關節軟骨的生物力學特性精選(九篇)
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第1篇：關節軟骨的生物力學特性范文
關鍵詞：生物力學；骨質疏松；腰椎；模型；體層攝影術
脊柱的生物力學試驗可以通過體內和體外試驗兩種方式進行。近年來有限元分析法作為一種骨科生物力學的研究方法越來越受到關注。有限元分析不僅能模擬脊柱的各種運動方式，還能模擬正常人、患者和手術后的脊柱外形，從而計算出相應的各個結構的受力和位移情況。腰椎的有限元模型可以為骨質疏松椎體彌補以上試驗的不足，為骨質疏松椎體的生物力學試驗提供良好的試驗模型。擬建立包含多個完整的功能脊柱單位（Functional spinal unite，FSU）骨質疏松腰椎的三維有限元模型，模型包括四個椎體和三個個椎間盤。模型將用于骨質疏松的椎體的治療評價的生物力學試驗。
1 資料與方法
1.1 一般資料：①志愿者1名：根據國人解剖學數值選取1個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；③計算機工作站：Intel（R）Xeon（TM）CPU 3.00 G 雙核四節點（8 cpu），內存：16 G，硬盤：320 G；④醫學圖像處理軟件Mimics 10.0（Materialise's interactive medical image control system 10.0）：一款由比利時Materialise 公司開發的介于醫學與機械領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化為機械領域中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最早由美國宇航局（NASA）倡導開發的，是工業領域最著名的并行框架式有限元前后處理及分析系統，其開放式、多功能的體系結構可將工程設計、工程分析、結果評估、用戶化身和交互圖形界面集于一身，構成一個完整CAE集成環境；⑥有限元分析軟件ABAQUS：ABAQUS由美國公司開發，是世界知名的高級有限元分析軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。ABAQUS包括一個十分豐富的、可模擬任意實際形狀的單元庫。
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對已經選定的對象進行螺旋掃描及斷層圖像處理。掃描時志愿者采取仰臥位靜止不動，盡量保持掃描斷面與身體長軸垂直。掃描參數如下：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，通過調整圖灰度、增加對比度等，對圖像觀察細節進行處理，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格式的圖像數據導入三維重建軟件Mimics。在MIMICS中逐層分割提取已選取的CT圖像，去除骨骼周圍軟組織圖像，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胸腰段椎體三維實體模型的建立和光滑處理：把生成的三維圖像數據導入Magic rp軟件，利用Remesh模塊對模型進行光滑處理，生成光滑和幾何高度近似，具有較好面網格質量的模型以便導入Patran前處理軟件，構建有限元模型。⑤胸腰段三維模型的前處理：將優化的面網格文件導入MSC Patran前處理軟件，生成正常T11～T12～L1～L2段椎體的四面體單元。并在體單元的基礎上根據解剖結構的材料屬性不同，把椎體分割成皮質骨、松質骨、椎體后部3個部分，其中皮質骨厚度約為1～2 mm。⑥T11/T12、T12/L1、L1/L2椎間盤的建模過程：在已有的椎體四面體單元的基礎上生成椎間盤和終板模型，采用六面體單元劃分。椎間盤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體積的35%～45%，靠近中后部1/3。椎間盤的上下表面由1.0 mm 厚的軟骨終板構成。⑦關節突關節、椎間盤纖維、韌帶的建模過程：選擇關節軟骨，并把關節軟骨層的表面接觸選用面-面接觸單元模擬（無摩擦的滑動表面接觸單元），關節囊使用三維Truss單元模擬。纖維環纖維由只承受拉應力的Truss單元構建，纖維在環狀體中呈剪刀狀方式走行，并與椎間盤平面成平均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賦予各結構材料學參數：對整個胸腰段有限元模型單元材料相關屬性進行設定，構建與實際模型在材料參數和力學行為上相吻合的三維有限元模型，其中纖維、韌帶、關節囊為只受拉應力的線彈性材料。各部位的材料屬性見表1。
表1 正常胸腰段有限元模型的材料參數
結構彈性模量（MPa）泊松比截面積（mm2）皮質骨 12 0000.30
松質骨1000.2
關節軟骨100.4
L5-椎體后部3 5000.25
終板1 0000.4
椎間盤纖維環基質4.20.45
椎間盤髓核0.20.4999
纖維環纖維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關節囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41
骨質疏松的材料模型為在正常模型材料參數的基礎上，皮質骨、終板、后部結構模量減少33%，松質骨減少66%，同時考慮髓核脫水，彈性模量增加1倍，其他結構保持不變。見表2。
表2 骨質疏松胸腰段有限元模型的材料參數
結構彈性模量（MPa）泊松比截面積（mm2）皮質骨 8 0400.30
松質骨340.2
關節軟骨100.4
L5-椎體后部2 3450.25
終板6700.4
椎間盤纖維環基質4.20.45
椎間盤髓核0.40.4999
纖維環纖維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關節囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41
2 結果
正常脊柱胸腰段三維有限元模型已經建立起來。完整的脊柱胸腰段三維有限元模型包括共276 580個四面體單元，8 532個六面體單元，673個桿單元，總計共95 219個結點。見表3。
表3 正常胸腰椎有限元模型的單元劃分
結構單元類型數量節點
95 219椎體骨四面體單元276 580椎間盤、終板六面體單元8 532韌帶、關節囊、纖維三維桿單元673
建成后的三維有限元模型與實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，對不同組織的物理特性進行定義，皮質骨、終板、后部結構模量減少33%，松質骨減少66%，同時考慮髓核脫水，彈性模量增加1倍，其他結構保持不變。基本符合真實的生物力學要求，真實模擬了骨質疏松椎體的材料特性，成功建立了T11～L1的骨質疏松有限元模型。見圖1。
圖1 建立關節囊、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用于脊柱力學研究，建立二維椎間盤模型，標志著有限元在骨科生物力學分析中應用的開端[1]。Liu等在1975年首次提出三維有限元模型，將其用于椎間盤生物力學研究并將理論結果與試驗結果進行了比較。由于有限元法在求解過程中條理清晰，步驟同一，通用性強，特別適合計算機仿真計算。隨著電腦軟硬件技術的發展，有限元法在骨結構生物力學及醫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動方式，還能模擬正常人、患者和手術后的脊柱外形，從而計算出相應的各個結構的受力和位移情況。脊柱某些結構的外在位移用普通試驗方法容易測得，但內在應力的改變則需要復雜的測試技術，利用有限元分析能夠精細地得到模型內部地受力變化。這比外在位移來說更具有深遠地意義。而計算機技術的進步及功能完善的專用軟件的問世，為確保有限元模型的精確性奠定了基礎。現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，還能將脊柱周圍的韌帶、肌肉直接或者間接地加入模型，使模型更加真實完善。正因為如此，近年來有限元分析法作為一種骨科生物力學的研究方法越來越受到關注。有限元模型最大的優勢在于可以反映集體內部的應力變化情況，這是其他試驗方法難以做到的。
3.1 骨質疏松腰椎三維有限元模型的建立：有限元建模有多種方法，由于人體結構的不規則性，同時CT、MRI機器普及，圖像建模的方法比較適合于臨床生物力學的研究，目前多數臨床相關的研究是通過此方法建模的[2-3]。
在本試驗中，我們采用General Electrics 64層螺旋CT對已經選定的對象進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格式的圖像數據導入三維重建軟件Mimics。這樣通過CT建立的胸腰段椎體有限元仿真模型與真實的胸腰段脊柱在幾何上就近似人體骨形態。并且我們建立的是四面體椎體模型，四面體相比六面體，對復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的胸腰段有限元模型示意圖：見圖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，由于韌帶從生理結構上，只承受拉力作用，不受壓力作用，因此，本試驗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無法建立椎間盤模型（因為在CT上椎間盤的灰度和周圍軟組織的灰度重疊無法取值）且椎間盤結構復雜，文章根據椎間盤的生理結構，通過CAD構建了簡化的椎間盤模型。椎間盤被固定在相鄰的椎體之間，分散來自椎體的壓力，通過與雙側軟骨終板結合的纖維環和髓核使椎體間具有一定的活動度。
3.1.1 三維胸腰椎體幾何模型的準確性：我們研究所建立的有限元模型是骨質疏松椎體壓縮性骨折好發的脊柱胸腰段，更符合臨床實際情況。模型的建立選擇健康成年人的胸腰段脊柱作為基礎，應用螺旋CT掃描獲得胸腰段脊柱的詳細輪廓數據，經Materialise Mimics逆向處理軟件，建立胸腰段脊柱的三維實體模型。本研究采用基于CT原始數據的先進逆向建模技術，解決了CAD傳統正向建模技術無法構建骨骼等復雜幾何體的問題，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 三維胸腰椎體網格模型的優點：在對胸腰椎體進行網格劃分時，考慮到椎體的幾何復雜性，對椎體采用自適應四面體網格劃分方法，并對在著重考察和形狀非常不規則的區域進行網格細化處理，保證了網格模型和幾何模型的高度近似性。因此，本研究的網格模型更加細化和逼真，保證了計算的準確性。同時對于椎間盤模型，采用六面體模型，保證了椎間盤纖維模型的合理構建。采用椎體骨四面體和椎間盤六面體的復合網格模型，即保證了網格模型的幾何逼真，又保證了胸腰椎各解剖部位的合理構建，為胸腰椎生物力學的研究提供了良好的網格模型。
3.1.3 胸腰椎模型材料屬性的可靠性：因為試驗條件的限制，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采用了國外學者在胸腰椎材料力學研究中的試驗結果，并已被不同研究學者引用進行胸腰脊柱的有限元模擬分析[4-6]。雖然因為研究的方法、試驗的條件以及力學標本來自不同地區人種的關系，不同研究學者的材料試驗造成材料屬性有所偏差，但是本研究采用同一學者的研究結果，對不同模型進行力學分析，從縱向上進行定性比較分析，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退變，椎體的壓 縮性骨折等都與老年性的骨質疏松有關，而很多的骨質疏松椎體的病因和治療均與其生物力學有關，因此，分析不同的手術及創傷對骨質疏松的腰椎的影響是十分關鍵的。精確的生物力學試驗可以幫助選擇準確的植入物和手術方法，指導患者的術后康復和鍛煉[7-8]。目前，很多學者通過有限元模型來進行骨科研究，并取得了好的成果[9-12]。本試驗建立的有限元模型可以在計算機上隨意的對椎體產生變形，可以模擬椎體骨折的模型，分析骨折后的生物力學變化，同時可對目前治療骨質疏松骨折的新技術如椎體成型和后凸成型做比較，以及椎體疏松后內固定松動的問題，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試驗。我們建立此模型想利用此模型觀察骨質疏松椎體骨折后椎體成形后的相鄰椎體骨折的問題，最近越來越多的報道認為這種骨折與椎體剛度和強度的增強有關。是否椎體成形術后的相鄰椎體的骨折是由椎體的生物力學的改變引起，目前尚無定論。以往試驗利用有限元的方法對椎體增強后的相鄰椎體的生物力學進行了報道，但得出的結論不一致。這些生物力學試驗均證明了椎體剛度的增強是目前相鄰椎體骨折的原因[13-14]，認為相鄰椎體的骨折與骨水泥增強椎體的彈性模量有關，但部分學者認為相鄰椎體的骨折和椎體的增強沒有關系[15]。我們將利用建立的有限元模型對目前比較關注的椎體成型手術后的相鄰椎體的骨折問題進行進一步的探討。通過更精確的模型來排除其他因素對增強椎體周圍椎體的影響。
3.3 試驗的局限性及展望：有限元模型材料參數的獲得是通過生物試驗得到的，但是到目前為止，退變組織的材料參數的獲得對于我們模擬退變的三維有限元模型來說仍是個難以解決的問題，不同研究學者對材料屬性的定義有所偏差。另外，雖然近年來建立的生物力學有限元模型越來越接近客觀實體，并且對生物力學機制有更深入的理解和預測。但有限元法是一種理論性的分析，只有在更好地結合臨床檢測與試驗觀察之后，才能最真實地反映脊柱的受力狀況，為疾病的發生、發展分析及疾病的治療提供準確的參考。
今后，我們還將做深入的研究。包括進一步完善有限元模型的設計，特別是退變椎間盤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治療椎體及相鄰椎體的生物力學的影響；使用不同性質的骨水泥對脊柱的生物力學的影響；把有限元分析和生物試驗的方法良好的結合起來。
本研究建立的骨質疏松腰椎三維有限元模型接近真實的生物力學標本，是理想的研究骨質疏松腰椎生物力學的數字化模型，可應用于胸腰段骨質疏松后凸成形術相關的有限元生物力學研究。
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第2篇：關節軟骨的生物力學特性范文
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： 構建包含骨盆肌肉及頭臼作用力的標準步態下骨盆三維有限元模型. 方法： 選擇標準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， 運用Mimics軟件行三維重建， 利用有限元分析軟件PATRAN 2005R2構建髖臼三維有限元模型，并將標準步態中肌肉收縮力及頭臼作用力也設計到該模型中. 結果： 所構建髖臼模型共劃分為113 028個結點、137 524個單元， 模型模擬了骨盆皮質骨、松質骨、關節軟骨以及股骨頭結構的材料特性. 所建模型結構完整，空間結構測量準確度高，單元劃分精細，重點突出，尤其肌肉及頭臼作用力加載模擬形象、逼真，客觀反映髖臼真實解剖形態結構和生物力學特點. 結論： 構建的髖臼三維有限元模型為正常髖臼或異常髖臼力學研究提供可循模型.
【關鍵詞】 骨盆；三維有限元；髖臼作用力；骨盆肌肉收縮力
0引言
對于髖關節的生物力學的研究，有必要了解跨髖關節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機制，有助于進一步模擬髖關節力學行為、解剖學與手術后改變的影響，雖然有文獻［1-3］討論過骨盆髖臼生物力學行為，然而這些先前的模型或沒包括髖臼接觸力或不包括肌肉收縮力. 因此其結果已受到大多學者的質疑. 作為實驗研究骨盆與髖臼負載的需要，本實驗試圖報導一個既包含了肌肉又包含了髖臼接觸力的三維有限元模型，這些數據將對于準確模擬髖關節與骨盆的正常負載或異常負載將尤為重要.
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 西門子SOMATOM Volume Zoom CT 機；③ DELL工作站；④ Mimics軟件；⑤ Patran 2005 r2 軟件；⑥ Windows XP操作系統.
1.2方法
1.2.1骨盆三維有限元模型構建具體可以分為3個步驟① 步驟一： 對一成年男性志愿者（40歲）的骨盆進行CT斷層成像；在CT成像過程中要志愿者在骨盆縱軸方向保持不動，每隔1 mm層厚掃描一次. 所得圖像以DIMCOM格式存入CT機，刻錄光盤，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格式存儲的圖像導入Mimics軟件，設定門檻下界灰度值為270，上界不限. 通過Region growing 選擇感興趣區域，進行骨盆三維重建. ③ 有限元分析與計算： 三維重建圖像以out格式導出，并導入Patran 2005 r2軟件，并重新進行網格劃分，建立皮質骨的外表面與內表面，其內外表面都相互連接，分別建立骨盆的皮質骨及松質體模(圖1). 與骨盆骨相互作用的股骨頭也被建模，此外關節軟骨也被建模，以保證一個光滑且真實的髖關節作用力的加載［4］，除了髖關節頭臼作用力(表1)，22塊附著在骨盆上的肌肉也被設計到該模型中(表2，圖2)，肌肉的生理附著點被繪制到有限元網格中，其相關參數皆來自于Pedersen1997年的研究結果［5］.
圖1髖臼皮質骨(A)與松質骨(B)有限元模型 略
表1步態循環中支撐相時負載受力參數 略
1.2.2設置單元屬性根據骨盆的解剖結構特點，骨性結構模擬材料為皮質骨、松質骨、軟骨下骨及關節軟骨，材料參數的選擇參考文獻［6-7］（表3）.
1.2.3加載情況固定骶髂關節處的節點模擬骶骨的支持，只對左半側骨盆進行加載，在恥骨聯合處模擬彈性邊界條件. 根據步態循環周期中左支撐相的第4個子步相的髖關節的頭臼之間的作用力，從股骨頭的中心點處進行加載. 此外肌肉收縮力也被考慮，收縮力的方向是根據遠近端的附著點獲得［8］，并且步態中骨盆肌肉與股骨的相對位置關系也被考慮進去. 本實驗中設定股骨頭內收15°，同時在前后位上骨盆與股骨頭(髖關節的伸屈)的角度是可以變化的(表1). 肌肉的收縮力以分布載荷運用到模型的表面，肌肉的收縮力的方向是由其遠近端的生理附著點的連線，并同時兼顧髖關節的屈伸角度對遠端生理附著點的坐標影響. 假設條件:本實驗所涉及的生物材料均假定為均質、連續和各向同性. 受力時模型各截面不產生相互滑動，各單元有足夠的穩定性;材料受力變形為小變形.
表25步態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結果
2.1模型建立本研究中，應用CT圖像專用的DICOM醫學數字圖像通訊標準，CT專用的Mimics圖像識別分割建模軟件和PATRAN有限元專用軟件，將薄層CT橫斷面圖像進行分割識別，建立了適合生物力學研究的髖臼三維有限元模型(表4，圖1)，肌肉的生理附著點被繪制到有限元網格中，并由肌肉的遠近端的附著點獲得肌肉收縮力的方向，并兼顧髖關節的屈伸角度對遠端生理附著點的坐標影響(圖2). 髖臼三維有限元模型共劃分為113028個單元，137524個節點. 股骨頭采用四節點tet10單元，共劃分為37090個單元50392個節點. 松質骨模型在髂骨中央有橢圓形孔，及髂前下棘處有缺失，既該兩處為皮質骨充滿. 旋轉觀察模型形態與骨盆解剖形態具有滿意的相似性，可任意切割和調整幾何及材料參數以模擬不同臨床與實驗狀態.
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4髖關節的頭臼之間的作用力及附著在骨盆上的22塊肌肉的收縮力對模型進行加載. 得到該情況下髖臼的力場分布(圖3). 結果顯示：主應力集中在髖臼軟骨的臼頂區，傳遞至軟骨下骨后，沿弓狀線及臼頂的外上皮質至骶髂關節.
3討論
3.1骨盆有限元模型的應用1995年Dalstra等首次詳細報告了骨盆三維有限元模型. 2000年Garcia等應用三維有限元對內固定后的骨盆進行應力分析，研究骨盆骨折后不同固定對其穩定性的影響；2006年Yew運用有限元分析影響髖關節假體置換穩定性的因素［9］. 國內張春才等［10］報道了應用三維有限元法對骨盆骨折損傷機制的分析. 在骨折內固定的應力分布、人工關節的設計優化研究，骨折危險性預測、骨折愈合、預測骨的塑型以及骨質疏松癥研究方面有限元模型已是不可缺少的方法［7］.
圖3單腿站立位時皮質骨(A)，松質骨(B)和髖臼軟骨(C)受力分布 略
本研究應用16排螺旋掃描 CT掃描，并用MIMICS軟件直接讀取DICOMR的CT文件，選取興趣區域行3D計算，獲得髖臼的三維模型，并導入MSC公司PATRAN軟件，建立了髖臼的三維有限元模型，并對重點部位進行細劃分. 與標本的相似程度高，形態結構準確完整. 操作過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， 在對圖像反復采樣過程中， 圖像的細節和信息在采樣過程中丟失較多， 而且工作繁重而導致建模差異較大， 出現建模質量的問題，影響到計算結果的準確性. 本實驗三維建模過程為全數據化處理，避免了數據收集過程中關鍵信息的丟失，最大限度上保證了建模的準確性和精確性.
3.2模型的力學相似性本研究結合了結合頭臼之間的作用力與肌肉的收縮力，不當在外形上最大限度上保證了建模的準確性和精確性. 并且在力學加載上更與實體相似程度高，更加準確完整. 本研究頭臼作用力由股骨頭中心點處進行加載，同時參予髖關節運動有關的22塊肌肉也被考慮，肌肉收縮力的方向由遠近端附著點決定，并同時兼顧了髖關節屈伸角度對肌肉遠端附著點的影響；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文獻［5-6］，并轉換為本研究的坐標系，更加真實地模擬實際步行情況.
3.3髖臼受力的分析生理狀況下，骨骼的結構和功能在很大程度上依賴于其所處的力學環境. 在髖臼骨折治療中， 施加的力學環境， 對治療效率、準確的愈合是至關重要的. 本研究嘗試對髖臼模型進行受力分析， 將骶髂關節和恥骨聯合部位鎖定后， 模擬步態4下髖臼的力場分布， 結果發現：在股骨頭與髖臼接觸部位， 最大接觸力出現在髖臼的后上區域，提示在髖臼受力部位為高應力狀態，皮質與松質最大受力部位較一致，皆出現在髖臼頂部附近(18 kPa， 0.36 mPa)，軟骨的峰值出現在臼頂內側區(4.1 kPa). 本研究的意義說明， 所構建的髖臼三維有限元模型可以分割， 可以進行受力的分析.
3.4標準步態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于髖關節異常情況(如畸形、手術)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機制有助于進一步模擬髖關節力學行為、解剖學與手術后改變的影響，以往對髖臼進行有限元分析， 鑒于形狀復雜，載荷條件復雜， 一般均對其作簡化處理， 先前的模型很少有髖關節接觸力的三維模擬，或是沒有對附近肌肉負荷的三維模擬［1-3，9］. 髖關節周圍的實驗及理論力學模型運行時都是在缺乏肌肉收縮力的影響上得出的結果，因此分析的結果必然引起誤差［5］，了解髖關節的接觸與跨髖關節肌肉作用力對于準確模擬手術后幾何條件及負載改變是非常重要的. 本研究成功構建一個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，真實模擬人體髖臼解剖形態，肌肉載荷及頭臼作用力，而且三維有限元圖像還原性好， 能從力學上真實代表實物. 當然，這是全面認識髖臼生物力學改變的第一步，理想的模型將為進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生物力學研究.
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第3篇：關節軟骨的生物力學特性范文
【摘要】［目的］利用工程力學分析軟件CatiaV5，模擬在不同的肩關節功能位置上、間接沖擊暴力所致肱骨骨折的受傷力學機制和力學環境，為認識和治療肱骨骨折提供生物力學依據。［方法］采用高分辨率的人體肩關節斷層解剖圖作為三維重建的數據源，選取自鎖骨頂端至肱骨遠端關節面、共380層的斷層圖像，層厚1mm，按照點、線、面的建模方式，先建立人體肩關節的三維幾何模型，再予網格化，建立人體肩關節的三維有限元模型，利用該模型，模擬在12個不同的肩關節功能位置上（外展30°、45°、60°、90°、同時合并內旋、中立、外旋）、肱骨受到分級加載的軸向沖擊載荷時的骨折位置以及瞬時的應力、應變狀況。［結果］根據肱骨在不同的功能位置上載荷－應變關系曲線，載荷從0～250N時，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，肱骨干的應變隨之增加。當肩關節的外展位置由90°逐漸變為30°時，肱骨干上內外側應變逐漸增加，內外旋45°時應變比中立位時增加顯著；同時，肱骨干內外側的應力不同，內側應力大，外側應力小，內外旋時，肱骨干的應力增加更快、更大。［結論］在肩關節不同的功能位置上，三維有限元分析逼真地模擬出各自不同的肱骨應力、應變狀態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的力學原理的非常有價值的方法。
【關鍵詞】間接暴力；肱骨骨折；三維有限元；模擬
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
臨床上，肱骨骨折的發生率并不少見。目前，對于肱骨骨折確切的損傷機制尚缺乏較深刻的了解，較透徹的闡明肱骨骨折的機制方面的知識對于肱骨骨折的預防和治療將會產生重要的指導意義。本研究就是利用人體肩關節的三維有限元模型，模擬不同的軸向沖擊載荷下，肱骨的形變情況，并顯示其動態過程，探討肱骨骨折的受傷應力機制。
1材料與方法
1.1肩關節結構的幾何實體重建
采用高分辨率的人體肩關節斷層解剖圖作為三維重建的數據源，按照點－線－面－體的方式建立肩關節的幾何實體形狀，可以分別顯示皮質骨、松質骨、軟骨及髓腔結構，在CatiaV5運行平臺上可以任意角度轉動，觀察模型的解剖結構和方向（圖1）。
1．2肩關節三維有限元模型的構建
肩關節的三維實體建模完成后，根據材料特性的不同，定義軟骨、皮質骨、松質骨材料力學參數（表1）。選用10節點的四面體單元，該四面體具有6個方向的自由度，在CatiaV5運行平臺上，定義肩關節的各項參數和指標，選擇中上等精度的自動網格劃分模式，對肩關節進行自動網格化，生成3977個節點（nodes）、20919個四面體單元（elements）（圖2）。表1肩關節的材料力學參數（Joseph.A等2002年）
1.3肩關節不同功能位置上肱骨骨折的三維有限元模擬
啟動CatiaV5的結構模塊。根據盂肱關節面的接觸關系，及肱骨頭的旋轉中心的確立，固定肩胛骨相對不動，將肱骨分別從0°位外展到30°、45°、60°、90°每個位置上；分別設定3種旋轉狀態：中立位、外旋45°、內旋45°，從而將肩關節的動態功能過程分割成12個不同的功能位置。在每一個位置下，根據盂肱關節面接觸區域的位置和范圍，設定肱骨的邊界約束，限制其所有方向的自由度。
自肱骨遠端分別加載以0.1s梯度增加的300N軸向沖擊載荷，載荷持續時程為1s，同時自肱骨大結節加載50N水平恒定載荷，啟動CatiaV5的求解模塊，計算機進入沖擊受力分析模塊程序。運算結束后，得到動態顯示的加載－形變過程，分析其應力分布和骨折移位狀況。根據圖像的模擬結果，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，根據節點的斷裂度判斷骨折線的大致走向。
2結果
計算機運算結束后，得到12個功能位置上、暴力載荷下的肱骨應力、形變趨勢，并且動態展示出來。本文以45°外展位為例(圖3～5)；此外，通過鼠標取值，可以記錄肱骨上的平均應變值（圖6），從而進一步繪制載荷－應變曲線（圖7），了解肱骨隨載荷變化的生物力學規律。
3討論
3.1本研究中骨折模擬的力學合理性
造成骨折的原因有內因和外因兩個方面，前者是指骨結構本身的特性，例如材料性質和結構性質，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］。對于肱骨骨折而言，常見于摔倒時，上肢撐地，沖擊載荷在較短的時間內通過間接傳遞作用于骨骼，造成骨折［2］；同時，由于人體上臂具有靈活的運動范圍，故摔倒時，肱骨可以有多個不同的功能位置，而這種位置直接影響骨骼的受力矢量，因此，本研究在前期肩關節三維有限元模型和肩關節試驗力學分析結果的基礎上，模擬不同功能位置上的肱骨骨折狀態，是符合肩關節生物力學原理的［3］。
3.2三維有限元分析法模擬肱骨骨折的優勢所在
肱骨發生骨折時，由于其瞬時性的特點，往往很難重復其具體過程，無法對其進行實時分析。試驗研究的條件下進行骨折力學分析時，當載荷超過骨的極限強度時，骨小梁斷裂，骨結構的完整性破壞。目前的力學記錄儀器尚不能記錄峰值強度以后的骨應力和骨應變，特別是骨的內部力學狀況，所以，用試驗的方法研究骨折的力學機制存在著明顯的不足，它不能提供骨折完整過程的信息，故本研究嘗試用先進的計算機技術，憑借工程力學的軟件，按照生物力學的原理，去研究肱骨骨折的損傷機制，是對試驗力學有力的補充和完善。運用三維的視覺環境，高度形象地模擬骨折的形變和應力分布。作為一項被運用到醫學領域的計算機技術，三維有限元分析法可以高度模擬物體結構與材料的特性；既可以精確地反映區域性的信息，又可以完整地反映全域性的信息；既可以進行精確的計算分析，又可以從事形象的、直觀的定性研究，分析研究的重復性好，應用面廣，適應性強，可以反復使用，無損耗，能夠通過模擬分析的方法研究實驗方法所不能研究的工況（或生理狀況），得到客觀實體實驗法所難以得到的研究結果［4］。
3.3有限元模擬肱骨骨折受傷機制的臨床意義
從肱骨骨折的三維有限元動態模擬圖像資料上看，當關節盂實施邊界約束、肱骨大結節加載基礎載荷、于肱骨遠端加載以0.1s梯度增加的300N沖擊載荷時，應力逐漸由肱骨遠端移向骨干部，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，應力在其前側和/或內側達到最大聚積；而與此同時，與關節盂相接觸的肱骨關節面的部分，應力也逐漸增加，這兩個應力集中區域在沖擊載荷作用下，應力增加不顯著。骨應變圖提示這個區域此時承載的載荷逐漸轉成張力區，2種載荷交界區域即是骨小梁承受彎曲最大的部位，當能量完全釋放，骨小梁斷裂，骨折線產生，遠段肱骨部分移向后側或/和外側。應變是應力作用于骨組織的的結果，伴隨著應力的變化，肱骨上應變發生變化，骨形變不可避免。另外，作者看到，在12個不同的功能位置上，相同的加載時，肱骨的應力集中區發生了轉移和變化。當從30°90°外展時，高應力區由內側逐漸轉向外側，而以60°外展外旋位置上應力最高，達3.13MPa。也就是說在這個位置上摔倒時，骨骼承受最大的應力，骨應變在此區域最大，故骨折發生率較高，特別對于本身骨強
度減弱的情況下（例如、
圖1肩關節的三維幾何實體重建圖像圖2肩關節的三維網格化圖345°外展中立位的骨折形變模擬過程（ae.形變過程；f.骨折線的走行）圖4
45°外展內旋位的骨折形變模擬過程（ae.形變過程；f.骨折線的走行）
圖545°外展外旋位的骨折形變模擬過程（ae.形變過程；f.骨折線的走行）圖6箭頭所指為鼠標取值圖7外展45°位置上中立位、外旋45°、內旋45°時肱骨干上載荷－應變關系曲線質疏松時），在30°外展位置上易發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，骨折線接近橫行走向，因此可以推測在健康人群中，肩關節30°～90°范圍摔倒時，骨折線由斜形逐漸變成橫行，且肱骨外科頸和肱骨上段時更易于骨折和移位置［6,7］。
此外，不同的肩關節旋轉位置對肱骨骨折也產生一定的影響。從圖像中可以發現當內旋和外旋時，肱骨上的應力分布發生轉移。內旋時，高應力區移向肱骨的前外側，外旋時，高應力區移向肱骨的內側，并伴隨骨折線出現部位的轉移。根據動態模擬圖像中，可以清晰顯示骨折的動態現況，且可以反復回放，任意提取任何一個需要的信息。
3.4肩關節有限元模擬分析的應用前景
本研究中所建立的肩關節三維有限元是一個良好的生物力學研究工具，利用它，不僅可以對關節的骨性結構進行力學分析，同時通過建立三維連接單元，還可以重建肩關節的任一個軟組織結構；通過這些軟組織的試驗力學測試，獲得相關的材料參數，同樣可以將軟組織的有限元模型建立起來，繼而進行力學分析。本論文僅僅對肱骨骨折實施了有限元的模擬，使用同樣的方法，可以對其他肩關節的其他結構的損傷機理進行模擬，如鎖骨骨折、脫位、肩胛骨骨折、盂肱關節的脫位、慢性肩關節不穩、肩峰撞擊癥等。
總之，隨著計算機技術的不斷發展，以及力學分析軟件的不斷完善，三維有限元分析法一定會在骨關節生物力學研究領域發揮越來越大的作用。
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第4篇：關節軟骨的生物力學特性范文
中圖分類號： G 804.5 文章編號：1009783X（2012）03027406 文獻標志碼： A
收稿日期：20110509
基金項目：國家自然科學基金（30771046）。
作者簡介：張健（1963—），男，北京人，碩士，副教授，研究方向為運動生物力學；卜淑敏（1967—），女，山西人，博士，教授，研究方向為運動生理學；魏兆松（1981—），男，安徽人，碩士，講師，研究方向為運動生物力學。
作者單位：首都體育學院，北京 100191
Capital University of Physical Education and Sports，Beijing 100191，China. 隨著人口的老齡化，骨質疏松癥不僅是一個醫療問題，也是一個社會問題，是常見的骨代謝性疾病，是一種危害中老年人群常見的疾病，在世界多發病中位居第6位，對該類疾病的研究及治療在影響人類生存質量的因素中，已經占有了越來越重要的地位。骨密度是診斷骨質疏松的重要標準，受很多因素的影響。為探求骨密度對骨質疏松癥的影響，本文采用去卵巢大鼠模型，通過觀察各組大鼠的體重、脛骨體重指數、脛骨長度、股骨和第4腰椎的骨密度的變化情況，得出運動和雌激素對骨質疏松預防和治療的作用。
1 材料與方法
1.1 實驗動物
60只雌性健康3月齡SD大鼠，體重（220±20）g，身體情況正常。由北京維通利華實驗動物中心提供，飼養于北京大學醫學部實驗動物學部，嚙齒類動物飼料喂養，自由飲食、飲水，動物室溫度22～25 ℃，相對濕度50%～55%。
1.2 方法
1.3 實驗指標的測定
在取材的前2 d開始制備取材的設備和儀器并注意制備充足的材料，開始斷食。在取材的當日5時從動物實驗學部用專門的鼠籠把動物帶到首都體育學院重點實驗室進行取材。
1.3.1 體重
在平時要注意觀察大鼠的精神狀況和運動能力的變化，并注意各組的飲食量。在取材時要準確地測量出每只大鼠的體重。
1.3.2 股骨和腰椎骨標本的制備
大鼠飼養到期時，要提前2 d斷食物，但正常飲水。麻醉后測量體重，股動脈放血處死。注意勿損傷骨質去除附著的肌肉和結締組織將兩側股骨、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，測試時將其于室溫下自然解凍[12]。
1.3.3 脛骨干重和長度的測定
用水合氯醛麻醉并用電子天平（JA5002）稱量出大鼠的體重。對所有的大鼠進行股動脈放血處死并取下大鼠的后下肢左、右脛骨。把脛骨按編號放置在60℃的實驗室烤箱（型號 XU027200）烘烤 12 h后取出。用電子分析天平（型號 FA1004A）稱量所有脛骨的質量。再用游標卡尺（精確度為0.02 mm）測出大鼠脛骨的長度（測量時，采用游標卡尺卡緊骨的兩端結構，并且骨兩端的距離是最短（要求骨的縱徑與游標卡尺主尺面平行）。計算出左、右脛骨質量的平均值和大鼠體重的質量指數（脛骨和體重的質量指數=一側脛骨的質量/大鼠體重）。
1.3.4 股骨和腰椎骨的骨密度的測定
1.4 實驗數據的處理和統計
所有指標均以平均值±標準差表示，數理統計采用統計軟件SPSS 12.0進行單因素方差分析，組間相互比較采用LDS法，對F值明顯的指標，用t檢驗對各組均值進行多重比較。
2 結果與分析
3 實驗結果與討論
去勢大鼠作為骨質疏松模型也已經是一門成熟的技術。大鼠在3月齡時性腺與內分泌系統才完全發育成熟，肌肉骨骼系統基本定型，故以3月齡青春期大鼠為研究的起始年齡；但此時大鼠的骨骼仍然在生長，至7月齡時，皮質骨才發育成熟達到骨峰值，故3～8月齡為復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，故在設立對照組的前提下，用3～4月齡的大鼠仍是可行的[3]。通過以上所有的實驗數據分析，可以看出本次實驗的造模是成功的，得到手術靜止組的大鼠的體重和骨密度與假手術組、手術干預組有高度顯著性差異（P
3.1 脛骨指標數據的比較分析及討論
骨長軸方向的成長依靠軟骨內骨化過程，骸軟骨細胞不斷增生和不斷骨化（軟骨變成骨的過程），使骨長度不斷增加[7]。比較手術靜止組與假手術靜止組，可以看出SD雌性大鼠的脛骨由于在去勢手術的環境下生長而導致其脛骨長度的增長不明顯（P
3.2 骨密度指標分析及討論
骨密度（BMD）是機體某一部位骨組織中單位骨面積內所含的礦物質量，是影響骨強度的一個重要因素，是評價骨強度的一個最方便、最常用的指標，并且BMD的高低也被作為診斷骨質疏松的一項主要標準。BMD受到諸多因素的影響，如遺傳背景、性別、年齡、激素、營養和運動因素等。宋冰，張兆強研究顯示，切除大鼠雙側卵巢后，骨礦物元素Ca、S、Mg、Zn、Co、Mn等含量顯著降低（P
雌激素具有下調骨重建閾值的作用[16]，當雌激素減少時骨重建閾值提高，因此，原先使骨骼進行保留型骨重建的應變只能進行廢用型骨重建了。絕經后雌激素減少，通過運動可以增加骨骼載荷以增加骨骼的應變，使之達到骨重建閾值而進行保留型骨重建，減少絕經后骨量的丟失[17]。體育運動影響骨的力學特性。影響骨的力學特性的因素包括骨的幾何形態（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）、骨質的質量（原有骨質和新形成骨質之比、礦化度、骨膠原成分和含量、骨膠原和骨礦的排列方向，以及骨基質中和骨單位周圍存在的細微骨折數量等。骨骼所受的外力，即使骨產生形變的外源性機械力可概括為內源性肌肉收縮力與外源性反作用力。這些力對骨生長發育的調控主要通過調節軟骨內生長與骨化、關節軟骨的發育，以及軟骨周緣/骨膜的骨化和軟骨內成骨[18]。機械力學信號可轉化成促進成骨的生化信號。力學信號激活骨細胞網絡通路而成骨，尤其在達到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形態結構[19]。跑步運動時骨骼肌的頻繁收縮，大量增加肌肉的血液供應，進而增加骨皮質血流量，改善骨組織血液供應，促進鈣的吸收，保存骨量。陳柏齡等的研究顯示：雌激素和運動均可顯著提高骨密度及生物力學性能；但與雌激素相比，運動在防治Ⅰ型骨質疏松的作用中具有如下優點：1） 更強的促進骨形成的能力；2）調節骨重建的部位和方向，使骨的顯微結構適應其生物力學功能；3）提高骨的硬度，增強骨抵抗變形的能力[20]。李梅、李爽等人研究顯示：運動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，運動的功效作用優于雌激素。這可能是因為運動不僅能對骨骼系統提供有效的力學刺激，而且可以改善機體神經內分泌功能，明顯提高絕經后婦女的內源性雌二醇水平，能夠有效緩解絕經后各種低雌激素癥狀從而達到良好的維持或改善骨健康的功效[21]。
本實驗手術運動組大鼠的骨密度相對手術靜止組有高度顯著性差異，就是運動給予骨骼機械力的作用而引起的，通過上述研究分析可以明確為什么運動組大骨密度增高。同樣孫穎等[2224]的研究發現，低、中強度的跑臺運動訓練可以延緩股骨骨量的丟失，高強度運動并不能產生這種效果。王怡婧，張焱等人研究發現中等強度跑臺運動和E2單獨或聯合作用均能顯著增加去卵巢大鼠肝組織勻漿NO含量，二者是通過上調肝臟 eNOS 蛋白表達而發揮作用[25]；因此，大部分研究認為，中等強度的承重性練習更有利于延緩骨量的丟失。張林等人的研究顯示：去卵巢后大鼠表現為高轉換型骨代謝特征，雌激素下降，甲狀旁腺激素分泌加強，促進骨吸收，從而骨鈣流失；因此，血鈣含量上升，而運動可使血鈣流入并沉積在骨中，主要原因推測為：1）運動能促進血液循環，利于血鈣向骨內輸送和破骨細胞向成骨細胞轉變，促進骨鈣化，增加骨密度。2）運動負荷的機械應力可促進骨細胞的增殖，加強其活性，使骨的礦化過程加強，使血中的鈣以鈣鹽的形式沉積在骨中，從而使骨量增加。
運動結合藥物對由于去勢而導致的骨礦物質丟失有預防和治療的作用，已經成為人們的共識。很多動物實驗都已經證明：適度運動結合雌激素對由于老年化而導致的骨質疏松有協同的效果。本實驗的手術給藥加運動組與手術給藥和手術運動組大鼠間有顯著性差異也證明在該實驗條件下，對去勢大鼠的骨骼礦物質的丟失是有效果的。
4 結論
3）本實驗的不足之處，假手術運動與靜止組別在一些數據指標上沒有顯著性的差異；可能是該運動量對健康大鼠的影響程度不高，沒有去勢大鼠改善效果明顯的緣故。
實驗的結果提示我們在預防和治療由于老年化引起的骨質疏松，單純的藥物與運動干預，不如兩者共同協同作用效果顯著，并且在實際的對待人類而言，很重要的一點是必須控制好藥物量及運動的強度和量度，還要安排好干預的時間和頻率。
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第5篇：關節軟骨的生物力學特性范文
攝影／柳宗游
現在電視上宣傳的中老年補鈣產品，已經不僅僅強調補鈣效果，而是強調提高骨密度，預防骨質疏松功效，這是為什么呢？究其根本原因，是骨質疏松和關節炎已經成為現代中老年人的常見病和多發疾病，這類疾病已經不是單純補鈣可以奏效的。
骨質疏松和關節炎都與骨基質中膠原蛋白的流失有關，骨骼、軟骨組織、關節液中的膠原蛋白叫“骨骼膠原”，約占骨骼中有機物的70%～80%。人過中年后，由于骨骼膠原及鈣質的大量流失，骨骼中的骨質含量逐漸減少，造成骨質疏松，導致患者容易發生骨折。另外，人的關節軟骨每天都承受著各種活動引起的機械摩擦力，人到中年后肌肉功能逐漸減退，容易導致關節損傷，軟骨破壞，引起骨性關節炎。
醫學證明，補充適量的骨骼膠原，不僅可以延緩骨質疏松，同時也能維持人體自身軟骨組織的生成機制，保護關節免于磨損和毀壞，還可預防由各種原因引發的關節炎。就是說骨骼膠原在我們關節中起到的作用。試想一下，將我們的身體比作一臺機器，每天都在運行，骨骼之間摩擦不斷，為了降低關節的磨損和毀壞，就要勤于保養，而保養的關鍵不僅僅是補鈣，還要降低關節之間的摩擦力，這就是為什么身體需要膠原蛋白。在骨骼膠原誘導和正反饋作用下，氨基葡萄糖作為膠原蛋白合成的前體物質，能迅速參與人體代謝，及時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，首先必須合成充足的膠原蛋白纖維來組成骨骼的框架。因此，有人稱膠原蛋白為骨骼中的骨骼。其實，膠原蛋白更像是骨骼的黏合劑，由于膠原纖維具有強大的韌性和彈性，在補充鈣的同時補充膠原蛋白，這樣鈣才能在膠原蛋白的黏合下，沉積在骨骼中，增強骨的韌性、硬度。也就是說，只有攝取足夠的膠原蛋白，人體對鈣才能夠有正常的吸收和利用，骨質疏松的問題才能得以解決。
第6篇：關節軟骨的生物力學特性范文
[關鍵詞] 膝關節；骨性關節炎；關節鏡；綜合治療
[中圖分類號] R684.3 [文獻標識碼] B [文章編號] 1673-9701（2013）16-0143-02
骨性關節炎（osteoarthritis，OA）是一種慢性關節病，其特征是關節軟骨退變，關節邊緣骨贅形成，病理變化以軟骨變性、軟骨下骨質病變為主。膝關節骨性關節炎是中老年人常見病、多發病，主要癥狀為膝關節疼痛和功能障礙，嚴重影響患者的生活質量。膝關節骨性關節炎的治療尚無統一治療標準。關節鏡在治療膝關節骨關節炎中的作用長期以來充滿爭論。我們采用關節鏡手術治療為主輔以關節腔內注射玻璃酸鈉、口服氨基葡萄糖片、指導患者功能鍛煉等綜合治療85例膝關節骨性關節炎患者，療效較好，現報道如下。
1 資料與方法
1.1 一般資料
本組符合美國風濕病學會關于骨性關節炎的診斷標準，以膝關節疼痛和活動障礙為主要癥狀。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疼痛評分為（4.8±2.4）分、Lysholm膝關節功能評分為（54.6±12.3）分。根據治療前膝關節X線片，我們按Kellgren-Lawrence分級：Ⅰ級18膝，Ⅱ級41膝，Ⅲ級23膝，Ⅳ級5膝。發病時間3個月～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痛藥、氨基葡萄糖、鈣片等藥物治療或進行針灸理療，部分患者曾行關節腔內注射等處理，但療效均欠佳。
1.2 手術方法
本組患者采用椎管內麻醉78例，氣管插管全麻5例，膝關節腔浸潤麻醉2例。常規通過膝關節前外、內側入路對關節腔進行鏡檢、探查。根據鏡下所見具體病變采取相應處理措施，包括沖洗關節腔、清除炎性物質和碎屑、摘除游離體；射頻消融去除不穩定的軟骨，修整軟骨缺損的邊緣；刨削過度增生的滑膜及卡壓的脂肪墊；打磨產生撞擊的骨贅，打磨擴大狹窄的髁間窩；部分切除退變撕裂不穩定的半月板、修整成形；對負重區的關節軟骨面剝脫行微骨折處理；對Q角>20°、髕骨半脫位者，行髕外側支持帶松解術。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+髕外側支持帶松解術，2例行髁間窩成形。
1.3 術后其他治療方法
①關節腔內注射：術畢抽盡關節積液，關節腔內注射2 mL玻璃酸鈉，棉墊加壓包扎。患肢彈力繃帶包扎并抬高，患膝冰敷24 h。②功能的鍛煉：術后第1天行股四頭肌收縮、直腿抬高及活動髕骨訓練；術后2～3 d可扶拐或助行器下床行走，術后3～4 d做膝關節屈伸鍛煉，術后6周后可視患者的耐受情況進行游泳、騎車等肌力強化訓練。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 統計學方法
采用SPSS 13.0統計學軟件，數據用均數±標準差（x±s）表示，采用t檢驗，P < 0.05為差異有統計學意義。
2 結果
所有患者均獲隨訪，隨訪時間3～36個月不等，平均18個月。期間無感染及下肢靜脈栓塞等并發癥。絕大部分患者對關節鏡手術為主綜合治療效果滿意，膝痛癥狀明顯減輕，膝關節活動功能得到不同程度改善，最后隨訪時疼痛VAS評分較治療前降低，Lysholm膝關節功能評分較治療前提高，治療前后差異有統計學意義（P < 0.05）。見表1。
3 討論
膝關節骨性關節炎患者幾乎均有膝痛，疼痛原因復雜，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節疼痛有關[1]。此外，疼痛程度還可受膝關節以外因素的影響，如缺少幫助的環境、受教育程度和體重指數等[2]。本組患者以膝關節疼及功能障礙為主要癥狀。術中鏡檢見絕大多數患膝以關節軟骨病損為主，脂肪墊卡壓、骨贅及髕骨運動軌跡改變常常合并關節軟骨破損，前者可能是導致軟骨破損的原因，半月板的病變也較常見，半月板病變后會加快關節軟骨的退變和病損。因此，關節軟骨病變確實是膝關節骨關節病的基本病變，關節軟骨及半月板的病損可能是膝關節疼痛的主要原因。骨性關節炎患者疼痛的復雜性決定了其治療需綜合治療。關節鏡手術作為一種微創技術已成為治療膝關節骨關節炎最常用的方法，但關節鏡在治療膝關節骨性關節炎中的作用長期以來倍受爭論。Gross等1991年報道了43例不同程度骨性關節炎患者治療情況，提出關節退行性病變的嚴重程度是手術成功與否的重要因素。陳意磊等[3]研究證明膝關節骨性關節炎行關節清理術的結局和患者的臨床癥狀、放射學表現、軟骨損傷程度相關，術前Kellgren-Lawrence分級低、VAS疼痛評分低和軟骨outerbridge分級低是預后良好的獨立因素。肖國慶等[4]報道對于輕中度膝關節骨性關節炎患者，關節鏡下手術治療可獲得較滿意療效。目前臨床上普遍認為關節鏡手術只適用于輕中度OA患者，對于重度的膝關節OA患者中不能耐受或不愿接受膝關節置換術的患者關節鏡治療是否有利尚無定論。本組85例患者中不排除重度骨性關節炎患者原因是臨床上確有相當數量的這類患者不能耐受或不愿意接受膝關節置換手術。我們應用關節鏡治療的目的在于期望能改善患者癥狀、延緩病變進展、修復局部軟骨病損，從而盡可能恢復膝關節正常的組織學結構和生物力學特性。我們對各型有癥狀的骨性關節炎患者，采用關節鏡手術治療為主輔以關節腔內注射玻璃酸鈉、口服氨基葡萄糖片、指導患者肢體功能鍛煉等綜合治療，分析其臨床療效，結果表明各型骨性關節炎患者均能從關節鏡手術為主的綜合治療中獲益。下面就其原因進行探討。
骨性關節炎根本的病理改變是關節軟骨的軟化、破潰和局部剝脫以及關節邊緣與軟骨贅生物的形成[5]。關節鏡手術通過刨削、打磨、吸引、沖洗等方法，去除游離體、碎屑、不穩定的軟骨碎片、撕裂的半月板、過度增生的滑膜以及產生撞擊的骨贅，去除病灶、機械因素，減輕組織內壓，改善局部新陳代謝和血液循環，減輕或消除物理或化學刺激，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]，減輕膝關節疼痛癥狀；磨平受損的軟骨面，通過微骨折技術，治療軟骨表面的退化區域，幫助軟骨再生，行髕外側支持帶松解，恢復髕骨的運動軌跡，改善力線從而盡可能恢復膝關節正常的組織學結構和生物力學特性，減輕疼痛，恢復肢體功能。關節鏡手術后抽盡關節內液體即將玻璃酸鈉注入膝關節內適當活動膝關節使玻璃酸鈉迅速附著關節表面，形成生物屏障，阻止軟骨基質降解酶對基質的破壞，具有和營養軟骨、促進軟骨修復的作用。通過肢體功能鍛煉，增強機體抵抗力、提高對疼痛的耐受力，改善關節的血液循環，有利于關節液新陳代謝，改善軟骨營養，利于病變修復。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構建要素，是關節軟骨中非常重要的組分。口服氨基葡萄糖片，即外源性攝入氨基葡萄糖，使關節內氨基葡萄糖含量恢復平衡狀態，刺激軟骨細胞合成蛋白多糖和膠原纖維，生成軟骨基質，修復破損軟骨，根治骨性關節炎的基本病變；氨基葡萄糖修復關節軟骨、催生關節滑液、減少關節面間摩擦，從而改善關節功能，減輕疼痛。此外，氨基葡萄糖對致炎劑引起的毛細血管通透性增加有抑制作用，從而達到抗炎、減輕疼痛、保護關節軟骨的作用。
本組患者年齡42～75歲，平均65歲，可見膝關節骨性關節炎患者多見于中老年，是關節退行性改變，即關節老化，任何一種治療方法都無法終止老化。關節鏡手術治療為主輔以關節腔內注射玻璃酸鈉、口服氨基葡萄糖片、指導患者肢體功能鍛煉等綜合治療，雖然是針對骨關節病的基本病理變化而采取的干預手段，但只能是相對而言，不可能完全去除病因，逆轉已形成的退變。本組綜合治療取得了較滿意的療效，但我們隨訪時間不夠長，而末次隨訪結果影響療效的評價，有待于進一步研究。我們無法完全治愈骨性關節炎患者，晚期嚴重的骨性關節炎患者應該首選關節置換。但是，我們對有癥狀的膝關節OA患者在保守治療無效而又不能耐受或不愿接受關節置換術者，采用關節鏡手術治療為主的綜合治療，具有創傷小、恢復快且能有效緩解疼痛、改善關節功能、延緩疾病進程的優點，至少短期可獲得較滿意療效，是一種有臨床應用價值的方法。
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第7篇：關節軟骨的生物力學特性范文
【關鍵詞】 顳下頜關節；軟骨基質；免疫組織化學技術；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
顳下頜關節（temporomandibular joint，TMJ）由下頜骨的下頜頭關節面、顳骨的下頜窩和關節結節關節面、關節囊、關節腔，以及將關節腔分為上、下兩部分的關節盤組成[1]，多種因素參與影響顳下頜關節的生長發育[2-3]，了解顳下頜關節的生長發育過程，對深入研究頜面部畸形的發病機制有著重要的臨床意義。小鼠的顳下頜關節基本結構與人相似，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成顳下頜關節。目前，顳下頜關節的結構和功能已有系統的描述，但其發育相關的分子生物學機制有待深入研究[4-5]。因此，本研究以新生乳鼠顳下頜關節為研究對象，采用免疫組織化學技術，觀察小鼠發育過程中顳下頜關節軟骨基質與印度豪豬蛋白（Ihh）的表達變化，為揭示顳下頜關節發育機制提供新的
途徑。
1 材料與方法
1.1 實驗動物 BAL B/C新生乳鼠5只，上海斯萊克實驗動物有限責任公司購買雌性孕鼠生產，動物合格證號：SCXK（滬）字第2012-0002號。實驗室室溫恒定（22±1）℃，濕度（56±5）%，紫外線定期消毒，自由攝食飲水，給予質量分數為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Abcam公司）；枸櫞酸鹽緩沖液（pH = 6.0，美國Sigma公司）；山羊血清，通用型二步法檢測試劑盒（含質量分數為3%的過氧化氫去離子水和多聚辣根酶標記羊抗兔IgG即二抗）以及DAB顯色試劑盒（美國Thermo Fisher Scientific公司）；光學顯微鏡（德國徠卡公司）；石蠟切片機（德國徠卡公司）；生物組織石蠟包埋機（孝感亞光醫用電子技術有限公司）。
1.3 取 材 空氣栓塞法處死新生乳鼠，立即放入PBS中，取下頭部置于質量分數為4%的多聚甲醛4 ℃ 固定24 h，Kristense液脫鈣1周，常規脫水、透明、浸蠟、包埋、切片備用。
1.4 免疫組織化學技術染色 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，鍋內的水沸騰開始計時20 min，進行抗原修復，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照，4 ℃過夜；PBS洗滌后加入二抗（羊抗兔，1∶1000），37 ℃孵育20 min，再按試劑盒的說明書，ABC復合物處理，DAB顯色，封片。光學顯微鏡下觀察顳下頜關節免疫組化染色的
形態。
1.5 陽性細胞判斷標準 顳下頜關節出現棕黃色顆粒為陽性細胞，觀察蛋白的分布、陽性強度和陽性率。按染色強度打分：-為無色，+為淺黃色，++為棕黃色，+++為棕褐色，染色強度需與背景色相對比。
2 結 果
免疫組化染色結果定位明確，背景清晰，陽性顆粒清楚。ColⅡ在關節盤與髁狀突軟骨中均表達強陽性，Aggrecan特異性表達于髁狀突軟骨中，ColⅠ在關節盤中表達陽性但是髁狀突軟骨中僅見少量表達，Ihh在關節盤中表達強陽性、髁狀突軟骨表達明顯較少。ColⅡ與Aggrecan的表達位置強弱基本一致，ColⅠ與Ihh的表達位置基本一致。見圖1-圖5。
3 討 論
軟骨基質主要由膠原纖維和蛋白多糖構成，具有緩解關節應力，維持關節周圍組織拉伸性能的作用。ColⅠ和ColⅡ是顳下頜關節中最主要的膠原蛋白，它們通過聚集分子形成關節盤、髁狀突以及關節窩。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內，維持膠質網狀結構充盈且具有高度彈性，也是軟骨形成和骨骼發育的基本物質。蛋白聚糖與透明質酸結合形成復合物，游離于關節液中，形成高度的粘彈性，對關節軟骨起著減震和等機械保護作用[6]。
在正常的生長發育過程中，髁狀突的生長方式屬于軟骨內成骨，軟骨內成骨始于增殖層內未分化的間充質細胞的增殖和分化，促進前體軟骨細胞分化為軟骨細胞，再逐漸成熟分化為前肥大軟骨細胞和肥大軟骨細胞，軟骨基質由Ⅱ型膠原轉變為X型
膠原，之后新生血管長入，肥大軟骨細胞發生程序性死亡，部分礦化的軟骨逐漸被骨替代。
Ihh是豪豬蛋白家族的一員，在顳下頜關節髁狀突的發育過程中發揮重要作用，與髁狀突生長、軟骨的表型、軟骨祖細胞的功能有關，同時是關節盤和關節腔形成的必要條件。胚胎發育早期，Ihh在顳下頜關節髁狀突內已經有較強表達，Ihh受體及其效應基因Gli 1、Gli 2和Gli 3的表達范圍已達髁狀突外層的多形軟骨細胞層和關節盤原基。在新生小鼠顳下頜關節的軟骨和軟骨膜中，Ihh基因顯著表達[7]，這與本實驗的研究結果一致。Ihh基因敲除小鼠的髁突組織不能正常生長，結構紊亂，表現為細胞的增殖速率顯著降低，具有增殖和分化功能的間充質細胞數量減少，軟骨細胞的數量不足以維持髁突軟骨的正常生長。同時，新生小鼠髁狀突軟骨內Ihh缺乏的同時伴隨著ColⅠ、ColⅡ和Aggrecan表達改變，最終導致髁狀突表面纖維軟骨的特性改變[8]。
實驗表明，ColⅡ和Aggrecan同時在髁狀突軟骨中高表達，ColⅠ主要在關節盤中表達，關節盤主要成分為纖維軟骨，ColⅠ為纖維軟骨所獨有，可能是因為在顳下頜關節形成和發育過程中，ColⅠ
具有維持骨結構的完整及骨生物力學特性，而ColⅡ和Aggrecan則通過構成軟骨基質，促進軟骨細胞的分化，從而促進軟骨的形成及骨骼發育。Ihh在新生乳鼠顳下頜關節的關節盤和髁狀突中均有表達，可能因其在維持關節盤骨生物學特性、促進髁狀突軟骨發育中均發揮重要作用。本實驗運用免疫組化染色法檢測了乳鼠發育期顳下頜關節各部位Ihh、ColⅡ、ColⅠ和Aggrecan的表達變化，指標定位準確直觀，且操作簡便，實驗費用低，具有同類實驗其他方法所不具備的優勢。
目前，影響顳下頜關節發育的因素尚未完全探明，如調控顳下頜關節組織間相互關系的信號分子的類型、關節盤形成過程對關節窩的影響等。未來的研究中，可以嘗試運用實驗胚胎學或者使用基因敲除小鼠模型進行研究，進一步闡明顳下頜關節發育的細胞和分子學機制。
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第8篇：關節軟骨的生物力學特性范文
關鍵詞：老年患者；髕骨骨折；絲線縫合固定
髕骨是人體最大的籽骨。髕骨在膝關節的的生理運動中主要作用是：傳導并增強股四頭肌的作用力、維護膝關節的穩定性、保護股骨髁使其免于直接遭受外傷性打擊。髕骨與其周圍的韌帶、腱膜共同形成伸膝裝置，是下肢活動中十分重要的結構。因此髕骨骨折后，應盡可能的恢復其完整性。我科從2008年開始對老年人的髕骨（除嚴重粉碎骨折的各分型）骨折患者，均采取：絲線縫合固定治療髕骨骨折，目前隨訪患者，髕骨骨折均愈合，其膝關節功能均達到滿意的效果。
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。髕骨骨折多發生在髕骨上極、髕骨中份、髕骨下極；可分為4個基本類型：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。經術前準備無明顯禁忌癥，均于傷后7d在麻醉下行髕骨骨折切開復位絲線縫合固定術。
1.2方法
1.2.1麻醉方式 連硬外麻醉。
1.2.2手術方式及過程 ①麻妥后取仰臥位，患肢上止血帶，常規消毒鋪單；②取膝關節（髕骨）正中橫弧行切口入路，切開皮膚、皮下、深筋膜，暴露術野：可見撕裂的髕前腱膜、髕骨兩側的支持帶、關節囊及骨折斷端。徹底清理關節腔、骨折斷端：清除關節腔積血和瘀血塊、碎骨屑（防止術后可能引發的關節腔感染、創傷性關節炎等嚴重的不良后果）；③整復骨折，于髕骨內外側兩后角在滑膜淺層各對合縫合一針，提起收緊整復[1]，用兩把布巾鉗作臨時固定，探查髕骨骨折達到解剖復位（保證關節軟骨面的平整）；④C型臂X線機下證實：髕骨骨折已達到解剖復位；⑤逐步嚴密縫合撕裂的髕骨兩側的支持帶、關節囊、髕前腱膜；然后用絲線于髕骨周緣貼骨環扎縫合加強固定。逐層縫合傷口；⑥術后予直腿或10°屈膝位，石膏托外固定；⑦術后次日患肢即可做股四頭肌等長舒縮練習；⑧4w后根據X線拆除石膏，在床上做一些適度的膝關節伸屈功能鍛煉2w；⑨術后6w后下地拄雙拐進行患肢逐步負重活動2w；⑩術后8w后逐漸棄拐進行膝關節的伸屈功能鍛煉。
2 結果
2.1評定標準（綜合評分法）[2] ①膝關節功能，優：無痛，勞動能力正常4分；良：偶痛，能力稍差3分；中：經常輕度痛2分；差：常痛，失去勞動能力1分；②膝關節屈曲功能范圍，優：正常141°～150°4分；良：121°～140°3分；中：91°～120°2分；差：小于90°1分；③骨折復位（以關節面為準），優：解剖復位4分；良：錯位1mm以內或裂隙2mm以內3分；中：錯位1～2mm，裂隙大于2mm2分；差：錯位大于2mm1分；④總評，優：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3年間隨訪，所有病例髕骨骨折均骨性愈合。根據綜合評分法評定：優：13例，良：2例。
3 討論
3.1髕骨骨折治療的原則 充分恢復髕骨的功能。
3.2髕骨是人體最大的籽骨，前方有髕前腱膜覆蓋，兩側有髕支持帶及關節囊包裹。髕骨骨折導致髕骨軟骨面損傷、同時也使相對的股骨髕面的軟骨損傷、髕骨腱膜、關節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的結果，因而收緊縫合好這些結構后就可以固定好髕骨，而且這些結構是組成伸膝裝置的重要結構，故嚴密修復縫合這些軟組織至關重要[3]，如若修復不好，將嚴重影響伸膝功能。
3.3髕骨在膝關節活動中有重要的生物力學功能，若髕骨被切除，髕韌帶更貼近膝的活動中心，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髕骨骨折多發生于青壯年，目前較常采用的手術方式是：克氏針鋼絲張力帶固定、或鋼絲捆扎固定、或聚髕器固定等等。這些手術方式大多數均需二期內固定物的手術取出，而且還有一些并發癥。如術中在術野內扭曲克氏針時空間受限，克氏針移位或鋼絲斷裂而致內固定失效，克氏針穿破皮膚引起感染，針尾觸痛影響功能鍛煉，應力集中鋼絲勒斷骨質，骨折塊嚴重粉碎不易固定等[4]。然而老年患者采用上述這些手術方法，無疑對老年患者來說是二次的手術打擊。老年患者的手術方式，毫無疑問的首選是快捷、安全、經濟以及創傷小、痛苦小、恢復快的方式。所以對于老年患者（通指>60歲），髕骨骨折后的手術方式選擇，顯得尤為重要。
3.5髕骨骨折內固定方法較多，對于不同類型的骨折所采取的內固定力學性能尤為重要，因此骨折類型決定內固定方法比內固定強度更為重要[5]。由于絲線具有彈性、韌性、強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構，比較接近髕骨及周圍軟組織的生理性，以及異物排斥反應極小。在治療髕骨骨折時不但要考慮各骨折塊的對位加壓固定，恢復髕骨的解剖結構，而且要考慮到張力側的抗張強度，否則早期的功能鍛煉容易造成骨折塊前面的分離移位，骨折的愈合及膝關節的功能康復就會受到影響[6]。術中絲線于髕骨周緣貼骨環形縫扎緊，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之；堅強縫合撕裂的髕骨兩側的支持帶、關節囊、髕前腱膜。在石膏固定4w后，前者開始屈伸運動所產生的分離力，則被后者堅強縫合（并已愈合）的髕骨的支持帶、關節囊及髕前腱膜所產生的類似于張力帶，可消除運動時產生的分離趨勢。從而避免了髕股對合關系的破壞及髕骨的畸形愈合。
3.6髕骨骨折術后的膝關節的功能障礙產生的主要的原因是外固定時間過長以及關節長期廢用所致。雖然絲線縫合固定髕骨骨折術后的恢復期略長，但是經過我們對患者積極地進行術后指導、進行循序漸進的膝關節功能鍛煉，膝關節的功能障礙是可以避免的。事實證明在術后隨訪期間，患者的膝關節功能均達到滿意的效果。
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固定物的手術中所承受的各種打擊以及二次手術所帶來的一些不利影響，從而大大增強了老年患者的運動質量及生活質量，并且本手術方案操作簡單，無需特殊器械。所以在基層醫院，本手術方案著實值得推廣。
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第9篇：關節軟骨的生物力學特性范文
【關鍵詞】
PCCP微創;股骨粗隆;骨折;老年股骨粗隆間骨折是臨床上多見的一類骨折,多見于70歲以上高齡患者。以往由于諸多原因,多采用保守治療,但長期臥床易引起各種并發癥。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。現報告如下。
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,車禍3例,均為閉合性骨折。按照AO 方案分類:A1 型(骨折線從大粗隆到遠端內側骨質只有一處斷裂)4例,A2型(骨折線平行于粗隆間線,內側9皮質有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 術前準備 入院后常規行脛骨結節骨牽引,臥氣墊床,預防性使用抗生素,術前完善常規檢查,排除手術禁忌,作出初步評價。術前排除嚴重心腦肺疾病;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 手術方法 使用標準的骨科牽引床和后側復位器進行復位后,進行常規消毒及貼上手術貼膜。在大粗隆部位作第一個大約2 cm大小的切口,接著插入連接導入器鋼板,可使之沿股骨干上段外側滑動。通過C臂機檢查鋼板的前后及側方位置,必要時對鋼板的位置進行矯正。然后作第二個切口,大約2 cm,插入經皮骨鉤將鋼板固定于股骨上。主套筒,然后第一套筒及主導引器插入下方的斜形孔洞中,使用電動工具將主導引器鉆入股骨頸,使其在前后位圖象位于股骨矩的基底部上方約2~3 mm,側位像位于股骨頸中部1/3區域內,蝶型銷臨時將鋼板固在股骨上。這時用第二套筒和一根7 mm鉆頭置換主導引器和第一套筒。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。第一枚螺釘通過鋼板擰入股骨頸直到股骨頭軟骨下方,骨折端這時在壓力下會緊密接觸。去除主套筒,在第二切口內,使用短的骨干套筒和鉆頭進行鉆孔并用三枚骨干螺釘進行固定。在第一枚骨干螺釘固定后即可將骨鉤和蝶型銷去除。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。松開并去除導入器。切口常規沖洗并縫合,留置引流。手術平均時間60 min。
1.4 術后處理 術后常規應用抗生素5~7 d,第2天拔除引流,開始功能鍛煉,進行下肢肌肉舒縮活動,特別是足趾和踝關節活動以及股四頭肌等長收縮,對促進下肢靜脈回流,預防下肢靜脈血栓形成很有幫助。1周后開始被動活動髖、膝、踝關節。根據骨折愈合情況決定下床時間,一般要求患者術后4周門診復查,扶雙拐不負重或部分負重行走,10~12周X線片確認骨折愈合可且內固定良好,可棄拐行走。
2 結果
本組7例患者中,全部得到滿意隨訪,時間為3~6個月,平均4.5個月。治療過程中,均未肺部感染、深靜脈血栓形成、褥瘡等嚴重并發癥,無死亡病例。本組病例骨折均愈合,無鋼板螺釘斷裂、松動,療效標準按王福權功能評定標準[2]。本組患者優6例,良1例。
3 討論
3.1 適應證的選擇 股骨粗隆間骨折多發生于老年人,保守治療并發癥較多,特別是對高齡患者。Zuekerman 等[3]研究表明,延遲手術超過3 d,患者死亡率會增加1倍,特別是老年患者,目前多主張盡早手術;以避免因長期臥床而發生的肺部感染、泌尿系統感染、褥瘡、下肢靜脈血栓形成等危及生命的嚴重并發癥,提高生活質量。隨著微創技術的成熟和發展,創傷骨科多主張采用微創技術。PCCP作為一種符合生物力學的一種內固定方法,它要求功能復位,有效內固定、保護骨折血供、盡早功能鍛煉。其優點是:①PCCP裝置的鋼板末端鋒利,能夠穿透股外側肌直到外側骨皮質并能夠沿股骨干滑動,手術操作簡便,軟組織剝離少,出血少,術中勿需廣泛剝離及暴露骨折斷端;②PCCP具有靜力加壓和動力加壓的雙重加壓作用,確保骨折的穩定性,允許患者術后早期活動,部分或全部負重鍛煉。PCCP的設計者Gotfried[4]認為:PCCP更適用予術前牽引復位或者在牽引床能滿意復位的A1、A2型骨折,即穩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,由于骨質疏松、導致骨折的暴力較小,骨折多為A1、A2型,適合采用PCCP治療;③骨折固定手術進行基底部鉆孔時要注意避免外側壁的破壞,假如發生了外側壁的破壞,就會在術中或術后發生外側壁,以后將會發生骨質塌陷和長期功能障礙。目前在PCCP研究中沒有骨折端塌陷,外側壁的損傷少,主要是由于小直徑和從7.0~9.3 mm的漸進性鉆孔;④有報道動力髖螺釘對于控制扭力方面效果不佳,因為動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。
3.2 術中注意的問題 內固定物置入位置是由股骨近端的生物力學特性決定的,生物力學特性與解剖結構是密不可分的,大粗隆下方股骨干外側皮質薄,向下漸增厚,股骨距位于股骨頭頸部內后方,是一片較致密的骨質,極大的加強了干頸間之連接與支持力。緊貼股骨距釘入,此時,內固定物正在內側骨小梁中,幾乎與髖關節負重力線平行,所受剪力小,尾端嵌在較厚的骨皮質中,可起到堅強的固定作用[5]。Gotfried[6]認為該系統兩枚股骨頸螺釘有效地防止股骨頭的旋轉,兩枚螺釘的位置應未予頭頸部中下2/3,螺釘應未予頭關節面下8~10 mm,側位片螺釘長軸應與股骨頸軸夾角
4 結論
近年來微創技術的成熟推動了創傷骨科的發展,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傷小、軟組織剝離稍、出血少、手術時間短、恢復快、能早期活動、方便護理等一系列優點,是一種治療股骨粗隆間骨折及安全右有效的微創手術。
參 考 文 獻
[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.
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