3-D骨應(yīng)力監(jiān)測傳感系統(tǒng)的構(gòu)建及在牽張成骨中的應(yīng)用研究.pdf

1、目的： 針對傳統(tǒng)骨外固定裝置無法實時、準(zhǔn)確判斷骨愈合過程的不足，發(fā)明一套新型外固定監(jiān)測傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在提供牢固固定的同時，準(zhǔn)確監(jiān)測骨愈合過程中骨斷端間應(yīng)力及其變化，據(jù)此構(gòu)建骨愈合過程中應(yīng)力變化參數(shù)模型，以此來間接判斷骨痂愈合程度和骨對位情況，進而指導(dǎo)牽張成骨過程，補充或者替代傳統(tǒng)影像學(xué)方法，從而減少患者的放射性暴露，促進骨折快速愈合。進一步通過一系列動物實驗來驗證發(fā)明的3-D骨應(yīng)力監(jiān)測傳感系統(tǒng)的可靠性與有效性，為后續(xù)應(yīng)用于

2、臨床提供充足的實驗依據(jù)。 方法： 1.基于現(xiàn)有半環(huán)滑槽式外固定架的基礎(chǔ)，結(jié)合本課題動物實驗的需要，運用Solidworks軟件重新設(shè)計外固定架，以發(fā)明一種既牢固穩(wěn)定，又能保證每根支撐桿受力一致的扣合式外固定裝置并進行其力學(xué)性能測試。 2.設(shè)計微型拉壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集盒、數(shù)據(jù)分析軟件，進而組裝成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并驗證其測力的準(zhǔn)確性。將其與自行研制的扣合式外固定裝置有機結(jié)合而形成3-D骨外固定監(jiān)測傳感系統(tǒng)并進行整體性能

3、測試。 3.構(gòu)建牽張成骨的動物模型，實時測定牽張過程中應(yīng)力變化，并進行動物血清中骨轉(zhuǎn)換生化標(biāo)志物的動態(tài)測定，在牽張成骨的不同時期拍攝x片以觀察骨愈合情況，并且分別在牽張2周、10周后截取動物骨組織進行骨生物力學(xué)性能測試和組織形態(tài)學(xué)檢測。 結(jié)果： 1.發(fā)明的扣合式外固定裝置既保持半環(huán)外固定架安裝簡便的優(yōu)點，又極大增強了抗側(cè)向拉壓和扭轉(zhuǎn)力強度，同時保證了三根支撐桿受力一致。 2.微型拉壓力傳感器在滿足500N

4、量程的前提下，整體測量精度達到了1‰，體積控制在2.5×1×1.5cm(長×寬×高)。 3.試驗證明傳感器安放于靠近兩側(cè)固定圓環(huán)處時整個外固定裝置的抗扭剛度最佳。 4.傳感器連續(xù)監(jiān)測10天的穩(wěn)定性較好，且當(dāng)沿軸向中心受壓時，三個傳感器測試數(shù)值完全一致(CV＜2％)。 5.牽張成骨動物實驗過程中血清Ca、P值隨牽張的進行呈現(xiàn)出先升后降的趨勢。骨堿性磷酸酶(B-ALP)與堿性磷酸酶(ALP)的變化趨勢保持高度一致，且

5、一直維持于后者在50％-60％。 6.牽張成骨過程中，隨著每次牽張的進行，骨應(yīng)力呈現(xiàn)由高到低的變化趨勢。并且隨著牽張的進行，每天同一時間點所測應(yīng)力值呈線性增加。 結(jié)論： 1.設(shè)計發(fā)明的新型扣合式全環(huán)外固定裝置克服了傳統(tǒng)半環(huán)外固定架抗側(cè)壓和扭轉(zhuǎn)強度差的缺點，同時又保留了后者安裝便捷的優(yōu)點，為臨床上骨外固定提供了全新思路。 2.設(shè)計發(fā)明的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)壓力信號的實時、精確采集。通過將外加壓力行二次換

6、能而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，計算機分析軟件讀取該信號并實時顯示、分析3個通道數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了不同傳感器通道數(shù)據(jù)得以自動處理。 3.本課題創(chuàng)造性地將壓力傳感器沿三維方向安裝于外固定裝置的支撐桿上，實現(xiàn)了3個傳感器將施于固定架的軸向壓力均分的目標(biāo)，從而成功研制出3-D骨應(yīng)力監(jiān)測傳感系統(tǒng)，為進一步構(gòu)建智能調(diào)控的骨外固定系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。 4.動物實驗證明：骨斷端應(yīng)力水平是間接反映牽張再生過程中骨痂生長情況的一個靈敏指標(biāo)，監(jiān)測其實時變化可