腰椎关节突关节和椎间盘内应力测量方法的研究

腰椎关节突关节和椎间盘内应力测量方法的研究 第, ,卷 第 ,期 医 用 生 物 力 学 ,,( ( ,, ( , ,, , , ,芷 ,, ,月 ,,,,,,, ,,,匣, , ,,, ,, ,, ,,,,,， ,, , , ,(( , , , , 腰椎 关节突关节和椎 问盘 内应 力 测量 方法的研 究 李 华 侯薇 魁 洪钟靖 林建 中 ? 赵 文成 ? 上 ,, , ( 海第二 医科 走学附属 第九人 民 医院骨科 , , , 上 海理工 走学) ?蔓】 目的: , 探寻动态载荷下对腰椎关节突关节和椎 阐盘 内应力进行直接测量的方法及 为进 一步研 究各 种运 动状态下关 节 内应力 变化规律提 供 实验 基础。 方法 :其可行性 ， 采用 自行研 制 的微 型压 电晶体传 感嚣 ， 对 以长腰椎 节殷作 为研 究对 象 ( 在 六种 工况 下 的讯 号进行 采 集 、转换 舟 结和 舟析 。 析和检验 转 出讯 号和仪 器 的特性 。 果 :实验 中我 们得 到是 一种复 杂曲非周 期 性瞬 态 更敏度 高 、 应频 率大 、讯 号。整个 实验装置 具有 拾取 动态讯 号 、 响 稳定性 高和 重复 性好 的特 性。结 本论 : 方 法是一种 新 的可行 的生物力学 研 究方 法， 更 更实 际地 反 映关 节 内的应力变 化。 若健调 关节宪关节 腰椎 问直 接 盘 生物力学研究 动态载荷 应力 究其 原因 ( 腰 椎疾患 在 临床 上非常 多见 ， 主要 是 由于腰 椎 在整 个脊 柱 中承 受的 负荷 最 大 ，同 当 易 进时生 理括动 范屡 相对 较 大 ， 承受异 常 活动 和应 力 时 ， 出现 损 伤和退 行性 改变 ， 而影 响腰椎 从稳 定性 。腰推关 节央 关 节 和椎 闻盘是 节段 的重要组 成部分 ， 功能上 可称之 为“三关节 ( 睁，复合体”腰椎 运动 能控,腰椎运动节段的活动 ( 与关节囊 、 承载负荷 ， 腰 韧带共同维持腰椎稳定性 。因此 ( 椎关 节突关节 和桩 问盘 的生物力学 研究 有着非 常重要 的价 值。 但 复习文献我们发现尽管对腰椎关节突关节和椎同盘的生物力学研究已经有较长的历史 ， 尤 因此本 实验 的 目的是探 对 关 节 内应 力进行直 接测 量 ， 其是在动 态载荷 下 的直接测 量极 为鲜 见 ， 妇力 包括 新型微 型传 感器 、 殊的 加载 方法和加 载装 置的 设计 和 寻一种 新 的动态生: 学研 究方 法 ， 特 在, 直接 测量 和采集 关节突关 节 和椎 闻盘 内的 响应变 化。同时 检验这 种研究 方法 运 用 。 动载 荷下 ， 和 整套装置 的特性及可 靠 性 。 材料和方法 一 ( 制造 传感 器的设计 、 和标 定 压 ,)在硅 的 面用 二 氧化 硅 实验 中采 用 了压 电晶体传感 片 。它 的片基 是铜 ， 电晶体 用 硅 (,，,, )(,,纯 化 。当动 载荷作用 于传感 片 时可产生 电荷 ， 且 而在静载 荷 下无 电流变 化 ( 对剪 切 力无 反 应。 ,,, 和 ,,,: 传 感器 采用 ,, , , , 前 后者 用 于关 节 突关 节的测 两种 尺 寸 ， 者用 于椎 问盘测 量 ，量， ( ( ,。传感片表面镀有银层以便于焊接导线 ， , , 厚度为 , —, , 图 采用银浆或铜基锡焊连接( ) 在焊 接后再用 高质 量 的环 氧树脂 封住 。,。为防止操 作时 焊接 导线脱落 ， 传感器的标定采用 由力锤和力度计( ( ( , ,组成,击力加载和测 丹麦 , 公司生产的 丑 ,, ) 中 图 ) ,】量 系统 ( , 。传感 器 加在软垫 和橡胶 垫之 间以模 拟标本 的受力 环境 【。 在 不 同的 冲击力 作用 下， 传蒜器响应讯号通过 白行设计制造的动态响应放大器放大后得到相应电压输 出。 传感器的输 接触 面积 和传感 器的 电阻有关 ，出电压 同 冲击力 、 厚度 由于传感器 材质 相 同 ( 相 同 ，因此在 同一面 积下 输 出 电 压 和冲击 力的关 系呈线 性关 系。 医 用 生 物 力 学 ,卷 第 , 导 晶 体 基 图 ， 传感 嚣 结 构 示 意图 力锤 周 , 传 感 器标 定 示意 图 加 二( 载装 置 为 了在 冲击 载荷下使 标本 在三维 空间 围绕 ,, ,轴旋 转 (作者设计 了一 个 双层铝 合金 框架 ( 层间 由微型滚 动 轴承支撑 ， 证 层 间相对运 动 时摩擦力 底层框 架的铝合 金粱甩螺 栓 固定构 成 ， 以保, (窖 , ,,的高度自由落体方式 ，较小。冲击加载采用 , , 质量的砝码在 ，, 在承载盘上垫橡皮以减少 该 后 左右 反弹 作用 ， 冲击 力透 过一 系列特种 绳索 和滑轮 的搭 配 产生纯 力偶 以保证 实现 前 屈 伸 、 记载 ,佣弯 和左 右旋转 六种运动 。承载盘 下装有力 度计 ， 加 巾击力 。 载装 置下部 是一 台可平动 和转 动的台钳 ， 用来固定标本下部。冲击力由加载装置通过固定在标本上都的加力杆实施加载。 标 , ,, 三( 本的, 备 共选甩 , 选用节段从第一瞬椎到慑椎 ( 具或年人新鲜尸体的脊柱作为实验材料 ， ， )去除 完整保曾所有的韧带和关节囊， 、残存肌冉 ， 以排除存 翎位摄片， 生理盐水纱布覆盖，本， 放人, , 在先天性畸形或退行性变的标 正 双层塑料袋密封 ， ,, ,冰箱 内保存。这种保存方式对椎间盘和骨的 标本 两端 (力学性 能影 响很小 。使用 时在室 温下 逐渐解冻 ， 第一授椎 和低 椎 )分别用环 氧树 脂固 定在特制 的基 座 中备用 。 在 相应 关 节突关 节 后侧 最高 点 (沿关 节间 隙切 开关 节囊 ( (, 将 长约 ,,,， 刀尖插 入 动 将传 感器 插入关 节 内后缝 合关 节囊 。以利关 节间 隙适 当分 后 稍转 开 ， 将 正 椎伺盘 部位 ， 箨 感嚣放在 正前 、 切 畸 使甩前传 感 器外 后 和左 右二翻 的纤维 环内 ， 口也 用丝线缝 合 。为防止 潮湿 等不平 因素 的干扰 ， 再用塑料 薄膜包 裹 。 整 间断 向标 本喷 水 ( 实 验在室 温下进 行 ( 个实验 过程 中 ， 以使标本 保持 一定 的湿 度 。每种运动 每次 动作之 间间隔一 分钟 左 右 ，重复三次 ( 以便椎 闻盘 翱差节蜜 关节部 位的组 织力 学特性 得 以最 大的恢复 。 讯 四( 号 的采 集 和 实验中为将 高阻抗的电荷转换成容易测虽舶低阻抗的屯 压讯号 ，专门设计了多路平行的前 ,置动态晦应放大器 ，它包括 , 路平 行的阻抗 变换 ， 每盛进 行三级放大 ，将微弱的 电压放大 ,, ,,倍 ，,, ,,, 且实 现放 大连续可 调 ，同时附 有纠 正直 流犏置 的 电路 ，以纠 正实 验 中 可能 附有 的 并直 流分量 ， 保证 测量值 的最 大动态 范捆 为保证放 大器免 受 交流电干扰 ， 电源 采 用干电池 驱动 。 第 ,期 腰椎关节突关节和椎间盘内应力测量方法的研究 , , 经前 置放 大器 放大钓 模拟 讯 号 ( 需 ,, 转 这 电压 ) 经模 拟 数字 转换 器 ( ， 板 ) 换成 效字 量 ， 就是 ， 最 ,路 。数据 采集 。,,板能 同时转 换 八路数据 ( 大达 到 , ) , ,,软件 )可 对讯 号进 行 编辑 、 析 、 通过 预装 在计 算 机上 的 随机 和动 态讯号 分析 系统 ( , ， 分 储存 等操 作。 结 果 一 ( 传 感器标定 得 同时 对传感 器的各项 参 数 ( 复性 、 定 每一 个传感器 都需进 行 标定 ， 到相应 的标 定曲线 ， 重 稳 零 滞后性 、 作极 限等 )性 、 点 漂移 、 工 进行 测定 。剔 除质 量不 佳传感 器 。表 ,显示 了 ,号传 感器 的 标定 结果 。 为便 于对测 量数值进 行 准确计 算 以及在 已知传感 器 的输 出讯号 同所 受 的冲击 力相关 ，不 同数值 之间进行 相互 比较 ， 有必要得 出每 个传 感 器 冲击 力 和输 出 讯号之 间的相 关方 程式 。以 , 线作散点图( , ，号传感器为倒， 则可设法得出直线相关方程 图 )发现散点得分布呈直线趋势， , ,,,， , 其 中, , ， , ,,,, , ,得 , ,, 为输 出讯号 ( ,),为冲击 力 。使 用最 小二乘法 ( ,,？ ,, ,, ) 到 ,— , ,,,( ,, 一 ) ) 【 ?( 一 ,, ,,了一 计算得剜 , , ,,,，, , ,, , , , , , 号传感器的相关方程是 ,一 ( ,, , ,, , , ( , ,为 ,号传戆器的 ,( , , , (, ,;, , , ,标定系数，,, , 表明整个方程式有非常显著统计意义。实际计算过程中采用 , ,,,, , ,, ,, , ) , ,, , ,, , , , ,计软件包中线性 回归分析模型进行统计分析。 号奠???主?? 寰, ， 加 二( 载装置 ; ? 在撞 击过 程 中， 动量 定理 以冲击 砝码为研 究对 象 ， 根据 , ,, , , — , ,, 魇 ,表示瑶码撞击束速度。 式中,表示砝码,置， 表示砝码撞击前的睡时速度。 柬 当砝码撞击结,峨 , 则 , ,? 由 自由落体公式 : , 、 ,，, 得 ,、 ,, ， „ , , ,, , , 地 „ ?, 式 中 ,为砝 码 自由落体 高度 。 , ( ? , ( 由载荷时间历程曲线测得 ,, , , 试验中 , ,,, , ,, ， , ,, 约为 ,, , ,, ， , ,通过 加载装 置传 递 到试 故砝码 撞击 受力 , , , 由作 用 于反作用 定律 知撞 击力 办 为 ,, , , 医 物 力 学 第,,卷 验标本 上 的模 拟弯 曲力偶矩 和扭 转力偶 矩分用 生 别 为 后伸 弯曲力矩 摸拟 前屈 、 , , , (, ( , , , , , ,, , , 摸拟 左侧 弯 、右侧弯弯 曲力矩 , , ,(, ( , , , ,,,,, , 右旋扭 转力偶 矩 模拟 左旋 、 , , ，,( , , , , , , ,, , ( , , , ， , , 图 , 微 型 传 感器 标 定 曲线 三(输 出讯号 显示 力 ,通 图 ,为实 验 中所显示 的 动态 讯号一 幅响应 时间 历程 曲线 。其 中 叭 到 , 道 分别 代 表六 ,个不 同 的传 感 器 ，,通 道 为 冲击 砝 码 所 引 起 的 冲击 波 形 。 图 中横 坐标 表 示 时 间 阈 ，每 格 为 , ,( ,,(, ,豪 秒 )。纵坐 标表示 响应 力幅 ， ( ,( , ( 每格 为 , , 工程 单 位 )响应 力 幅 同传 感器输 出讯号 强 其数 值乘 上相应 的标定 系数 就为应力 。弱 直接有美 ( 图 , 力 幅 响应 时 同 历 程 蛆线 砑期性 瞬态 讯号 。相 比较 而言 ，,通道 上.