髋部侧向跌倒体位下股骨骨折测试的方法与仪器化夹具

摘要

本文中，我们介绍了一种利用安装在标准伺服液压框架上的仪器化夹具，对尸体近端股骨进行髋部侧向跌倒构型下骨折测试的实验方案。测试过程中采集了包括力、力矩和位移在内的九个数字化信号，以及两路高速视频流。

摘要

股骨的力学测试为理解骨矿物质密度分布和几何形态等临床可测量变量对股骨力学性能的影响提供了有价值的见解。目前，针对此类几何结构复杂的骨骼，尚无测量其强度和刚度的标准测试方案。为填补这一空白，我们开发了一种对尸体股骨进行断裂测试并测量其生物力学参数的实验方案。本方案描述了一套可调节的夹具，能够适应髋部跌倒构型中可能出现的不同骨骼取向所导致的各种载荷大小和方向、测试速度、骨骼尺寸以及左右腿的差异。股骨样本的制备包括清理、切割、扫描，并使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）包埋远端和大转子接触面，具体步骤见另一独立方案。制备完成的样本被安置在测试夹具中，模拟侧向跌倒时髋部的受力状态，直至发生骨折。测试过程中，两个测力传感器分别测量施加于股骨头和大转子的垂直力，一个六轴测力传感器测量股骨远端骨干处的力和力矩，一个位移传感器测量股骨头与转子接触支撑之间的相对位移。高速摄像机同步记录测试过程中的骨折事件序列。通过对数据的分析，我们得以表征近200例骨质疏松、骨量减少及正常尸体股骨的强度、刚度和骨折能量，为进一步开发基于工程学原理的骨质疏松症诊断工具提供支持。

引言

开发用于评估股骨骨折风险及预防髋部跌倒所致骨折的新方法，需要全面了解骨折发生过程中的生物力学机制。尸体近端股骨强度测试已被证实可有效确定股骨强度与影响股骨结构承载能力因素之间的关系，从而为此过程提供重要见解^1,2,3。实验测得的股骨强度还被用于验证基于定量计算机断层扫描的有限元分析（QCT/FEA），后者能够无创地估算骨折强度^4,5,6,7。

迄今为止，尚无公认的测试完整股骨标本至骨折的标准流程。为了分离出临床可测量的变量（如骨矿物质密度和几何形态）及其对股骨强度的影响，实验测试必须以受控且可重复的方式进行。尸体股骨形状不规则，尺寸各异⁸，可来源于不同年龄的男性或女性尸体，因此无法使用标准试验机的内置夹具进行测试。在髋部侧向跌倒事件中，大转子承受压缩载荷，而股骨近端可能经历包括压缩、拉伸、弯曲力矩和扭转在内的复杂载荷。此类加载情景的测试增加了实验设计的复杂性。因此，作为测试方案的重要组成部分....

方案

1. 大型装置固定

1. 从机器上拆下标准夹具。
2. 将横梁分开，以便安装自制夹具。
3. 将铝块（图1A中的部件编号1）放置在机器上，并使用两个螺栓将其牢固固定在机器上；铝块中心的孔用于容纳机器的载荷传感器。
4. 将主夹具结构（图1B中的部件编号2）放置在铝块上，并使用4个螺栓将其牢固地连接到铝块上。
5. 在夹具未接触铝块的部分下方放置一个四吨千斤顶，以支撑夹具（图1C）。
6. 将六通道载荷传感器夹具（图1D中的部件编号3）安装到主夹具上，并使用6个螺钉固定。

2. 横梁夹具的安装

1. 使用横梁升降控制将机器横梁设置为绝对零位。
2. 使用7个螺钉将第一块基板（图2B中的部件编号4）固定到横梁上，使其弯曲边缘朝向测试机前方。
3. 使用一个枢轴螺钉安装第二块基板（图2C中的部件编号5）。该螺钉可在测试过程中适配左侧和右侧骨骼。第二块基板（部件编号5）可相对于第一块基....

结果

标准夹具从试验机上拆除后，安装自行设计的夹具。首先安装并固定底部重型夹具（图1），该夹具包含一个延伸臂，用于安装六通道测力传感器，同时可使股骨干保持设定的内收角度。接着安装横梁夹具，该夹具包含两个无摩擦滑动轴承，用于在骨折过程中施加载荷并允许股骨头自由移动（图2）。上部夹具可调节，适用于测试左腿和右腿。所有夹具安装完毕后，安装高速摄像机和照明设备，并对摄像机图像进行焦点、对比度和景深的测试（图3）。随后将所有仪器连接至数据采集单元（DAQ）（图4），并对单轴测力传感器、六轴测力传感器以及线性电位计分别进行功能检查和校准（图5）。之后对所有仪器进行测试，以确认各测力传感器输出信号正常（图6）。接下来将大转子置入丙烯酸夹具.......

讨论

我们提出了一种用于在髋部跌倒构型下对尸体近端股骨进行骨折测试的实验方案，已成功应用于约200个样本的测试。该方案包含多个自主设计的夹具，用于在不同加载条件下进行股骨强度测试。该夹具可适用于左右两侧股骨的测试，并支持不同的测试速度和骨组织方向。在安装夹具和测量仪器后，首先对一根玻璃纤维材质的股骨进行至骨折的测试，以确保所有硬件和软件工具均已正确连接、同步运行，且信号与视频记录正常。在正式进行尸体股骨骨折测试前，将用PMMA包埋固定的股骨干部分夹紧于夹具中。该力学测试方案可实现股骨骨折测试的可重复性和一致性。

测试过程中，股骨干会经历弯曲和扭转变形，而股骨头和大转子则受到压缩。为了避免对试样施加侧向载荷，横梁夹具设计有两个交叉轴承，可在水平面内以极小的摩擦力实现移动。这确保了无论骨骼发生何种变形以及股骨头在测试过程中的空间运动如何，载荷始终垂直作用于股骨头。此外，通过简单旋转一个板状组件，该上部夹具即可适配左侧和右侧股骨，如图2C所示。

底部夹具连接在试验机的底部，用于在.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CT 扫描仪	Siemens	Somatom Definition 扫描仪 (Siemens, Malvern, PA)	CT 扫描设备
定量 CT 模体	Midways Inc, San Francisco, CA	型号 3 CT 校准模体	用于从 CT 图像的 Hounsfield 单位获取骨密度（BMD）值
Hygenic 正畸树脂（PMMA）	Patterson Dental Supply	H02252	受控物质，需经适当批准后方可购买
冷冻柜	Kenmore	N/A	用于骨骼的 -20oC 储存
X 射线扫描仪	通用电气（General Electric）	46-270615P1	X 射线成像设备
X 射线胶片	柯达（Kodak）	N/A	用于显示 X 射线图像
X 射线显影液	柯达 X-Omatic	M35A X-OMAT	用于显影 X 射线图像
X 射线暗盒	柯达 X-Omatic	N/A	用于存放 X 射线胶片
生理盐水（0.9% 氯化钠）	百特（Baxter）	NDC 0338-0048-04	用于保持样本湿润
手术刀和刮匙	Bard-Parker	N/A	用于清除骨骼上的软组织
通风橱	Hamilton	70532	用于在制备用于样本包埋的 PMMA 时提供通风
单轴力传感器	Transducer Techniques, Temecula, CA, USA	LPU-3K; S/N 219627	量程 3000 磅
六通道力传感器	JR3, Woodland, CA	45E15A4	机械载荷额定值 1000 N
线性电位计	Novotechnik, Southborough, MA, USA		用于在测试期间获取线性位移数据
滑动球轴承	Schneeberger	型号 NK	测试夹具的组成部分
力学测试机	MTS, Minneapolis, MN	858 Mini Bionix II	用于股骨压缩测试
照明装置	ARRI		高速视频录制所需
高速摄像机	Photron Inc., San Diego, CA, USA	Photron Fastcam APX-RS	用于捕捉骨折事件的高速视频
Photron FASTCAM 查看软件	Photron Inc., San Diego, CA, USA	Ver.3392(x64)	用于查看高速视频记录
摄像镜头	蔡司（Zeiss）	Zeiss Planar L4/50 ZF 镜头	用于实现高图像分辨率
信号调理板（DAQ）	国家仪器公司（National Instruments）		输入/输出信号连接器
Signal Express	国家仪器公司（National Instruments）	N/A	数据采集软件
笔记本电脑	戴尔（Dell）	N/A	用于监控和采集测试过程中的所有信号