关节软骨的生物力学特性精选(九篇)
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第1篇：关节软骨的生物力学特性范文
关键词：生物力学；骨质疏松；腰椎；模型；体层摄影术
脊柱的生物力学试验可以通过体内和体外试验两种方式进行。近年来有限元分析法作为一种骨科生物力学的研究方法越来越受到关注。有限元分析不仅能模拟脊柱的各种运动方式，还能模拟正常人、患者和手术后的脊柱外形，从而计算出相应的各个结构的受力和位移情况。腰椎的有限元模型可以为骨质疏松椎体弥补以上试验的不足，为骨质疏松椎体的生物力学试验提供良好的试验模型。拟建立包含多个完整的功能脊柱单位（Functional spinal unite，FSU）骨质疏松腰椎的三维有限元模型，模型包括四个椎体和三个个椎间盘。模型将用于骨质疏松的椎体的治疗评价的生物力学试验。
1 资料与方法
1.1 一般资料：①志愿者1名：根据国人解剖学数值选取1个有代表性的健康成年男性志愿者，35岁，身高175 cm，体重73 kg；②General Electrics 64层螺旋CT机；③计算机工作站：Intel（R）Xeon（TM）CPU 3.00 G 双核四节点（8 cpu），内存：16 G，硬盘：320 G；④医学图像处理软件Mimics 10.0（Materialise's interactive medical image control system 10.0）：一款由比利时Materialise 公司开发的介于医学与机械领域之间的一套逆向软件，可以快捷的将CT或是MRI的断层扫瞄的二维图像转化为机械领域中CAD/CAM软件或完全的三维模型；⑤有限元分析软件MSC.PATRAN 2005：MSC.PATRAN最早由美国宇航局（NASA）倡导开发的，是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化身和交互图形界面集于一身，构成一个完整CAE集成环境；⑥有限元分析软件ABAQUS：ABAQUS由美国公司开发，是世界知名的高级有限元分析软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库。
1.2 方法与步骤：模型的建立：①螺旋CT扫描：采用General Electrics 64层螺旋CT对已经选定的对象进行螺旋扫描及断层图像处理。扫描时志愿者采取仰卧位静止不动，尽量保持扫描断面与身体长轴垂直。扫描参数如下：层厚0.699 mm，球管电流200 mA、电压120 kV。②CT图像处理及保存：在CT工作站中，通过调整图灰度、增加对比度等，对图像观察细节进行处理，得到清晰的骨窗断层图像，并将其保存为DICOM格式，刻录为光盘保存。③CT图像处理及胸腰段三维图像的重建：将DICOM格式的图像数据导入三维重建软件Mimics。在MIMICS中逐层分割提取已选取的CT图像，去除骨骼周围软组织图像，尽量把胸腰椎T11～T12～L1～L2段从背景中分割。得到处理后每一个断层的CT图像，然后重建出胸腰段的三维图像。④胸腰段椎体三维实体模型的建立和光滑处理：把生成的三维图像数据导入Magic rp软件，利用Remesh模块对模型进行光滑处理，生成光滑和几何高度近似，具有较好面网格质量的模型以便导入Patran前处理软件，构建有限元模型。⑤胸腰段三维模型的前处理：将优化的面网格文件导入MSC Patran前处理软件，生成正常T11～T12～L1～L2段椎体的四面体单元。并在体单元的基础上根据解剖结构的材料属性不同，把椎体分割成皮质骨、松质骨、椎体后部3个部分，其中皮质骨厚度约为1～2 mm。⑥T11/T12、T12/L1、L1/L2椎间盘的建模过程：在已有的椎体四面体单元的基础上生成椎间盘和终板模型，采用六面体单元划分。椎间盘髓核被模拟为不可压缩的体单元（Hybird）。髓核的体积约占椎间盘体积的35%～45%，靠近中后部1/3。椎间盘的上下表面由1.0 mm 厚的软骨终板构成。⑦关节突关节、椎间盘纤维、韧带的建模过程：选择关节软骨，并把关节软骨层的表面接触选用面-面接触单元模拟（无摩擦的滑动表面接触单元），关节囊使用三维Truss单元模拟。纤维环纤维由只承受拉应力的Truss单元构建，纤维在环状体中呈剪刀状方式走行，并与椎间盘平面成平均25°～40°的夹角。有限元模型包含的前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带以及黄韧带均采用只受拉力Truss单元模拟。⑧赋予各结构材料学参数：对整个胸腰段有限元模型单元材料相关属性进行设定，构建与实际模型在材料参数和力学行为上相吻合的三维有限元模型，其中纤维、韧带、关节囊为只受拉应力的线弹性材料。各部位的材料属性见表1。
表1 正常胸腰段有限元模型的材料参数
结构弹性模量（MPa）泊松比截面积（mm2）皮质骨 12 0000.30
松质骨1000.2
关节软骨100.4
L5-椎体后部3 5000.25
终板1 0000.4
椎间盘纤维环基质4.20.45
椎间盘髓核0.20.4999
纤维环纤维500非线性
前纵韧带200.33 8.0后纵韧带700.320.0黄韧带500.360.0棘间韧带280.335.5棘上韧带280.335.5横突间韧带500.310.0关节囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41
骨质疏松的材料模型为在正常模型材料参数的基础上，皮质骨、终板、后部结构模量减少33%，松质骨减少66%，同时考虑髓核脱水，弹性模量增加1倍，其他结构保持不变。见表2。
表2 骨质疏松胸腰段有限元模型的材料参数
结构弹性模量（MPa）泊松比截面积（mm2）皮质骨 8 0400.30
松质骨340.2
关节软骨100.4
L5-椎体后部2 3450.25
终板6700.4
椎间盘纤维环基质4.20.45
椎间盘髓核0.40.4999
纤维环纤维500非线性
前纵韧带200.338.0后纵韧带700.320.0黄韧带500.360.0棘间韧带280.335.5棘上韧带280.335.5横突间韧带500.310.0关节囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41
2 结果
正常脊柱胸腰段三维有限元模型已经建立起来。完整的脊柱胸腰段三维有限元模型包括共276 580个四面体单元，8 532个六面体单元，673个杆单元，总计共95 219个结点。见表3。
表3 正常胸腰椎有限元模型的单元划分
结构单元类型数量节点
95 219椎体骨四面体单元276 580椎间盘、终板六面体单元8 532韧带、关节囊、纤维三维杆单元673
建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。
完全按照上述步骤我们利用有限元软件Patran前处理功能，对不同组织的物理特性进行定义，皮质骨、终板、后部结构模量减少33%，松质骨减少66%，同时考虑髓核脱水，弹性模量增加1倍，其他结构保持不变。基本符合真实的生物力学要求，真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性，成功建立了T11～L1的骨质疏松有限元模型。见图1。
图1 建立关节囊、纤维、韧带的正常胸腰段脊柱有限元模型
3 讨论
1974年，Belytschko首先将有限元分析法应用于脊柱力学研究，建立二维椎间盘模型，标志着有限元在骨科生物力学分析中应用的开端[1]。Liu等在1975年首次提出三维有限元模型，将其用于椎间盘生物力学研究并将理论结果与试验结果进行了比较。由于有限元法在求解过程中条理清晰，步骤同一，通用性强，特别适合计算机仿真计算。随着电脑软硬件技术的发展，有限元法在骨结构生物力学及医疗研究中愈显重要且前景广阔。
有限元分析不仅能模拟脊柱的各种运动方式，还能模拟正常人、患者和手术后的脊柱外形，从而计算出相应的各个结构的受力和位移情况。脊柱某些结构的外在位移用普通试验方法容易测得，但内在应力的改变则需要复杂的测试技术，利用有限元分析能够精细地得到模型内部地受力变化。这比外在位移来说更具有深远地意义。而计算机技术的进步及功能完善的专用软件的问世，为确保有限元模型的精确性奠定了基础。现今的研究成果使有限元模型不仅能逼真地模拟椎骨、椎间盘，还能将脊柱周围的韧带、肌肉直接或者间接地加入模型，使模型更加真实完善。正因为如此，近年来有限元分析法作为一种骨科生物力学的研究方法越来越受到关注。有限元模型最大的优势在于可以反映集体内部的应力变化情况，这是其他试验方法难以做到的。
3.1 骨质疏松腰椎三维有限元模型的建立：有限元建模有多种方法，由于人体结构的不规则性，同时CT、MRI机器普及，图像建模的方法比较适合于临床生物力学的研究，目前多数临床相关的研究是通过此方法建模的[2-3]。
在本试验中，我们采用General Electrics 64层螺旋CT对已经选定的对象进行薄层螺旋扫描及断层图像处理。得到清晰的胸腰段椎体骨窗断层图像，并将其保存为DICOM格式，再将DICOM格式的图像数据导入三维重建软件Mimics。这样通过CT建立的胸腰段椎体有限元仿真模型与真实的胸腰段脊柱在几何上就近似人体骨形态。并且我们建立的是四面体椎体模型，四面体相比六面体，对复杂几何体的形状拟和较好。脊柱六面体有限元模型和本课题建立的四面体椎体加六面体椎间盘的胸腰段有限元模型示意图：见图2～3。
图2 脊柱六面体有限元模型
图3 胸腰段六面体、四面体混合有限元模型
另外，由于韧带从生理结构上，只承受拉力作用，不受压力作用，因此，本试验中采用只受拉力作用的线弹性材料模型，采用三维杆单元模拟，一定程度上符合韧带的生理特性。由于CT无法建立椎间盘模型（因为在CT上椎间盘的灰度和周围软组织的灰度重叠无法取值）且椎间盘结构复杂，文章根据椎间盘的生理结构，通过CAD构建了简化的椎间盘模型。椎间盘被固定在相邻的椎体之间，分散来自椎体的压力，通过与双侧软骨终板结合的纤维环和髓核使椎体间具有一定的活动度。
3.1.1 三维胸腰椎体几何模型的准确性：我们研究所建立的有限元模型是骨质疏松椎体压缩性骨折好发的脊柱胸腰段，更符合临床实际情况。模型的建立选择健康成年人的胸腰段脊柱作为基础，应用螺旋CT扫描获得胸腰段脊柱的详细轮廓数据，经Materialise Mimics逆向处理软件，建立胸腰段脊柱的三维实体模型。本研究采用基于CT原始数据的先进逆向建模技术，解决了CAD传统正向建模技术无法构建骨骼等复杂几何体的问题，从而保证了几何高度近似，为下一步的研究提供了良好的三维模型。
3.1.2 三维胸腰椎体网格模型的优点：在对胸腰椎体进行网格划分时，考虑到椎体的几何复杂性，对椎体采用自适应四面体网格划分方法，并对在着重考察和形状非常不规则的区域进行网格细化处理，保证了网格模型和几何模型的高度近似性。因此，本研究的网格模型更加细化和逼真，保证了计算的准确性。同时对于椎间盘模型，采用六面体模型，保证了椎间盘纤维模型的合理构建。采用椎体骨四面体和椎间盘六面体的复合网格模型，即保证了网格模型的几何逼真，又保证了胸腰椎各解剖部位的合理构建，为胸腰椎生物力学的研究提供了良好的网格模型。
3.1.3 胸腰椎模型材料属性的可靠性：因为试验条件的限制，本研究胸腰段脊柱有限元模型各部位的材料属性及基本参数采用了国外学者在胸腰椎材料力学研究中的试验结果，并已被不同研究学者引用进行胸腰脊柱的有限元模拟分析[4-6]。虽然因为研究的方法、试验的条件以及力学标本来自不同地区人种的关系，不同研究学者的材料试验造成材料属性有所偏差，但是本研究采用同一学者的研究结果，对不同模型进行力学分析，从纵向上进行定性比较分析，是合理的。
3.2 胸腰椎模型建立的临床意义：很多老年病如椎间盘退变，椎体的压 缩性骨折等都与老年性的骨质疏松有关，而很多的骨质疏松椎体的病因和治疗均与其生物力学有关，因此，分析不同的手术及创伤对骨质疏松的腰椎的影响是十分关键的。精确的生物力学试验可以帮助选择准确的植入物和手术方法，指导患者的术后康复和锻炼[7-8]。目前，很多学者通过有限元模型来进行骨科研究，并取得了好的成果[9-12]。本试验建立的有限元模型可以在计算机上随意的对椎体产生变形，可以模拟椎体骨折的模型，分析骨折后的生物力学变化，同时可对目前治疗骨质疏松骨折的新技术如椎体成型和后凸成型做比较，以及椎体疏松后内固定松动的问题，还可用于腰椎退变性滑脱，能够很好的模拟腰椎的生物力学试验。我们建立此模型想利用此模型观察骨质疏松椎体骨折后椎体成形后的相邻椎体骨折的问题，最近越来越多的报道认为这种骨折与椎体刚度和强度的增强有关。是否椎体成形术后的相邻椎体的骨折是由椎体的生物力学的改变引起，目前尚无定论。以往试验利用有限元的方法对椎体增强后的相邻椎体的生物力学进行了报道，但得出的结论不一致。这些生物力学试验均证明了椎体刚度的增强是目前相邻椎体骨折的原因[13-14]，认为相邻椎体的骨折与骨水泥增强椎体的弹性模量有关，但部分学者认为相邻椎体的骨折和椎体的增强没有关系[15]。我们将利用建立的有限元模型对目前比较关注的椎体成型手术后的相邻椎体的骨折问题进行进一步的探讨。通过更精确的模型来排除其他因素对增强椎体周围椎体的影响。
3.3 试验的局限性及展望：有限元模型材料参数的获得是通过生物试验得到的，但是到目前为止，退变组织的材料参数的获得对于我们模拟退变的三维有限元模型来说仍是个难以解决的问题，不同研究学者对材料属性的定义有所偏差。另外，虽然近年来建立的生物力学有限元模型越来越接近客观实体，并且对生物力学机制有更深入的理解和预测。但有限元法是一种理论性的分析，只有在更好地结合临床检测与试验观察之后，才能最真实地反映脊柱的受力状况，为疾病的发生、发展分析及疾病的治疗提供准确的参考。
今后，我们还将做深入的研究。包括进一步完善有限元模型的设计，特别是退变椎间盘和髓核的有限元模拟，并考虑肌肉力的影响；探讨KP治疗中骨水泥最佳的注射容积量；骨水泥在治疗椎中不同的分布对治疗椎体及相邻椎体的生物力学的影响；使用不同性质的骨水泥对脊柱的生物力学的影响；把有限元分析和生物试验的方法良好的结合起来。
本研究建立的骨质疏松腰椎三维有限元模型接近真实的生物力学标本，是理想的研究骨质疏松腰椎生物力学的数字化模型，可应用于胸腰段骨质疏松后凸成形术相关的有限元生物力学研究。
4 参考文献
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第2篇：关节软骨的生物力学特性范文
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： 构建包含骨盆肌肉及头臼作用力的标准步态下骨盆三维有限元模型. 方法： 选择标准成年男性志愿者行骨盆CT扫描成像得到骨盆每层横截面图像， 运用Mimics软件行三维重建， 利用有限元分析软件PATRAN 2005R2构建髋臼三维有限元模型，并将标准步态中肌肉收缩力及头臼作用力也设计到该模型中. 结果： 所构建髋臼模型共划分为113 028个结点、137 524个单元， 模型模拟了骨盆皮质骨、松质骨、关节软骨以及股骨头结构的材料特性. 所建模型结构完整，空间结构测量准确度高，单元划分精细，重点突出，尤其肌肉及头臼作用力加载模拟形象、逼真，客观反映髋臼真实解剖形态结构和生物力学特点. 结论： 构建的髋臼三维有限元模型为正常髋臼或异常髋臼力学研究提供可循模型.
【关键词】 骨盆；三维有限元；髋臼作用力；骨盆肌肉收缩力
0引言
对于髋关节的生物力学的研究，有必要了解跨髋关节肌肉的收缩力的大小方向及部位，完整地了解髋臼接触力与骨盆肌肉收缩力力学机制，有助于进一步模拟髋关节力学行为、解剖学与手术后改变的影响，虽然有文献［1-3］讨论过骨盆髋臼生物力学行为，然而这些先前的模型或没包括髋臼接触力或不包括肌肉收缩力. 因此其结果已受到大多学者的质疑. 作为实验研究骨盆与髋臼负载的需要，本实验试图报导一个既包含了肌肉又包含了髋臼接触力的三维有限元模型，这些数据将对于准确模拟髋关节与骨盆的正常负载或异常负载将尤为重要.
1材料和方法
1.1材料① 成年男性志愿者骨盆（男性，40岁）；② 西门子SOMATOM Volume Zoom CT 机；③ DELL工作站；④ Mimics软件；⑤ Patran 2005 r2 软件；⑥ Windows XP操作系统.
1.2方法
1.2.1骨盆三维有限元模型构建具体可以分为3个步骤① 步骤一： 对一成年男性志愿者（40岁）的骨盆进行CT断层成像；在CT成像过程中要志愿者在骨盆纵轴方向保持不动，每隔1 mm层厚扫描一次. 所得图像以DIMCOM格式存入CT机，刻录光盘，从而得到表示骨盆每层横截面的图像. ② 步骤二： 将上述以DIMCOM格式存储的图像导入Mimics软件，设定门槛下界灰度值为270，上界不限. 通过Region growing 选择感兴趣区域，进行骨盆三维重建. ③ 有限元分析与计算： 三维重建图像以out格式导出，并导入Patran 2005 r2软件，并重新进行网格划分，建立皮质骨的外表面与内表面，其内外表面都相互连接，分别建立骨盆的皮质骨及松质体模(图1). 与骨盆骨相互作用的股骨头也被建模，此外关节软骨也被建模，以保证一个光滑且真实的髋关节作用力的加载［4］，除了髋关节头臼作用力(表1)，22块附着在骨盆上的肌肉也被设计到该模型中(表2，图2)，肌肉的生理附着点被绘制到有限元网格中，其相关参数皆来自于Pedersen1997年的研究结果［5］.
图1髋臼皮质骨(A)与松质骨(B)有限元模型 略
表1步态循环中支撑相时负载受力参数 略
1.2.2设置单元属性根据骨盆的解剖结构特点，骨性结构模拟材料为皮质骨、松质骨、软骨下骨及关节软骨，材料参数的选择参考文献［6-7］（表3）.
1.2.3加载情况固定骶髂关节处的节点模拟骶骨的支持，只对左半侧骨盆进行加载，在耻骨联合处模拟弹性边界条件. 根据步态循环周期中左支撑相的第4个子步相的髋关节的头臼之间的作用力，从股骨头的中心点处进行加载. 此外肌肉收缩力也被考虑，收缩力的方向是根据远近端的附着点获得［8］，并且步态中骨盆肌肉与股骨的相对位置关系也被考虑进去. 本实验中设定股骨头内收15°，同时在前后位上骨盆与股骨头(髋关节的伸屈)的角度是可以变化的(表1). 肌肉的收缩力以分布载荷运用到模型的表面，肌肉的收缩力的方向是由其远近端的生理附着点的连线，并同时兼顾髋关节的屈伸角度对远端生理附着点的坐标影响. 假设条件:本实验所涉及的生物材料均假定为均质、连续和各向同性. 受力时模型各截面不产生相互滑动，各单元有足够的稳定性;材料受力变形为小变形.
表25步态载荷中肌肉收缩力的大小(略)
表3骨盆三维有限元模型单元属性表 略
2结果
2.1模型建立本研究中，应用CT图像专用的DICOM医学数字图像通讯标准，CT专用的Mimics图像识别分割建模软件和PATRAN有限元专用软件，将薄层CT横断面图像进行分割识别，建立了适合生物力学研究的髋臼三维有限元模型(表4，图1)，肌肉的生理附着点被绘制到有限元网格中，并由肌肉的远近端的附着点获得肌肉收缩力的方向，并兼顾髋关节的屈伸角度对远端生理附着点的坐标影响(图2). 髋臼三维有限元模型共划分为113028个单元，137524个节点. 股骨头采用四节点tet10单元，共划分为37090个单元50392个节点. 松质骨模型在髂骨中央有椭圆形孔，及髂前下棘处有缺失，既该两处为皮质骨充满. 旋转观察模型形态与骨盆解剖形态具有满意的相似性，可任意切割和调整几何及材料参数以模拟不同临床与实验状态.
表4模型的有限元如下表 略
2.2模型的受力分析模拟步态4髋关节的头臼之间的作用力及附着在骨盆上的22块肌肉的收缩力对模型进行加载. 得到该情况下髋臼的力场分布(图3). 结果显示：主应力集中在髋臼软骨的臼顶区，传递至软骨下骨后，沿弓状线及臼顶的外上皮质至骶髂关节.
3讨论
3.1骨盆有限元模型的应用1995年Dalstra等首次详细报告了骨盆三维有限元模型. 2000年Garcia等应用三维有限元对内固定后的骨盆进行应力分析，研究骨盆骨折后不同固定对其稳定性的影响；2006年Yew运用有限元分析影响髋关节假体置换稳定性的因素［9］. 国内张春才等［10］报道了应用三维有限元法对骨盆骨折损伤机制的分析. 在骨折内固定的应力分布、人工关节的设计优化研究，骨折危险性预测、骨折愈合、预测骨的塑型以及骨质疏松症研究方面有限元模型已是不可缺少的方法［7］.
图3单腿站立位时皮质骨(A)，松质骨(B)和髋臼软骨(C)受力分布 略
本研究应用16排螺旋扫描 CT扫描，并用MIMICS软件直接读取DICOMR的CT文件，选取兴趣区域行3D计算，获得髋臼的三维模型，并导入MSC公司PATRAN软件，建立了髋臼的三维有限元模型，并对重点部位进行细划分. 与标本的相似程度高，形态结构准确完整. 操作过程使图像失真减少到最小. 以往［4-5］建立骨盆三维有限元模型采用的 CT胶片扫描或照相技术， 在对图像反复采样过程中， 图像的细节和信息在采样过程中丢失较多， 而且工作繁重而导致建模差异较大， 出现建模质量的问题，影响到计算结果的准确性. 本实验三维建模过程为全数据化处理，避免了数据收集过程中关键信息的丢失，最大限度上保证了建模的准确性和精确性.
3.2模型的力学相似性本研究结合了结合头臼之间的作用力与肌肉的收缩力，不当在外形上最大限度上保证了建模的准确性和精确性. 并且在力学加载上更与实体相似程度高，更加准确完整. 本研究头臼作用力由股骨头中心点处进行加载，同时参予髋关节运动有关的22块肌肉也被考虑，肌肉收缩力的方向由远近端附着点决定，并同时兼顾了髋关节屈伸角度对肌肉远端附着点的影响；肌肉收缩力大小与方向及头臼作用力大小与方向参考相关文献［5-6］，并转换为本研究的坐标系，更加真实地模拟实际步行情况.
3.3髋臼受力的分析生理状况下，骨骼的结构和功能在很大程度上依赖于其所处的力学环境. 在髋臼骨折治疗中， 施加的力学环境， 对治疗效率、准确的愈合是至关重要的. 本研究尝试对髋臼模型进行受力分析， 将骶髂关节和耻骨联合部位锁定后， 模拟步态4下髋臼的力场分布， 结果发现：在股骨头与髋臼接触部位， 最大接触力出现在髋臼的后上区域，提示在髋臼受力部位为高应力状态，皮质与松质最大受力部位较一致，皆出现在髋臼顶部附近(18 kPa， 0.36 mPa)，软骨的峰值出现在臼顶内侧区(4.1 kPa). 本研究的意义说明， 所构建的髋臼三维有限元模型可以分割， 可以进行受力的分析.
3.4标准步态下骨盆三维有限元模型建立的意义骨盆肌肉的收缩力的大小、部位及方向与髋臼的接触力对于髋关节异常情况(如畸形、手术)的模拟非常重要. 完整地了解髋臼接触力与骨盆肌肉收缩力力学机制有助于进一步模拟髋关节力学行为、解剖学与手术后改变的影响，以往对髋臼进行有限元分析， 鉴于形状复杂，载荷条件复杂， 一般均对其作简化处理， 先前的模型很少有髋关节接触力的三维模拟，或是没有对附近肌肉负荷的三维模拟［1-3，9］. 髋关节周围的实验及理论力学模型运行时都是在缺乏肌肉收缩力的影响上得出的结果，因此分析的结果必然引起误差［5］，了解髋关节的接触与跨髋关节肌肉作用力对于准确模拟手术后几何条件及负载改变是非常重要的. 本研究成功构建一个既包含了肌肉有包含了髋臼接触力的髋臼三维有限元模型，真实模拟人体髋臼解剖形态，肌肉载荷及头臼作用力，而且三维有限元图像还原性好， 能从力学上真实代表实物. 当然，这是全面认识髋臼生物力学改变的第一步，理想的模型将为进一步的研究提供可靠的手段和方法，也将有助于丰富髋臼的相关生物力学研究.
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第3篇：关节软骨的生物力学特性范文
【摘要】［目的］利用工程力学分析软件CatiaV5，模拟在不同的肩关节功能位置上、间接冲击暴力所致肱骨骨折的受伤力学机制和力学环境，为认识和治疗肱骨骨折提供生物力学依据。［方法］采用高分辨率的人体肩关节断层解剖图作为三维重建的数据源，选取自锁骨顶端至肱骨远端关节面、共380层的断层图像，层厚1mm，按照点、线、面的建模方式，先建立人体肩关节的三维几何模型，再予网格化，建立人体肩关节的三维有限元模型，利用该模型，模拟在12个不同的肩关节功能位置上（外展30°、45°、60°、90°、同时合并内旋、中立、外旋）、肱骨受到分级加载的轴向冲击载荷时的骨折位置以及瞬时的应力、应变状况。［结果］根据肱骨在不同的功能位置上载荷－应变关系曲线，载荷从0～250N时，呈线性变化，后为非线性期，卸载后，残余骨变形；随着载荷的增加，肱骨干的应变随之增加。当肩关节的外展位置由90°逐渐变为30°时，肱骨干上内外侧应变逐渐增加，内外旋45°时应变比中立位时增加显著；同时，肱骨干内外侧的应力不同，内侧应力大，外侧应力小，内外旋时，肱骨干的应力增加更快、更大。［结论］在肩关节不同的功能位置上，三维有限元分析逼真地模拟出各自不同的肱骨应力、应变状态值及骨完整性受到破坏的三维图像、骨折线的大体走向；肱骨骨折的三维有限元模拟和分析是研究与骨折相关的力学原理的非常有价值的方法。
【关键词】间接暴力；肱骨骨折；三维有限元；模拟
Abstract：［Objective］Tosimulatethebiomechanicsmechanismandenvironmentofhumeralfracturecausedbyindirectimpactforceforthepurposeofbiomechanicsunderstandingandtreatmentofsuchfracture.［Method］Basedonthedatasource,whichwashighresolutionanatomicsliceimagesfromapproximalclavicletodistalhumerus,1mmthicknessandtotally380layers,thegeometricmodeloftotalshoulderjointwasestablishedaccordingtotheorder:point,line,area,andfurthermeshedtosetupthethreedimensionfiniteelementmodelofshoulder,fracturesitesandinstantaneousstressandstrainofhumerusweresimulatedandanalyzedundertheconditionwhichlongitudinalimpactforcewasloadedonthehumerusbasedonthe12functionalpositionsofshoulder(abduction30°、45°、60°、90°,andsimultaneousneutrality,internalrotation45°,externalrotation45°).［Result］Accordingtothehumeralshaftloadstraincurveindifferentfunctionalpositionsofshoulder,linearrelationwasfoundwhenloadchangedfrom0Nto250N,afterwhichnonlinearcomeout,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
临床上，肱骨骨折的发生率并不少见。目前，对于肱骨骨折确切的损伤机制尚缺乏较深刻的了解，较透彻的阐明肱骨骨折的机制方面的知识对于肱骨骨折的预防和治疗将会产生重要的指导意义。本研究就是利用人体肩关节的三维有限元模型，模拟不同的轴向冲击载荷下，肱骨的形变情况，并显示其动态过程，探讨肱骨骨折的受伤应力机制。
1材料与方法
1.1肩关节结构的几何实体重建
采用高分辨率的人体肩关节断层解剖图作为三维重建的数据源，按照点－线－面－体的方式建立肩关节的几何实体形状，可以分别显示皮质骨、松质骨、软骨及髓腔结构，在CatiaV5运行平台上可以任意角度转动，观察模型的解剖结构和方向（图1）。
1．2肩关节三维有限元模型的构建
肩关节的三维实体建模完成后，根据材料特性的不同，定义软骨、皮质骨、松质骨材料力学参数（表1）。选用10节点的四面体单元，该四面体具有6个方向的自由度，在CatiaV5运行平台上，定义肩关节的各项参数和指标，选择中上等精度的自动网格划分模式，对肩关节进行自动网格化，生成3977个节点（nodes）、20919个四面体单元（elements）（图2）。表1肩关节的材料力学参数（Joseph.A等2002年）
1.3肩关节不同功能位置上肱骨骨折的三维有限元模拟
启动CatiaV5的结构模块。根据盂肱关节面的接触关系，及肱骨头的旋转中心的确立，固定肩胛骨相对不动，将肱骨分别从0°位外展到30°、45°、60°、90°每个位置上；分别设定3种旋转状态：中立位、外旋45°、内旋45°，从而将肩关节的动态功能过程分割成12个不同的功能位置。在每一个位置下，根据盂肱关节面接触区域的位置和范围，设定肱骨的边界约束，限制其所有方向的自由度。
自肱骨远端分别加载以0.1s梯度增加的300N轴向冲击载荷，载荷持续时程为1s，同时自肱骨大结节加载50N水平恒定载荷，启动CatiaV5的求解模块，计算机进入冲击受力分析模块程序。运算结束后，得到动态显示的加载－形变过程，分析其应力分布和骨折移位状况。根据图像的模拟结果，我们可以判断不同的功能位置上的骨断裂的位置和移位方向，根据节点的断裂度判断骨折线的大致走向。
2结果
计算机运算结束后，得到12个功能位置上、暴力载荷下的肱骨应力、形变趋势，并且动态展示出来。本文以45°外展位为例(图3～5)；此外，通过鼠标取值，可以记录肱骨上的平均应变值（图6），从而进一步绘制载荷－应变曲线（图7），了解肱骨随载荷变化的生物力学规律。
3讨论
3.1本研究中骨折模拟的力学合理性
造成骨折的原因有内因和外因两个方面，前者是指骨结构本身的特性，例如材料性质和结构性质，后者是指骨骼受外力的方向、大小、变化速度以及肢体的空间位置等［1］。对于肱骨骨折而言，常见于摔倒时，上肢撑地，冲击载荷在较短的时间内通过间接传递作用于骨骼，造成骨折［2］；同时，由于人体上臂具有灵活的运动范围，故摔倒时，肱骨可以有多个不同的功能位置，而这种位置直接影响骨骼的受力矢量，因此，本研究在前期肩关节三维有限元模型和肩关节试验力学分析结果的基础上，模拟不同功能位置上的肱骨骨折状态，是符合肩关节生物力学原理的［3］。
3.2三维有限元分析法模拟肱骨骨折的优势所在
肱骨发生骨折时，由于其瞬时性的特点，往往很难重复其具体过程，无法对其进行实时分析。试验研究的条件下进行骨折力学分析时，当载荷超过骨的极限强度时，骨小梁断裂，骨结构的完整性破坏。目前的力学记录仪器尚不能记录峰值强度以后的骨应力和骨应变，特别是骨的内部力学状况，所以，用试验的方法研究骨折的力学机制存在着明显的不足，它不能提供骨折完整过程的信息，故本研究尝试用先进的计算机技术，凭借工程力学的软件，按照生物力学的原理，去研究肱骨骨折的损伤机制，是对试验力学有力的补充和完善。运用三维的视觉环境，高度形象地模拟骨折的形变和应力分布。作为一项被运用到医学领域的计算机技术，三维有限元分析法可以高度模拟物体结构与材料的特性；既可以精确地反映区域性的信息，又可以完整地反映全域性的信息；既可以进行精确的计算分析，又可以从事形象的、直观的定性研究，分析研究的重复性好，应用面广，适应性强，可以反复使用，无损耗，能够通过模拟分析的方法研究实验方法所不能研究的工况（或生理状况），得到客观实体实验法所难以得到的研究结果［4］。
3.3有限元模拟肱骨骨折受伤机制的临床意义
从肱骨骨折的三维有限元动态模拟图像资料上看，当关节盂实施边界约束、肱骨大结节加载基础载荷、于肱骨远端加载以0.1s梯度增加的300N冲击载荷时，应力逐渐由肱骨远端移向骨干部，随着力的传递，压力集中在肱骨颈干交界部位和干部上段部分，应力在其前侧和/或内侧达到最大聚积；而与此同时，与关节盂相接触的肱骨关节面的部分，应力也逐渐增加，这两个应力集中区域在冲击载荷作用下，应力增加不显著。骨应变图提示这个区域此时承载的载荷逐渐转成张力区，2种载荷交界区域即是骨小梁承受弯曲最大的部位，当能量完全释放，骨小梁断裂，骨折线产生，远段肱骨部分移向后侧或/和外侧。应变是应力作用于骨组织的的结果，伴随着应力的变化，肱骨上应变发生变化，骨形变不可避免。另外，作者看到，在12个不同的功能位置上，相同的加载时，肱骨的应力集中区发生了转移和变化。当从30°90°外展时，高应力区由内侧逐渐转向外侧，而以60°外展外旋位置上应力最高，达3.13MPa。也就是说在这个位置上摔倒时，骨骼承受最大的应力，骨应变在此区域最大，故骨折发生率较高，特别对于本身骨强
度减弱的情况下（例如、
图1肩关节的三维几何实体重建图像图2肩关节的三维网格化图345°外展中立位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行）图4
45°外展内旋位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行）
图545°外展外旋位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行）图6箭头所指为鼠标取值图7外展45°位置上中立位、外旋45°、内旋45°时肱骨干上载荷－应变关系曲线质疏松时），在30°外展位置上易发生由肱骨外科颈和肱骨上段后上向前下的骨折移位［5］；而在90°外展加载时，骨折线接近横行走向，因此可以推测在健康人群中，肩关节30°～90°范围摔倒时，骨折线由斜形逐渐变成横行，且肱骨外科颈和肱骨上段时更易于骨折和移位置［6,7］。
此外，不同的肩关节旋转位置对肱骨骨折也产生一定的影响。从图像中可以发现当内旋和外旋时，肱骨上的应力分布发生转移。内旋时，高应力区移向肱骨的前外侧，外旋时，高应力区移向肱骨的内侧，并伴随骨折线出现部位的转移。根据动态模拟图像中，可以清晰显示骨折的动态现况，且可以反复回放，任意提取任何一个需要的信息。
3.4肩关节有限元模拟分析的应用前景
本研究中所建立的肩关节三维有限元是一个良好的生物力学研究工具，利用它，不仅可以对关节的骨性结构进行力学分析，同时通过建立三维连接单元，还可以重建肩关节的任一个软组织结构；通过这些软组织的试验力学测试，获得相关的材料参数，同样可以将软组织的有限元模型建立起来，继而进行力学分析。本论文仅仅对肱骨骨折实施了有限元的模拟，使用同样的方法，可以对其他肩关节的其他结构的损伤机理进行模拟，如锁骨骨折、脱位、肩胛骨骨折、盂肱关节的脱位、慢性肩关节不稳、肩峰撞击症等。
总之，随着计算机技术的不断发展，以及力学分析软件的不断完善，三维有限元分析法一定会在骨关节生物力学研究领域发挥越来越大的作用。
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第4篇：关节软骨的生物力学特性范文
中图分类号： G 804.5 文章编号：1009783X（2012）03027406 文献标志码： A
收稿日期：20110509
基金项目：国家自然科学基金（30771046）。
作者简介：张健（1963—），男，北京人，硕士，副教授，研究方向为运动生物力学；卜淑敏（1967—），女，山西人，博士，教授，研究方向为运动生理学；魏兆松（1981—），男，安徽人，硕士，讲师，研究方向为运动生物力学。
作者单位：首都体育学院，北京 100191
Capital University of Physical Education and Sports，Beijing 100191，China. 随着人口的老龄化，骨质疏松症不仅是一个医疗问题，也是一个社会问题，是常见的骨代谢性疾病，是一种危害中老年人群常见的疾病，在世界多发病中位居第6位，对该类疾病的研究及治疗在影响人类生存质量的因素中，已经占有了越来越重要的地位。骨密度是诊断骨质疏松的重要标准，受很多因素的影响。为探求骨密度对骨质疏松症的影响，本文采用去卵巢大鼠模型，通过观察各组大鼠的体重、胫骨体重指数、胫骨长度、股骨和第4腰椎的骨密度的变化情况，得出运动和雌激素对骨质疏松预防和治疗的作用。
1 材料与方法
1.1 实验动物
60只雌性健康3月龄SD大鼠，体重（220±20）g，身体情况正常。由北京维通利华实验动物中心提供，饲养于北京大学医学部实验动物学部，啮齿类动物饲料喂养，自由饮食、饮水，动物室温度22～25 ℃，相对湿度50%～55%。
1.2 方法
1.3 实验指标的测定
在取材的前2 d开始制备取材的设备和仪器并注意制备充足的材料，开始断食。在取材的当日5时从动物实验学部用专门的鼠笼把动物带到首都体育学院重点实验室进行取材。
1.3.1 体重
在平时要注意观察大鼠的精神状况和运动能力的变化，并注意各组的饮食量。在取材时要准确地测量出每只大鼠的体重。
1.3.2 股骨和腰椎骨标本的制备
大鼠饲养到期时，要提前2 d断食物，但正常饮水。麻醉后测量体重，股动脉放血处死。注意勿损伤骨质去除附着的肌肉和结缔组织将两侧股骨、胫骨和腰椎骨摘出，将摘出的骨骼用pbs生理盐水浸透的纱布包裹，装入密闭试剂盒中，放置于-20℃冰箱内，测试时将其于室温下自然解冻[12]。
1.3.3 胫骨干重和长度的测定
用水合氯醛麻醉并用电子天平（JA5002）称量出大鼠的体重。对所有的大鼠进行股动脉放血处死并取下大鼠的后下肢左、右胫骨。把胫骨按编号放置在60℃的实验室烤箱（型号 XU027200）烘烤 12 h后取出。用电子分析天平（型号 FA1004A）称量所有胫骨的质量。再用游标卡尺（精确度为0.02 mm）测出大鼠胫骨的长度（测量时，采用游标卡尺卡紧骨的两端结构，并且骨两端的距离是最短（要求骨的纵径与游标卡尺主尺面平行）。计算出左、右胫骨质量的平均值和大鼠体重的质量指数（胫骨和体重的质量指数=一侧胫骨的质量/大鼠体重）。
1.3.4 股骨和腰椎骨的骨密度的测定
1.4 实验数据的处理和统计
所有指标均以平均值±标准差表示，数理统计采用统计软件SPSS 12.0进行单因素方差分析，组间相互比较采用LDS法，对F值明显的指标，用t检验对各组均值进行多重比较。
2 结果与分析
3 实验结果与讨论
去势大鼠作为骨质疏松模型也已经是一门成熟的技术。大鼠在3月龄时性腺与内分泌系统才完全发育成熟，肌肉骨骼系统基本定型，故以3月龄青春期大鼠为研究的起始年龄；但此时大鼠的骨骼仍然在生长，至7月龄时，皮质骨才发育成熟达到骨峰值，故3～8月龄为复制成年大鼠疏松模型的合适年龄，7～8月为最佳年龄；但采用 7、8 月龄大鼠耗资较大，故在设立对照组的前提下，用3～4月龄的大鼠仍是可行的[3]。通过以上所有的实验数据分析，可以看出本次实验的造模是成功的，得到手术静止组的大鼠的体重和骨密度与假手术组、手术干预组有高度显著性差异（P
3.1 胫骨指标数据的比较分析及讨论
骨长轴方向的成长依靠软骨内骨化过程，骸软骨细胞不断增生和不断骨化（软骨变成骨的过程），使骨长度不断增加[7]。比较手术静止组与假手术静止组，可以看出SD雌性大鼠的胫骨由于在去势手术的环境下生长而导致其胫骨长度的增长不明显（P
3.2 骨密度指标分析及讨论
骨密度（BMD）是机体某一部位骨组织中单位骨面积内所含的矿物质量，是影响骨强度的一个重要因素，是评价骨强度的一个最方便、最常用的指标，并且BMD的高低也被作为诊断骨质疏松的一项主要标准。BMD受到诸多因素的影响，如遗传背景、性别、年龄、激素、营养和运动因素等。宋冰，张兆强研究显示，切除大鼠双侧卵巢后，骨矿物元素Ca、S、Mg、Zn、Co、Mn等含量显著降低（P
雌激素具有下调骨重建阈值的作用[16]，当雌激素减少时骨重建阈值提高，因此，原先使骨骼进行保留型骨重建的应变只能进行废用型骨重建了。绝经后雌激素减少，通过运动可以增加骨骼载荷以增加骨骼的应变，使之达到骨重建阈值而进行保留型骨重建，减少绝经后骨量的丢失[17]。体育运动影响骨的力学特性。影响骨的力学特性的因素包括骨的几何形态（体积、横断面、管壁厚度等）、骨矿密度（与骨组织的孔隙率呈反比）、骨质的质量（原有骨质和新形成骨质之比、矿化度、骨胶原成分和含量、骨胶原和骨矿的排列方向，以及骨基质中和骨单位周围存在的细微骨折数量等。骨骼所受的外力，即使骨产生形变的外源性机械力可概括为内源性肌肉收缩力与外源性反作用力。这些力对骨生长发育的调控主要通过调节软骨内生长与骨化、关节软骨的发育，以及软骨周缘/骨膜的骨化和软骨内成骨[18]。机械力学信号可转化成促进成骨的生化信号。力学信号激活骨细胞网络通路而成骨，尤其在达到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形态结构[19]。跑步运动时骨骼肌的频繁收缩，大量增加肌肉的血液供应，进而增加骨皮质血流量，改善骨组织血液供应，促进钙的吸收，保存骨量。陈柏龄等的研究显示：雌激素和运动均可显著提高骨密度及生物力学性能；但与雌激素相比，运动在防治Ⅰ型骨质疏松的作用中具有如下优点：1） 更强的促进骨形成的能力；2）调节骨重建的部位和方向，使骨的显微结构适应其生物力学功能；3）提高骨的硬度，增强骨抵抗变形的能力[20]。李梅、李爽等人研究显示：运动和雌激素均能明显提高去卵巢大鼠胫骨的BMD，但在维持去卵巢大鼠BMD方面，运动的功效作用优于雌激素。这可能是因为运动不仅能对骨骼系统提供有效的力学刺激，而且可以改善机体神经内分泌功能，明显提高绝经后妇女的内源性雌二醇水平，能够有效缓解绝经后各种低雌激素症状从而达到良好的维持或改善骨健康的功效[21]。
本实验手术运动组大鼠的骨密度相对手术静止组有高度显著性差异，就是运动给予骨骼机械力的作用而引起的，通过上述研究分析可以明确为什么运动组大骨密度增高。同样孙颖等[2224]的研究发现，低、中强度的跑台运动训练可以延缓股骨骨量的丢失，高强度运动并不能产生这种效果。王怡婧，张焱等人研究发现中等强度跑台运动和E2单独或联合作用均能显著增加去卵巢大鼠肝组织匀浆NO含量，二者是通过上调肝脏 eNOS 蛋白表达而发挥作用[25]；因此，大部分研究认为，中等强度的承重性练习更有利于延缓骨量的丢失。张林等人的研究显示：去卵巢后大鼠表现为高转换型骨代谢特征，雌激素下降，甲状旁腺激素分泌加强，促进骨吸收，从而骨钙流失；因此，血钙含量上升，而运动可使血钙流入并沉积在骨中，主要原因推测为：1）运动能促进血液循环，利于血钙向骨内输送和破骨细胞向成骨细胞转变，促进骨钙化，增加骨密度。2）运动负荷的机械应力可促进骨细胞的增殖，加强其活性，使骨的矿化过程加强，使血中的钙以钙盐的形式沉积在骨中，从而使骨量增加。
运动结合药物对由于去势而导致的骨矿物质丢失有预防和治疗的作用，已经成为人们的共识。很多动物实验都已经证明：适度运动结合雌激素对由于老年化而导致的骨质疏松有协同的效果。本实验的手术给药加运动组与手术给药和手术运动组大鼠间有显著性差异也证明在该实验条件下，对去势大鼠的骨骼矿物质的丢失是有效果的。
4 结论
3）本实验的不足之处，假手术运动与静止组别在一些数据指标上没有显著性的差异；可能是该运动量对健康大鼠的影响程度不高，没有去势大鼠改善效果明显的缘故。
实验的结果提示我们在预防和治疗由于老年化引起的骨质疏松，单纯的药物与运动干预，不如两者共同协同作用效果显著，并且在实际的对待人类而言，很重要的一点是必须控制好药物量及运动的强度和量度，还要安排好干预的时间和频率。
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第5篇：关节软骨的生物力学特性范文
摄影／柳宗游
现在电视上宣传的中老年补钙产品，已经不仅仅强调补钙效果，而是强调提高骨密度，预防骨质疏松功效，这是为什么呢？究其根本原因，是骨质疏松和关节炎已经成为现代中老年人的常见病和多发疾病，这类疾病已经不是单纯补钙可以奏效的。
骨质疏松和关节炎都与骨基质中胶原蛋白的流失有关，骨骼、软骨组织、关节液中的胶原蛋白叫“骨骼胶原”，约占骨骼中有机物的70%～80%。人过中年后，由于骨骼胶原及钙质的大量流失，骨骼中的骨质含量逐渐减少，造成骨质疏松，导致患者容易发生骨折。另外，人的关节软骨每天都承受着各种活动引起的机械摩擦力，人到中年后肌肉功能逐渐减退，容易导致关节损伤，软骨破坏，引起骨性关节炎。
医学证明，补充适量的骨骼胶原，不仅可以延缓骨质疏松，同时也能维持人体自身软骨组织的生成机制，保护关节免于磨损和毁坏，还可预防由各种原因引发的关节炎。就是说骨骼胶原在我们关节中起到的作用。试想一下，将我们的身体比作一台机器，每天都在运行，骨骼之间摩擦不断，为了降低关节的磨损和毁坏，就要勤于保养，而保养的关键不仅仅是补钙，还要降低关节之间的摩擦力，这就是为什么身体需要胶原蛋白。在骨骼胶原诱导和正反馈作用下，氨基葡萄糖作为胶原蛋白合成的前体物质，能迅速参与人体代谢，及时为骨骼胶原的合成提供充足的硫基和多糖蛋白。
骨骼生成时，首先必须合成充足的胶原蛋白纤维来组成骨骼的框架。因此，有人称胶原蛋白为骨骼中的骨骼。其实，胶原蛋白更像是骨骼的黏合剂，由于胶原纤维具有强大的韧性和弹性，在补充钙的同时补充胶原蛋白，这样钙才能在胶原蛋白的黏合下，沉积在骨骼中，增强骨的韧性、硬度。也就是说，只有摄取足够的胶原蛋白，人体对钙才能够有正常的吸收和利用，骨质疏松的问题才能得以解决。
第6篇：关节软骨的生物力学特性范文
[关键词] 膝关节；骨性关节炎；关节镜；综合治疗
[中图分类号] R684.3 [文献标识码] B [文章编号] 1673-9701（2013）16-0143-02
骨性关节炎（osteoarthritis，OA）是一种慢性关节病，其特征是关节软骨退变，关节边缘骨赘形成，病理变化以软骨变性、软骨下骨质病变为主。膝关节骨性关节炎是中老年人常见病、多发病，主要症状为膝关节疼痛和功能障碍，严重影响患者的生活质量。膝关节骨性关节炎的治疗尚无统一治疗标准。关节镜在治疗膝关节骨关节炎中的作用长期以来充满争论。我们采用关节镜手术治疗为主辅以关节腔内注射玻璃酸钠、口服氨基葡萄糖片、指导患者功能锻炼等综合治疗85例膝关节骨性关节炎患者，疗效较好，现报道如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料
本组符合美国风湿病学会关于骨性关节炎的诊断标准，以膝关节疼痛和活动障碍为主要症状。本组患者男35例，女50例，年龄42～75岁，平均65岁；左膝37例，右膝46例，双膝2例。综合治疗前VAS疼痛评分为（4.8±2.4）分、Lysholm膝关节功能评分为（54.6±12.3）分。根据治疗前膝关节X线片，我们按Kellgren-Lawrence分级：Ⅰ级18膝，Ⅱ级41膝，Ⅲ级23膝，Ⅳ级5膝。发病时间3个月～10年不等，平均3年。大部分患者本次综合治疗前曾口服抗炎镇痛药、氨基葡萄糖、钙片等药物治疗或进行针灸理疗，部分患者曾行关节腔内注射等处理，但疗效均欠佳。
1.2 手术方法
本组患者采用椎管内麻醉78例，气管插管全麻5例，膝关节腔浸润麻醉2例。常规通过膝关节前外、内侧入路对关节腔进行镜检、探查。根据镜下所见具体病变采取相应处理措施，包括冲洗关节腔、清除炎性物质和碎屑、摘除游离体；射频消融去除不稳定的软骨，修整软骨缺损的边缘；刨削过度增生的滑膜及卡压的脂肪垫；打磨产生撞击的骨赘，打磨扩大狭窄的髁间窝；部分切除退变撕裂不稳定的半月板、修整成形；对负重区的关节软骨面剥脱行微骨折处理；对Q角>20°、髌骨半脱位者，行髌外侧支持带松解术。本组患者14例行软骨修整成形，16例行半月板修整成形，4例行半月板切除，13例行软骨修整+半月板成形，10例行软骨修整+取游离体，8例行脂肪垫切除+软骨修整，7例行微骨折，6例行滑膜切除，3例行软骨修整+打磨骨赘，2例行软骨修整+髌外侧支持带松解术，2例行髁间窝成形。
1.3 术后其他治疗方法
①关节腔内注射：术毕抽尽关节积液，关节腔内注射2 mL玻璃酸钠，棉垫加压包扎。患肢弹力绷带包扎并抬高，患膝冰敷24 h。②功能的锻炼：术后第1天行股四头肌收缩、直腿抬高及活动髌骨训练；术后2～3 d可扶拐或助行器下床行走，术后3～4 d做膝关节屈伸锻炼，术后6周后可视患者的耐受情况进行游泳、骑车等肌力强化训练。③药物治疗：口服氨基葡萄糖片0.75 g/次，2次/d，共6周。
1.4 统计学方法
采用SPSS 13.0统计学软件，数据用均数±标准差（x±s）表示，采用t检验，P < 0.05为差异有统计学意义。
2 结果
所有患者均获随访，随访时间3～36个月不等，平均18个月。期间无感染及下肢静脉栓塞等并发症。绝大部分患者对关节镜手术为主综合治疗效果满意，膝痛症状明显减轻，膝关节活动功能得到不同程度改善，最后随访时疼痛VAS评分较治疗前降低，Lysholm膝关节功能评分较治疗前提高，治疗前后差异有统计学意义（P < 0.05）。见表1。
3 讨论
膝关节骨性关节炎患者几乎均有膝痛，疼痛原因复杂，目前尚未完全清楚。软骨破坏致软骨下骨外露磨损，滑膜炎性渗出、半月板损伤均与膝关节疼痛有关[1]。此外，疼痛程度还可受膝关节以外因素的影响，如缺少帮助的环境、受教育程度和体重指数等[2]。本组患者以膝关节疼及功能障碍为主要症状。术中镜检见绝大多数患膝以关节软骨病损为主，脂肪垫卡压、骨赘及髌骨运动轨迹改变常常合并关节软骨破损，前者可能是导致软骨破损的原因，半月板的病变也较常见，半月板病变后会加快关节软骨的退变和病损。因此，关节软骨病变确实是膝关节骨关节病的基本病变，关节软骨及半月板的病损可能是膝关节疼痛的主要原因。骨性关节炎患者疼痛的复杂性决定了其治疗需综合治疗。关节镜手术作为一种微创技术已成为治疗膝关节骨关节炎最常用的方法，但关节镜在治疗膝关节骨性关节炎中的作用长期以来倍受争论。Gross等1991年报道了43例不同程度骨性关节炎患者治疗情况，提出关节退行性病变的严重程度是手术成功与否的重要因素。陈意磊等[3]研究证明膝关节骨性关节炎行关节清理术的结局和患者的临床症状、放射学表现、软骨损伤程度相关，术前Kellgren-Lawrence分级低、VAS疼痛评分低和软骨outerbridge分级低是预后良好的独立因素。肖国庆等[4]报道对于轻中度膝关节骨性关节炎患者，关节镜下手术治疗可获得较满意疗效。目前临床上普遍认为关节镜手术只适用于轻中度OA患者，对于重度的膝关节OA患者中不能耐受或不愿接受膝关节置换术的患者关节镜治疗是否有利尚无定论。本组85例患者中不排除重度骨性关节炎患者原因是临床上确有相当数量的这类患者不能耐受或不愿意接受膝关节置换手术。我们应用关节镜治疗的目的在于期望能改善患者症状、延缓病变进展、修复局部软骨病损，从而尽可能恢复膝关节正常的组织学结构和生物力学特性。我们对各型有症状的骨性关节炎患者，采用关节镜手术治疗为主辅以关节腔内注射玻璃酸钠、口服氨基葡萄糖片、指导患者肢体功能锻炼等综合治疗，分析其临床疗效，结果表明各型骨性关节炎患者均能从关节镜手术为主的综合治疗中获益。下面就其原因进行探讨。
骨性关节炎根本的病理改变是关节软骨的软化、破溃和局部剥脱以及关节边缘与软骨赘生物的形成[5]。关节镜手术通过刨削、打磨、吸引、冲洗等方法，去除游离体、碎屑、不稳定的软骨碎片、撕裂的半月板、过度增生的滑膜以及产生撞击的骨赘，去除病灶、机械因素，减轻组织内压，改善局部新陈代谢和血液循环，减轻或消除物理或化学刺激，去除前列腺素、组织胺、5-羟色胺、白介素-2、肿瘤坏死因子等致痛因子[6]，减轻膝关节疼痛症状；磨平受损的软骨面，通过微骨折技术，治疗软骨表面的退化区域，帮助软骨再生，行髌外侧支持带松解，恢复髌骨的运动轨迹，改善力线从而尽可能恢复膝关节正常的组织学结构和生物力学特性，减轻疼痛，恢复肢体功能。关节镜手术后抽尽关节内液体即将玻璃酸钠注入膝关节内适当活动膝关节使玻璃酸钠迅速附着关节表面，形成生物屏障，阻止软骨基质降解酶对基质的破坏，具有和营养软骨、促进软骨修复的作用。通过肢体功能锻炼，增强机体抵抗力、提高对疼痛的耐受力，改善关节的血液循环，有利于关节液新陈代谢，改善软骨营养，利于病变修复。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础构建要素，是关节软骨中非常重要的组分。口服氨基葡萄糖片，即外源性摄入氨基葡萄糖，使关节内氨基葡萄糖含量恢复平衡状态，刺激软骨细胞合成蛋白多糖和胶原纤维，生成软骨基质，修复破损软骨，根治骨性关节炎的基本病变；氨基葡萄糖修复关节软骨、催生关节滑液、减少关节面间摩擦，从而改善关节功能，减轻疼痛。此外，氨基葡萄糖对致炎剂引起的毛细血管通透性增加有抑制作用，从而达到抗炎、减轻疼痛、保护关节软骨的作用。
本组患者年龄42～75岁，平均65岁，可见膝关节骨性关节炎患者多见于中老年，是关节退行性改变，即关节老化，任何一种治疗方法都无法终止老化。关节镜手术治疗为主辅以关节腔内注射玻璃酸钠、口服氨基葡萄糖片、指导患者肢体功能锻炼等综合治疗，虽然是针对骨关节病的基本病理变化而采取的干预手段，但只能是相对而言，不可能完全去除病因，逆转已形成的退变。本组综合治疗取得了较满意的疗效，但我们随访时间不够长，而末次随访结果影响疗效的评价，有待于进一步研究。我们无法完全治愈骨性关节炎患者，晚期严重的骨性关节炎患者应该首选关节置换。但是，我们对有症状的膝关节OA患者在保守治疗无效而又不能耐受或不愿接受关节置换术者，采用关节镜手术治疗为主的综合治疗，具有创伤小、恢复快且能有效缓解疼痛、改善关节功能、延缓疾病进程的优点，至少短期可获得较满意疗效，是一种有临床应用价值的方法。
[参考文献]
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第7篇：关节软骨的生物力学特性范文
【关键词】 颞下颌关节；软骨基质；免疫组织化学技术；印度豪猪蛋白；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
颞下颌关节（temporomandibular joint，TMJ）由下颌骨的下颌头关节面、颞骨的下颌窝和关节结节关节面、关节囊、关节腔，以及将关节腔分为上、下两部分的关节盘组成[1]，多种因素参与影响颞下颌关节的生长发育[2-3]，了解颞下颌关节的生长发育过程，对深入研究颌面部畸形的发病机制有着重要的临床意义。小鼠的颞下颌关节基本结构与人相似，但下颌骨升支端有髁状突、喙突与角突，其中只有髁状突参与构成颞下颌关节。目前，颞下颌关节的结构和功能已有系统的描述，但其发育相关的分子生物学机制有待深入研究[4-5]。因此，本研究以新生乳鼠颞下颌关节为研究对象，采用免疫组织化学技术，观察小鼠发育过程中颞下颌关节软骨基质与印度豪猪蛋白（Ihh）的表达变化，为揭示颞下颌关节发育机制提供新的
途径。
1 材料与方法
1.1 实验动物 BAL B/C新生乳鼠5只，上海斯莱克实验动物有限责任公司购买雌性孕鼠生产，动物合格证号：SCXK（沪）字第2012-0002号。实验室室温恒定（22±1）℃，湿度（56±5）%，紫外线定期消毒，自由摄食饮水，给予质量分数为0.3%的钠饮食。
1.2 试剂和仪器 磷酸盐缓冲液（PBS，pH = 7.4，美国Hyclone公司）；Ihh（1∶200；ab39634）、ColⅡ（1∶200；ab53047）、ColⅠ（1∶500；ab34710）和蛋白聚糖（Aggrecan）（1∶500；ab36861）抗体（美国Abcam公司）；枸橼酸盐缓冲液（pH = 6.0，美国Sigma公司）；山羊血清，通用型二步法检测试剂盒（含质量分数为3%的过氧化氢去离子水和多聚辣根酶标记羊抗兔IgG即二抗）以及DAB显色试剂盒（美国Thermo Fisher Scientific公司）；光学显微镜（德国徕卡公司）；石蜡切片机（德国徕卡公司）；生物组织石蜡包埋机（孝感亚光医用电子技术有限公司）。
1.3 取 材 空气栓塞法处死新生乳鼠，立即放入PBS中，取下头部置于质量分数为4%的多聚甲醛4 ℃ 固定24 h，Kristense液脱钙1周，常规脱水、透明、浸蜡、包埋、切片备用。
1.4 免疫组织化学技术染色 室温下石蜡组织切片，二甲苯脱蜡，梯度乙醇脱水，将切片放入
10 mol・L-1枸橼酸盐缓冲液（pH = 6.0）的电炉锅内，锅内的水沸腾开始计时20 min，进行抗原修复，然后自然冷却到室温。山羊血清（1∶10）封闭非特异性染色，室温孵育15 min；然后分别加入一抗ColⅠ（1∶500）、ColⅡ（1∶200）、Aggrecan（1∶500）和Ihh（1∶200），PBS替代一抗作为阴性对照，4 ℃过夜；PBS洗涤后加入二抗（羊抗兔，1∶1000），37 ℃孵育20 min，再按试剂盒的说明书，ABC复合物处理，DAB显色，封片。光学显微镜下观察颞下颌关节免疫组化染色的
形态。
1.5 阳性细胞判断标准 颞下颌关节出现棕黄色颗粒为阳性细胞，观察蛋白的分布、阳性强度和阳性率。按染色强度打分：-为无色，+为浅黄色，++为棕黄色，+++为棕褐色，染色强度需与背景色相对比。
2 结 果
免疫组化染色结果定位明确，背景清晰，阳性颗粒清楚。ColⅡ在关节盘与髁状突软骨中均表达强阳性，Aggrecan特异性表达于髁状突软骨中，ColⅠ在关节盘中表达阳性但是髁状突软骨中仅见少量表达，Ihh在关节盘中表达强阳性、髁状突软骨表达明显较少。ColⅡ与Aggrecan的表达位置强弱基本一致，ColⅠ与Ihh的表达位置基本一致。见图1-图5。
3 讨 论
软骨基质主要由胶原纤维和蛋白多糖构成，具有缓解关节应力，维持关节周围组织拉伸性能的作用。ColⅠ和ColⅡ是颞下颌关节中最主要的胶原蛋白，它们通过聚集分子形成关节盘、髁状突以及关节窝。Aggrecan是最主要的蛋白多糖，以聚合体的形式存在，被包绕在胶原纤维间基质内，维持胶质网状结构充盈且具有高度弹性，也是软骨形成和骨骼发育的基本物质。蛋白聚糖与透明质酸结合形成复合物，游离于关节液中，形成高度的粘弹性，对关节软骨起着减震和等机械保护作用[6]。
在正常的生长发育过程中，髁状突的生长方式属于软骨内成骨，软骨内成骨始于增殖层内未分化的间充质细胞的增殖和分化，促进前体软骨细胞分化为软骨细胞，再逐渐成熟分化为前肥大软骨细胞和肥大软骨细胞，软骨基质由Ⅱ型胶原转变为X型
胶原，之后新生血管长入，肥大软骨细胞发生程序性死亡，部分矿化的软骨逐渐被骨替代。
Ihh是豪猪蛋白家族的一员，在颞下颌关节髁状突的发育过程中发挥重要作用，与髁状突生长、软骨的表型、软骨祖细胞的功能有关，同时是关节盘和关节腔形成的必要条件。胚胎发育早期，Ihh在颞下颌关节髁状突内已经有较强表达，Ihh受体及其效应基因Gli 1、Gli 2和Gli 3的表达范围已达髁状突外层的多形软骨细胞层和关节盘原基。在新生小鼠颞下颌关节的软骨和软骨膜中，Ihh基因显著表达[7]，这与本实验的研究结果一致。Ihh基因敲除小鼠的髁突组织不能正常生长，结构紊乱，表现为细胞的增殖速率显著降低，具有增殖和分化功能的间充质细胞数量减少，软骨细胞的数量不足以维持髁突软骨的正常生长。同时，新生小鼠髁状突软骨内Ihh缺乏的同时伴随着ColⅠ、ColⅡ和Aggrecan表达改变，最终导致髁状突表面纤维软骨的特性改变[8]。
实验表明，ColⅡ和Aggrecan同时在髁状突软骨中高表达，ColⅠ主要在关节盘中表达，关节盘主要成分为纤维软骨，ColⅠ为纤维软骨所独有，可能是因为在颞下颌关节形成和发育过程中，ColⅠ
具有维持骨结构的完整及骨生物力学特性，而ColⅡ和Aggrecan则通过构成软骨基质，促进软骨细胞的分化，从而促进软骨的形成及骨骼发育。Ihh在新生乳鼠颞下颌关节的关节盘和髁状突中均有表达，可能因其在维持关节盘骨生物学特性、促进髁状突软骨发育中均发挥重要作用。本实验运用免疫组化染色法检测了乳鼠发育期颞下颌关节各部位Ihh、ColⅡ、ColⅠ和Aggrecan的表达变化，指标定位准确直观，且操作简便，实验费用低，具有同类实验其他方法所不具备的优势。
目前，影响颞下颌关节发育的因素尚未完全探明，如调控颞下颌关节组织间相互关系的信号分子的类型、关节盘形成过程对关节窝的影响等。未来的研究中，可以尝试运用实验胚胎学或者使用基因敲除小鼠模型进行研究，进一步阐明颞下颌关节发育的细胞和分子学机制。
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第8篇：关节软骨的生物力学特性范文
关键词：老年患者；髌骨骨折；丝线缝合固定
髌骨是人体最大的籽骨。髌骨在膝关节的的生理运动中主要作用是：传导并增强股四头肌的作用力、维护膝关节的稳定性、保护股骨髁使其免于直接遭受外伤性打击。髌骨与其周围的韧带、腱膜共同形成伸膝装置，是下肢活动中十分重要的结构。因此髌骨骨折后，应尽可能的恢复其完整性。我科从2008年开始对老年人的髌骨（除严重粉碎骨折的各分型）骨折患者，均采取：丝线缝合固定治疗髌骨骨折，目前随访患者，髌骨骨折均愈合，其膝关节功能均达到满意的效果。
1 资料与方法
1.1一般资料 2008年～2012年我科共收治髌骨骨折的老年患者15例。年龄：62～75岁；其中男性患者6例，女性患者9例。骨折原因：均为摔倒。髌骨骨折多发生在髌骨上极、髌骨中份、髌骨下极；可分为4个基本类型：横断、粉碎、纵形和撕脱型；本组骨折：髌骨中份9例，粉碎骨折3例（除外严重粉碎骨折的各分型），髌骨上极2例，髌骨下极1例；分离移位>0.5～1.0cm。经术前准备无明显禁忌症，均于伤后7d在麻醉下行髌骨骨折切开复位丝线缝合固定术。
1.2方法
1.2.1麻醉方式 连硬外麻醉。
1.2.2手术方式及过程 ①麻妥后取仰卧位，患肢上止血带，常规消毒铺单；②取膝关节（髌骨）正中横弧行切口入路，切开皮肤、皮下、深筋膜，暴露术野：可见撕裂的髌前腱膜、髌骨两侧的支持带、关节囊及骨折断端。彻底清理关节腔、骨折断端：清除关节腔积血和瘀血块、碎骨屑（防止术后可能引发的关节腔感染、创伤性关节炎等严重的不良后果）；③整复骨折，于髌骨内外侧两后角在滑膜浅层各对合缝合一针，提起收紧整复[1]，用两把布巾钳作临时固定，探查髌骨骨折达到解剖复位（保证关节软骨面的平整）；④C型臂X线机下证实：髌骨骨折已达到解剖复位；⑤逐步严密缝合撕裂的髌骨两侧的支持带、关节囊、髌前腱膜；然后用丝线于髌骨周缘贴骨环扎缝合加强固定。逐层缝合伤口；⑥术后予直腿或10°屈膝位，石膏托外固定；⑦术后次日患肢即可做股四头肌等长舒缩练习；⑧4w后根据X线拆除石膏，在床上做一些适度的膝关节伸屈功能锻炼2w；⑨术后6w后下地拄双拐进行患肢逐步负重活动2w；⑩术后8w后逐渐弃拐进行膝关节的伸屈功能锻炼。
2 结果
2.1评定标准（综合评分法）[2] ①膝关节功能，优：无痛，劳动能力正常4分；良：偶痛，能力稍差3分；中：经常轻度痛2分；差：常痛，失去劳动能力1分；②膝关节屈曲功能范围，优：正常141°～150°4分；良：121°～140°3分；中：91°～120°2分；差：小于90°1分；③骨折复位（以关节面为准），优：解剖复位4分；良：错位1mm以内或裂隙2mm以内3分；中：错位1～2mm，裂隙大于2mm2分；差：错位大于2mm1分；④总评，优：10.1～12分；良：7.1～10分；中：5.1～7分；差：5分以下。
2.2本组15例患者经3年间随访，所有病例髌骨骨折均骨性愈合。根据综合评分法评定：优：13例，良：2例。
3 讨论
3.1髌骨骨折治疗的原则 充分恢复髌骨的功能。
3.2髌骨是人体最大的籽骨，前方有髌前腱膜覆盖，两侧有髌支持带及关节囊包裹。髌骨骨折导致髌骨软骨面损伤、同时也使相对的股骨髌面的软骨损伤、髌骨腱膜、关节囊等等不同程度的损伤。临床证明：髌骨分离移位均是这些腱膜撕裂分开的结果，因而收紧缝合好这些结构后就可以固定好髌骨，而且这些结构是组成伸膝装置的重要结构，故严密修复缝合这些软组织至关重要[3]，如若修复不好，将严重影响伸膝功能。
3.3髌骨在膝关节活动中有重要的生物力学功能，若髌骨被切除，髌韧带更贴近膝的活动中心，使伸膝的杠杆臂缩短，这样，股四头肌需要比正常多30%的肌力才能伸膝，老年人是不能承受这种力的。
3.4髌骨骨折多发生于青壮年，目前较常采用的手术方式是：克氏针钢丝张力带固定、或钢丝捆扎固定、或聚髌器固定等等。这些手术方式大多数均需二期内固定物的手术取出，而且还有一些并发症。如术中在术野内扭曲克氏针时空间受限，克氏针移位或钢丝断裂而致内固定失效，克氏针穿破皮肤引起感染，针尾触痛影响功能锻炼，应力集中钢丝勒断骨质，骨折块严重粉碎不易固定等[4]。然而老年患者采用上述这些手术方法，无疑对老年患者来说是二次的手术打击。老年患者的手术方式，毫无疑问的首选是快捷、安全、经济以及创伤小、痛苦小、恢复快的方式。所以对于老年患者（通指>60岁），髌骨骨折后的手术方式选择，显得尤为重要。
3.5髌骨骨折内固定方法较多，对于不同类型的骨折所采取的内固定力学性能尤为重要，因此骨折类型决定内固定方法比内固定强度更为重要[5]。由于丝线具有弹性、韧性、强度及组织相容性等特性，所以丝线缝合固定髌骨骨折后的解剖结构，比较接近髌骨及周围软组织的生理性，以及异物排斥反应极小。在治疗髌骨骨折时不但要考虑各骨折块的对位加压固定，恢复髌骨的解剖结构，而且要考虑到张力侧的抗张强度，否则早期的功能锻炼容易造成骨折块前面的分离移位，骨折的愈合及膝关节的功能康复就会受到影响[6]。术中丝线于髌骨周缘贴骨环形缝扎紧，从四周向髌骨中心均匀挤压，而使髌骨骨折块向中心聚拢并维护之；坚强缝合撕裂的髌骨两侧的支持带、关节囊、髌前腱膜。在石膏固定4w后，前者开始屈伸运动所产生的分离力，则被后者坚强缝合（并已愈合）的髌骨的支持带、关节囊及髌前腱膜所产生的类似于张力带，可消除运动时产生的分离趋势。从而避免了髌股对合关系的破坏及髌骨的畸形愈合。
3.6髌骨骨折术后的膝关节的功能障碍产生的主要的原因是外固定时间过长以及关节长期废用所致。虽然丝线缝合固定髌骨骨折术后的恢复期略长，但是经过我们对患者积极地进行术后指导、进行循序渐进的膝关节功能锻炼，膝关节的功能障碍是可以避免的。事实证明在术后随访期间，患者的膝关节功能均达到满意的效果。
3.7丝线缝合固定治疗老年患者髌骨骨折避免了老年患者在二次取内固定物的手术中所承受的各种打击以及二次手术所带来的一些不利影响，从而大大增强了老年患者的运动质量及生活质量，并且本手术方案操作简单，无需特殊器械。所以在基层医院，本手术方案着实值得推广。
参考文献：
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第9篇：关节软骨的生物力学特性范文
【关键词】
PCCP微创;股骨粗隆;骨折;老年股骨粗隆间骨折是临床上多见的一类骨折,多见于70岁以上高龄患者。以往由于诸多原因,多采用保守治疗,但长期卧床易引起各种并发症。目前PCCP成为老年粗隆间骨折的首选治疗方案[1]。笔者于年2008年10月至2009年5月收治7例65岁以上老年患者粗隆间骨折,均采用PCCP方案治疗,取得满意疗效。现报告如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料 本组7例患者,男4例,女3例;年龄65~97岁,平均80.7岁。受伤原因:摔伤4例,车祸3例,均为闭合性骨折。按照AO 方案分类:A1 型(骨折线从大粗隆到远端内侧骨质只有一处断裂)4例,A2型(骨折线平行于粗隆间线,内侧9皮质有2处以上断裂)3例,其中合并糖尿病2例,高血压病7例,合并慢性支气管炎、肺气肿1例。本组患者均采用PCCP方案治疗。
1.2 术前准备 入院后常规行胫骨结节骨牵引,卧气垫床,预防性使用抗生素,术前完善常规检查,排除手术禁忌,作出初步评价。术前排除严重心脑肺疾病;糖尿病者控制血糖在9 mmol/L以下,控制血压于130~160/90~100 mm Hg之间,治疗肺部疾患,改善肝、肾功能。
1.3 手术方法 使用标准的骨科牵引床和后侧复位器进行复位后,进行常规消毒及贴上手术贴膜。在大粗隆部位作第一个大约2 cm大小的切口,接着插入连接导入器钢板,可使之沿股骨干上段外侧滑动。通过C臂机检查钢板的前后及侧方位置,必要时对钢板的位置进行矫正。然后作第二个切口,大约2 cm,插入经皮骨钩将钢板固定于股骨上。主套筒,然后第一套筒及主导引器插入下方的斜形孔洞中,使用电动工具将主导引器钻入股骨颈,使其在前后位图象位于股骨矩的基底部上方约2~3 mm,侧位像位于股骨颈中部1/3区域内,蝶型销临时将钢板固在股骨上。这时用第二套筒和一根7 mm钻头置换主导引器和第一套筒。钻一7 mm直径的钻孔,然后将第二套筒和钻头取出,最后钻一9.3 mm的钻孔。第一枚螺钉通过钢板拧入股骨颈直到股骨头软骨下方,骨折端这时在压力下会紧密接触。去除主套筒,在第二切口内,使用短的骨干套筒和钻头进行钻孔并用三枚骨干螺钉进行固定。在第一枚骨干螺钉固定后即可将骨钩和蝶型销去除。第二枚,即近端股骨颈螺钉与第一枚股骨颈螺钉同样的方式置入。松开并去除导入器。切口常规冲洗并缝合,留置引流。手术平均时间60 min。
1.4 术后处理 术后常规应用抗生素5~7 d,第2天拔除引流,开始功能锻炼,进行下肢肌肉舒缩活动,特别是足趾和踝关节活动以及股四头肌等长收缩,对促进下肢静脉回流,预防下肢静脉血栓形成很有帮助。1周后开始被动活动髋、膝、踝关节。根据骨折愈合情况决定下床时间,一般要求患者术后4周门诊复查,扶双拐不负重或部分负重行走,10~12周X线片确认骨折愈合可且内固定良好,可弃拐行走。
2 结果
本组7例患者中,全部得到满意随访,时间为3~6个月,平均4.5个月。治疗过程中,均未肺部感染、深静脉血栓形成、褥疮等严重并发症,无死亡病例。本组病例骨折均愈合,无钢板螺钉断裂、松动,疗效标准按王福权功能评定标准[2]。本组患者优6例,良1例。
3 讨论
3.1 适应证的选择 股骨粗隆间骨折多发生于老年人,保守治疗并发症较多,特别是对高龄患者。Zuekerman 等[3]研究表明,延迟手术超过3 d,患者死亡率会增加1倍,特别是老年患者,目前多主张尽早手术;以避免因长期卧床而发生的肺部感染、泌尿系统感染、褥疮、下肢静脉血栓形成等危及生命的严重并发症,提高生活质量。随着微创技术的成熟和发展,创伤骨科多主张采用微创技术。PCCP作为一种符合生物力学的一种内固定方法,它要求功能复位,有效内固定、保护骨折血供、尽早功能锻炼。其优点是:①PCCP装置的钢板末端锋利,能够穿透股外侧肌直到外侧骨皮质并能够沿股骨干滑动,手术操作简便,软组织剥离少,出血少,术中勿需广泛剥离及暴露骨折断端;②PCCP具有静力加压和动力加压的双重加压作用,确保骨折的稳定性,允许患者术后早期活动,部分或全部负重锻炼。PCCP的设计者Gotfried[4]认为:PCCP更适用予术前牵引复位或者在牵引床能满意复位的A1、A2型骨折,即稳定性骨折或移位不明显的骨折,而我们研究的老年性股骨粗隆间骨折,由于骨质疏松、导致骨折的暴力较小,骨折多为A1、A2型,适合采用PCCP治疗;③骨折固定手术进行基底部钻孔时要注意避免外侧壁的破坏,假如发生了外侧壁的破坏,就会在术中或术后发生外侧壁,以后将会发生骨质塌陷和长期功能障碍。目前在PCCP研究中没有骨折端塌陷,外侧壁的损伤少,主要是由于小直径和从7.0~9.3 mm的渐进性钻孔;④有报道动力髋螺钉对于控制扭力方面效果不佳,因为动力髋螺钉是单轴固定装置,PCCP二枚股骨颈螺钉固定在钢板上这有助于控制旋转。
3.2 术中注意的问题 内固定物置入位置是由股骨近端的生物力学特性决定的,生物力学特性与解剖结构是密不可分的,大粗隆下方股骨干外侧皮质薄,向下渐增厚,股骨距位于股骨头颈部内后方,是一片较致密的骨质,极大的加强了干颈间之连接与支持力。紧贴股骨距钉入,此时,内固定物正在内侧骨小梁中,几乎与髋关节负重力线平行,所受剪力小,尾端嵌在较厚的骨皮质中,可起到坚强的固定作用[5]。Gotfried[6]认为该系统两枚股骨颈螺钉有效地防止股骨头的旋转,两枚螺钉的位置应未予头颈部中下2/3,螺钉应未予头关节面下8~10 mm,侧位片螺钉长轴应与股骨颈轴夹角
4 结论
近年来微创技术的成熟推动了创伤骨科的发展,PCCP钢板就是其中之一,PCCP钢板治疗老年性股骨粗隆间骨折具有创伤小、软组织剥离稍、出血少、手术时间短、恢复快、能早期活动、方便护理等一系列优点,是一种治疗股骨粗隆间骨折及安全右有效的微创手术。
参 考 文 献
[1] Hocine Bensafl,Jean-Miche,et al.The PerCutaneous Compression Plate(PCCP)in the treatment of trochanteric hip fracture in the elderly patients.Acta Orthopedica Belgica Vol,2006:314-319.
[2] 王福权,路奎元,张华寿.加压滑动鹅头钉治疗老年转子间骨折106例分析.骨与关节损伤杂志,1995,10(1):12.
[3] Zuckerman JD,Skavron ML,et al.Postoperative complications and mortality associated with operative dealy in older patients who have a hip fractureJ.Bone Joint Surg(Am)1995,77:1551.
[4] Gotfried Y.Percutaneous compression plating of intertrochanteric hip fracture.J Orthop Trauma,2000,14:490-495.
