骨科生物力学参数测试理论及方法研究进展

郭占社，房远勇，梁向党，孙赓

1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京，100191 2 解放军总医院骨科，北京，100853 3 北京军区医院骨科，保定，071000

骨科生物力学参数测试理论及方法研究进展

【作 者】郭占社1，房远勇1，梁向党2，孙赓3

1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京，100191 2 解放军总医院骨科，北京，100853 3 北京军区医院骨科，保定，071000

介绍了骨生物力学参数测试理论近年来的发展，同时对骨生物力学参数测试方法以及相应测试设备的测试原理、优缺点及国内外研究现状进行了详细介绍。最后，展望了其未来的研究方向。

骨科生物力学；生物医学；测试方法；测试设备

0 前言

生物力学（biomechanics）是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。而骨科生物力学（orthopaedic biomechanics）是以骨骼为对象,研究骨的机械运动规律的科学。它通过对骨和骨骼系统力学性质的剖析和研究，不断揭示骨骼生长、发育、畸变、衰退等一系列进程中与力作用之间的相互关系，为预防骨损伤、诊断和治疗骨科疾患、进行骨矫形、骨移植及骨的功能康复提供理论依据。1638年，伽利略发现了施加载荷与骨形态之间的关系，这是有记录的对骨科生物力学进行研究的最早报道。1867年，瑞士教授Herman Von Meyer指出，骨的内部结构和外部形态一样，与其承受的载荷大小与方向有直接关系。该理论促进了骨科生物力学的进一步发展。1884年，德国医学博士Julius Wolff发表了著名的《骨转化的定律》[1]，该著作至今仍是骨科生物力学重要的基础理论之一，大大推动了该领域研究的进展。近年来，科学技术的发展，骨科生物力学已发展成一门门类齐全、多学科交叉的新兴研究领域。骨科生物力学其研究涉及基础力学理论研究、临床实验研究、参数测试理论研究等，并出现了多种用于骨力学参数测试的设备。

本文以骨科生物力学参数研究为对象，对其理论研究、测试方法以及测试设备研究的进展进行了论述。

1 骨生物力学理论研究现状

在骨科生物力学理论研究方面，Julius Wolff早在1884年就提出了一个重要的假说（通常称为沃尔夫定律[1]）：骨在需要的地方就生长，不需要的地方就吸收，即骨的生长、吸收、重建都与骨的受力状态有关。这个重要的思想指出了力学与生命的联系，因此在沃尔夫之后，人们一直为这一论断寻求理论的和实验验证，并取得了较大进展。同时，上世纪七十年代发展起来的均匀化理论是一套严格的数学理论，一直是应用数学领域的研究课题之一。将其用于多元分析力学，建立材料的宏观本构和其微结构的关系，并预测组织的生长和改变，被认为是一条有效的研究途径。它从构成材料的微结构的“胞元”(base cell)入手，假定胞元具有空间可重复性，同时引入宏观尺度和微观尺度，利用渐进分析的方法，从而可以详尽地考虑微结构对材料的影响。Crolet(1990，1993)[2-3]将均匀化理论用于密质骨的分析中。Hollister[4]et al分析了松质骨的几种胞元模式。Ko和Kohn[5]等分别将均匀化理论用于分析螺纹型移植片、骨界面和孔状涂层的移植片和骨界面的力学性质，从而向我们展示了均匀化理论在生物力学的广阔应用前景。

在生理机制理论研究上，Frost和Jee[5-8]等提出骨组织中可能存在着引起骨量重新分配而适应力学环境的机制，称为“Mechanosat”(力学调控系统)。力学载荷作用于骨组织，骨内感应系统把监测到的力学刺激转变为化学信号，由生物力学反馈系统作用于骨组织，通过骨构建和骨霞建来调节骨量，使骨量的分布能更有效地承受外力作用。

在数值理论与算法的研究上，Mullender等[9]在适应性骨再造模拟模型的基础上，将骨再造用数学方法描述为自组织生物控制过程。Carcia等[10-12]提出了一个在力学上比较接近实际的各向异性损伤修复骨再造模型。

骨科生物力学理论研究中的另一分支为在进行细胞、基因层次的力学研究，表现为研究力学刺激对细胞的功能及活性的影响，希望通过一系列研究，除了能对细胞特性了解更加透彻外，亦能理清细胞在受力后的调控机制。寄望能将此种研究结果应用于临床医疗上，实现骨骼生成与吸收作用间的调控，加速骨折的愈合或改善骨质疏松症等常见的骨科临床疾病。Ko等[13]于2000年证实细胞骨架在力量传递过程中扮演着非常重要的角色，能将力量籍细胞骨架迅速传导至细胞内的各个部位。Kaspar 等[14]致力于研究力学刺激对于体干细胞分化的影响，并于2002年发现力学刺激可促进体干细胞分化成为骨母细胞并促进骨母细胞的增殖。此外，力学刺激亦能影响骨母细胞及骨细胞的活性，若增加力学刺激，则可促进骨母细胞对于生长因子、骨形态发生蛋白与骨骼生成相关蛋白质分泌量增加。该研究对当时的相关研究提供了重要的实验数据。由于细胞骨架亦有细胞核，近年来有学者针对细胞骨架在受力后对于基因调控的影响进行研究。

2 骨科生物力学测试方法及测试装置研究进展

在骨科生物力学理论研究进展的同时，随着力学、机械学、电子计算机等技术的发展，骨科生物力学中骨参数的测量也越来越精确。这类测试设备的发展，为相关理论研究提供了重要的实验数据。目前，国内外典型的对骨科生物力学参数测试的设备主要可分为电子万能材料试验机、电阻应变测试系统和光学测试系统等。

2.1万能材料试验机

图1 万能材料试验机Fig.1 Universal Material testing machine

典型的万能材料试验机如图1所示，该类试验机是当今骨性能测试的主要设备之一。它以伺服电机作为动力源，丝杠、丝母作为执行元件，实现试验机移动横梁的速度控制。它操作简单，对实验员要求不高，试验行程可任意定制。该设备可依据测试需要增配不同吨位的传感器、夹具和附件，实现一机多用，完成拉、压、弯、剪、剥离、撕裂、扭转等的功能，实现多种参数测试。

2009年，芦淼等利用该设备进行了滑动椎弓根钉系统稳定性体外生物力学测试[15]。他们比较了滑动椎弓根钉系统与通用椎弓根钉系统对脊柱侧凸固定强度、刚度和稳定性等方面的作用效果，改进现有通用椎弓根钉系统，为临床医学提供了重要依据。同年，胡辉莹、何忠杰[16]等用万能试验机做了人体胸廓胸外按压的力学测试，定性地得出了载荷与胸廓向下位移之间的关系，以及相同力作用下胸骨与肋间连线作用点力的大小关系。这些结论都从生物力学的角度支持了传统心肺复苏胸外按压机制中的“心泵理论”和”胸泵理论”观点。成永忠[17]等于2009年利用该设备开展了外固定器背伸位固定治疗三踝骨折内踝的顶针的力学性能的测试，探讨了外固定器背伸位固定治疗三踝骨折时使内踝骨折稳定的最佳踝关节固定位置。通过实验确定了外固定器背伸位固定治疗三踝骨折时，使内踝骨折稳定的最佳踝关节固定位置是背伸中立位。

万能试验机作为通用的材料实验装置，能够完成常规的拉、压、弯、剪、剥离、撕裂、摩擦系数测量和扭转等功能，也存在较为突出的弊端。如夹具对被测骨骼的夹持效果不好，常造成被测骨骼的滑动或者骨骼试件的破坏，难以测量骨骼的疲劳的性能参数等。但作为最容易获得的力学实验装置，万能试验机在骨力学实验中应用较为广泛。

2.2电阻应变测试系统

图2 电阻应变测试系统Fig.2 Resistance Strain Measurement System

典型的电阻应变测试系统如图2所示。该设备对骨力学参数测试主要是基于电阻-应变效应实现的。电阻-应变效应是指金属导体的电阻在导体受力产生变形（伸长或缩短）时的变化。电阻应变计与弹性敏感元件、补偿电阻一起可构成多种用途的电阻应变式传感器。实现对骨力学参数的测量，其最核心敏感元件为电阻应变计。相对于其它测量方法，该方法具有频率响应好、测量数值范围广、易于实现测量的数字化、自动化和无线电遥测等优点。 Maliniak 等[18]对应变片的粘贴技术进行了研究，实现了体内对骨的应变进行长时间的测试。他们用羟基磷灰石(HA) 包被并用聚砜进行粘贴电阻应变片，固定于狗的股骨上并连接导线，12 周后发现所有的应变片都完好。张建新[19]等采用电阻应变测量法探讨肱骨外髁翻转骨折的发生机制和合理的固定方法，提出肱骨外髁骨折的好发部位是肘关节半屈曲位，骨折后最佳的固定位是屈肘90o前臂旋后卫。许硕贵[20-21]等利用电阻应变计首次对记忆合金内固定器—聚髌器的动态记忆生物力学进行了测试，得到聚髌器的纵向动态加压记忆生物力学力值，并进一步对镍钛合金天鹅记忆接骨器(SMC) 进行测试，通过贴片、标定得到SMC 的载荷—应变曲线，并通过固定新鲜人体肱骨，计算SMC的动态记忆的骨力值。王成等[22]以人离体胫骨中部短斜型骨折的新型动力型Hoffmann外固定器、改良型Hoffmann外固定器、多功能外固定器为实验模型，用电阻应变计法观测三种外固定器固定的强度、刚度、稳定性及应力遮挡率变化。谭远超等[23]采用单钉-沟槽柱翼钢板加WDFC(Wendeng fusion cage)分剐制成单节段和跨节段固定试件，通过用电阻应变计测量证明单钉-沟槽柱翼钢板加WDFC治疗腰椎滑脱复位固定有着良好的稳定性。同时，通过弯扭实验也证明单节段固定抗扭转性比跨节段固定有更好的稳定性。

虽然在利用该设备研究方面取得了较多的研究成果，但该设备测量精度受温度影响较大，测试精度相对较低。因此，需要设计相应的温度补偿电路，以提高系统测试精度。

2.3光学测试系统

图3 骨生物力学参数光学测试系统Fig.3 Optical measurement system of the biomechanical parameters

典型的对骨科生物力学参数光学测试系统如图3所示。该设备对骨生物力学参数测试主要是通过光学的反射、衍射等实现的，目前用于测量骨应力的光学方法主要有曲率法、拉曼光谱法、中子衍射法 、压痕法和X 射线衍射法等。其中X 射线衍射技术是应力测量研究分析中比较理想的测量手段，而其它方法则由于各自可操作性上的缺点受到一定的限制。在利用该方法进行骨生物力学研究方面，Yamamoto 等[24]首次利用光弹性技术对大变形的生物体组织前交叉韧带(ACL) 进行分析，研究了其应力方向、分布，取得了较大的成功。2000年，Antonescu[25]等通过光测力学技术，证实了骨关节炎发生后关节不正常的应力分布的情况，依据该结论，指出了胫骨上端截骨术是对骨关节炎进行病因治疗的方法，并对152例病人的疗效进行观察，发现效果良好。同年，Plath 等[26]利用光测力学技术，并结合有限元分析，对Depuy 公司无水泥假体出现失败率较高的原因进行了分析。取得了较好的实验结果。许硕贵等[20-21]利用三维光弹性技术，对聚髌器固定髌骨骨折的应力场进行了研究。这项结果表明，聚髌器固定后髌骨有全场应力分布，髌下及髌尖部有持续记忆应力存在，而且较其它内固定器械相比，髌骨关节面部有持续记忆应力存在，从而佐证了临床上聚髌器对全髌粉碎骨折、髌骨下极粉碎骨折治疗的优越性。该结果对骨临床医学研究具有非常重要的理论指导意义。

2.4结合三维重构的有限元方法

有限元法是最近发展起来的，继机械法、电测法和光弹法等传统的实验生物力学测试技术之后的一种新的生物力学测试方法，属于计算生物力学测试技术的范畴。随着相关技术尤其是计算机技术的不断发展、更新，有限元技术也得到了飞速发展，其计算精度和建模速度等也得到了很大的提高，已成为该研究必不可少的工具之一。将标本的三维重建、实时检测、三维有限元技术及定量生物力学等技术结合起来，建立起一种既能动态实时显示标本的运动情况又能进行精确的三维有限元分析的实验系统，已成为骨生物力学研究最新的研究方法之一。该研究为骨科提供了一种新的研究方法，使研究者在不使用新鲜人体标本的情况下即可进行骨折、脱位机理的研究，减少了实验者的痛苦。利用该技术，可以进行各种材料如椎弓根钉、钢板或人工椎间盘对机体影响的研究；可以进行术前手术方案的设计；可对截骨后的脊柱进行生物力学评价，以提高手术安全性及减少手术的并发症；可以对骨科手术进行愈后分析，在术后进行植入物植入人体后生物力学特性及疲劳性的分析，并可按不同的分析结果进行不同的处理，减少如断钉、镙钉松动等并发症的发生，使手术更为有效。

在相关研究成果方面，1995年，朱青安等[27]采用计算机视觉原理，在Windows下进行软件编程，完成脊椎三维运动分析系统SPINE2000的研制。该系统可应用于脊柱及其他人体关节的三维运动分析，并精确评价脊柱三维运动。相关研究为脊柱椎弓根器械固定手术可视化研究的展开提供了理论基础。Gignac[28]等于2000年利用有限元方法研究更为有效的三维支具的报道引起了广泛的关注。他们利用多重影像学技术将肋骨、胸骨、骨盆引入有限元模型，分析对于脊柱侧凸施加三维矫形力的最佳方式，取得了较大的研究成果。2005年，Duke[29]等建立了侧凸脊柱、胸廓和骨盆的三维有限元模型，模拟不同的体位以及麻醉状态下脊柱的生物力学特性。该模型使用软组织松弛来体现麻醉效果，模拟的脊柱形态取得了较好的研究结果。2006年，Rohlmann等[30]建立了脊柱侧凸的三维非线性有限元模型，模拟了7个手术矫形方案，分析植入物的力学性质，提出降低头侧螺钉拔出风险的手术策略。分析认为对头端运动节段过度矫正，使最头端的螺钉拔出力量加大，增加了螺钉拔出的风险。

3 发展与展望

随着相关研究的进展，骨科生物力学研究已成为一个新的多学科交叉的研究科学，其研究涉及力学、材料学、临床医学、化学等多个领域，已经从单一的理论研究发展到有限元仿真技术以及相关先进的测试设备相结合的多学科综合考虑研究。同时，随着骨生物力学理论的发展，国内外骨生物力学的测试已经由传统的应力应变测试向着动态测试的方向发展。研究的重点转变成为研究骨骼疲劳理论以及骨骼受到多种复合力作用下的骨力学性能。另一方面，三维重构技术的发展，基于三维重构的有限元仿真技术在骨骼生物力学研究中扮演这越来越重要的角色。相关工程技术例如计算机技术的发展，必将对骨生物力学的发展提供重要的推动作用。

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Development on measuring method for the parameters of orthopaedic biomechanics

【Writers】Guo Zhanshe1, Fang Yuanyong1, Liang Xangdang2, Sun Geng3
1 School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Beihang University, Beijing 100191 2 Orthopaedic Department, General Hospital of PLA , Beijing, 100853 3 Orthopaedic Department of 252 hospital of PLA , Baoding , 071000

Orthopaedic biomechanics, Biomedicine, Measuring method, Measuring device

】This paper introduces the development on the research of measuring theory for orthopaedic biomechanics in detail. Then, the measuring method and corresponding measuring device are also mentioned. Advantages, disadvantages and development for the device are also introduced. Finally, the research prospect for it is introduced.

1671-7104(2010)05-0350-05

2010-06-10

房远勇，E-mail:fangyuanyong@126.com

TH781

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.05.010

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