一種構(gòu)建應(yīng)力性骨折動物模型的應(yīng)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?zāi)Ｐ图夹g(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種構(gòu)建應(yīng)力性骨折動物模型的應(yīng) 力加載裝置及加載系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 應(yīng)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(fù)碰撞所產(chǎn)生的震動，而使應(yīng)力傳導(dǎo)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(fù)的能力，就會產(chǎn)生應(yīng)力性骨折。 應(yīng)力性骨折常見常見于軍事訓(xùn)練以及運動員和舞蹈演員的訓(xùn)練中，不但是軍事醫(yī)學(xué)的研究 重點和難點，同時也是運動醫(yī)學(xué)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(yīng)力性骨折 的文章，所以應(yīng)力性骨折又稱"行軍骨折"。隨后許多科學(xué)家也相繼報道了軍事訓(xùn)練和運動 訓(xùn)練中不同部位的應(yīng)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(yīng)力性骨 折，投擲類運動員中的尺骨應(yīng)力性骨折，以及常見于劃船槳手中的肋骨應(yīng)力性骨折等。在我 國新兵基礎(chǔ)訓(xùn)練期間，下肢應(yīng)力性骨折已成為主要的軍事訓(xùn)練傷，嚴(yán)重影響士兵身體健康 及部隊?wèi)?zhàn)斗力。據(jù)2008年喻樹高和盤振宇對某部1861名士兵進(jìn)行的軍事訓(xùn)練致下肢應(yīng)力性 骨折的回顧性年度流行病學(xué)調(diào)查研究結(jié)果顯示，軍事訓(xùn)練致下肢應(yīng)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(fù)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(fù)荷或短時間內(nèi)超 強度訓(xùn)練是主要致傷因素。所以，為了降低軍事訓(xùn)練致下肢應(yīng)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?wèi)?zhàn)斗力，找到一種能有效應(yīng)對應(yīng)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(yīng)對應(yīng)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(xùn)練計劃以及應(yīng)力性骨折相關(guān)知識的普及和宣 講等，而應(yīng)對應(yīng)力性骨折問題，預(yù)防的意義要遠(yuǎn)大于治療，探索有效的應(yīng)力性骨折預(yù)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(yīng)力性骨折發(fā)生 率的醫(yī)學(xué)干預(yù)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(jìn)行預(yù) 防和生物電阻抗技術(shù)對應(yīng)力性骨折進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警的方法，建立充分可靠的、科學(xué)的應(yīng)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(yīng)力性骨折的建模方法有:游泳訓(xùn)練法，電刺激跳跑法和跑臺訓(xùn)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(yīng)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(dāng)訓(xùn)練次數(shù)增加時，動物容易出現(xiàn)耐受性， 影響訓(xùn)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(yīng)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(yīng)力，同時應(yīng)變計實 時檢測其應(yīng)變。該方法能精確控制載荷大小，實時監(jiān)測應(yīng)變變化。但是，拉伸加載模式難以 模擬生理狀態(tài)下應(yīng)力性骨折的發(fā)生和發(fā)展。另外，目前所有的應(yīng)力性骨折建模方法都需要 對實驗動物進(jìn)行麻醉，這就更加與應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)荷運動間接地 對骨骼施加應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化都無法滿足要求。因此，應(yīng)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(yīng)力性骨折 動物模型的應(yīng)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(yīng)力性骨折動物模型的應(yīng)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(yīng)力傳感器，應(yīng)力傳 感器的另一端設(shè)有線性促動器，組織固定單元、應(yīng)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(dǎo)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(yīng)力傳感器一側(cè)，線性導(dǎo)軌設(shè)置在動夾頭的下方。
[0011] 建立動物尺骨應(yīng)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(yīng)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(yīng)力性骨折動物模型構(gòu)建系統(tǒng)，包括上述的應(yīng)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(yīng)力傳感器和激光位移傳感器輸出的模擬電壓信號進(jìn) 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(jìn)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(jìn)行采集和顯示。
[0017] 本發(fā)明還公開了基于上述的可控應(yīng)力性骨折動物模型構(gòu)建系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)力性骨折 動物模型的方法，包括以下步驟：
[0018] 1)通過線性導(dǎo)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(yīng)力加載；
[0020] 其中，應(yīng)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(yīng)力加載 過程中，加載的峰值壓力保持一致；
[0021] 3)應(yīng)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(yīng)力及形變進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲。
[0022]在建立動物尺骨應(yīng)力性骨折動物模型時，設(shè)置1.5N的預(yù)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(yīng)力性骨折動物模型時，設(shè)置5. ON的預(yù)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(yīng)力性骨折動物模型的應(yīng)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(yīng)力傳感器連接，以測量 實驗動物骨部所承受的壓縮應(yīng)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(jìn)一步地，本裝置可以建立大鼠脛骨和尺骨兩種應(yīng)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(yīng)力加載裝置的可控的構(gòu)建應(yīng)力性骨折動物模型構(gòu)建 系統(tǒng)，包括應(yīng)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