一种构建应力性骨折动物模型的应力加载装置及加载系统和方法 |
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| 申请号 | CN201610102091.9 | 申请日 | 2016-02-24 | 公开(公告)号 | CN105640665A | 公开(公告)日 | 2016-06-08 |
| 申请人 | 中国人民解放军第四军医大学; | 发明人 | 景达; 罗二平; 张旭慧; 申广浩; 杨永清; 谢康宁; 刘娟; 康飞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种构建应 力 性骨折动物模型的 应力 加载装置及加载系统和方法，属于动物实验模型技术领域。包括用于固定实验动物骨骼的组织固定单元，在组织固定单元的一侧设有激光位移 传感器 ，另一侧设有应力传感器，应力传感器的另一端设有线性促动器，组织固定单元、应力传感器及线性促动器同轴设置，在组织固定单元下方还设有线性 导轨 。本发明还公开了基于上述应力加载装置的可控的构建应力性骨折动物模型构建系统，包括应力加载装置、实时 数据采集 与处理模 块 以及PC端LabVIEW控制程序。该装置 载荷 强度、时间精确可控，能够有效提高成模率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种构建应力性骨折动物模型的应力加载装置，其特征在于，包括用于固定实验动物骨骼的组织固定单元，在组织固定单元的一侧设有激光位移传感器(1)，另一侧设有应力传感器(4)，应力传感器(4)的另一端设有线性促动器(5)，组织固定单元、应力传感器(4)及线性促动器(5)同轴设置，在组织固定单元下方还设有线性导轨(6)。 |
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| 说明书全文 | 一种构建应力性骨折动物模型的应力加载装置及加载系统和方法 技术领域[0001] 本发明属于动物实验模型技术领域，具体涉及一种构建应力性骨折动物模型的应力加载装置及加载系统和方法。 背景技术[0002] 应力性骨折(SF)是一种常发生于正常骨质的疲劳性骨折，由于肌肉过度使用疲劳后无法及时吸收反复碰撞所产生的震动，而使应力传导至骨骼造成一种显微镜下才能发现的微损伤。如果这种微损伤不断积累，超过机体骨自身修复的能力，就会产生应力性骨折。应力性骨折常见常见于军事训练以及运动员和舞蹈演员的训练中，不但是军事医学的研究重点和难点，同时也是运动医学重点关注的研究课题之一。 [0003] 1855年Breihaupt第一次正式发表了研究长途行军之后士兵发生足部应力性骨折的文章，所以应力性骨折又称“行军骨折”。随后许多科学家也相继报道了军事训练和运动训练中不同部位的应力性骨折，包括士兵和跑步运动员中常见的胫腓骨和股骨应力性骨折，投掷类运动员中的尺骨应力性骨折，以及常见于划船桨手中的肋骨应力性骨折等。在我国新兵基础训练期间，下肢应力性骨折已成为主要的军事训练伤，严重影响士兵身体健康及部队战斗力。据2008年喻树高和盘振宇对某部1861名士兵进行的军事训练致下肢应力性骨折的回顾性年度流行病学调查研究结果显示，军事训练致下肢应力性骨折的全年发病率为6.2％,发病率与军龄呈明显负相关(P<0.01)，以胫腓骨及跖骨骨折为主，分别占骨折总数的49.6％及35.7％，长时间急行军及5千米越野跑是主要致伤科目,超负荷或短时间内超强度训练是主要致伤因素。所以，为了降低军事训练致下肢应力性骨折的发生率，改善部队官兵的身体健康状况，提高部队战斗力，找到一种能有效应对应力性骨折发生的方法是刻不容缓的。 [0004] 然而，现国内外应对应力性骨折的治疗多是骨折发生后采取的措施，主要有石膏固定、手术治疗、长时间卧床休息、制定合理训练计划以及应力性骨折相关知识的普及和宣讲等，而应对应力性骨折问题，预防的意义要远大于治疗，探索有效的应力性骨折预防措施具有十分重要的军事效益和社会效益，但目前国内外尚未见能够有效降低应力性骨折发生率的医学干预措施的相关报道。为了更好地帮助研究低频脉冲电磁场联合二膦酸盐进行预防和生物电阻抗技术对应力性骨折进行监控和预警的方法，建立充分可靠的、科学的应力性骨折动物模型发生装置是非常有必要的。 [0005] 国内常见的应力性骨折的建模方法有：游泳训练法，电刺激跳跑法和跑台训练法。后两种都是将动物置于跑道或笼内，用声光电等手段刺激动物跑动或者跳跃，但都同样存在建模周期长、阳性率低的问题。王炳南和黄昌林用动物跑台建立的模型，其应力性骨折阳性率只有22.2％。虽然宋天一等通过对实验兔施加高电压刺激迫使其运动，可以调节刺激的频率和时间以控制实验兔运动的强度，增大了建模成功率，但也仅为37.5％，仍然未能完全解决骨折阳性率低、建模周期长的问题，而且，当训练次数增加时，动物容易出现耐受性，影响训练精度及效果，且实验动物的死亡率较高。Burr等采用拉伸法建立了兔胫骨应力性骨折动物模型，实施方式是用夹板将兔胫骨固定住对它施加轴向拉伸应力，同时应变计实时检测其应变。该方法能精确控制载荷大小，实时监测应变变化。但是，拉伸加载模式难以模拟生理状态下应力性骨折的发生和发展。另外，目前所有的应力性骨折建模方法都需要对实验动物进行麻醉，这就更加与应力性骨折真实的发生情况相脱节。 [0006] 临床基础研究需要易得的、标准化的动物模型，然而目前国外的建模方法由于需要麻醉使过程较为繁琐费时，国内的建模方法则都是通过刺激动物肌肉超负荷运动间接地对骨骼施加应力，由于每次的刺激起点不一样，可能造成模型的质量参差不齐，模型的阳性率和标准化都无法满足要求。因此，应力性骨折动物模型构建的关键是提出一种定量、可控、无需麻醉且成模率高的新型建模方法。 发明内容[0008] 本发明是通过以下技术方案来实现： [0009] 一种构建应力性骨折动物模型的应力加载装置，包括用于固定实验动物骨骼的组织固定单元，在组织固定单元的一侧设有激光位移传感器，另一侧设有应力传感器，应力传感器的另一端设有线性促动器，组织固定单元、应力传感器及线性促动器同轴设置，在组织固定单元下方还设有线性导轨。 [0010] 组织固定单元包括定夹头和动夹头，定夹头位于激光位移传感器一侧，动夹头位于应力传感器一侧，线性导轨设置在动夹头的下方。 [0011] 建立动物尺骨应力性骨折动物模型时，组织固定单元包括用于固定实验动物肘关节的尺骨定夹头，以及用于固定实验动物腕关节的尺骨动夹头。 [0012] 建立动物胫骨应力性骨折动物模型时，组织固定单元包括用于固定实验动物胫骨上端关节的胫骨定夹头，以及用于固定脚踝的胫骨动夹头。 [0013] 在胫骨定夹头上方和胫骨动夹头上方各设置一块用于防止胫骨滑脱的压片。 [0014] 胫骨定夹头上方为胫骨长压片，胫骨动夹头上方为胫骨短压片。 [0015] 本发明还公开了一种可控应力性骨折动物模型构建系统，包括上述的应力加载装置、实时数据采集与处理模块以及装载LabVIEW控制程序的PC端； [0016] 所述实时数据采集与处理模块由信号调制放大器、线性促动器的运动控制器以及数据采集卡组成，信号调制放大器将应力传感器和激光位移传感器输出的模拟电压信号进行调制放大并输入数据采集卡的采集通道，数据采集卡将模拟信号转换为数字信号，通过PC端的LabVIEW控制程序对信号进行实时采集、处理与存储，实时输出压力和位移；线性促动器的运动控制器的输出端直接通过USB接口与PC端连接，由LabVIEW程序对线性促动器的位置进行采集和显示。 [0017] 本发明还公开了基于上述的可控应力性骨折动物模型构建系统构建应力性骨折动物模型的方法，包括以下步骤： [0018] 1)通过线性导轨调节组织固定单元的移动轴距，使实验动物的待测骨骼置于组织固定单元内； [0019] 2)通过LabVIEW控制程序设定线性促动器运动的位移和速度，对实验动物的待测骨骼施加一定的应力加载； [0020] 其中，应力加载采用周期循环加载方式，基本加载的波形为斜坡加载；在应力加载过程中，加载的峰值压力保持一致； [0021] 3)应力传感器和激光位移传感器对实验动物的待测骨骼所受应力及形变进行实时检测，通过数据采集卡传输到PC端由LabVIEW程序进行数据的实时显示和存储。 [0022] 在建立动物尺骨应力性骨折动物模型时，设置1.5N的预加载、0.8秒的斜坡上升以及0.8秒的斜坡下降，两个加载周期之间的等待时间为0.1秒；峰值压力设置范围为30～40N，加载周期为4000～5000次。 [0023] 在建立动物胫骨应力性骨折动物模型时，设置5.0N的预加载、0.8秒的斜坡上升以及0.8秒的斜坡下降，两个加载周期之间的等待时间为0.1秒；峰值压力设置范围为50～70N，加载周期为5000～7000次 [0024] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果： [0025] 本发明公开的构建应力性骨折动物模型的应力加载装置，包括激光位移传感器、组织固定单元及线性促动器，组织固定单元与线性促动器之间由应力传感器连接，以测量实验动物骨部所承受的压缩应力，该装置载荷强度、时间精确可控，能够有效提高成模率。 [0026] 进一步地，本装置可以建立大鼠胫骨和尺骨两种应力性骨折动物模型，可以实现压缩、拉伸、压缩协同拉伸三种加载模式，适用于动物麻醉和无麻醉两种状态。 [0027] 本发明还公开了基于上述应力加载装置的可控的构建应力性骨折动物模型构建系统，包括应力加载装置、实时数据采集与处理模块以及PC端LabVIEW控制程序。通过LabVIEW控制程序的手动控制部分设定线性促动器运动的位移和速度用以施加一定的预加载，同时应力传感器和激光位移传感器对实验动物骨骼所受力及形变进行实时检测。该应力加载系统形成了闭环反馈系统，能够保证施加强度可控、时间可控及模式一致的周期性载荷，并且能够精确、实时的检测实验动物骨骼承受的压力和骨位移。本发明的应力加载装置最大限度的接近真实应力性骨折的情况，为保证成模率奠定基础，为研究应力性骨折的发病机制、探索有价值的预防和预警方法提供了重要的模型支持。 [0028] 本发明公开的构建应力性骨折动物模型的方法，通过线性导轨调节组织固定单元的移动轴距，使实验动物的待测骨部置于组织固定单元内，通过LabVIEW控制程序的手动控制部分设定线性促动器运动的位移和速度用以施加一定的预加载。应力加载采用周期循环加载方式，基本加载的波形为斜坡加载，包括设定加载的周期数、斜坡上升的速度和时间以及下降的速度和时间等参数，对胫骨或尺骨进行循环往复加载。系统在应力加载过程中工作在应力控制模式，即每个加压周期中最小加载压力的基线保持一致，最大加载压力也基本保持一致。附图说明 [0029] 图1为本发明构建大鼠尺骨的应力性骨折动物模型的应力加载装置结构示意图； [0030] 图2为本发明构建大鼠胫骨的应力性骨折动物模型的应力加载装置结构示意图； [0031] 图3为本发明构建大鼠尺骨的组织固定夹头结构示意图； [0032] 图4为本发明构建的大鼠胫骨的组织固定夹头结构示意图； [0033] 图5为本发明构建应力性骨折动物模型的应力加载装置数据采集控制系统结构框图； [0034] 图6为采用本发明装置对大鼠胫骨施加轴向周期性加载时检测的应力加载曲线图； [0035] 图7为使用本发明装置建立大鼠胫骨应力性骨折动物模型的SPECT/CT扫描结果图； [0036] 图8为使用本发明装置建立大鼠尺骨应力性骨折动物模型的microCT扫描结果图。 [0037] 其中，1为激光位移传感器；2为尺骨定夹头；3为尺骨动夹头；4为应力传感器；5为线性促动器；6为线性导轨；7为胫骨定夹头；8为胫骨动夹头；9为胫骨长压片；10为胫骨短压片。 具体实施方式[0038] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。 [0039] 实施例1 [0040] 参见图1，本发明公开的构建大鼠尺骨的应力性骨折动物模型的应力加载装置结构，包括用于固定实验动物骨骼的组织固定单元，在组织固定单元的一侧设有激光位移传感器1，另一侧设有应力传感器4，应力传感器4的另一端设有线性促动器5，组织固定单元、应力传感器4及线性促动器5同轴设置，在组织固定单元下方还设有线性导轨6。其中，组织固定单元包括用于固定实验动物肘关节的尺骨定夹头2，以及用于固定实验动物腕关节的尺骨动夹头3组成，参见图3。 [0041] 建立大鼠尺骨应力性骨折的动物模型时，将尺骨固定于组织固定单元中，采用尺骨定夹头2卡住实验动物的肘关节，尺骨动夹头3有效固定腕关节，防止侧向脱出。组织固定单元外由线性导轨固定，以防止侧向位移的发生。组织固定单元与线性促动器5之间由应力传感器4连接，以测量胫骨所承受的压缩应力。LabVIEW程序控制线性促动器4运动对尺骨施加轴向应力，同时应力传感器4和激光位移传感器1对尺骨所受力及形变进行实时检测。 [0042] 参见图5，实时数据采集与处理模块由信号调制放大器、线性促动器的运动控制器以及数据采集卡组成。信号调制放大器将应力传感器和位移传感器输出的模拟电压信号进行调制放大并输入数据采集卡的采集通道，数据采集卡将模拟信号转换为数字信号，通过PC端的LabVIEW控制程序对信号进行实时采集、处理与存储，分别用转换公式将电压值转换为对应的压力值和位移值，实时输出压力和位移，并实时显示压力-时间、位移-时间、压力-位移的关系曲线。运动控制器的输出端直接通过USB接口与PC端连接，由LabVIEW程序对线性促动器的位置进行采集和显示。此应力加载系统可以通过LabVIEW控制程序发送命令给运动控制器以控制线性促动器的运动，能够产生匀速运动加压、周期脉冲加压、斜坡加载和压缩与拉伸加载四种模式。 [0043] 为了评价该应力加载装置的测量精度，我们通过使用长为1cm、直径为1cm超高分子量的聚乙烯(UHMWPE)材料的圆柱体样本对该应力加载系统进行校验。其方法包括，使用本发明中的应力加载装置对该UHMWPE小圆柱体样本进行轴向压缩实验，将该样本固定于组织固定器中间，预加载大小为0.5N，确保该样本的轴向保持完全的水平，通过PC端LabVIEW控制程序向线性促动器发送命令，令其施加10μm/sec的轴向压缩载荷，直至样本所承受的载荷达到15N，立刻停止线性促动器的动作，实时的记录位移和应力随时间的变化关系，通过以下公式计算该样本的杨氏模量(Young's Modulus)： [0044] [0045] 式中E为弹性模量，F为压缩应力，S为UHMWPE小圆柱体样本的横截面积，ΔL为UHMWPE小圆柱体样本的压缩形变，L为小圆柱体样本的长度。 [0046] 采用万能材料试验机(Bose ElectroForce 3220，Bose，USA)同样获得该UHMWPE小圆柱体样本的杨氏模量，所采用的加载方式及加载参数与本发明中的应力加载系统所使用的完全相同，同样计算获得该UHMWPE小圆柱体标准材料的杨氏模量。比较二者的测量结果，从而评估本发明中的应力加载装置的测量精度。万能材料测试机得到UHWPE的杨氏模量标准值为252MPa，本应力加载系统测得的杨氏模量值为260MPa，误差为3.17％，表明本发明所设计的应力加载装置具有较好的测量精确性。 [0047] 实施例2 [0048] 参见图2，本发明公开的构建大鼠胫骨的应力性骨折动物模型的应力加载装置结构，包括用于固定实验动物骨骼的组织固定单元，在组织固定单元的一侧设有激光位移传感器1，另一侧设有应力传感器4，应力传感器4的另一端设有线性促动器5，组织固定单元、应力传感器4及线性促动器5同轴设置，在组织固定单元下方还设有线性导轨6。其中，组织固定单元包括用于固定实验动物胫骨上端关节的胫骨定夹头7，以及用于固定脚踝的胫骨动夹头8，在胫骨定夹头7上方和胫骨动夹头8上方各设置一块用于防止胫骨滑脱的压片，胫骨定夹头7上方为胫骨长压片9，胫骨动夹头8上方为胫骨短压片10。参见图4。 [0049] 使用本应力加载装置建立大鼠胫骨应力性骨折动物模型，具体的实施例如下：3月龄480g雌性SD大鼠购于第四军医大学实验动物中心，腹腔注射3％戊巴比妥钠(30mg/kg)对大鼠进行麻醉，将左侧胫骨固定于组织固定模块中的定夹头与动夹头之间，应力加载采用周期动态加载方式，基本加载的波形为斜坡加载，包括5.0N的预加载，0.8秒的斜坡上升以及0.8秒的斜坡下降，通过控制加载的速率分别产生斜坡尖峰为50N的加载波形，两个加载周期之间的等待时间为0.1秒，共加载3000周期。周期性应力加载过程中采集到的一段加载曲线如图6所示，从图中可以看出加载波形正确、稳定，且峰值压力和基线均较平稳。 [0050] 为了验证本应力加载系统建立大鼠胫骨应力性骨折动物模型的效果，我们联系西京医院核医学科对在体加载完成后的大鼠进行SPECT/CT扫描。SPECT扫描是骨扫描的一种，扫描前需提前注射放射性药物，等骨骼充分吸收后(一般需4～6小时)，用SPECT探测全身骨骼放射性核素分布情况，若某处骨骼对放射性核素的吸收异常增加，即出现放射性核素异常浓聚现象，则表明该处骨骼产生了损伤。由于SPECT扫描图无法清晰显示机体的解剖结构，所以一般将它与CT图相结合，称为SPECT/CT扫描。 [0051] 在体加载实验完成后，通过大鼠尾静脉注射5mCi 99mTc-MDP显像剂，5小时后进行SPECT/CT扫描。SPECT/CT扫描结果如图7所示，表明加载侧胫骨的放射性核素吸收量显著高于对侧胫骨，且CT三维重建图显示加载侧胫骨并未发生完全性骨折，证明本应力加载系统可以成功建立大鼠胫骨应力性骨折动物模型。 [0052] 此外，我们采用其他加载模式对大鼠胫骨进行在体轴向周期性应力加载实验，结果证明本发明还可实现对大鼠胫骨施加轴向周期性拉伸加载和压缩协同拉伸加载，而且适用于实验动物麻醉与无麻醉两种状态。 [0053] 实施例3 [0054] 使用本发明公开的应力加载装置建立大鼠尺骨应力性骨折动物模型，具体的实施例如下：5月龄550g雄性SD大鼠购于第四军医大学实验动物中心，腹腔注射3％戊巴比妥钠(30mg/kg)对大鼠进行麻醉，将右侧尺骨固定于组织固定模块中的定夹头与动夹头之间，应力加载采用周期动态加载方式，基本加载的波形为斜坡加载，包括1.5N的预加载，0.8秒的斜坡上升以及0.8秒的斜坡下降，通过控制加载的速率分别产生斜坡尖峰为30N的加载波形，两个加载周期之间的等待时间为0.1秒，共加载5000周期。 [0055] 在体加载实验完成后，采用microCT扫描对比实验端和对照端尺骨的微损伤，如图8所示，右侧加载端尺骨骨干中部可见横向微裂纹及较大的纵向裂纹，而左侧则无此微损伤，证明本发明成功在大鼠尺骨上产生微损伤，成功建立了大鼠尺骨应力性骨折动物模型。 [0056] 综上所述，本发明公开的可控的构建应力性骨折动物模型构建系统，包括应力加载装置、实时数据采集与处理模块以及PC端LabVIEW控制程序。所述应力加载装置主要由线性促动器、应力传感器、线性导轨、组织固定单元(包括动夹头和定夹头)和位移传感器组成。 [0057] 建立大鼠胫骨应力性骨折的动物模型时，将胫骨固定于组织固定单元中，定夹头卡住胫骨上端关节，动夹头有效固定脚踝，防止侧向脱出，定夹头和动夹头上端各有一块压片用以防止胫骨在夹在过程中向上脱出。 [0058] 建立大鼠尺骨应力性骨折的动物模型时，将尺骨固定于组织固定单元中，定夹头卡住实验动物的肘关节，动夹头有效固定腕关节，防止侧向脱出。组织固定单元外由线性导轨固定，以防止侧向位移的发生。组织固定单元与线性促动器之间由应力传感器连接，以测量胫骨所承受的压缩应力。LabVIEW程序控制线性促动器运动对胫骨施加轴向应力，同时力和位移传感器对胫骨或尺骨所受力及形变进行实时检测。 [0059] 本发明还公开了用前述可控的应力性骨折动物模型构建系统进行应力载荷作用下模型构建的新方法，调节移动轴以调整好定夹头与动夹头间的距离，使胫骨或尺骨可以恰好放入夹具内，将大鼠胫骨或尺骨固定于组织固定模块中，通过LabVIEW控制程序的手动控制部分设定线性促动器运动的位移和速度用以施加一定的预加载。应力加载采用周期循环加载方式，基本加载的波形为斜坡加载，包括设定加载的周期数、斜坡上升的速度和时间以及下降的速度和时间等参数，对胫骨或尺骨进行循环往复加载。系统在应力加载过程中工作在应力控制模式，即每个加压周期中最小加载压力的基线保持一致，最大加载压力也基本保持一致。 [0060] 这一套新型的应力性骨折动物模型构建系统形成了闭环反馈，保证施加强度可控、时间可控、模式一致的周期性载荷，并且能够精确、实时的检测骨骼承受的压力和骨位移。此外，本装置可以实现压缩、拉伸、压缩协同拉伸三种加载模式，适用于动物麻醉和无麻醉两种状态，可以建立大鼠胫骨和尺骨两种应力性骨折动物模型。这一新型建模装置及方法可靠且最大限度的接近真实应力性骨折的情况，为保证成模率奠定基础，为研究应力性骨折的发病机制、探索有价值的预防和预警方法提供了重要的模型支持。 |
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