L5新型自稳定人工椎体生物力学性能的有限元分析

目的:采用有限元分析评估L5椎体次全切术后置入新型自稳定人工椎体的力学性能以及对周围组织的影响,为腰骶段脊柱结核等疾病的治疗提供新的选择。方法:提取1名健康志愿者腰骶段CT薄层扫描数据进行三维重建,构建腰骶段(L3-S1)脊柱生理组有限元模型并进行有效性验证。将L5椎体及邻近椎间盘切除后,分别置入新型自稳定人工椎体和钛笼联合侧前方钉棒固定,构建新型假体组和钛笼组有限元模型。对所有模型的S1椎体下表面进行全部自由度约束,在L3椎体上表面给予400N的轴向载荷模拟生理压缩,然后再在L3椎体上表面施加8Nm的弯矩载荷,模拟腰椎前屈、背伸、左右侧弯及左右扭转六种运动,统计分析在不同运动方向上三组模型L4～S1的活动度及L4下终板和S1上终板的最大Von mise应力。结果:新型假体组和钛笼组L4～S1在前屈、背伸、侧弯、扭转方向上的活动度分别为0.38°～0.56°与0.53°～1.41°,较生理组(4.48°～10.12°)同部位活动动度明显减小。新型假体组和钛笼组L4下终板与S1上终板在前屈、背伸、左右侧弯、左右扭转方向上的最大Von Mises应力较生理组均明显增大,新型假体组在上述方向上终板的最大Von Mises应力较钛笼组明显减小。结论:自稳定人工椎体可以较好地重建手术部位的即刻稳定性,有效降低手术部位邻近终板的局部应力,理论上可以降低术后假体的下沉率,但其长期稳定性、抗疲劳性等力学性能尚需进一步研究。     

生物软组织链式结构的力学性质

目的应用一种新的方式描述软生物组织结构,进而研究组织中胶原纤维的力学性质。将一种虫式模型应用于描述胶原微纤维的力学行为。方法应用虫式模型分析了八链体胞的各向异性影响。所用模型在微观层次上,基于长链分子的统计学特性;在宏观层次上,则通过引进一个特征材料主轴方向上横观各向同性八链体胞模型来描述胶原链网状结构。结果以上述模型为基础分析了软组织结构的力学性质,得到了各向异性八链体胞模型的应力应变曲线。结论八链体胞模型对体胞尺度和加载角度有敏感的反应,如果能加入一些生理材料参数,模型将不仅能模拟生物软组织的消极行为,而且能模拟软组织对于力学加载环境的主动响应。     

椎弓根螺钉内固定稳定性的生物力学测试

目的：胸腰椎骨折采用椎弓根螺钉内固定，其疗效与螺钉固定的长度，螺钉的植入方向以及骨密度大小诸因素相关，为此进行生物力学分析，为临床手术提供依据，方法：采用6具成人新鲜脊柱标本，应用实验应力分析手段进行测试。结果：长螺钉的应变比短螺钉应变在压缩，前屈，后伸，侧屈分别小16％，41％，56％，41％，其强度分别提高16％，41％，55％，41％，其脊柱位移分别小18％，25％，32％，30％，轴向刚度分别提高18％，25％，32％，30％（P均＜0．05），骨密度对拔出力的影响，正常组与骨质疏松组相差67％，相应的相对位移，应变，能量两组平均相差均在16％以上（P＜0．05），结论：手术中应注意弓椎根螺钉固定相关因素，这对提高手术质量，减少并发症起着重要作用。     

跟骨骨折成因的力学分析

目的 通过理论分析方法和实验方法研究跟骨骨折的成因。方法 应用材料力学中的弯曲强度理论、剪切强度理论和主要应力理论分析跟骨的应力情况；应用动量原理研究跟骨受冲击时的载荷情况；应用静态压力试验方法测定跟骨的破坏载荷。结果 跟骨上凹坑尖角附近是跟骨最薄弱的环节；跟骨的破坏载荷约为体重的24倍；当人从1.5m高处跳下，足跟先着地时，作用在跟骨上的冲击力可达体重的36倍。结论 当人从高处跳下，足跟先着地时，作用在跟骨上的冲击力非常大，高度越高，则冲击力越大；人从高处跳下时所具有的初速度对作用在跟骨上的冲击力影响也非常大。     

髌骨矢状面截骨术对髌骨倾斜病理应力分布的生物力学影响

目的：研究髌骨矢状面截骨术对髌骨倾斜病理应力分布的影响。方法：采用手术方法将七具新鲜人尸体膝关节标本的髌骨外侧支持带紧缩，造成髌骨过度外侧倾斜，然后进行四个不同截骨角的髌骨矢状面截骨术。股四头肌腱加载200N。分别于正常状态、髌骨倾斜、截骨5°、10°、15°、20°六种工况下，应用压敏片测量髌股关节接触压力与面积。摄屈膝45°Merchant髌骨轴位片，测量髌骨倾斜角，了解髌骨倾斜程度。结果与结论：髌骨倾斜后，髌骨内侧接触面积与压力均减少，外例接触面积与压力均增加，屈膝30°时最显著。截骨10°以上，明显改善了髌骨倾斜的应力分布，其中截骨15°改善较为理想。本实验结果为临床上髌骨矢状面截骨术中截骨角的选择提供了可靠依据。     

Viscoelastic properties of human arteries methodology and preliminary results

In order to study the biomechanical properties of the arterial wall and to compare arteries with different histologic structures, we designed a device that allows testing of arterial segments under near-physiologic conditions. A hydrodynamic generator simulates systolo-diastolic pressures in an open loop. An intraarterial pressure sensor and a sonomicrometer connected to two piezoelectric crystals placed in diametric opposition on the arterial wall allow computer calculation of compliance, stiffness, midwall radial arterial stress, Young modulus, and incremental modulus for a given arterial segment at a given pressure setting. Seven healthy common carotid artery (CCA) segments and seven healthy (superficial) femoral artery (FA) segments were studied immediately after removal from brain-dead donors between the ages of 18 and 35 years. Histologic examination was performed to determine the density of elastic fibers in the arterial wall. Hysteresis was observed in all segments regardless of pressure settings. Compliance was greater and modulus values and stiffness were lower in CCA than in FA. No evidence of structural change was noted after testing in the circulation loop. These preliminary results open the way to a wide variety of applications for our hydrodynamic circulation loop. Experiments will be undertaken to compare the mechanical properties of arteries before and after cryopreservation.

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Propriétés visco-élastiques des artères humaines. Méthodologie et résultats préliminaires

Résumé Dans le but d'étudier les propriétés mécaniques de la paroi artérielle et de pouvoir établir des comparaisons entre des segments artériels de structure histologique différente, nous avons mis au point un banc d'essai hydrodynamique permettant de tester des segments artériels dans des conditions voisines de la réalité physiologique. Un générateur hydrodynamique permettait d'obtenir dans un circuit ouvert un régime de pressions de type systolo-diastolique. Un capteur de pression intra-artériel, ainsi qu'un sonomicromètre relié à des cristaux piézo-électriques placés de façon diamétralement opposée sur la paroi artérielle, permettaient de calculer, pour un régime de pressions donné et grâce à l'acquisition de données dans un système informatique, la compliance, la rigidité, la contrainte trans-pariétale, le module de Young, le module incrémentiel d'un segment artériel. Nous avons étudié sept artères carotides communes (CC), et sept artères fémorales (superficielles) (F) fraîchement prélevées chez des sujets sains âgés de 18 à 35 ans. Des corrélations avec la richesse en fibres élastiques de la paroi artérielle ont été établies. Nous avons mis en évidence un phénomène d'hystérésis pour chaque artère testée quel que soit le niveau de pression considéré. La compliance des artères CC a été plus importante, les modules et la rigidité ont été moins importants et ce de façon significative par rapport aux artères F. Aucune altération histologique n'a été mise en évidence après passage des segments artériels au banc d'essai. Ces résultas préliminaires nous permettent d'envisager de nombreuses applications à ce travail dont l'une d'entre elles sera la mesure comparative des propriétés mécaniques des artères avant et après cryopréservation.

     

Biomechanics of the hip: forces exerted during walking

Summary Since the work of Pauwels, the forces exerted on the coxofemoral joint during walking have been studied either in different spatial planes (frontal, sagittal and horizontal) or by three-dimensional spatial analysis. Starting from the findings of our own studies, our aim was to compare the two methods of analysis (two-dimensional and three-dimensional) in order to provide a better understanding of the benefits and limitations of each method. In pursuit of this aim, we studied the pressure forces exerted on the coxofemoral joint, using a geometric plane technique following a method similar to that of Pauwels [20], and with a three-dimensional modelling technique using the finite element method. The material, taken from the published literature, was the same in both our studies. The results are expressed in terms of the size and orientation of the pressure force exerted on the coxofemoral joint during the monopodal weightbearing phase of walking. A comparison of these two methods of analysis clearly demonstrates the simplicity of two-dimensional analysis (which must incorporate as a minimum the frontal plane and the sagittal plane) and the richness of the three-dimensional analysis. The latter method, by appropriate manipulation of the information obtained, provides a starting point for computer simulations performed with the aim of testing a biomechanical or therapeutic hypothesis.

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Biomécanique de la hanche : les sollicitations à la marche

Résumé Depuis Pauwels, les sollicitations exercées sur l'articulation coxofémorale au cours de la marche ont été étudiées soit dans les différents plans de l'espace (frontal, sagittal et horizontal), soit par des analyses spatiales tridimensionnelles. A partir d'études personnelles, nous avons voulu comparer ces deux méthodes d'analyse (bidimensionnelle et tridimensionnelle) afin de dégager au mieux les apports et les limites de chacune. Pour cela, nous avons étudié les sollicitations en pression s'exerçant sur l'articulation coxofémorale, d'une part selon une étude géométrique plane dont la méthodologie s'apparente à celle de Pauwels [20], d'autre part selon une modélisation tridimensionnelle par la méthode des éléments finis. Le matériel, emprunté à la littérature, est commun à nos deux études. Les résultats intéressent l'intensité et l'orientation de la force en pression exercée sur l'articulation coxofémorale pendant la phase d'appui monopodal de la marche. La comparaison des deux types d'analyse met en valeur la simplicité de l'analyse bidimensionnelle (qui doit combiner le plan frontal et le plan sagittal au minimum) et la richesse de l'analyse tridimensionnelle qui, par la manipulation des informations obtenues, ouvre sur les simulations informatiques, en vue de tester une hypothèse biomécanique ou thérapeutique.

     

Biomechanical activity of the growth plate

Summary The authors analyze at several levels the biomechanical activity of the epiphyseal plate.From a histologic point of view, they show the role played by the different cell layers in growth.The rapid growth of long bones is well known in animals, not entirely in human beings. The factors involved in mechanical regulation of the epiphyseal plate are analyzed according to distraction and compression stresses. Other factors have also been reported (periosteum and muscle).Analysis of the literature reveals that biomechanical activity and the factors managing growth are not well known yet.A combined effort should be made to obtain better understanding of the surgical procedures carried out in pediatric orthopedics.

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Comportement biomécanique du cartilage de croissance. Incidences cliniques

Résumé Les auteurs analysent le comportement biomécanique du cartilage de croissance à plusieurs niveaux.Sur le plan histologique ils montrent le rôle joué dans la croissance par les différentes couches cellulaires.La vitesse de croissance des os longs est bien connue chez les animaux et difficile à apprécier chez l'homme. Les facteurs intervenant dans la régulation mécanique du cartilage sont analysés en fonction des contraintes en compression et en détraction. Les autres facteurs (périoste et muscle) sont rapportés.L'analyse de la littérature montre combien le comportement mécanique et les facteurs régissant la croissance sont mal connus et mériteraient un effort de recherche conjugué pour mieux comprendre la portée des gestes chirurgicaux en orthopédie infantile.

     

股骨颈骨折不同角度固定的生物力学比较研究

本文通过测量２０个股骨上段标本，Ｘ线片的压力骨小梁系统，按照其骨小梁系统采用低角度固定其股骨颈骨折标本，以临床常用角度固定的股骨颈骨折标本作为对照组，进行静力学测定。股骨上段骨小梁系统与股骨纵轴线所成角度均数为１５４．７±１．９度，骨小梁系统与股骨外侧骨皮质交点到大转子距离均数为７．３±１．０ｃｍ。低角度固定组承载力及最大承载力明显大于对照组（Ｐ＜０．０５），且有更小的旋转移位（Ｐ＜０．０５）。本研究将低角度固定概念量化，对股骨颈骨折内固定的使用有显著的临床指导意义。