质构仪在骨生物力学检测中的应用

骨是由钙离子和磷所构成的轻基磷灰石结晶沉着于由胶原蛋白组成的基质上而成。骨骼的质量主要由骨矿盐与骨基质之间的比例所决定,反映骨质质量的指标主要有骨骼的强度、弹性、刚度以及骨质的密度等。所以判断骨骼质量的高低,需要测定其生物力学和骨矿盐密度等指标。虽然骨矿盐密度常被用于预测骨折的危险度和评定骨脆性,但是仅有骨矿盐密度并不能准确反映骨质量的高低。如单纯骨矿盐含量的增加,骨质量并不一定相应的增加有时反而降低。骨生物力学是生物力学的分枝它以工程力学的理论为基础,研究骨组织在外力作用下的力学特性和骨在受力作用后的生物学效应是对骨质量评定的一种直接、客观并且可靠的方法。

研究骨质量变化的最终目的在于研究骨骼力学强度的变化和再负荷时骨折发生的可能性大小所以开展骨生物力学的研究,不但有助于对骨质量进行直接评价,也是评价各种对抗骨质丢失措施的最佳方法之一。我们经过几年的探索,根据质构仪(Stevens quality and test systems ，OTS25 型英国)的工作原理和特点,结合工程力学和理论力学的概念和方法,将其应用于骨生物力学的检测.建立了一套比较系统和成熟的检测骨骼生物力学指标的方法并用于多项课题的研究,试验结果比较满意。笔者对用质构仪所测定的骨生物力学常用的指标及意义、试验方法和注意事项等做如下报道。

1.质构仪的构成和工作原理质构仪的主机与微机相连,主机上的机械臂可以随着凹槽上下移动.探头与机械臂远端相接,与探头相对应的是主机的底座,探头和底座有10几种不司形状和大小,分别适用于各种标本。其工作原理是在主机的机械臂和探头连接处有一个力学感应器.能感应标本对探头的反作用力,并将这种力学信号传递给微机 .在应用软件的处理下将力学信号转变为数字和图形显示于显示器上,即直接快速地记录标本受力情况。

2.质构仪检测骨标本的试验:

(1)压缩试验(compressive test):是一种测量骨力学性能的技术.常用于对椎骨的检测。其优点是骨样本受力方向与生理状态相近,使用时简便。缺点是如果与机器接触的标本面不平整,使质构仪对标本施加的力集中于某个局部,影响测定结果。

(2)拉伸试验(tensible test):能准确的测试皮质骨和松质骨的生物力学性状。但该试验由于骨标本的受力方向与正常的生理状态受力方向相反,在研究中使用的较少。

(3)弯曲试验(bending test):该试验常用于测量长骨如胫骨和股骨的力学性能。试验外力作用的方向垂直于标本,主要模拟长骨受到外力作用后.骨骼抵抗能力的大小.是目前试验室最常用的方法。主要有3点弯曲(theree point bending test)和4点弯曲试验(four point bending test)。4点弯曲试验由于要求各加压点上的力度必须相等,技术难度较大，一般不常用。