【摘要】：目的:通過在光纖布拉格光柵封裝于預先開槽的鋼板上,應用光學測量儀器及方法,連同骨科生物力學實驗儀器,進行生物力學實驗,測量反射光譜變化從而間接測量應力變化。初步探索光纖布拉格光柵封裝在鋼板上進行測量的方法及其在創(chuàng)傷骨科生物力學鋼板應力變化測量中的應用前景,探索光纖布拉格光柵封裝鋼板的封裝形式及其位置在應力變化中的規(guī)律。為光纖布拉格光柵能夠通過進一步研究,應用于臨床,對于骨折斷端固定的牢固程度、術后功能鍛煉的指導以及最終骨折愈合的判定提供客觀的參考依據,而做出初步的基礎研究。方法:選取新鮮羊脛骨10根,脛骨兩端磨平,均制作成為中段橫斷骨折(Fig 2),進行編號1-10,選用8孔上肢內固定鎖定鋼板(山東威高,上肢長骨鎖定內固定鋼板)10塊,分別在其側面及正面進行開槽,開槽深度:0.5mm;寬度:0.5mm;將光纖布拉格光柵分別封裝于兩槽內,對10塊鋼板依次編號1-10,將封裝光纖后的鋼板1-10號分別對應羊脛骨骨折1-10號進行固定,遠近折端分別打入3枚鎖定自攻型內固定螺釘(3.5mm×18mm及3.5mm×20mm),以螺釘在脛骨鋼板對側外露約1mm為準,制作成10組實驗模型。(1)將鋼板側面封裝的光纖布拉格光柵一端連接于1x2耦合器單端口側,將寬譜光源(EDFA)及光譜分析儀(AQ6317B)連接到耦合器另外兩個端口(Fig 1)上,將該實驗模型安裝于生物力學機上,施加垂直壓力載荷,對其進行垂直壓縮實驗,壓力增加幅度約為10±5N,記錄生物力學機載荷、位移變化及光譜分析儀測得的波長變化。(2)以生物力學機對上述模型進行三點彎曲實驗,施加三點彎曲壓力載荷,壓力增加幅度約為7±3N,記錄生物力學機載荷、位移變化及光譜分析儀測得的波長變化。(3)將鋼板正面封裝的光纖布拉格光柵一端連接于1x2耦合器單端口側,將寬譜光源(EDFA)及光譜分析儀(AQ6317B)連接到耦合器另外兩個端口(Fig 1)上,將該實驗模型安裝于生物力學機上,以生物力學機對骨折模型進行垂直壓縮,生物力學機給予模型施加壓力,壓力增加幅度約為10±5N,記錄生物力學機載荷、位移變化及光譜分析儀測得的波長變化。(4)對該正面封裝的光纖布拉格光柵實驗模型進行三點彎曲測量實驗:以生物力學機給予其施加彎曲壓力載荷,壓力增加幅度約為7±3N,記錄生物力學機載荷、位移變化及光譜分析儀測得的波長變化。將其余9組模型分別重復上述四步過程,記錄每組載荷、位移及波長變化。(5)隨機選出一組模型,依次重復5次上述實驗過程,進行同組組內實驗,記錄每組載荷、位移及波長變化。最后將10組模型安裝于三點彎曲狀態(tài),進行破壞性實驗,增加載荷,記錄波長變化情況。意義在于記錄光纖能夠測量的最大鋼板形變位移情況及其所對應的載荷數據。結果:1組間統(tǒng)計分析:將上述每組數據分別進行正態(tài)性檢驗:其中正面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組及三點彎曲壓縮組各組數據符合正態(tài)分布;側面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組及三點彎曲壓縮組各組數據不符合正態(tài)分布。1.1 10組模型在上述四步過程中均出現(xiàn)位移隨載荷的增大而增大;1.2 10組側面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮所記錄的載荷及波長數據進行雙變量秩相關分析,P值均大于0.05,可認為側面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組載荷與波長無直線相關關系;1.3 10組側面封裝的光纖布拉格光柵三點彎曲壓縮所記錄的載荷及波長數據進行雙變量秩相關分析,P值均大于0.05,可認為側面封裝的光纖布拉格光柵三點彎曲壓縮組載荷與波長無直線相關關系;1.4 10組正面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮所記錄的載荷及波長數據進行雙變量直線相關分析,P值均小于0.05,可認為正面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組載荷與波長有直線相關關系;1.5 10組正面封裝的光纖布拉格光柵三點彎曲壓縮所記錄的載荷及波長數據進行雙變量直線相關分析,P值均小于0.05,可認為正面封裝的光纖布拉格光柵三點彎曲壓縮組載荷與波長有直線相關關系。2組內統(tǒng)計學分析:將選出的一組模型所記錄的數據進行統(tǒng)計學分析,將上述每次數據分別進行正態(tài)性檢驗:其中5次正面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組及三點彎曲壓縮組各組數據符合正態(tài)分布;側面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組及三點彎曲壓縮組各組數據不符合正態(tài)分布。5次正面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮所記錄的載荷及波長數據進行雙變量直線相關分析,P值均小于0.05,可認為正面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組載荷與波長有直線相關關系;5次正面封裝的光纖布拉格光柵三點彎曲壓縮所記錄的載荷及波長數據進行雙變量直線相關分析,P值均小于0.05,可認為正面封裝的光纖布拉格光柵三點彎曲壓縮組載荷與波長有直線相關關系。5次側面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮所記錄的載荷及波長數據進行雙變量秩相關分析,P值均大于0.05,可認為側面封裝的光纖布拉格光柵垂直壓縮組載荷與波長無直線相關關系;5次側面封裝的光纖布拉格光柵三點彎曲壓縮所記錄的載荷及波長數據進行雙變量秩相關分析,P值均大于0.05,可認為側面封裝的光纖布拉格光柵三點彎曲壓縮組載荷與波長無直線相關關系。3對10組模型進行三點彎曲破壞性實驗時,每組實驗載荷增加到600-650N時,光譜分析儀采集到的反射光譜中心波長數值開始出現(xiàn)漂移。結論:1光纖布拉格光柵能夠記錄不同載荷下鋼板位移而產生的波長變化;將光纖光柵封裝到鋼板上對長管狀骨骨折鋼板固定后,測量骨端受到載荷發(fā)生位移而造成鋼板產生形變的位移變化是可行的。2不同光纖布拉格光柵封裝形式及位置對于光譜分析儀所測得的波長變化影響很大。3鋼板正面封裝的光纖布拉格光柵無論是垂直壓縮還是彎曲測量的波長與載荷均呈直線相關關系。鋼板側面封裝的光纖布拉格光柵無論是垂直壓縮還是彎曲測量波長與載荷均無直線相關關系。同組模型鋼板側面封裝的光纖布拉格光柵無論是垂直壓縮還是彎曲測量波長與載荷均無直線相關關系,鋼板正面封裝的光纖布拉格光柵無論是垂直壓縮還是彎曲測量的波長與載荷均呈直線相關關系。4組內及組間統(tǒng)計結果相同,鋼板鋼性本身對測量結果無影響,且模型具有可重復性。5當生物力學機載荷達到600-650N時,波長數據開始出現(xiàn)漂移,說明光纖內部結構遭到破壞,增加的載荷到達其極限值。6本實驗證明鋼板正面封裝的光纖布拉格光柵波長與載荷具有極強的直線相關關系,再此基礎之上,可以通過進一步系列實驗及數學模型公式轉換,測量得到不同載荷下,骨折斷端的位移變化,從而為光纖布拉格光柵對于臨床中骨折斷端固定的牢固程度、術后功能鍛煉的指導以及最終骨折愈合的判定提供客觀的參考依據。
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【學位授予單位】：河北醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R687.3

【參考文獻】

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1 程樹春;張艷平;;光纖光柵漏油傳感器在石油工業(yè)健康監(jiān)測中的應用[J];應用光學;2008年03期

2 鄭誠功;;骨科生物力學研究的發(fā)展與現(xiàn)狀[J];醫(yī)用生物力學;2007年04期

3 任可,張春才,許碩貴,唐昊,康慶林,高堂成,張雪松;持續(xù)動態(tài)壓應力對實驗性骨折愈合的影響[J];第四軍醫(yī)大學學報;2004年01期

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本文編號：2389377