智能骨外固定器轴向动刚度实验研究
发表时间：2010-02-26 浏览次数：615次
作者：赵为民，蔡海潮，李孟源 作者单位：1.洛阳东方医院，河南洛阳 471003 2.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003 3.商丘科技职业学院，河南商丘 476000 【摘要】 目的 探讨半环四针传感型骨外固定器在骨折固定中的应用。方法 采用带传感器骨外固定器及其配套仪器，对尸胫骨—传感器骨外固定器系统的动刚度进行实验研究。结果 研究表明半环四针传感型骨外固定器较两针型的刚度大。结论 在骨愈合初期，粉碎性骨折宜采用四针结构，以避免错位、成角的影响。
【关键词】 骨折固定；动刚度；传感器
Experiment of Dynamic Stiffness on Intelligent External Bone Fixer
ZHAO Weimin，CAI Haichao，LI Mengyuan
Luoyang Dongfang Hospital，Luoyang 471003, China
Abstract:Objective To explore the halfloop & fouracus external fixer in the fracture fixation application. Methods With an external fixer with sensors and instrument, an experiment was studied on dynamic stiffness with the tibias. Results Studies have shown that halfloop & fouracus external fixer compared with twoacus type of stiffness. Conclusion The results will make a proper base for designing and using external fixer.
Key words:fracture fixation; dynamic stiffness; sensors
骨外固定器的固定阶段主要是骨折搭接及塑性修复阶段，它是在一个反馈体系中按照功能需要进行的继发性长周期功能适应修复，因此固定既要保持复位后骨折位置，又要为功能活动创造条件，即从骨生物力学原理出发，提出骨外固定的要求：固定稳定，非功能代替。双杆传感型骨外固定器采用两根骨针夹紧骨折部位，在临床应用中因稳定性差，经常出现骨折断面错位，难以达到牢靠固定，固定器—骨的牢靠固定反映了固定器刚度的要求[1,2]。骨外固定器应用于临床的优势之一是结构轻巧、病人可以下床行走，而且在行走过程中加于骨上的动态载荷可以刺激骨的愈合、提高骨的愈合质量。但当骨折断面由于固定不良(错位、成角等)而存在间隙时，固定针—骨界面可随肢体的运动或负载而产生周期性的载荷，导致固定器—骨系统的刚度下降[3-5]。本文模拟人步态运动，分别测定了半环两针型和四针传感型骨外固定器的轴向动刚度。
1 材料与方法
由力锤、骨外固定器—骨系统（其质量半环四针型m=1.34 kg，两针型m=1.00 kg）、CS1B型动态应变仪、SD5型电荷放大器、PCI2006数据采集器、专用PC机构成实验系统。如图1所示，四根骨针分别穿于上下断骨，旋转加力器，半环产生相对位移，力通过固定杆上传感器、固定于环上的骨针作用于骨上。力锤信号为激励，作用于骨上端，信号输出通过电荷放大器送入计算机。两传感器信号为响应，输出信号通过动态应变仪送入计算机。
试验中依据人体步态运动的特征，采用脉冲激振法，首先旋转加力器对固定器施加一定的预紧力，力通过固定杆上的传感器、固定于环上的骨针作用于骨上。调整好后，在不同预紧力下，用尼龙力锤头敲击骨的上端各12次，记录下电荷放大器及动态应变仪各通道的波形(以预紧力为20 N为例)，并分别作激励与响应的互相关、传递、相干、互功率谱函数。
2 结果与分析
2.1 时域响应分析 图2和图3所示为半环四针型骨外固定器力锤信号和传感器输出信号时域波形图，其中横坐标为时间，纵坐标为幅值。从图3可以看出，不同预紧力下测取传感器的时域响应，其波形均近似典型二阶系统的脉冲响应图形。由激励与响应之关系，经平滑处理得到激励与两传感器的互相关函数（如图4，其中横坐标代表时间，纵坐标代表互相关程度）。
采用互相关函数可评价骨外固定器的响应品质。图中最大峰值偏离y轴的时间即为骨外固定器—骨系统的滞后时间，该滞后时间反映传感器响应的快慢，峰值反映输入、输出信号的相似程度。
2.2 频域响应分析
根据维纳辛钦公式，对图3传感器响应信号进行频域分析来了解骨外固定器在动态外力作用下的振动机理, 以测知其动态特性参数, 从而判断其刚度的大小。分别对各预紧力下的响应测取其传递函数、相干函数和自功率谱，经计算机处理得知，随预紧力的增大，骨—骨固定器系统的固有频率略有增加，半环四针型fn为25 Hz、33 Hz、39 Hz，半环两针型fn为12 Hz、18 Hz、27 Hz，且在不同预紧力下，测力传感器输出与动态力输入近似成线性关系。
2.3 固有频率及动刚度分析
对二阶系统而言，通常情况下机械系统的ξ很小，因此主要考虑系统的固有频率fn，fn=12πkm，k为骨—骨外固定器系统的刚度，m为该系统的质量。则不同预紧力下的轴向刚度计算结果如表1所示。表1 轴向动刚度实验数据（略）
从表1数据可以看出：随着针数和由增加针数带来的附加机构及预紧力的增加，轴向动刚度增大。半环四针传感型骨外固定器的轴向动刚度明显增大(如预紧力为40 N增加350％)，半环四针型固定器传感器的输出与力锤输入信号比半环两针型相关程度增大，而且响应更快。
上述实验研究表明，半环四针传感型骨外固定器具有更坚强的固定作用，在骨愈合初期可以有效避免错位、成角的影响。但上述实验研究是在干胫骨受力条件下进行，某些结论要在临床中进一步验证。
【参考文献】 [1] 李孟源，杨俊英，赵为民. 带传感器骨外固定器的力学特性实验分析[J]. 力学与实践，1999，10（1）：49-50.
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