骨折愈合中创伤断面应力环境的实时测控机理与实验研究

骨折愈合过程中创伤断面的应力环境对骨折愈合的质量及速度至关重要，针对骨折治疗中各类固定装置加压的不可知性和不可控性而导致的骨折愈合速度及质量的不稳定性问题，提出对骨折愈合过程中创伤断面的三维应力环境进行实时检测与精确控制的研究思路，探索骨折愈合过程中创伤断面三维应力分布的无创检测与精确控制机理，设计并实现创伤断面应力测控的技术原型系统。通过活体动物实验，探索应力环境与骨折愈合质量及速度之间的定量关系，综合骨折愈合所处的阶段等条件，利用多目标条件下的自适应寻优理论，探索骨折愈合各阶段的最佳生理刺激应力，并以此为控制目标，设计动物实验模型，利用应力测控的技术原型系统对骨折愈合中创伤断面的应力环境进行动态监测与精确控制，探索有效控制骨修复、生长和发育朝着最佳水平发展，促进骨折愈合质量及速度的理论与方法。研究成果可应用于指导骨折临床治疗实践，为新型骨折治疗器械与康复器械的设计提供理论依据。

骨折愈合过程中创伤断面的应力环境对骨折愈合的质量及速度至关重要。针对骨折治疗中各类固定装置加压的不可知性和不可控性而导致的骨折愈合速度及质量的不稳定性问题，本项目提出了对骨折创伤断面的应力环境进行实时检测与控制的研究思路。项目的主要研究内容和成果有：（1）提出了基于骨外固定器的骨折创伤断面应力的无创检测原理与控制方法，设计并实现了骨折创伤断面应力测控系统及其技术原型系统；（2）针对骨折创伤断面轴向压力和径向剪切力的实时精确测量要求，提出了基于E型圆膜片式结构弹性体的二维力传感检测原理，设计并实现了串接于骨外固定装置、可同时检测创伤断面轴向压力和径向剪切力的微型二维力传感器，通过理论分析和有限元计算优化了传感器的结构尺寸和应变片贴片位置，提出了基于灰色GM(0,2)模型的二维力传感器的解耦和标定新方法，通过实验验证了传感器具有较高的检测精度和良好的动静态性能；（3）针对骨折创伤断面应力测控的要求，进行了骨折创伤断面应力的灰色预测控制仿真研究，提出了基于传统控制方式（PID）的灰色关联补偿控制算法、神经网络补偿控制算法，通过实验验证了这些控制算法的有效性；（4）针对骨折愈合质量的定量评定难题，提出了骨折愈合质量的灰色关联分析评估新方法，基于动物实验应力实测数据的评估结果验证了该评估方法的可行性和有效性；（5）针对现有应力预测方法预测精度较低的问题，提出基于弱化缓冲算子和GM(1,1)等维新息模型的骨折愈合应力的动态预测新方法，其预测精度达到基于GM(1,1)等维新息模型应力预测方法的40倍以上，达到了很高的应力预测精度，应力预测数据具有较高的临床应用价值；（6）针对骨折愈合中创伤断面最佳生理刺激应力的寻优问题，以骨折治疗的Jorgensen理论为基础，建立了骨折创伤断面生理刺激应力的寻优模型。针对普通免疫遗传算法存在的问题，提出了改进的免疫遗传算法，并将其应用于创伤断面的生理刺激应力寻优。基于动物实测应力数据的寻优结果证明了该方法具有较高的寻优精度；（7）选取新鲜动物离体湿骨为研究对象，设计骨折模型，进行了骨折创伤断面的应力测量与控制实验，验证了本项目研究思路与方法的正确性。本项目研究成果可应用于指导骨折临床治疗实践，控制骨修复、生长和发育朝着最佳水平发展，促进骨折愈合质量及速度，为新型骨折治疗器械与康复器械的设计提供理论依据。

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