文摘

本研究旨在调查伪造的机械行为合成midthoracic儿科脊柱活动度(ROM)基础上比猪脊柱的生物标本。的主要兴趣是确保制造合成模型可以模拟生物标本的行为。设计合成儿科脊柱200%比例增大的模型来适应Bionix伺服液压控制的脊柱模拟器。生物力学测试测量ROM和s形曲线的非线性六自由度(自由度),时刻在±4海里标本失败了。结果与猪脊骨(生物标本)。之间的差异发现横向弯曲和轴向旋转合成儿科脊柱比猪脊柱分别为18%和3%,分别,但仍在范围之内。合成脊柱的弯曲延伸相比有点僵硬的猪脊柱有45%的不同。合成儿科脊柱的ROM曲线表现出非线性对所有运动的测量中性区(新西兰)和弹性区(EZ)刚度低于1。“因此,这表明,该合成儿科脊柱表现类似于生物标本,特别是罗。

1。介绍

成人和动物尸体刺如猪、羊、狒狒和小腿是常用的生物力学研究[1- - - - - -5]。多年来,人类脊柱生物力学的理解是基于综合研究成人脊柱(1,3,5]。另一方面,儿科脊柱生物力学信息非常有限是因为困难获得儿科人类尸体。虽然小儿和成人脊柱独特不同的解剖和机械,研究儿科脊柱开始从成人的大小按比例缩小模型儿科大小模型在有限元分析6- - - - - -10]。研究儿科脊柱开始操纵的成年儿科模型有限元模型将成人和儿科脊柱的解剖学差异。虽然成人和儿科刺之间存在明显的差异如椎骨的形态、关节的方向方面更在儿科脊柱水平,从而使它更移动相比成人脊柱和骨化的髓核的椎骨和规模较大的儿科椎间盘相比成人的圆盘。儿科脊柱不是微型成人脊柱;因此,它不能治疗。一些儿科生物力学研究调查仍然使用成人和不成熟的猪脊柱标本由于儿科标本的局限性11- - - - - -13]

发展儿科生物力学分析的主要挑战是儿科实验数据的有限的信息,使直接比较有限元模型。最近,一些研究报告使用儿科的人类尸体调查儿科生物力学响应(3,14]。欧阳et al。15]调查儿科颈脊柱的弯曲和拉伸测试负责人从脖子到2岁到12岁。分散荷载的研究发现,6岁到12岁相比显著增加2到4岁。另一项研究调查失败宽容是由Lopez-Valdes et al。3通过使用人类的儿科和成人胸刺)。类似的研究结果发现Lopez-Valdes等人,7岁的刺耐受性低比15岁的刺。研究表明,15岁的脊柱宽容是与成人脊柱。另一方面,克拉克et al。14)使用羊刺调查生物力学成熟和不成熟之间的差异刺用新生儿和2岁的标本。研究集中在ROM和发现,未成熟的刺(新生儿标本)表现出显著降低罗相比成熟的刺(2岁)。在儿科体内测试中,这些是唯一的研究发现作为指导比较合成儿科脊柱与人类儿科脊柱。儿科人类脊髓组织的这种限制是可以克服的通过开发一个工作合成儿科脊柱。因此,更多的生物力学测试关于儿科刺可以执行期间如儿科创伤机动车碰撞,儿科伤病和其他常见休闲受伤需要儿科标本进行进一步的调查。

发展合成儿科脊柱调查至关重要的机械行为儿科脊柱侧凸等情况下。儿科常见的外科手术病例是早发性脊柱侧凸手术治疗,效果和精度,研究各种儿科脊柱电器仪表的脊柱侧凸通常只使用铁进行了研究,动物刺,或术后需要多年的观察研究11,16,17]。因此,它将有利于工作合成儿科脊柱,可用于脊柱生物力学的设备调查或预先计划的复杂的外科手术治疗。使用合成材料的主要优势是,他们可以根据特定的需求,和他们提供恒定的材料属性。一方面,研究由Suh et al ., Du et al ., Oroszlany这个et al。18- - - - - -20.]证明了胸脊柱是最常见的影响地区超过50%病例在孩子。因此,本研究集中在合成脊柱胸地区的发展,特别是在T4-T8。近年来,合成材料是常用的替代品在生物力学测试中,特别是在骨小梁(21- - - - - -24]。波尔等人开始发展成人合成L3-L5段脊柱模型通过使用3 d打印机,他们发现,尽管在ROM数据有很大的差异,研究声称,该模型可以模拟一个特定的罗罗标准测试应用于尸体(25,26]。目前的研究主要是针对开发工作合成儿科脊柱作为另一个选择在儿科脊柱生物力学测试。关键因素是确保合成模型执行类似于生物模型。因此,本文的目的是研究合成的ROM midthoracic儿科脊柱与猪的脊柱。

2。方法

合成儿科脊柱制造的第一步是物理儿科脊柱模型的发展。由于儿科的实际物理尺寸模型是相对较小的测试与MTS Bionix伺服液压控制的脊柱模拟器,缩放过程被认为是。作者的知识,没有数据儿科脊柱生理ROM的人类存在,特别是在胸区域,因此,必须生成一个实验性的协议通过使用生物标本之前罗合成脊柱的决心。

2.1。儿科脊柱的扩展

另一个重要因素,被认为是在开发合成儿科脊柱是人类儿科脊柱的实际大小。假设儿科脊柱的大小为100%,成人脊柱的大小通常是扩大到141%,脊椎和猪的大小大于成人脊柱平均差50%4,27,28]。因此,猪脊骨大小大约是190%,而儿科脊柱。在这个研究,合成儿科脊柱比例高达200%的儿科脊柱大小适合的大小MTS Bionix伺服液压控制的脊柱系统模拟器在参考大小的猪脊骨,用作尸体控制数据如图1。

儿科脊椎的物理模型从外科医生购买(美国瓦逊岛Inc .)所有地区,而这些椎骨代表青少年组的解剖层面(8 - 9岁)。本研究关注T4-T8以来,五个人椎骨扫描三维(3 d)比例到200%之前选择性激光烧结(SLS)机器制造原型。

2.2。制造合成儿科脊柱

材料来制造合成脊椎被分成三个主要组件,脊椎,椎间盘,脊柱韧带。所有材料在合成儿科脊柱结构,机械地接近人类的数据。这是为了确保最终产品(合成儿科脊柱)可以复制人类行为。为每个组件的细节分析来选择材料的脊柱前作者的出版物,即脊椎[4],椎间盘[5),和脊柱韧带6]。表1总结了所选材料的属性为每个组件的组装合成儿科脊柱。

儿科脊柱合成是捏造一个功能性脊柱单位(前苏联),由两个椎骨,椎间盘,韧带相关联。这个过程始于嵌入周围的皮质骨小梁结构。接下来,两个椎骨内的阀瓣在使用“尖尖的过程”自然结构参考。下一个过程是模具内的脊柱韧带后元素和附加前纵韧带(所有)和后纵韧带(锁相环)在椎体。最后,椎体布满了蜡。所有材料合成儿科脊柱几何和机械接近人类的数据。制造流程总结在图2。

2.3。生物力学测试

提供的材料是否选择制造合成儿科脊柱可以模拟人体脊柱运动,进行了一系列的实验猪脊骨和合成儿科脊柱。

2.3.1。样品制备

六个猪刺从6个月到7个月大的时候提供了从当地屠宰场。格洛斯特的繁殖是一个交叉马鞍峰猪。刺的平均体重是82.34公斤(±4.9千克)。完整的刺刚切割成单前苏联(T4-T5, T5-T6 T6-T7, T7-T8)为每个原苏联三个标本,如图3。所有韧带、椎间盘和椎被保存下来,而肌肉组织被很仔细,冻结在-20°C。前24小时测试的标本被解冻。标本盆栽,确保中间盘与脊椎对齐水平模拟器。顶椎的上半部分和下半部分脊椎底部嵌入在聚氨酯液体塑料(300年顺利投)。

四个前苏联的合成儿科脊柱从T4 T8准备根据制造过程中提到的部分2。2为每个原苏联,与三个标本。所有12个标本盆栽,确保中间盘与脊椎对齐水平模拟器。类似于猪标本,顶椎的上半部分和下半部分脊椎底部是嵌入在液体树脂(顺利投300)。

2.3.2。实验装置

进行了这些实验利用MTS Bionix伺服液压控制的脊柱系统模拟器。标本固定在脊椎的自然姿势模拟器测试,如图4。12个标本测试没有预加载,以避免屈曲的交替序列弯曲/扩展,横向弯曲左/右、下轴向旋转左/右纯粹的时刻。所有标本都是5点测试周期,和前两个周期被视为提前循环。应用力矩和角度位移记录为每个周期。实验在±7.5 Nm的负载1.7度/秒景深,结果在第五循环使用。

所有标本测试获得弯曲、扩展左右横向弯曲,左、右绕轴自转利用MTS Bionix伺服液压控制的脊柱模拟器在类似的实验程序开发猪脊柱前测试。观察合成性能的儿科脊柱,三个标本进行测试直到失败通过使用一个纯的时刻±1海里(0.1度/秒)为所有六个自由度的增加±1海里。结果从这三个标本显示,标本失败在±5纳米,即从脊椎圆盘开始分离。因此,一个假设是有效的罗本研究的儿科脊柱合成在±4海里。剩余的标本检测±4海里与1度/秒的速度。所有标本测试五个周期,前两个周期被视为提前循环和结果在第五周期决定的。

2.3.3。分析罗

罗决定从每个加载方向的s形曲线从第五周期:弯曲,扩展,左右侧弯曲,左右轴向旋转。每个加载方向的典型曲线如图5。箭头指示方向装卸。关键参数曲线的罗总,新西兰罗,新西兰刚度(S1)和EZ刚度(S2)。

从合成儿科脊柱收集测试结果绘制在s形曲线观察是否存在非线性的罗非线性或s形的模式是必要的证明合成儿科脊柱表现出粘弹性行为,通常是发现在生物标本。对所有样本的非线性图形观察,因为它是合成的关键参数来确定性能相比脊柱生物标本。S1 / S2的价值预计将低于1.0证明曲线是非线性曲线,即价值越小,sigmoidicity越强。

3所示。结果和讨论

3.1。罗猪的脊柱

每个原苏联的ROM数据在±7.5 Nm时刻是列于表2。弯曲扩展的数据显示,T5-T6和T7-T8硬度比T4-T5 T6-T7 40%左右。在横向弯曲,前苏联都在良好的协议与区别每个原苏联不到10%。至于自转,区别最大的ROM (T6-T7)和最低罗(T4-T5)是30%左右。有趣的是,T4-T5和T6-T7结果来自相同的标本。在这个研究中,试样2是最灵活的猪脊骨。总的来说,所有前苏联显示相同的模式,即从弯曲扩展增加侧向弯曲和轴向旋转,T4-T5除外。宽interspecimen变异性预计每个原苏联从不同的猪是脊柱标本。

至于罗在±4海里的时刻,它从弯曲扩展增加侧向弯曲和轴向旋转,T5-T6除外。前苏联在每个自由度之间的差异只有20%左右,T5-T6除外。数据表明,在轴向旋转T5-T6最相比其他前苏联和景深。每个原苏联的ROM数据在±4海里的时刻是列于表3。

3.2。罗的合成儿科脊柱

感兴趣的变量S1 / S2的ROM和价值,列于表4。在表4绕轴自转,表现出更多的线性曲线相比其他rom因为S1 / S2的平均值是0.7,1.0被关闭。横向弯曲最非线性曲线观察平均值为0.16。在弯曲和扩展曲线,上面的前苏联(T4-T5和T5-T6)显示更多的线性曲线相比,较低的前苏联(T6-T7和T7-T8)。尽管轴向旋转曲线是倾向于一个线性曲线,S1 / S2的值对所有病例仍然低于1.0,这表明所有六自由度非线性曲线在rom展出。

每个原苏联的第二个变量是罗,罗值显示的模式,出现了不同的前苏联之间的区别。结果可以分为两组,这是上面的前苏联(T4-T5和T5-T6)和较低的前苏联(T6-T7和T7-T8)在所有六个自由度。上原苏联和较低的前苏联在同一范围内所有六个自由度。百分比差异上原苏联和前苏联更低于50%为所有六个自由度。弯曲/扩展的最激烈的运动,其次是横向弯曲和轴向旋转。尽管前苏联之间的差异,但模式出现了类似模式显示在猪脊骨,即罗从弯曲/扩展增加轴向旋转。

4所示。讨论

脊柱的生物力学分析通常是在一个前苏联。尽管测试的一小段脊柱,它可以表现出整个脊柱的特点。由于有限的信息在儿科脊柱的生理ROM,猪的脊柱是一个不可或缺的替代指导生物力学测试。生理罗包括弯曲和扩展,左和右横向弯曲,左和右绕轴自转。对猪进行了一系列测试刺从T4 T8在一个前苏联在±7.5 Nm的时刻在所有六个自由度。所有六个自由度的ROM测量在±7.5 Nm的时刻,是直接与先前的研究相比猪刺Wilke et al。2),因为测试的平均体重猪刺是本研究中使用相同的范围内。

在图6,弯曲/扩展的猪刺在所有前苏联是不同的。弯曲/延长T4-T5和T6-T7 20%不同的研究相比,但在范围之内。相比之下,T5-T6和T7-T8有50%的平均差异,在文学和T7-T8弯曲是唯一的景深范围内。另一方面,横向弯曲和轴向旋转的平均值是在良好的协议,并获得的范围内Wilke et al。2所有前苏联),呈现在图6。

midthoracic所有前苏联地区的平均值(T4-T8)总结在图7在所有六个自由度。横向弯曲和轴向旋转的区别是不到2%,而弯曲/扩展硬36% [7]。弯曲/扩展的显著差异可能会由于猪的重量和大小进行测试。虽然罗在横向弯曲和轴向旋转从这些前苏联文学提供的范围内,平均是低比其他前苏联。Muhayudin等人提出的和白色和旁遮普语,对脊柱解剖标本重量发挥了重要影响维度,随后可能影响ROM和在这个研究中,即它显著影响弯曲/扩展(28,29日]。因此,通过考虑不同的弯曲/扩展当前的研究和文学之间,猪脊骨从这个研究的结果被用于比较分析与合成儿科脊柱。

因为没有人类儿科脊柱的ROM数据,需要进一步分析比较成人的猪罗罗从同一时刻下白色和旁遮普语29日]。图中给出的ROM8平均罗测量从一个前苏联,从T8 T4。正如所料,两组猪数据可比性,除了弯曲/扩展。然而,当与成人ROM相比,范围从60%到90%的差异对所有六个自由度。在横向弯曲和轴向旋转,猪和人类之间的差异成人rom大约在93%和66%,分别。相比之下,弯曲/扩展这项研究与成人有12%的差异,而Wilke等人比成人的大74%。大小的猪刺显然大于成人刺,后来导致一个更大的ROM。然而,样本大小和罗之间的关系不是线性的材料特性,特别是软组织的粘弹性是不同的每个标本。这被认为是当之间的比较分析进行了合成儿科和猪的脊柱。

测试合成儿科脊柱的关键因素是确保绘制曲线显示非线性复制人类脊柱软组织的粘弹性行为。因此,第一个参数是确定EZ刚度的比值(S1)新西兰刚度(S2)。在表4绕轴自转,表现出更多的线性曲线相比其他rom因为S1 / S2的平均值为0.7,接近1.0。横向弯曲最非线性曲线观察平均值为0.16。在弯曲和扩展曲线,上面的前苏联(T4-T5和T5-T6)显示更多的线性曲线相比,较低的前苏联(T6-T7和T7-T8)。虽然轴向旋转曲线是倾向于线性曲线,S1 / S2的值对所有病例仍然低于1.0,这表明所有六自由度非线性曲线在rom展出。

在罗是一个非线性行为的结果从软、硬组织。横向弯曲表现出非线性曲线比例接近0,表明材料选为合成椎间盘复制人类的行为。横向弯曲运动依赖于非线性关节椎间盘的方面少了联系。对于轴向旋转和弯曲/扩展,非线性曲线测量接近1,表明罗往往更线性的。这些运动涉及方面接触,由于刚度往往是硬的骨头。这可能是由于关节假设方面有相同的材料特性为脊柱韧带。

猪的罗相比,合成儿科脊柱±4海里的时刻。合成儿科脊柱的大小(200%)和猪脊骨(190%)10%不同,平均罗预计将有所不同,但仍在相同的范围。两个假设进行了比较分析。的假设是,样本大小和罗之间的关系不是线性的,而合成儿科脊柱是通过使用合成材料制作的,并不一定表现出所有生物软组织的行为。从理论上讲,使用的合成材料合成儿科脊柱应该允许更广泛的运动比成人脊柱。因此,合成儿科脊柱的罗预计将在相同范围内猪脊骨,因为猪罗大于成人ROM(图8)。

一般来说,猪脊骨罗相比是更灵活的合成儿科脊柱在所有六个自由度,有更大的区别在弯曲/扩展了45%。弯曲和扩展将低合成儿科脊柱脊椎比猪因为所有合成儿科脊柱的实验数据相比其他rom相对较低。发现合成的区别儿科脊柱和猪的脊柱侧弯是18%,而只有3%的轴向旋转。

的平均罗在横向弯曲和轴向旋转合成儿科脊柱在可以接受的范围之内,与猪脊骨而弯曲/扩展不同45%。研究的局限性之一是简化合成儿科脊柱椎间盘的形状,可能造成显著差异在弯曲/扩展。然而,合成儿科脊柱罗展出所有六个自由度的非线性曲线,表明罗测量是可以接受的,因为合成儿科脊柱表现出粘弹性行为存在于人类的软组织。从合成儿科脊柱和猪之间的比较分析脊柱,合成儿科脊柱在本研究开发模仿生物标本的行为。未来的工作将考虑使用有限元分析儿科脊柱的调查中需要正确加载生物力学测试获得儿科ROM。

本研究的局限性是没有数据的儿科罗使直接比较和合成儿科脊柱必须从实际尺寸以适应扩大到200%的固定夹脊柱模拟器。虽然是升级模型,儿科的形态学椎仍保持。

5。结论

在目前的研究中,制作合成儿科脊柱前苏联单元测试与MTS Bionix伺服液压控制的脊柱模拟器获得弯曲的ROM,扩展,横向弯曲和轴向旋转。总的来说,合成儿科脊柱的ROM曲线表现出非线性作为新西兰的所有测量和EZ刚度比1以下。罗就比猪脊骨的比较分析通过使用一个类似的大小模型在±4海里的时刻。猪脊骨ROM是比合成儿科脊柱景深,更灵活的差异45%弯曲/扩展,而横向弯曲和轴向旋转合成儿科脊柱脊椎与猪好协议,分别为18%和3%,差异。弯曲/扩展的差异可能是由于人工椎间盘的简化设计,因为它没有反映出独特的形状在椎体为每个单独的前苏联。提出了研究结果表明,制作合成儿科脊柱在所有自由度非线性特征。合成儿科脊柱罗是可以接受比猪脊骨±4海里的时刻,特别是在横向弯曲和轴向旋转。因此,制作合成儿科脊柱尤其是胸地区在这个研究可以模仿生物罗。它可能被用来作为替代的儿科脊柱生物力学研究脊柱畸形有关。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者没有任何利益冲突,可能会影响本研究的结果。

确认

这个研究是高等教育财政支持的,马来西亚,根据基础研究资助计划(德意志联邦共和国/ 1/2020 / TK0 / UNIMAP / 02/20)。