第1章   緒論 

1.1   骨的基本概念和功能適應(yīng)性 
骨是脊椎動物體內(nèi)的重要構(gòu)成部分，對內(nèi)臟起到保護作用，為體重起到支撐功能，還能協(xié)助生物運動等。為了適應(yīng)以上功能，骨必然具備復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)和獨特的力學(xué)性能，并可隨力學(xué)性能的變化而自我改變自身性質(zhì)和形狀。 本小節(jié)將討論骨的基本概念和骨的功能適應(yīng)性。 1）骨質(zhì)：骨的主要組成部分，由骨組織構(gòu)成，分成堅硬的骨密質(zhì)（或稱骨皮質(zhì)）和質(zhì)地疏松的骨松質(zhì)兩種。骨質(zhì)具有很大的可塑性[3]，基本遵從用進廢退原則，經(jīng)常鍛煉會使骨密質(zhì)變厚，如籃球運動員跖骨骨干增粗等。反之，經(jīng)常不鍛煉會導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。 2）骨膜：指附著在骨的外表面或內(nèi)表面的致密纖維結(jié)締組織。根據(jù)附著的部位不同分成外骨膜（或稱骨外膜）和內(nèi)骨膜（或稱骨內(nèi)膜）。骨膜對骨起到營養(yǎng)、保護等功能，因此在骨手術(shù)過程中盡量保證骨膜的完整性，以免發(fā)生骨延遲愈合或壞死不愈合的情況[4]，一般來說，手術(shù)時骨膜完整的病人要比骨膜不完整的病人愈合速度快得多。 3）骨髓：分為紅骨髓和黃骨髓兩種。通常人們所說的骨髓指的是紅骨髓，能制造各種血細胞和各種基質(zhì)細胞[5]，隨著年齡增長，紅骨髓逐漸被脂肪所替代，失去了造血功能，成為黃骨髓。但是在失血過多等情況下，黃骨髓可轉(zhuǎn)換成紅骨髓。4）骨的血管：骨的周圍有著豐富的血管供應(yīng)，血管分布隨著骨的成長變化而變化。骨血管主要作用是為骨提供營養(yǎng)。 5）骨的淋巴管：近代研究證明，骨的淋巴管僅存于骨表面的骨膜內(nèi)，而在骨的內(nèi)部并未發(fā)現(xiàn)淋巴管[6]。 6）骨的神經(jīng)：骨的神經(jīng)多分布在骨膜上，一般伴隨著血管分布。其主要作用是用來傳遞信號。 7）關(guān)節(jié)軟骨：存在于骨骺端表面，光滑有彈性，主要作用是用來維持關(guān)節(jié)靈活運動。  
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1.2   骨折與振動促進骨折愈合理論 
骨折是骨科中最常見的疾病，在生活中發(fā)病率極高，通常發(fā)生在兒童和老人身上。嚴重骨折會帶來各種并發(fā)癥，甚至?xí)＜吧�，給骨折患者帶來了極大的痛苦和負擔(dān)。如何促進骨折愈合、提高骨折愈合質(zhì)量一直是骨科研究領(lǐng)域中重點研究方向，而振動對骨折愈合的影響也一直是國內(nèi)外研究者重點研究方向之一。 本小節(jié)將討論骨折的基本概念和骨折愈合理論，并簡單闡述國內(nèi)外關(guān)于振動促進骨折愈合理論的研究。骨折分類標準很多，如按照骨折破碎的程度分成完全骨折和不完全骨折；按照骨折復(fù)位后穩(wěn)定情況分成穩(wěn)定性骨折和不穩(wěn)定性骨折；按照骨折后的時間分成新鮮骨折和陳舊骨折；按照骨折出是否露出體外分成閉合性骨折和開放性骨折；按照骨折線形態(tài)分成裂紋骨折、青枝骨折、橫形骨折、斜形骨折、螺旋形骨折、粉碎性骨折、嵌插骨折、骨骺分離、壓縮骨折和凹陷骨折（圖 1.3）。不同的分類標準，其目的是為了明確骨折的性質(zhì)，從而更好地治療骨折[18,19]。 
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第2章   Micro-CT 技術(shù)與有限元技術(shù) 

2.1   Micro-CT 技術(shù) 
計算機斷層掃描技術(shù)(Computed  Tomography,  CT)是二十世紀最偉大發(fā)明。CT 技術(shù)由于其在檢測物體結(jié)構(gòu)上的優(yōu)越性，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥學(xué)、材料學(xué)、考古學(xué)等各個領(lǐng)域。隨著人們對影像技術(shù)的要求越來越高，應(yīng)用于科學(xué)研究的高分辨率的 CT，即 Micro-CT 應(yīng)運而生。 本小節(jié)簡單介紹了 Micro-CT 的定義、系統(tǒng)組成及成像原理，并在之后討論了 Micro-CT 在骨科中的應(yīng)用和研究。目前關(guān)于 Micro-CT 的定義還沒有統(tǒng)一。工業(yè)使用上[48]將 CT 分為常規(guī)CT(1000?m)、高分辨率 CT(100?m)、超高分辨率 CT(10?m)和顯微 CT(1?m)。陳惟昌[49]和桂建保[50]把 CT 分為宏觀 CT 和顯微 CT，但是他們對各自分辨率的界限的限定并不統(tǒng)一。通常上我們都沿用醫(yī)學(xué)的分類方法，把 CT 劃分為宏觀 CT (>350?m)、小型 CT (100~350?m)、顯微 CT (1~100?m)和納米 CT (<1?m)[51]，即把分辨率為 1~100?m 的 CT 稱為 Micro-CT。 不同密度物體對 X 射線的吸收程度不同，其強度成指數(shù)關(guān)系衰減。Micro-CT成像原理就是利用物體對 X 射線吸收衰減特性，對樣本進行全方位掃描，由 X線接收器接受被吸收后的帶有各部位密度信息的 X 射線并加以處理，最后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出到圖像處理系統(tǒng)中，利用 CT 重建算法重建圖像。獲得投影數(shù)據(jù)和衰減系數(shù)分布的過程是基于 Beer-Lambert 定律和 Radon 變換及其反變換這兩大基本理論來實現(xiàn)的[55]。 
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2.2   有限元技術(shù) 
有限元技術(shù)是計算機出現(xiàn)后發(fā)展的產(chǎn)物，出現(xiàn)之初[63]就解決了在當時用傳統(tǒng)解析方法無法解決的工程難題。后來借助于計算機的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，成為目前工程力學(xué)問題中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值模擬方法。 本小節(jié)先簡單介紹了有限元法的基本思想和基本解題步驟，之后簡單闡述了有限元法在骨科中的應(yīng)用和研究，并說明了有限元法在骨科研究中的優(yōu)缺點。有限元法或稱有限單元法（Finite Element Method, FEM）的基本思想歸納起來就是：化整為零、分段逼近思想。1943 年 Courant[64]使用分段逼近的方法研究扭轉(zhuǎn)性能被公認為是最早的有限元法。 從數(shù)學(xué)角度分析，有限元法的基本思想是通過離散化手段將待求解域分成有限個子域，將偏微分或變分方程轉(zhuǎn)變成代數(shù)方程求解。從力學(xué)角度分析，有限元法的基本思想是利用單元的力學(xué)性質(zhì)，通過離散化手段將連續(xù)的幾何體劃分成有限個單元體的組合結(jié)構(gòu)后求解[65]。 按照其求解過程，有限元法可以分成三種[65]：直接剛度法，即根據(jù)單元的物理意義，直接建立相關(guān)場變量表示的單元性質(zhì)方程；變分法，，即把泛函數(shù)的極值問題轉(zhuǎn)化成線性代數(shù)方程組近似求解；加權(quán)余量法，利用適當?shù)臋?quán)函數(shù)，將微分方程問題轉(zhuǎn)化為數(shù)值計算問題近似求解。 
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第 3 章   動物實驗及實驗數(shù)據(jù)分析 ........ 17 
3.1  實驗前準備工作 ........ 17 
3.1.1  實驗動物的選取 .......... 17 
3.1.2  振動頻率的選取 .......... 17 
3.1.3  手術(shù)構(gòu)建骨折模型...... 17 
3.2  實驗過程 ........ 19 
3.3  待測參數(shù)及統(tǒng)計學(xué)方法 ........ 25
3.4  結(jié)果統(tǒng)計與分析 ........ 27 
3.4.1  骨折愈合的影像學(xué)定性分析及結(jié)果 ........ 27 
3.4.2  骨折愈合的 Micro-CT 三維顯微結(jié)構(gòu)評估及結(jié)果 .......... 33 
3.5  本章小結(jié) ........ 43 
第 4 章   跖骨骨折三維有限元模型建立 ...... 45 
4.1  骨骼有限元建模的研究現(xiàn)狀 ..... 45 
4.2  骨折有限元建模相關(guān)軟件介紹 ........ 45 
4.3  三維有限元模型的建立 ........ 47 
4.4  本章小結(jié) ........ 55 
第 5 章   有限元模型計算與數(shù)據(jù)分析.... 57 
5.1  有限元計算前處理 .......... 57 
5.1.1  分析步模塊（Step） ......... 57 
5.1.2  相互作用模塊（Interaction） ...... 57 
5.1.3  加載模塊（Load） ..... 58 
5.2  有限元計算 .......... 59 
5.3  有限元結(jié)果數(shù)據(jù)分析 ..... 60 
5.4  本章小結(jié) ........ 64 

第5章   有限元模型計算與數(shù)據(jù)分析 

5.1   有限元計算前處理 

有限元計算前，需要對其進行分析步、相互作用關(guān)系及邊界條件的設(shè)定。本小節(jié)將分別討論上述三個方面的工作。本實驗是通過有限元模擬跖骨壓縮實驗，計算其彈性模量。整個壓縮過程一步就可以完成，一共兩個狀態(tài)，初始狀態(tài)和壓縮后的狀態(tài)。用 ABAQUS 實現(xiàn)，即只要新建一個分析步即可。進入分析步模塊，新建一個分析步，名稱 Step-1，分析步類型選擇通用，靜力通用，點擊繼續(xù)按鈕，設(shè)定幾何非線性關(guān)，設(shè)置最大增量步數(shù)為 1000，增量步大小 0.1，最小 1E-005，最大 0.1，如圖 5.1 所示。之后編輯場輸出請求，選中作用力/反作用力下的反作用力 RT。上表面僅保留縱軸方向 U3 位移自由度，其他自由度均為 0，初始狀態(tài)，z=0，終態(tài) z 值等于 5%的應(yīng)變值。由于參考點 RP-1 與上表面是耦合關(guān)系，故對上表面所有節(jié)點的操作相當于對參考點的操作，故直接將上表面的邊界條件加載在參考點上即可，如圖 5.4 和圖 5.5 所示。在 ABAQUS 作業(yè)模塊中新建一個分析作業(yè)后，提交作業(yè)后，ABAQUS 會自動計算輸出場中所設(shè)置的待求變量，即 RT 值。有限元分析計算的速度與增量步大小、數(shù)量、及電腦內(nèi)存、處理器等都有關(guān)系，可以通過設(shè)置這些參數(shù)適當提高計算速度。 計算完畢后，使用可視化模塊中 XY 數(shù)據(jù)列表功能，繪制力與時間的關(guān)系圖（圖 5.7），并使用編輯查看功能，查看力的具體大�。▓D 5.8），記錄下來。 

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結(jié)論 

基于上述動物實驗及后續(xù)數(shù)據(jù)處理，我們從宏觀影像定性分析、骨骼微觀結(jié)構(gòu)定量分析及有限元力學(xué)模擬分析作了對比分析，可以得出以下結(jié)論： 
（一）從宏觀影像學(xué)定性檢測分析可知：相比骨折自然愈合，施加低載荷機械振動能夠提高骨折愈合級別，提升愈合質(zhì)量；間歇性施加振動對骨折的愈合效果要優(yōu)于持續(xù)性振動，其中間歇 7 天振動提高了 III 級愈合的出現(xiàn)率，對骨折愈合的促進效果最好。 
（二）從骨骼微觀結(jié)構(gòu)定量分析結(jié)果來看：骨骼健康時應(yīng)該是組織礦物質(zhì)密度、骨礦物質(zhì)密度及骨體積分數(shù)都很高，骨小梁數(shù)量低但厚度大、分離度小的狀態(tài)，我們稱其為“骨完美狀態(tài)”。當骨骼受損（假手術(shù)組與內(nèi)固定組）或遭到骨折時，就會破壞這種完美狀態(tài)，導(dǎo)致組織礦物質(zhì)密度、骨礦物質(zhì)密度及骨體積分數(shù)變小，骨小梁數(shù)量變多、厚度減少，分離度變大。 假手術(shù)組和內(nèi)固定組在組織礦物質(zhì)密度、骨礦物質(zhì)密度、骨體積分數(shù)、骨小梁厚度、骨小梁數(shù)量上沒有顯著差異，但在骨小梁分離度上，內(nèi)固定組要比假手術(shù)組要搞得多，說明鋼板的應(yīng)力遮擋效應(yīng)對骨小梁的分離度影響較大。 與骨折自然愈合相比，施加低載荷機械振動能夠提高組織礦物質(zhì)密度、骨礦物質(zhì)密度、骨體積分數(shù)、骨小梁厚度及骨小梁數(shù)量并降低骨小梁分離度，更有利于骨折愈合，即低載荷機械振動能夠促進骨折愈合。其中間歇 1 天、3 天和 7 天振動能明顯提升骨密度、增大骨體積分數(shù)，間歇 5 天和 7 天能明顯提高骨小梁的數(shù)量，各組對其他量的提升不是很明顯，綜合可知，振動能夠促進骨折愈合，且間歇振動 7 天對骨折愈合效果較好。 
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參考文獻(略)

本文編號：152389