質構儀在骨生物力學檢測中的應用

骨是由鈣離子和磷所構成的輕基磷灰石結晶沉著于由膠原蛋白組成的基質上而成。骨骼的質量主要由骨礦鹽與骨基質之間的比例所決定,反映骨質質量的指標主要有骨骼的強度、彈性、剛度以及骨質的密度等。所以判斷骨骼質量的高低,需要測定其生物力學和骨礦鹽密度等指標。雖然骨礦鹽密度常被用于預測骨折的危險度和評定骨脆性,但是僅有骨礦鹽密度并不能準確反映骨質量的高低。如單純骨礦鹽含量的增加,骨質量并不一定相應的增加有時反而降低。骨生物力學是生物力學的分枝它以工程力學的理論為基礎,研究骨組織在外力作用下的力學特性和骨在受力作用后的生物學效應是對骨質量評定的一種直接、客觀并且可靠的方法。

研究骨質量變化的最終目的在于研究骨骼力學強度的變化和再負荷時骨折發生的可能性大小所以開展骨生物力學的研究,不但有助于對骨質量進行直接評價,也是評價各種對抗骨質丟失措施的最佳方法之一。我們經過幾年的探索,根據質構儀(Stevens quality and test systems ，OTS25 型英國)的工作原理和特點,結合工程力學和理論力學的概念和方法,將其應用于骨生物力學的檢測.建立了一套比較系統和成熟的檢測骨骼生物力學指標的方法并用于多項課題的研究,試驗結果比較滿意。筆者對用質構儀所測定的骨生物力學常用的指標及意義、試驗方法和注意事項等做如下報道。

1.質構儀的構成和工作原理質構儀的主機與微機相連,主機上的機械臂可以隨著凹槽上下移動.探頭與機械臂遠端相接,與探頭相對應的是主機的底座,探頭和底座有10幾種不司形狀和大小,分別適用于各種標本。其工作原理是在主機的機械臂和探頭連接處有一個力學感應器.能感應標本對探頭的反作用力,并將這種力學信號傳遞給微機 .在應用軟件的處理下將力學信號轉變為數字和圖形顯示于顯示器上,即直接快速地記錄標本受力情況。

2.質構儀檢測骨標本的試驗:

(1)壓縮試驗(compressive test):是一種測量骨力學性能的技術.常用于對椎骨的檢測。其優點是骨樣本受力方向與生理狀態相近,使用時簡便。缺點是如果與機器接觸的標本面不平整,使質構儀對標本施加的力集中于某個局部,影響測定結果。

(2)拉伸試驗(tensible test):能準確的測試皮質骨和松質骨的生物力學性狀。但該試驗由于骨標本的受力方向與正常的生理狀態受力方向相反,在研究中使用的較少。

(3)彎曲試驗(bending test):該試驗常用于測量長骨如脛骨和股骨的力學性能。試驗外力作用的方向垂直于標本,主要模擬長骨受到外力作用后.骨骼抵抗能力的大小.是目前試驗室最常用的方法。主要有3點彎曲(theree point bending test)和4點彎曲試驗(four point bending test)。4點彎曲試驗由于要求各加壓點上的力度必須相等,技術難度較大，一般不常用。