【doc】人脊柱C56、T67、L45椎间盘归一化蠕变函数

【doc】人脊柱C56、T67、L45椎间盘归一化蠕变函数 人脊柱C5.6、T6.7、L4.5椎间盘归一化蠕变 函数 掌寮言zm? t167~168 人脊柱C5.6,T6.7,L4.5椎间盘归一化蠕变函数 罗民唐广志隋福革马洪顺. 1(白求恩医科大学第三临床学院,长春130031) 2(大庆油田总医院,太庆163000) 3(吉林工业太学力学系,长春130022) 擒要报导了对9例19—35岁新鲜C5.6椎间盘,9例新鲜T6.7椎间盘和1O例L4.5椎间盘进 行的蠕变实验研究.模拟人体温36.5c士0.5C,对试样施加300牛顿载荷,测定椎闻盘蠕变效应, 得出应变——时间曲线,经数学处理得出椎间盘蠕变函数和归一化蠕变函数及曲 线. 关键调C5.6椎同盘T6.7推间盘L4.5椎问盘归一化蠕变函数 TheNormalizationCreepFunctionsofC5.6,T6.7,L4.5Interverbral DiscsofHunlanVerrebraiColumn LuoMin'TangGuangzi'SuiFuge:MaHongsun 1(No3cbHHospita1.B越U~iversityo于MedicalSv~ces,Changchu=130031 2(G~alHospitaltheOilbTetd,Daqing163000) 3(dilinUniversityof'echnology,c"#f^130022) AbstaetInthispaperarereportedthecreepexperimenta1studieson9freshC5.6intervertebral discs.9fresh T6-7[ntervertebraldiscsand10L4-5intervertebraldiscsthatweretakenfromthebodiesoften men(aged19?35 years)whohaddiedofheadinjury卜 4hbefore.Bysimulatingthetemperatureofhumanbody(36.5lc?0.5C) andputting300Nloadonthediscs,wemeasuredtheintervertebralcreepeffectsandobtainedt hestrain—time curves, KeywordsC5.6intertebraldiscT67intertebraldiscL4.5intertebtebraldiscNormalization creepfunction 1概述 脊柱是由刚度较大的椎体和刚度较小的间盘和 韧带,通过特殊的构型和连接所成的运动体.椎闻盘 是起着吸收能量和缓冲载荷作用,对于维持脊柱稳 定的关系十分重要.椎间盘损伤和退变极易引起脊 柱不稳.脊柱不稳是当前临床医生和生物医学工程 人员研究的重要课题之一. 本文旨在通过对人体椎间盘蠕变实验研究得出 C5.6,T6.7,L4.5椎间盘与时间相关的不同应变效 应,应变与时间曲线.用数学的方法处理实验数据, 建立椎闻盘的蠕变函数和归一化蠕变函数及曲线. 以期为预防和治疗脊柱疾病和损伤提供科学依据. 2材料与方法 本实验所用的标本分别取自10具因急性外伤 致死的正常国人新鲜尸体脊柱.全部为男性,年龄 19-35岁,平均25岁,平均体重62.1kg.平均身高 1.71M,死者死亡1—4h之内进行解剖,取下脊柱, 立即装入塑料袋.密封后放入.21?低温冰箱内保 存.实验前从冰箱内取出脊柱在室温下解冻.保留 前纵韧带,后纵韧带,暴露出软骨下骨,用骨锯锯下 c5.6,T6.7,L4.5椎间盘.为使试样两端面平整,将 金相砂纸平放在金属平台上,用手工方法研磨.将试 样两端磨平. 蠕变实验在岛津AG—IOTA自动控制电子万能 试验机上进行.未经预调的生物材料都有滞后现象. 说明在变形的过程中有熵改变,故需对试样进行预 调处理.本实验为压缩蠕变实验,故对试样进行压缩 加载——卸载循环实验.本实验是在e=3.4-3.8 应变水平下,最大负载为试样破坏载菏的30的条 件下.分别对每个试样预调15次上机.试验机带有 生物医学工程学杂志第18差 一 35?一250?范围内可调环境温箱,可自动控制温 度.本实验在36.5C-4-O.5?的温度场下进行,将标 本装入有机玻璃缸内,缸内装有pH值为7.4的生 理盐水,放置在试验机工作台上.调整压头,置记器 为一工作方式,其中轴为轴向压缩应力,t轴为 时间.调零后以0.5GPa/min的应力增加速度加载 到300N.L4.5椎问盘平均截面积为1319ram,平均 应力为0.227MPa,T6.7椎间盘平均截面积为 854mm,平均应力为0.35MPa.C5.6椎间盘平均 截面积为490.6ram,平均应力为0.611MPa.达到 300N后使应力保持恒定,随着时间的改变,应变不 断增加,计算机自动控制程序设定.从时间t(.)开 始采集数据,每0.6s采集一个数据,采集lO次.之 后10s采集一个数据,采集40次,之后每135s采 集一个数据.采集5O次,共采集100个数据.历时 7200s.达到设定的时间后,机器自动停机,计算机 输出实验结果,记录器自动绘出应变与时间关系曲 线,打印出实验数据. 3实验结果 3.1蠕变函数 实验测得C5.6椎间盘在=0.611MPa,T6.7 椎间盘是在=0.351MPa,L4.5椎间盘是在%一 0.227MPa时其应变随时间的变化历程.将9个 C5.6,9个T6.7,lO个L4.5椎间盘试样实验值计 算出均值及偏差,并对数据进行拟合.根据e(f) 随时问的变化规律与指数函数的变化情况一致. 0250.50O.75『o0『25『501.752_伽Hh) 圈1蠕变曲线 Fig1Creepcurve 故设 e0)一4+be(1) 由最小二乘法确定a,b令口,6)=e(})一]. 正则方程 I2a+三6=三e# 【2ae一+2(e)6=2e一一… 则得: C5.6椎间盘e(})一12.6%一6.5%(3) T6.7椎问盘e0)一8.8%一3.1%(4) L4.5椎间盘e(})一7.1%一3.O%(5) (3),(4),(5)式分别代了C5.6,T5.7,L4.5 椎间盘的蠕变特性,C5.6,T6.7,L4.5椎间盘蠕变 曲线见图1横轴t为时间,纵轴e是应变值. 3.2归一化蠕变函数 归一化蜗变函数(f)反映试样不同时刻的长 度与原长之比.即|,(})=L(t)/L(O/.由C5.6,9 个试样,T6.7,9个试样.L4.5,10个试样蠕变实验 结果,计算出均值及标准偏差,可各得出C5.6, T6.7,L4.5J(t)的一组实验值J#.把J作为以下拟 台数据的已知值,依其随时间的变化规律亦设 0)一c+d(6) 得出: C5.6椎间盘J0)一1.12—0.06e(7) T6.7椎间盘|,")一1.O8—0.04e(8) L4.5椎间盘|,(})=1.07—0.03e(9) (7),(8),(9)式分别代表了C5.6,T6.7,L4.5 椎问盘蠕变特性,|,(f)随时间的变化见图2. O25O50O75】..125『5OI.752o0I【h) 田2归一化蠕变函数曲线 Fig2NormalIzedcreepe 聃舯m川肿胂似肿肼mm 4讨论 脊柱椎间盘是驱干的主要支柱,椎间盘起着传 递和承受载荷的作用.椎间盘如同一十液压缓冲垫, 起着削弱和缓冲,传递载荷的作用的流变特性是以 组织的蠕变和应力松弛为表现形式. 本实验结果表明,蠕变在最初600s内应变上 升较快,之后缓慢上升.当在03KN载荷作用下,时 间达到7200s时L4.5椎间盘蠕变量为5.8, T6.7椎问盘为7.6,C5.6椎间盘为11.3%,在相 同载荷作用下,C5.6椎间盘蠕变量明显大于T6.7 和L4.5椎问盘,说明椎间盘的蠕变量和其横截面 积有关,在相同载荷作用下横载面积越小,其蠕变量 越大. 当椎间盘承受一常压应力时,其变形不是呈线 性,而是呈指数形式变化,见图1.随着蠕变量增加. 椎问盘剐度不断增加,严格说椎间盘刚度不仅仅由 于力和变形所决定,而且是一个和时间有关的变 量-. 如何考虑推体的粘弹性质作,者曾做过实验, 对同一腰段脊柱在100N载荷作用下椎体的蠕变率 很小,这种低蠕变效应是由组织结构所决定的.因而 可以认为脊柱的蠕变主要是由椎间盘组织的流变特 性造成的.椎间盘组织流变学特性是如何产生的,其 作用方式如何,Virgin"对间盘组织的物理性能进 行了实验研究,在轴向载荷作用下,间盘表面有许多 念珠样水泡,在间盘与椎体之间存在一种固有的液 体交换方式.本实验结果支持蠕变缓慢变化是在载 荷作用下聚和体的不断变化和间盘内液体通过软骨 板不断向推体扩散的结果这一论点. 椎间盘与椎体,韧带等组成脊柱,支持驱干的活 动,维持脊柱的稳定.任何组织都有一定的生理耐受 极限,当超过其耐受极限,就会引起损伤,破坏其稳 定.胸腰段脊柱活动范围较大.且不象胸椎那样受到 肋骨架的有力保护,因此容易受到损伤,颈椎支持头 颅参与枢干活动,活动的角度比其它椎体大,由于其 截面积小及特殊的生理解剖位置,颈椎暴力损伤和 颈椎病的好发部位为C5.6椎问盘.在载荷作用下, 维持脊柱稳定主要靠椎问盘的粘弹特性,当超载时, 变形恢复的时问较长,长时间的超负荷运动会引起 脊柱椎间盘产生退变性损伤.所以应尽量采取低负 荷,短周期循环方式,有力于脊柱的稳定. 应力持续时间在临床上对各种疾患的治疗具有 重要意义.当椎间盘等软组织在低应力下持续一段 时间后产生蠕变,这对治疗脊柱侧凸是很有用的.在 治疗脊拄侧凸时,无论是内固定疗法,还是外固定疗 法,都可以利用软组织蠕变这一粘弹特性,外固定治 疗脊柱倒凸,利用石膏或支架结构施加持续低载荷 使软组织蠕变,达到矫正的目的.在使用内固定器械 治疗脊拄删凸时,将内固定器支撑固定在侧凸部位 脊柱上,相当于施加一低应力,随着时间的改变,推 间盘等软组织蠕变,达到矫正的目的.本实验支持内 固定治疗脊柱侧凸用支撑固定的方法,压缩固定相 当于施加压应力,限制了软组织的伸长,支撑固定相 当于施加拉应力,有利于软组织的伸长,达到矫正脊 柱侧凸的目的 参考文献 1冯元桢着.生物力学.北京:科学出版社,1983:155157 2苏立.卢世壁,解其傻等.人『车腰椎问盘牯弹性的实验 研究.生物力学.1986:1:1 3李振宇,马洪顺.姜洪志等.^『车腰段脊柱牯弹特性的实 验研究.中国生物医学工程,1990:9(4)24t 4VirginWJ.Experimentalinvestigationsintothephysical propertiesDftheintervertebraldiscJBoneandJoint Surg(Br),1951;33:607 5寺山和雄.标准整形外科学(第一册).东京:束京医学书 院,1986:l一5 (收稿:200001—25修回:200011—22)