振动促进骨愈合系统的参数识别及动力学特征

摘要

背景:骨折愈合是一个极其复杂的生物学修复重建过程,骨折端局部的力学环境在骨折愈合过程中起着调控作用.目的:设计一部骨应力刺激仪并进行动力学建模及参数的识别.方法:基于振动促进骨愈合的机制,设计了一部骨应力刺激仪.简化成了二自由度带阻尼的弹簧系统强迫振动模型,对振动促进骨愈合系统进行了主要参数的识别(橡胶弹簧的总刚度??的识别,足底肌肉刚度??的识别,足底肌肉阻尼??的识别,克氏针弯曲刚度′的识别),得到了模拟骨痂处的振幅并进行振动促进骨愈合系统实验.结果与结论:①通过理论分析及试验研究并结合样机的稳定工作区间,确定了该系统在激振频率为26-40 Hz、激振力为100-350 N的条件下可使胫骨骨折断端产生轴向微动,在断骨界面产生了一定的力学刺激;②由于仿真时忽略了外固定架对骨痂处振幅的应力遮挡作用,所以仿真结果略高于测试结果.通过拆开外固定架进行测试,拆开后骨痂处的振幅大于完全固定的振幅;③结果表明,骨应力刺激仪可使骨折断端产生有利于骨愈合的微动.在临床上建议使用轴向刚度可调、径向刚度不变外固定支架,可以有效的克服应力遮挡.