(yáng)性，Aggrecan特異性表達(dá)于髁狀突軟骨中，ColⅠ在關(guān)節(jié)盤(pán)中表達(dá)陽(yáng)性但是髁狀突軟骨中僅見(jiàn)少量表達(dá)，Ihh在關(guān)節(jié)盤(pán)中表達(dá)強(qiáng)陽(yáng)性、髁狀突軟骨表達(dá)明顯較少。ColⅡ與Aggrecan的表達(dá)位置強(qiáng)弱基本一致，ColⅠ與Ihh的表達(dá)位置基本一致。見(jiàn)圖1-圖5。

3 討 論

軟骨基質(zhì)主要由膠原纖維和蛋白多糖構(gòu)成，具有緩解關(guān)節(jié)應(yīng)力，維持關(guān)節(jié)周?chē)M織拉伸性能的作用。ColⅠ和ColⅡ是顳下頜關(guān)節(jié)中最主要的膠原蛋白，它們通過(guò)聚集分子形成關(guān)節(jié)盤(pán)、髁狀突以及關(guān)節(jié)窩。Aggrecan是最主要的蛋白多糖，以聚合體的形式存在，被包繞在膠原纖維間基質(zhì)內(nèi)，維持膠質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)充盈且具有高度彈性，也是軟骨形成和骨骼發(fā)育的基本物質(zhì)。蛋白聚糖與透明質(zhì)酸結(jié)合形成復(fù)合物，游離于關(guān)節(jié)液中，形成高度的粘彈性，對(duì)關(guān)節(jié)軟骨起著減震和等機(jī)械保護(hù)作用[6]。

在正常的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，髁狀突的生長(zhǎng)方式屬于軟骨內(nèi)成骨，軟骨內(nèi)成骨始于增殖層內(nèi)未分化的間充質(zhì)細(xì)胞的增殖和分化，促進(jìn)前體軟骨細(xì)胞分化為軟骨細(xì)胞，再逐漸成熟分化為前肥大軟骨細(xì)胞和肥大軟骨細(xì)胞，軟骨基質(zhì)由Ⅱ型膠原轉(zhuǎn)變?yōu)閄型

膠原，之后新生血管長(zhǎng)入，肥大軟骨細(xì)胞發(fā)生程序性死亡，部分礦化的軟骨逐漸被骨替代。

Ihh是豪豬蛋白家族的一員，在顳下頜關(guān)節(jié)髁狀突的發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要作用，與髁狀突生長(zhǎng)、軟骨的表型、軟骨祖細(xì)胞的功能有關(guān)，同時(shí)是關(guān)節(jié)盤(pán)和關(guān)節(jié)腔形成的必要條件。胚胎發(fā)育早期，Ihh在顳下頜關(guān)節(jié)髁狀突內(nèi)已經(jīng)有較強(qiáng)表達(dá)，Ihh受體及其效應(yīng)基因Gli 1、Gli 2和Gli 3的表達(dá)范圍已達(dá)髁狀突外層的多形軟骨細(xì)胞層和關(guān)節(jié)盤(pán)原基。在新生小鼠顳下頜關(guān)節(jié)的軟骨和軟骨膜中，Ihh基因顯著表達(dá)[7]，這與本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果一致。Ihh基因敲除小鼠的髁突組織不能正常生長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)紊亂，表現(xiàn)為細(xì)胞的增殖速率顯著降低，具有增殖和分化功能的間充質(zhì)細(xì)胞數(shù)量減少，軟骨細(xì)胞的數(shù)量不足以維持髁突軟骨的正常生長(zhǎng)。同時(shí)，新生小鼠髁狀突軟骨內(nèi)Ihh缺乏的同時(shí)伴隨著ColⅠ、ColⅡ和Aggrecan表達(dá)改變，最終導(dǎo)致髁狀突表面纖維軟骨的特性改變[8]。

實(shí)驗(yàn)表明，ColⅡ和Aggrecan同時(shí)在髁狀突軟骨中高表達(dá)，ColⅠ主要在關(guān)節(jié)盤(pán)中表達(dá)，關(guān)節(jié)盤(pán)主要成分為纖維軟骨，ColⅠ為纖維軟骨所獨(dú)有，可能是因?yàn)樵陲D下頜關(guān)節(jié)形成和發(fā)育過(guò)程中，ColⅠ

具有維持骨結(jié)構(gòu)的完整及骨生物力學(xué)特性，而ColⅡ和Aggrecan則通過(guò)構(gòu)成軟骨基質(zhì)，促進(jìn)軟骨細(xì)胞的分化，從而促進(jìn)軟骨的形成及骨骼發(fā)育。Ihh在新生乳鼠顳下頜關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)盤(pán)和髁狀突中均有表達(dá)，可能因其在維持關(guān)節(jié)盤(pán)骨生物學(xué)特性、促進(jìn)髁狀突軟骨發(fā)育中均發(fā)揮重要作用。本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用免疫組化染色法檢測(cè)了乳鼠發(fā)育期顳下頜關(guān)節(jié)各部位Ihh、ColⅡ、ColⅠ和Aggrecan的表達(dá)變化，指標(biāo)定位準(zhǔn)確直觀，且操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)費(fèi)用低，具有同類(lèi)實(shí)驗(yàn)其他方法所不具備的優(yōu)勢(shì)。

目前，影響顳下頜關(guān)節(jié)發(fā)育的因素尚未完全探明，如調(diào)控顳下頜關(guān)節(jié)組織間相互關(guān)系的信號(hào)分子的類(lèi)型、關(guān)節(jié)盤(pán)形成過(guò)程對(duì)關(guān)節(jié)窩的影響等。未來(lái)的研究中，可以嘗試運(yùn)用實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)或者使用基因敲除小鼠模型進(jìn)行研究，進(jìn)一步闡明顳下頜關(guān)節(jié)發(fā)育的細(xì)胞和分子學(xué)機(jī)制。

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第8篇：關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)特性范文

關(guān)鍵詞：老年患者；髕骨骨折；絲線縫合固定

髕骨是人體最大的籽骨。髕骨在膝關(guān)節(jié)的的生理運(yùn)動(dòng)中主要作用是：傳導(dǎo)并增強(qiáng)股四頭肌的作用力、維護(hù)膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性、保護(hù)股骨髁使其免于直接遭受外傷性打擊。髕骨與其周?chē)捻g帶、腱膜共同形成伸膝裝置，是下肢活動(dòng)中十分重要的結(jié)構(gòu)。因此髕骨骨折后，應(yīng)盡可能的恢復(fù)其完整性。我科從2008年開(kāi)始對(duì)老年人的髕骨（除嚴(yán)重粉碎骨折的各分型）骨折患者，均采?。航z線縫合固定治療髕骨骨折，目前隨訪患者，髕骨骨折均愈合，其膝關(guān)節(jié)功能均達(dá)到滿意的效果。

1 資料與方法

1.1一般資料 2008年～2012年我科共收治髕骨骨折的老年患者15例。年齡：62～75歲；其中男性患者6例，女性患者9例。骨折原因：均為摔倒。髕骨骨折多發(fā)生在髕骨上極、髕骨中份、髕骨下極；可分為4個(gè)基本類(lèi)型：橫斷、粉碎、縱形和撕脫型；本組骨折：髕骨中份9例，粉碎骨折3例（除外嚴(yán)重粉碎骨折的各分型），髕骨上極2例，髕骨下極1例；分離移位>0.5～1.0cm。經(jīng)術(shù)前準(zhǔn)備無(wú)明顯禁忌癥，均于傷后7d在麻醉下行髕骨骨折切開(kāi)復(fù)位絲線縫合固定術(shù)。

1.2方法

1.2.1麻醉方式 連硬外麻醉。

1.2.2手術(shù)方式及過(guò)程 ①麻妥后取仰臥位，患肢上止血帶，常規(guī)消毒鋪單；②取膝關(guān)節(jié)（髕骨）正中橫弧行切口入路，切開(kāi)皮膚、皮下、深筋膜，暴露術(shù)野：可見(jiàn)撕裂的髕前腱膜、髕骨兩側(cè)的支持帶、關(guān)節(jié)囊及骨折斷端。徹底清理關(guān)節(jié)腔、骨折斷端：清除關(guān)節(jié)腔積血和瘀血塊、碎骨屑（防止術(shù)后可能引發(fā)的關(guān)節(jié)腔感染、創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎等嚴(yán)重的不良后果）；③整復(fù)骨折，于髕骨內(nèi)外側(cè)兩后角在滑膜淺層各對(duì)合縫合一針，提起收緊整復(fù)[1]，用兩把布巾鉗作臨時(shí)固定，探查髕骨骨折達(dá)到解剖復(fù)位（保證關(guān)節(jié)軟骨面的平整）；④C型臂X線機(jī)下證實(shí)：髕骨骨折已達(dá)到解剖復(fù)位；⑤逐步嚴(yán)密縫合撕裂的髕骨兩側(cè)的支持帶、關(guān)節(jié)囊、髕前腱膜；然后用絲線于髕骨周緣貼骨環(huán)扎縫合加強(qiáng)固定。逐層縫合傷口；⑥術(shù)后予直腿或10°屈膝位，石膏托外固定；⑦術(shù)后次日患肢即可做股四頭肌等長(zhǎng)舒縮練習(xí)；⑧4w后根據(jù)X線拆除石膏，在床上做一些適度的膝關(guān)節(jié)伸屈功能鍛煉2w；⑨術(shù)后6w后下地拄雙拐進(jìn)行患肢逐步負(fù)重活動(dòng)2w；⑩術(shù)后8w后逐漸棄拐進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的伸屈功能鍛煉。

2 結(jié)果

2.1評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（綜合評(píng)分法）[2] ①膝關(guān)節(jié)功能，優(yōu)：無(wú)痛，勞動(dòng)能力正常4分；良：偶痛，能力稍差3分；中：經(jīng)常輕度痛2分；差：常痛，失去勞動(dòng)能力1分；②膝關(guān)節(jié)屈曲功能范圍，優(yōu)：正常141°～150°4分；良：121°～140°3分；中：91°～120°2分；差：小于90°1分；③骨折復(fù)位（以關(guān)節(jié)面為準(zhǔn)），優(yōu)：解剖復(fù)位4分；良：錯(cuò)位1mm以內(nèi)或裂隙2mm以內(nèi)3分；中：錯(cuò)位1～2mm，裂隙大于2mm2分；差：錯(cuò)位大于2mm1分；④總評(píng)，優(yōu)：10.1～12分；良：7.1～10分；中：5.1～7分；差：5分以下。

2.2本組15例患者經(jīng)3年間隨訪，所有病例髕骨骨折均骨性愈合。根據(jù)綜合評(píng)分法評(píng)定：優(yōu)：13例，良：2例。

3 討論

3.1髕骨骨折治療的原則 充分恢復(fù)髕骨的功能。

3.2髕骨是人體最大的籽骨，前方有髕前腱膜覆蓋，兩側(cè)有髕支持帶及關(guān)節(jié)囊包裹。髕骨骨折導(dǎo)致髕骨軟骨面損傷、同時(shí)也使相對(duì)的股骨髕面的軟骨損傷、髕骨腱膜、關(guān)節(jié)囊等等不同程度的損傷。臨床證明：髕骨分離移位均是這些腱膜撕裂分開(kāi)的結(jié)果，因而收緊縫合好這些結(jié)構(gòu)后就可以固定好髕骨，而且這些結(jié)構(gòu)是組成伸膝裝置的重要結(jié)構(gòu)，故嚴(yán)密修復(fù)縫合這些軟組織至關(guān)重要[3]，如若修復(fù)不好，將嚴(yán)重影響伸膝功能。

3.3髕骨在膝關(guān)節(jié)活動(dòng)中有重要的生物力學(xué)功能，若髕骨被切除，髕韌帶更貼近膝的活動(dòng)中心，使伸膝的杠桿臂縮短，這樣，股四頭肌需要比正常多30%的肌力才能伸膝，老年人是不能承受這種力的。

3.4髕骨骨折多發(fā)生于青壯年，目前較常采用的手術(shù)方式是：克氏針?shù)摻z張力帶固定、或鋼絲捆扎固定、或聚髕器固定等等。這些手術(shù)方式大多數(shù)均需二期內(nèi)固定物的手術(shù)取出，而且還有一些并發(fā)癥。如術(shù)中在術(shù)野內(nèi)扭曲克氏針時(shí)空間受限，克氏針移位或鋼絲斷裂而致內(nèi)固定失效，克氏針穿破皮膚引起感染，針尾觸痛影響功能鍛煉，應(yīng)力集中鋼絲勒斷骨質(zhì)，骨折塊嚴(yán)重粉碎不易固定等[4]。然而老年患者采用上述這些手術(shù)方法，無(wú)疑對(duì)老年患者來(lái)說(shuō)是二次的手術(shù)打擊。老年患者的手術(shù)方式，毫無(wú)疑問(wèn)的首選是快捷、安全、經(jīng)濟(jì)以及創(chuàng)傷小、痛苦小、恢復(fù)快的方式。所以對(duì)于老年患者（通指>60歲），髕骨骨折后的手術(shù)方式選擇，顯得尤為重要。

3.5髕骨骨折內(nèi)固定方法較多，對(duì)于不同類(lèi)型的骨折所采取的內(nèi)固定力學(xué)性能尤為重要，因此骨折類(lèi)型決定內(nèi)固定方法比內(nèi)固定強(qiáng)度更為重要[5]。由于絲線具有彈性、韌性、強(qiáng)度及組織相容性等特性，所以絲線縫合固定髕骨骨折后的解剖結(jié)構(gòu)，比較接近髕骨及周?chē)浗M織的生理性，以及異物排斥反應(yīng)極小。在治療髕骨骨折時(shí)不但要考慮各骨折塊的對(duì)位加壓固定，恢復(fù)髕骨的解剖結(jié)構(gòu)，而且要考慮到張力側(cè)的抗張強(qiáng)度，否則早期的功能鍛煉容易造成骨折塊前面的分離移位，骨折的愈合及膝關(guān)節(jié)的功能康復(fù)就會(huì)受到影響[6]。術(shù)中絲線于髕骨周緣貼骨環(huán)形縫扎緊，從四周向髕骨中心均勻擠壓，而使髕骨骨折塊向中心聚攏并維護(hù)之；堅(jiān)強(qiáng)縫合撕裂的髕骨兩側(cè)的支持帶、關(guān)節(jié)囊、髕前腱膜。在石膏固定4w后，前者開(kāi)始屈伸運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的分離力，則被后者堅(jiān)強(qiáng)縫合（并已愈合）的髕骨的支持帶、關(guān)節(jié)囊及髕前腱膜所產(chǎn)生的類(lèi)似于張力帶，可消除運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的分離趨勢(shì)。從而避免了髕股對(duì)合關(guān)系的破壞及髕骨的畸形愈合。

3.6髕骨骨折術(shù)后的膝關(guān)節(jié)的功能障礙產(chǎn)生的主要的原因是外固定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及關(guān)節(jié)長(zhǎng)期廢用所致。雖然絲線縫合固定髕骨骨折術(shù)后的恢復(fù)期略長(zhǎng)，但是經(jīng)過(guò)我們對(duì)患者積極地進(jìn)行術(shù)后指導(dǎo)、進(jìn)行循序漸進(jìn)的膝關(guān)節(jié)功能鍛煉，膝關(guān)節(jié)的功能障礙是可以避免的。事實(shí)證明在術(shù)后隨訪期間，患者的膝關(guān)節(jié)功能均達(dá)到滿意的效果。

3.7絲線縫合固定治療老年患者髕骨骨折避免了老年患者在二次取內(nèi)固定物的手術(shù)中所承受的各種打擊以及二次手術(shù)所帶來(lái)的一些不利影響，從而大大增強(qiáng)了老年患者的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量及生活質(zhì)量，并且本手術(shù)方案操作簡(jiǎn)單，無(wú)需特殊器械。所以在基層醫(yī)院，本手術(shù)方案著實(shí)值得推廣。

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第9篇：關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)特性范文

【關(guān)鍵詞】

PCCP微創(chuàng);股骨粗隆;骨折;老年股骨粗隆間骨折是臨床上多見(jiàn)的一類(lèi)骨折,多見(jiàn)于70歲以上高齡患者。以往由于諸多原因,多采用保守治療,但長(zhǎng)期臥床易引起各種并發(fā)癥。目前PCCP成為老年粗隆間骨折的首選治療方案[1]。筆者于年2008年10月至2009年5月收治7例65歲以上老年患者粗隆間骨折,均采用PCCP方案治療,取得滿意療效?，F(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本組7例患者,男4例,女3例;年齡65~97歲,平均80.7歲。受傷原因:摔傷4例,車(chē)禍3例,均為閉合性骨折。按照AO 方案分類(lèi):A1 型(骨折線從大粗隆到遠(yuǎn)端內(nèi)側(cè)骨質(zhì)只有一處斷裂)4例,A2型(骨折線平行于粗隆間線,內(nèi)側(cè)9皮質(zhì)有2處以上斷裂)3例,其中合并糖尿病2例,高血壓病7例,合并慢性支氣管炎、肺氣腫1例。本組患者均采用PCCP方案治療。

1.2 術(shù)前準(zhǔn)備 入院后常規(guī)行脛骨結(jié)節(jié)骨牽引,臥氣墊床,預(yù)防性使用抗生素,術(shù)前完善常規(guī)檢查,排除手術(shù)禁忌,作出初步評(píng)價(jià)。術(shù)前排除嚴(yán)重心腦肺疾病;糖尿病者控制血糖在9 mmol/L以下,控制血壓于130~160/90~100 mm Hg之間,治療肺部疾患,改善肝、腎功能。

1.3 手術(shù)方法 使用標(biāo)準(zhǔn)的骨科牽引床和后側(cè)復(fù)位器進(jìn)行復(fù)位后,進(jìn)行常規(guī)消毒及貼上手術(shù)貼膜。在大粗隆部位作第一個(gè)大約2 cm大小的切口,接著插入連接導(dǎo)入器鋼板,可使之沿股骨干上段外側(cè)滑動(dòng)。通過(guò)C臂機(jī)檢查鋼板的前后及側(cè)方位置,必要時(shí)對(duì)鋼板的位置進(jìn)行矯正。然后作第二個(gè)切口,大約2 cm,插入經(jīng)皮骨鉤將鋼板固定于股骨上。主套筒,然后第一套筒及主導(dǎo)引器插入下方的斜形孔洞中,使用電動(dòng)工具將主導(dǎo)引器鉆入股骨頸,使其在前后位圖象位于股骨矩的基底部上方約2~3 mm,側(cè)位像位于股骨頸中部1/3區(qū)域內(nèi),蝶型銷(xiāo)臨時(shí)將鋼板固在股骨上。這時(shí)用第二套筒和一根7 mm鉆頭置換主導(dǎo)引器和第一套筒。鉆一7 mm直徑的鉆孔,然后將第二套筒和鉆頭取出,最后鉆一9.3 mm的鉆孔。第一枚螺釘通過(guò)鋼板擰入股骨頸直到股骨頭軟骨下方,骨折端這時(shí)在壓力下會(huì)緊密接觸。去除主套筒,在第二切口內(nèi),使用短的骨干套筒和鉆頭進(jìn)行鉆孔并用三枚骨干螺釘進(jìn)行固定。在第一枚骨干螺釘固定后即可將骨鉤和蝶型銷(xiāo)去除。第二枚,即近端股骨頸螺釘與第一枚股骨頸螺釘同樣的方式置入。松開(kāi)并去除導(dǎo)入器。切口常規(guī)沖洗并縫合,留置引流。手術(shù)平均時(shí)間60 min。

1.4 術(shù)后處理 術(shù)后常規(guī)應(yīng)用抗生素5~7 d,第2天拔除引流,開(kāi)始功能鍛煉,進(jìn)行下肢肌肉舒縮活動(dòng),特別是足趾和踝關(guān)節(jié)活動(dòng)以及股四頭肌等長(zhǎng)收縮,對(duì)促進(jìn)下肢靜脈回流,預(yù)防下肢靜脈血栓形成很有幫助。1周后開(kāi)始被動(dòng)活動(dòng)髖、膝、踝關(guān)節(jié)。根據(jù)骨折愈合情況決定下床時(shí)間,一般要求患者術(shù)后4周門(mén)診復(fù)查,扶雙拐不負(fù)重或部分負(fù)重行走,10~12周X線片確認(rèn)骨折愈合可且內(nèi)固定良好,可棄拐行走。

2 結(jié)果

本組7例患者中,全部得到滿意隨訪,時(shí)間為3~6個(gè)月,平均4.5個(gè)月。治療過(guò)程中,均未肺部感染、深靜脈血栓形成、褥瘡等嚴(yán)重并發(fā)癥,無(wú)死亡病例。本組病例骨折均愈合,無(wú)鋼板螺釘斷裂、松動(dòng),療效標(biāo)準(zhǔn)按王福權(quán)功能評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[2]。本組患者優(yōu)6例,良1例。

3 討論

3.1 適應(yīng)證的選擇 股骨粗隆間骨折多發(fā)生于老年人,保守治療并發(fā)癥較多,特別是對(duì)高齡患者。Zuekerman 等[3]研究表明,延遲手術(shù)超過(guò)3 d,患者死亡率會(huì)增加1倍,特別是老年患者,目前多主張盡早手術(shù);以避免因長(zhǎng)期臥床而發(fā)生的肺部感染、泌尿系統(tǒng)感染、褥瘡、下肢靜脈血栓形成等危及生命的嚴(yán)重并發(fā)癥,提高生活質(zhì)量。隨著微創(chuàng)技術(shù)的成熟和發(fā)展,創(chuàng)傷骨科多主張采用微創(chuàng)技術(shù)。PCCP作為一種符合生物力學(xué)的一種內(nèi)固定方法,它要求功能復(fù)位,有效內(nèi)固定、保護(hù)骨折血供、盡早功能鍛煉。其優(yōu)點(diǎn)是:①PCCP裝置的鋼板末端鋒利,能夠穿透股外側(cè)肌直到外側(cè)骨皮質(zhì)并能夠沿股骨干滑動(dòng),手術(shù)操作簡(jiǎn)便,軟組織剝離少,出血少,術(shù)中勿需廣泛剝離及暴露骨折斷端;②PCCP具有靜力加壓和動(dòng)力加壓的雙重加壓作用,確保骨折的穩(wěn)定性,允許患者術(shù)后早期活動(dòng),部分或全部負(fù)重鍛煉。PCCP的設(shè)計(jì)者Gotfried[4]認(rèn)為:PCCP更適用予術(shù)前牽引復(fù)位或者在牽引床能滿意復(fù)位的A1、A2型骨折,即穩(wěn)定性骨折或移位不明顯的骨折,而我們研究的老年性股骨粗隆間骨折,由于骨質(zhì)疏松、導(dǎo)致骨折的暴力較小,骨折多為A1、A2型,適合采用PCCP治療;③骨折固定手術(shù)進(jìn)行基底部鉆孔時(shí)要注意避免外側(cè)壁的破壞,假如發(fā)生了外側(cè)壁的破壞,就會(huì)在術(shù)中或術(shù)后發(fā)生外側(cè)壁,以后將會(huì)發(fā)生骨質(zhì)塌陷和長(zhǎng)期功能障礙。目前在PCCP研究中沒(méi)有骨折端塌陷,外側(cè)壁的損傷少,主要是由于小直徑和從7.0~9.3 mm的漸進(jìn)性鉆孔;④有報(bào)道動(dòng)力髖螺釘對(duì)于控制扭力方面效果不佳,因?yàn)閯?dòng)力髖螺釘是單軸固定裝置,PCCP二枚股骨頸螺釘固定在鋼板上這有助于控制旋轉(zhuǎn)。

3.2 術(shù)中注意的問(wèn)題 內(nèi)固定物置入位置是由股骨近端的生物力學(xué)特性決定的,生物力學(xué)特性與解剖結(jié)構(gòu)是密不可分的,大粗隆下方股骨干外側(cè)皮質(zhì)薄,向下漸增厚,股骨距位于股骨頭頸部?jī)?nèi)后方,是一片較致密的骨質(zhì),極大的加強(qiáng)了干頸間之連接與支持力。緊貼股骨距釘入,此時(shí),內(nèi)固定物正在內(nèi)側(cè)骨小梁中,幾乎與髖關(guān)節(jié)負(fù)重力線平行,所受剪力小,尾端嵌在較厚的骨皮質(zhì)中,可起到堅(jiān)強(qiáng)的固定作用[5]。Gotfried[6]認(rèn)為該系統(tǒng)兩枚股骨頸螺釘有效地防止股骨頭的旋轉(zhuǎn),兩枚螺釘?shù)奈恢脩?yīng)未予頭頸部中下2/3,螺釘應(yīng)未予頭關(guān)節(jié)面下8~10 mm,側(cè)位片螺釘長(zhǎng)軸應(yīng)與股骨頸軸夾角

4 結(jié)論

近年來(lái)微創(chuàng)技術(shù)的成熟推動(dòng)了創(chuàng)傷骨科的發(fā)展,PCCP鋼板就是其中之一,PCCP鋼板治療老年性股骨粗隆間骨折具有創(chuàng)傷小、軟組織剝離稍、出血少、手術(shù)時(shí)間短、恢復(fù)快、能早期活動(dòng)、方便護(hù)理等一系列優(yōu)點(diǎn),是一種治療股骨粗隆間骨折及安全右有效的微創(chuàng)手術(shù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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