一種構(gòu)建應力性骨折動物模型的應力加載裝置及加載系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于動物實驗模型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種構(gòu)建應力性骨折動物模型的應 力加載裝置及加載系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 應力性骨折(SF)是一種常發(fā)生于正常骨質(zhì)的疲勞性骨折，由于肌肉過度使用疲勞 后無法及時吸收反復碰撞所產(chǎn)生的震動，而使應力傳導至骨骼造成一種顯微鏡下才能發(fā)現(xiàn) 的微損傷。如果這種微損傷不斷積累，超過機體骨自身修復的能力，就會產(chǎn)生應力性骨折。 應力性骨折常見常見于軍事訓練以及運動員和舞蹈演員的訓練中，不但是軍事醫(yī)學的研究 重點和難點，同時也是運動醫(yī)學重點關(guān)注的研究課題之一。
[0003] 1855年Breihaupt第一次正式發(fā)表了研究長途行軍之后士兵發(fā)生足部應力性骨折 的文章，所以應力性骨折又稱"行軍骨折"。隨后許多科學家也相繼報道了軍事訓練和運動 訓練中不同部位的應力性骨折，包括士兵和跑步運動員中常見的脛腓骨和股骨應力性骨 折，投擲類運動員中的尺骨應力性骨折，以及常見于劃船槳手中的肋骨應力性骨折等。在我 國新兵基礎(chǔ)訓練期間，下肢應力性骨折已成為主要的軍事訓練傷，嚴重影響士兵身體健康 及部隊戰(zhàn)斗力。據(jù)2008年喻樹高和盤振宇對某部1861名士兵進行的軍事訓練致下肢應力性 骨折的回顧性年度流行病學調(diào)查研究結(jié)果顯示，軍事訓練致下肢應力性骨折的全年發(fā)病率 為6.2%，發(fā)病率與軍齡呈明顯負相關(guān)(P〈0.01)，以脛腓骨及跖骨骨折為主，分別占骨折總 數(shù)的49.6%及35.7%，長時間急行軍及5千米越野跑是主要致傷科目，超負荷或短時間內(nèi)超 強度訓練是主要致傷因素。所以，為了降低軍事訓練致下肢應力性骨折的發(fā)生率，改善部隊 官兵的身體健康狀況，提高部隊戰(zhàn)斗力，找到一種能有效應對應力性骨折發(fā)生的方法是刻 不容緩的。
[0004] 然而，現(xiàn)國內(nèi)外應對應力性骨折的治療多是骨折發(fā)生后采取的措施，主要有石膏 固定、手術(shù)治療、長時間臥床休息、制定合理訓練計劃以及應力性骨折相關(guān)知識的普及和宣 講等，而應對應力性骨折問題，預防的意義要遠大于治療，探索有效的應力性骨折預防措施 具有十分重要的軍事效益和社會效益，但目前國內(nèi)外尚未見能夠有效降低應力性骨折發(fā)生 率的醫(yī)學干預措施的相關(guān)報道。為了更好地幫助研究低頻脈沖電磁場聯(lián)合二膦酸鹽進行預 防和生物電阻抗技術(shù)對應力性骨折進行監(jiān)控和預警的方法，建立充分可靠的、科學的應力 性骨折動物模型發(fā)生裝置是非常有必要的。
[0005] 國內(nèi)常見的應力性骨折的建模方法有:游泳訓練法，電刺激跳跑法和跑臺訓練法。 后兩種都是將動物置于跑道或籠內(nèi)，用聲光電等手段刺激動物跑動或者跳躍，但都同樣存 在建模周期長、陽性率低的問題。王炳南和黃昌林用動物跑臺建立的模型，其應力性骨折陽 性率只有22.2%。雖然宋天一等通過對實驗兔施加高電壓刺激迫使其運動，可以調(diào)節(jié)刺激 的頻率和時間以控制實驗兔運動的強度，增大了建模成功率，但也僅為37.5%，仍然未能完 全解決骨折陽性率低、建模周期長的問題，而且，當訓練次數(shù)增加時，動物容易出現(xiàn)耐受性， 影響訓練精度及效果，且實驗動物的死亡率較高。Burr等采用拉伸法建立了兔脛骨應力性 骨折動物模型，實施方式是用夾板將兔脛骨固定住對它施加軸向拉伸應力，同時應變計實 時檢測其應變。該方法能精確控制載荷大小，實時監(jiān)測應變變化。但是，拉伸加載模式難以 模擬生理狀態(tài)下應力性骨折的發(fā)生和發(fā)展。另外，目前所有的應力性骨折建模方法都需要 對實驗動物進行麻醉，這就更加與應力性骨折真實的發(fā)生情況相脫節(jié)。
[0006] 臨床基礎(chǔ)研究需要易得的、標準化的動物模型，然而目前國外的建模方法由于需 要麻醉使過程較為繁瑣費時，國內(nèi)的建模方法則都是通過刺激動物肌肉超負荷運動間接地 對骨骼施加應力，由于每次的刺激起點不一樣，可能造成模型的質(zhì)量參差不齊，模型的陽性 率和標準化都無法滿足要求。因此，應力性骨折動物模型構(gòu)建的關(guān)鍵是提出一種定量、可 控、無需麻醉且成模率高的新型建模方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種構(gòu)建應力性骨折 動物模型的應力加載裝置及加載方法，該裝置載荷強度、時間精確可控，能夠有效提高成模 率。
[0008] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0009] 一種構(gòu)建應力性骨折動物模型的應力加載裝置，包括用于固定實驗動物骨骼的組 織固定單元，在組織固定單元的一側(cè)設(shè)有激光位移傳感器，另一側(cè)設(shè)有應力傳感器，應力傳 感器的另一端設(shè)有線性促動器，組織固定單元、應力傳感器及線性促動器同軸設(shè)置，在組織 固定單元下方還設(shè)有線性導軌。
[0010] 組織固定單元包括定夾頭和動夾頭，定夾頭位于激光位移傳感器一側(cè)，動夾頭位 于應力傳感器一側(cè)，線性導軌設(shè)置在動夾頭的下方。
[0011] 建立動物尺骨應力性骨折動物模型時，組織固定單元包括用于固定實驗動物肘關(guān) 節(jié)的尺骨定夾頭，以及用于固定實驗動物腕關(guān)節(jié)的尺骨動夾頭。
[0012] 建立動物脛骨應力性骨折動物模型時，組織固定單元包括用于固定實驗動物脛骨 上端關(guān)節(jié)的脛骨定夾頭，以及用于固定腳踝的脛骨動夾頭。
[0013] 在脛骨定夾頭上方和脛骨動夾頭上方各設(shè)置一塊用于防止脛骨滑脫的壓片。
[0014] 脛骨定夾頭上方為脛骨長壓片，脛骨動夾頭上方為脛骨短壓片。
[0015] 本發(fā)明還公開了一種可控應力性骨折動物模型構(gòu)建系統(tǒng)，包括上述的應力加載裝 置、實時數(shù)據(jù)采集與處理模塊以及裝載LabVIEW控制程序的PC端；
[0016] 所述實時數(shù)據(jù)采集與處理模塊由信號調(diào)制放大器、線性促動器的運動控制器以及 數(shù)據(jù)采集卡組成，信號調(diào)制放大器將應力傳感器和激光位移傳感器輸出的模擬電壓信號進 行調(diào)制放大并輸入數(shù)據(jù)采集卡的采集通道，數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過 PC端的LabVIEW控制程序?qū)π盘栠M行實時采集、處理與存儲，實時輸出壓力和位移;線性促 動器的運動控制器的輸出端直接通過USB接口與PC端連接，由LabVIEW程序?qū)€性促動器的 位置進行采集和顯示。
[0017] 本發(fā)明還公開了基于上述的可控應力性骨折動物模型構(gòu)建系統(tǒng)構(gòu)建應力性骨折 動物模型的方法，包括以下步驟：
[0018] 1)通過線性導軌調(diào)節(jié)組織固定單元的移動軸距，使實驗動物的待測骨骼置于組織 固定單元內(nèi)；
[0019] 2)通過LabVIEW控制程序設(shè)定線性促動器運動的位移和速度，對實驗動物的待測 骨骼施加一定的應力加載；
[0020] 其中，應力加載采用周期循環(huán)加載方式，基本加載的波形為斜坡加載;在應力加載 過程中，加載的峰值壓力保持一致；
[0021] 3)應力傳感器和激光位移傳感器對實驗動物的待測骨骼所受應力及形變進行實 時檢測，通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)絇C端由LabVIEW程序進行數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲。
[0022]在建立動物尺骨應力性骨折動物模型時，設(shè)置1.5N的預加載、0.8秒的斜坡上升以 及0.8秒的斜坡下降，兩個加載周期之間的等待時間為0.1秒；峰值壓力設(shè)置范圍為30~ 40N，加載周期為4000~5000次。
[0023] 在建立動物脛骨應力性骨折動物模型時，設(shè)置5. ON的預加載、0.8秒的斜坡上升以 及0.8秒的斜坡下降，兩個加載周期之間的等待時間為0.1秒；峰值壓力設(shè)置范圍為50~ 70N，加載周期為5000~7000次
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0025]本發(fā)明公開的構(gòu)建應力性骨折動物模型的應力加載裝置，包括激光位移傳感器、 組織固定單元及線性促動器，組織固定單元與線性促動器之間由應力傳感器連接，以測量 實驗動物骨部所承受的壓縮應力，該裝置載荷強度、時間精確可控，能夠有效提高成模率。 [0026]進一步地，本裝置可以建立大鼠脛骨和尺骨兩種應力性骨折動物模型，可以實現(xiàn) 壓縮、拉伸、壓縮協(xié)同拉伸三種加載模式，適用于動物麻醉和無麻醉兩種狀態(tài)。
[0027]本發(fā)明還公開了基于上述應力加載裝置的可控的構(gòu)建應力性骨折動物模型構(gòu)建 系統(tǒng)，包括應力加載裝置、實時數(shù)據(jù)采集與處理模塊以及PC端LabVIEW控制程序。通過 LabVIEW控制程序的