3-D骨應力監(jiān)測傳感系統的構建及在牽張成骨中的應用研究.pdf

1、目的： 針對傳統骨外固定裝置無法實時、準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。該系統能夠在提供牢固固定的同時，準確監(jiān)測骨愈合過程中骨斷端間應力及其變化，據此構建骨愈合過程中應力變化參數模型，以此來間接判斷骨痂愈合程度和骨對位情況，進而指導牽張成骨過程，補充或者替代傳統影像學方法，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骨應力監(jiān)測傳感系統的可靠性與有效性，為后續(xù)應用于

2、臨床提供充足的實驗依據。 方法： 1.基于現有半環(huán)滑槽式外固定架的基礎，結合本課題動物實驗的需要，運用Solidworks軟件重新設計外固定架，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性能測試。 2.設計微型拉壓力傳感器、數據采集盒、數據分析軟件，進而組裝成數據采集系統并驗證其測力的準確性。將其與自行研制的扣合式外固定裝置有機結合而形成3-D骨外固定監(jiān)測傳感系統并進行整體性能

3、測試。 3.構建牽張成骨的動物模型，實時測定牽張過程中應力變化，并進行動物血清中骨轉換生化標志物的動態(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性能測試和組織形態(tài)學檢測。 結果： 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，又極大增強了抗側向拉壓和扭轉力強度，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，且當沿軸向中心受壓時，三個傳感器測試數值完全一致(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，骨應力呈現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力值呈線性增加。 結論： 1.設計發(fā)明的新型扣合式全環(huán)外固定裝置克服了傳統半環(huán)外固定架抗側壓和扭轉強度差的缺點，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.設計發(fā)明的數據采集系統能夠準確實現壓力信號的實時、精確采集。通過將外加壓力行二次換

6、能而轉換為數字信號，計算機分析軟件讀取該信號并實時顯示、分析3個通道數據，從而實現了不同傳感器通道數據得以自動處理。 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，實現了3個傳感器將施于固定架的軸向壓力均分的目標，從而成功研制出3-D骨應力監(jiān)測傳感系統，為進一步構建智能調控的骨外固定系統奠定了基礎。 4.動物實驗證明：骨斷端應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，監(jiān)測其實時變化可