人体胸腰椎体冲击损伤的生物力学研究毕大卫1王伟2费骏3祖罡1

人体胸腰椎体冲击损伤的生物力学研究毕大卫1王伟2费骏3祖罡1 人体胸腰椎体冲击损伤的生物力学研究 123113毕大卫 王伟 费骏 祖罡 陈亿民 魏威 (1.杭州师范大学医学院附属萧山人民医院, 浙江 杭州311200;2.浙江萧山医院;3.杭州市红十字会医院;) 摘要:目的 探讨人体脊柱胸腰椎在冲击载荷作用下引起的爆裂骨折的生物力学机制及损伤 特点。 自2009年9月至2009年10月，采集10具新鲜人体脊柱胸腰椎标本，进行动 态冲击生物力学实验，建立其动力学实验模型，观察在动态冲击载荷作用下，发生静态和动 态冲击响应的相关数据。结果 胸腰椎平均冲击载荷为14425.60?1101.52N，加速度为36.80 ?2.81g，损伤阈值，动荷系数为2.19?0.44，根据实验结果，得到了高速冲击载荷作用下， 人体胸腰椎的静态和动态冲击响应，测量了人体脊柱胸腰椎冲击动力学性质，胸腰椎体的压 缩性变形爆裂骨折的生物力学机理。结论 胸腰椎爆裂性骨折是由高能量瞬间释放所导致的 严重损伤，生物力学受力作用呈脉冲式变化，胸腰椎体具有生物材料的粘弹性性质。 关键词:胸腰椎骨折;冲击损伤;生物力学 Biomechanics Research of Thoracic and Lumbar Burst Fracture for impact Trauma Abstract Objective In this paper to investigate injuring mechanisms of the thoracolumbar vertebrae during the impact loading caused by the burst fracture morphology and biomechanical mechanism. Methods From September 2009 to October 2009，an experimental model consisting of dynamic of thoracolumbar vertebrae was established: Ten Fresh cadaves human thoracolumbar vertebrae were performed for impact experiments. Results The average impact load of thoracolumbar 14425.60 ? 1101.52N, the acceleration of 36.80 ? 2.81g, damage threshold, dynamic load factor of 2.19 ? 0.44，According to the results of a series of biomechanical experiment obtained under high-speed impact loading, the human thoracolumbar vertebrae static and dynamic impact response, measuring the impact of the human body dynamic nature of the thoracolumbar vertebrae, the thoracolumbar vertebrae burst fracture of the compression deformation of the biomechanical mechanism. Conclusion Thoracolumbar burst fracture is caused by the release of high-energy moment of serious injury, the role of biomechanical stress pulse was changed, thoracic vertebrae with the viscoelastic properties of biological materials. 项目基金:杭州市医药卫生科技计划项目(编号:2008B0092) 通讯作者:毕大卫 E-mail:david1125hz@yahoo.com.cn 1 Key words:thoracolumbar vertebrae fracture;Impact damage;Biomechanics 随着现代建筑业及交通业的迅猛发展，高能量暴力所致的脊柱骨折的发生率呈逐年上升 [1]趋势。胸腰椎爆裂性骨折是临床常见的人体脊柱损伤之一，常导致脊柱严重失稳和不同程度的脊髓神经损伤，遗留严重后遗症。目前，国内外在胸腰椎爆裂骨折动态冲击领域中的研 [2]究较少 。自2009年9月至2009年10月，我们在总结以往生物力学研究的基础上，进行了一系列胸腰椎爆裂骨折动态冲击生物力学实验，旨在建立胸腰椎体动态冲击损伤动力学模型，给出人体胸腰椎体骨结构的耐受力冲击曲线，得出人体胸腰椎体的损伤阈值，冲击加速度及动态响应特性及其损伤机制，为寻求恢复和重建脊柱功能提供理论依据。 1. 材料与方法 1.1实验动物与分组 采集10具因颅脑损伤而死亡的成人新鲜脊柱胸腰段(T-L)离体标本，通过肉眼与103 摄X线片进行标本质量评估，排除外伤、肿瘤、结核、畸形等脊柱疾患及退行性病变，确定标本骨质量没有显著差异。剔除附着的肌肉、肋骨、脂肪和结缔组织等结构，保留脊柱的韧带和小关节的完整，将所有标本上下两端灌注骨水泥(PMMA)平台，于-20?冰箱中保鲜袋密封保存待用，测试前室温下(20?-25?)解冻。 按完全随机将所有标本平均分为冲击动力学实验组和静力学对照组。 1.2实验仪器及材料 静态力学测试选用W-10红山万能试验机。动态冲击试验选用无锡702所LC-06落锤式冲击加载机，以三角形波为动态加载波，，记录设备为美国Nicolet-DAS Odyssey-xe 波形分析仪(2DC?100689)，在冲击头侧布置4369号加速度计(灵敏度为21)，冲击波行经多路放大由电荷放大器2635放大后给波形存储器。位移的测定采用高精度数字显示光栅位移传感器，型号KG—101，精度0.01%(上海大学机电工厂生产)。在L椎体前部、中部和后1 部放置三只YZ-4型加速度计，在标本上方安装冲击压电传感器，正面进行冲击时，可得到各点加速度峰值和冲击力峰值，以及冲击力与冲击应变的波形曲线。 动态冲击试验参数根据骨的承载能力及静力学试验结果，确定骨的动态冲击参数，椎体 2冲击的高度以自由落体公式计算h= v/2g=32cm，落锤质量G=骨骼极限载荷/g(加速度)? [7]40kg(估算值)，冲击头速度为2.5m/s, 加速度为30g(估算值)，瞬间冲击时间t=13.75ms 。 1.3 实验方法 取静力学实验组共5具标本，建立静态力学测试模型，在W-10红山万能试验机上进行生理载荷作用下轴向压缩逐级加载实验，记录椎体在不同静力载荷下的载荷-位移关系。 2 取冲击动力学实验组5具标本，在L椎体前方骨皮质处布置动态电阻应变片，采用椎1 [3-6][7]体钻孔预损伤后落锤撞击法建立胸腰椎动态冲击力学实验模型。(如图1所示)，将模型置于冲击加载实验机上进行冲击动力学测试，记录其冲击加速度、冲击力与冲击应变等实验数据。 图1.胸腰椎标本动态冲击力学模型 (图示中:P为落锤质量，KG为动态位移传感器，A、B两点为应变片黏贴点) 1.4观察项目与方法 根据标本的测试结果，观察胸腰椎冲击加速度、冲击力与冲击应变三者之间的关系，比较分析胸腰椎的静态力学性质及动态力学性质，根据测试得出的数据推导胸腰椎的动荷系数，分析动态冲击过程中冲击能量与胸腰椎体形态变化之间的关系，总结椎体发生爆裂性骨折的损伤机制与特点。 1.5统计学处理 实验数据用平均数?差(Χ?S)示，所得结果用计算软件SPSS10中方差分析法(Two-way ANOVA)进行评价，如果有显著性差异再应用POST hoc Bonferroni 多行列法进行统计学处理，以P,0.05作为检验标准。 2. 结果 2.1胸腰椎冲击加速度、冲击力与冲击应变 2.1.1胸腰椎冲击加速度 正面冲击胸腰椎的冲击力呈脉冲式变化，它与冲击加速度曲线呈对应关系，说明胸腰椎具有较好的应力波运动传递作用。 在L椎体上记录到的加速度平均值为36.80?2.81g，第5只标本最小为31.10g，第41 只标本最大为45.60g，每只标本加速度及脉宽值见表1，加速度典型变化曲线见图2。 3 表1. 5只标本胸腰椎冲击试验加速度及脉宽 项目 1 2 3 4 5 加速度(g) 40.60 35.60 31.10 45.60 31.10 脉宽(ms) 19.10 17.70 20.70 19.60 9.37 图2. 胸腰椎动态冲击试验加速度-时间波形曲线 2.1.2胸腰椎冲击力-载荷响应曲线 胸腰椎的冲击力，根据5件标本试验，由压电传感器输入瞬态波形器放大后得到冲击载荷响应曲线，如表2及图3所示。根据所有标本的测试结果, L椎体发生骨折的平均最大冲1 )为14425.60?1101.52N，此时脉宽为17.29?2.04ms。由于人体脊柱是粘弹性材击力F(N 料，各标本吸收能量不同及骨密度不同而有所差异，但曲线基本规律相一致，结果相差甚小，不同冲击力值据统计呈正相关(相关系数r=0.964)。 表2. 5只标本胸腰椎冲击力及瞬时脉宽 项目 1 2 3 4 5 冲击力F(N) 15527 14426 13324 13435 13213 脉宽(ms) 19.10 17.70 20.70 19.60 9.37 4 图3. 胸腰椎冲击力-载荷曲线 2.1.3胸腰椎冲击载荷-动主应变响应曲线 胸腰椎冲击动主应变响应与冲击载荷响应相对应，载荷越大，胸腰椎上产生的动主应变就越大。图4测量结果表明，人体胸腰椎载荷-动主应变之间的关系呈非线性变化。当胸腰椎承受冲击载荷时，应力波沿胸腰椎传播时，与冲击脉冲持续时间相对应而衰减，一旦撞击周期在胸腰椎上产生共振现象，就会导致椎体部骨折的加速，即在椎体处积累能量而导致骨折。 表3. 5只标本胸腰椎上最大动主应变与脉宽 项目 1 2 3 4 5 动主应变(με) 1191 1138 1212 1218 1219 脉宽T(ms) 19.10 17.70 20.70 19.60 9.37 图4. 胸腰椎的冲击动力主应变响应曲线 2.2胸腰椎的动态力学性质 胸腰椎在冲击载荷作用下，由于加速度的存在，惯性力很大，椎体骨折极易产生，这与静态力学实验有很大差异。根据胸腰椎的静态载荷试验(见图5):胸腰椎的极限载荷为6590?249.20N，极限位移为20.60?2.57mm，屈服载荷为5280?354.2N，屈服位移为13.32?2.07mm，加载速度为0.02g，标本之间差异P,0.05。而胸腰椎的动态力学性质其平均极限载荷为14425.60?1101.52N，载荷平均作用时间为17.29?2.04ms，平均加速度为36.80?2.81g，动态位移为45.11?1.13mm，各标本之间差异P,0.05。 5 图5. 胸腰椎静载荷试验曲线 根据胸腰椎体冲击动力学特性中机械能守恒定律可推导得到静应力σj与动应力σd， [8]静应变Δj与动应变Δd之间的关系式为: σd=Kdσj Δd=KdΔj 其中，Kd为动荷系数，h为落锤高度 1/2 Kd=1+(1+2h/Δj) 由此，根据本实验可得出胸腰椎的动荷系数为2.19?0.44。 胸腰椎在高速受载时，较大的冲击能量不能通过一条骨折裂隙达到快速释放，从而发生粉碎性、脆性状态骨折，并产生广泛的椎旁软组织及后纵韧带损伤，累及脊髓神经的损害。根据试验中冲击能和应变关系值(见表4及图6)，从一系列胸腰椎冲击能与动应变响应曲线中可以看到，随着冲击能量的增加，应变随之增加，达到动态极限时胸腰椎产生爆裂性骨折形态。 表4. 胸腰椎的冲击能量值 编号 DL1 DL2 DL3 DL4 DL5 能量V(J) 9.25 8.21 8.07 8.18 8.05 动主应变(με) 1191 1138 1212 1218 1219 6 图6. 胸腰椎动态冲击能与主应变关系曲线 3、讨论 根据一系列胸腰椎的冲击动力学试验结果，其胸腰椎爆裂性骨折的损伤机制和损伤特点 为: 3.1 生物力学损伤机制。胸腰椎在承受正面均匀冲击时，沿脊柱纵轴方向传递应力冲击 波，在胸腰椎最大主应变处发生爆裂粉碎性骨折。胸腰椎平均冲击载荷为14425.60? 1101.52N，加速度为36.80?2.81g，损伤阈值，此时动荷系数为2.19?0.44。这种损伤会 不同程度的累及椎周软组织及脊髓神经损伤。 3.2 爆裂骨折的损伤特点。胸腰椎载荷-动态响应曲线与应变响应曲线呈线性对应关系， 应力波呈脉冲式地变化与传递，骨折处主应变最大，方向与冲击力方向相垂直，到达边界时 存在应力波叠加，反射性质特别明显。胸腰椎在冲击力下表现出粘弹性性质，与一般生物组 [8]织相似 。正是由于骨的粘弹性性质延迟了应力波的传递，这与刚体内冲击作用下会在几 个毫秒内发生骨折有明显不同。相反，胸腰椎破坏载荷应变呈周期性阻尼性衰减，这也正是 骨的高应变率下表现出骨的粘弹性性质的体现。 参考文献: 1(王国正(交通事故伤研究近况.中华创伤杂志，2006，12(3):141 2(David CV, Albert lk, John WM, Injury Biomechanics Research: An Essential Element in the Prevention of Trauma [J].J Biomechanics,1989,22(5):404-407 3(LuWW，cheung KM, Li YW, et al. 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