生物力學(xué)測試方法精選(九篇)
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第1篇：生物力學(xué)測試方法范文
摘 要 運動生物力學(xué)的測試方法在競技體育研究領(lǐng)域主要應(yīng)用于技術(shù)研究以及發(fā)力原理分析等方面，對于拳擊項目相關(guān)研究進(jìn)行梳理，有助于辨析測試方法的應(yīng)用范圍，對今后的相關(guān)研究開展起到有意義的參考作用。
關(guān)鍵詞 生物力學(xué) 方法 拳擊
生物力學(xué)研究，尤其是運動學(xué)、動力學(xué)、表面肌電等實驗技術(shù)逐步應(yīng)用于拳擊科學(xué)研究中。運動學(xué)方法應(yīng)用在技術(shù)改進(jìn)和規(guī)范程度判斷等方面，起到很好的輔導(dǎo)作用。動力學(xué)研究對對抗性項目對抗時，力的大小、方向的變化及力作用的效果等進(jìn)行定量分析，揭示發(fā)力原理及規(guī)律。表面肌電研究應(yīng)用于判斷動作過程中，哪些肌肉參與收縮，收縮過程中肌纖維發(fā)力長短、順序等，這對科學(xué)合理化技術(shù)動作和確定不同力量訓(xùn)練方法手段的科學(xué)性非常有意義。
李凌云[1]采用生物力學(xué)的測試儀器、方法，試圖尋找運動生物力學(xué)的一些原理和方法在武術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用規(guī)律，從生物力學(xué)的原理應(yīng)用在武術(shù)中的情況。我們可以將這些方法同樣應(yīng)用于其他同場格斗類項目中，為其他同項群項目的生物力學(xué)研究提供理論參考和實踐指導(dǎo)。
運動學(xué)研究和表面肌電技術(shù)在拳擊生物力學(xué)研究中應(yīng)用較為廣泛。郭峰，張日輝[2]探討拳擊運動員后手直拳動作內(nèi)部神經(jīng)肌肉系統(tǒng)協(xié)同變化，研究認(rèn)為后手直拳擊打，上肢拮抗肌發(fā)揮著重要作用。從肌肉激活順序判斷，動作符合鞭打動作原理，建議加強(qiáng)上肢拮抗肌訓(xùn)練。劉海瑞[3]的實驗也得出了相似的結(jié)果，分析了拳擊出拳擊打拳速突然減速的成因。二者在突然降速的研究結(jié)果是一致的。拮抗肌放電信號較強(qiáng)也能夠在一定意義上解釋這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，但二者結(jié)論中應(yīng)該加強(qiáng)拮抗肌訓(xùn)練值得商榷，拮抗肌與主動肌、協(xié)同肌的協(xié)調(diào)配合時準(zhǔn)確、高效完成技術(shù)動作的基礎(chǔ)，應(yīng)該從協(xié)調(diào)性訓(xùn)練的角度分析更為準(zhǔn)確。
王新坤[4]運用愛捷運動錄像測試分析系統(tǒng)，對參加2004年全國拳擊冠軍賽決賽的部分冠軍前手直拳作進(jìn)行運動學(xué)特征的研究分析。結(jié)果顯示：運動員打擊瞬間拳速在擊中目標(biāo)之前會突然增加，其研究結(jié)果前手直拳打擊瞬間是加速的，與劉海瑞，郭峰、張日輝等研究后手直拳擊打前速度突降結(jié)果相反，其原因有待進(jìn)一步探討。岳東升、張翠[5]利用高速攝像與測力臺（Kistler）同步測試的方法，對拳擊運動員直拳技術(shù)動作進(jìn)行測試，該研究是典型的以運動學(xué)研究技術(shù)路線，對運動員技術(shù)改進(jìn)有一定意義。
有關(guān)動力學(xué)研究在拳擊中較為少見，相關(guān)理論研究中，谷曉紅[6]從擊打過程中的生物力學(xué)原理問題、打擊力與作用時間、快速移動與穩(wěn)定性、鞭打技術(shù)與多環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)運動四個方面對拳擊運動中的有關(guān)生物力學(xué)問題進(jìn)行了探討，指出了現(xiàn)存的誤區(qū)及不足。蘇彥炬[7]對不同擊打技術(shù)的下肢發(fā)力特征進(jìn)行了實驗研究，對拳擊下肢發(fā)力原理，影響擊打效果的因素等做了宏觀分析，對相關(guān)理論研究具有指導(dǎo)意義。
等速肌力測試關(guān)節(jié)力量從側(cè)面反映肌肉力量，但與動作速度不相符合，存在一定的局限。姜傳銀[8]等運用等速肌力測試的方法，對拳擊、跆拳道散打運動員進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)不同項目，不同肌群在速度力量方面的優(yōu)勢環(huán)節(jié)。從側(cè)面也反映了不同項目因發(fā)力環(huán)節(jié)不同，不同部位的肌肉力量存在著明顯的項目特征。等速測試數(shù)據(jù)較為精確，但限于單關(guān)節(jié)測試，動作路線，幅度、速度存在差異，對于專項力量測試存在局限性。
從拳擊相關(guān)生物力學(xué)研究綜述可見，以往研究對技術(shù)運動學(xué)分析較多，主要技術(shù)為前、后手直拳，分析其原因，直拳的運動學(xué)分析可近似理解為直線運動，相對實驗控制和分析容易把握。而對表面肌電的研究可以對發(fā)力順序與肌肉貢獻(xiàn)率進(jìn)行探討，研究結(jié)果顯示出的鮮明的個體化特征，從中提取共性及規(guī)律較難。表面肌電技術(shù)應(yīng)用廣泛，尤其是對專項訓(xùn)練手段和方法的檢測，具有很大發(fā)展空間，二者有效結(jié)合可以彌補(bǔ)簡單運動學(xué)分析帶來的誤差。等速肌力測試可以從側(cè)面反映關(guān)節(jié)力量，但與專項發(fā)力方式速度不同。以運動學(xué)結(jié)合動力學(xué)研究在力量訓(xùn)練相關(guān)生物力學(xué)研究中是比較成熟的研究手段，對于拳擊速度耐力相關(guān)研究應(yīng)該是今后研究的方向 。
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第2篇：生物力學(xué)測試方法范文
1 資料與方法
1.1 一般資料 從國人新鮮尸體中獲取20例不成對的膝關(guān)節(jié)(男10例,女10例),冷凍在-20℃,直到試驗日為止。膝關(guān)節(jié)均在供者死亡后12h內(nèi)冷凍。冷凍時間1~12個月不等。死者排除以下情況:(1)年齡>50歲;(2)骨骼未發(fā)育完全者(女性<16歲,男性<19歲);(3)有膝關(guān)節(jié)手術(shù)史;(4)有膝關(guān)節(jié)炎病史。在取髕腱標(biāo)本之前,先將膝關(guān)節(jié)在室溫中解凍。將髕腱連同全部髕骨和脛骨的一部分(包含有脛骨結(jié)節(jié))從膝關(guān)節(jié)中分割出來。脛骨部分修整成楔形,取髕腱的中央部分(平均5mm寬),用手術(shù)刀沿著腱束的長軸將腱的內(nèi)外側(cè)修理成直的平面。小心操作以避免將腱束橫行切斷。用游標(biāo)卡尺在不同截面測量髕腱的寬和厚,取其均值,并測量髕腱的長,用以計算髕腱的體積。
1.2 使用儀器 將樣本安裝在DCS-25T電子萬能試驗機(jī)(日本島津)上,進(jìn)行單軸拉伸試驗,拉伸速度為30mm/min。以3033型X-Y函數(shù)記錄儀(四川儀表制造廠)記錄載荷―變形曲線,并進(jìn)行分析,得出最大載荷、衰竭應(yīng)變及彈性模量。
1.3 計算樣本密度 力學(xué)測試完畢后將樣本的腱性部分從骨的附著點上分離出來,稱重。根據(jù)前面算出的體積計算出每個樣本的密度。
1.4 統(tǒng)計學(xué)方法 采集所有數(shù)據(jù),應(yīng)用t檢驗來比較不同性別來源的髕腱的力學(xué)性質(zhì),進(jìn)行相關(guān)性分析來判斷髕腱密度與生物力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系。將樣本根據(jù)密度排列,再隨機(jī)選擇其中一個密度作為標(biāo)準(zhǔn),將其上、下兩組樣本的生物力學(xué)指標(biāo)用t檢驗分析,重復(fù)這個過程,檢驗是否存在一個密度值,比這個密度值大的樣本與比這個密度值小的樣本相比,其生物力學(xué)強(qiáng)度要高。
2 結(jié)果
樣本的平均截面積是19.47mm2(SD 8.72),髕腱的平均長度是47.83mm(SD 3.78),男性髕腱平均長49.22mm(SD 3.42),比女性髕腱[平均46.44mm(SD 3.76)]稍長一些(P=0.05)。髕腱組織混合在一起的平均密度是1.61g/cm3(SD 0.47)。男性髕腱的密度(1.68g/cm3)和女性髕腱的密度(1.54g/cm3)之間差異無顯著性(P=0.23),所測得密度范圍為0.81~2.57g/cm3。
髕腱的力學(xué)性質(zhì)不依賴于供體的年齡和性別。在最大抗張強(qiáng)度(P=0.62,)、最大應(yīng)變(P=0.61)、彈性模量(P=0.57)方面基于性別上的差異均無顯著性。因為性別和年齡對髕腱力學(xué)性質(zhì)沒有任何影響,所以將樣本混合起來做密度的相關(guān)分析。樣本的最大抗張強(qiáng)度與其密度相關(guān)(r=0.57, P<0.02)。髕腱的彈性模量也與其密度呈正相關(guān),盡管其相關(guān)性較弱,但亦有統(tǒng)計學(xué)意義(r=0.44,P<0.05)。衰竭應(yīng)變與其密度無相關(guān)性(r=-0.25,P>0.1)。連續(xù)采用t檢驗分析顯示密度>1.68g/cm3(n=8)的髕腱的最大抗張強(qiáng)度比質(zhì)量密度<1.68g/cm3(n=12)者明顯要高。
3 討論
本研究中,組織密度被作為變量進(jìn)行相關(guān)性分析,通過測量其密度,就去除了組織大小對相關(guān)性分析的影響。我們發(fā)現(xiàn)在髕腱的生物力學(xué)性質(zhì)與密度之間高度相關(guān)。較大的組織密度可能意味著較多的膠原堆積在組織中,產(chǎn)生較大的生物力學(xué)強(qiáng)度。Woo SL[1]發(fā)現(xiàn)經(jīng)?；顒拥呢i的伸趾肌腱質(zhì)量和膠原含量增加,其最大抗張強(qiáng)度顯著增加。但其未做肌腱生物力學(xué)和其質(zhì)量的相關(guān)性研究。我們發(fā)現(xiàn)了髕腱組織的一個密度值(1.68g/cm3),大于這個密度的髕腱群體,其生物力學(xué)強(qiáng)度顯著要高。因為高于或低于這個髕腱密度值的供者的平均年齡非常接近,所以年齡不會導(dǎo)致髕腱的生物力學(xué)的差異。這與Flahiff[2]報道的結(jié)果一致。
在以前的研究中,諸如樣本大小、組織儲藏方法、組織的測試條件、樣本的截面積和力學(xué)測試方法等因素都被認(rèn)為是很重要的因素,并且各實驗間各不相同[3],因此,難以 做具體數(shù)據(jù)上的比較。文獻(xiàn)報道[3],測試過程中對樣本進(jìn)行鹽水浴,讓液體從腱組織滲出,能產(chǎn)生更大的強(qiáng)度和硬度。一些研究人員觀察了髕腱生物力學(xué)的差異,猜測可能有某些內(nèi)在或外在的因素與此差異性有關(guān)。例如,Flahiff[2]認(rèn)為重量、活動量、健康及飲食能影響髕腱的力學(xué)性能,雖然Beynnon[4]陳述軟組織內(nèi)在的未知生物學(xué)因素能導(dǎo)致肌腱力學(xué)性能的差異。基于我們的研究,髕腱的密度似乎是這種差異的一個原因。
第3篇：生物力學(xué)測試方法范文
[關(guān)鍵詞]骨水泥；動力髖螺釘；股骨粗隆間骨折；生物力學(xué)
[中圖分類號]R318.01；R683.42 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1671-7562(2010)06-0621-04
股骨粗隆間骨折是老年人常見的骨折，動力髖螺釘(dynamic hip screw，DHS)固定被認(rèn)為是治療股骨粗隆間骨折的有效方法。但老年人骨質(zhì)疏松，內(nèi)固定失敗是較為常見的并發(fā)癥。一些臨床與基礎(chǔ)研究支持骨水泥強(qiáng)化DHS固定能減少DHS的內(nèi)固定失敗，但DHS松動后(如手術(shù)中可能不當(dāng)操作)是否可以采用骨水泥強(qiáng)化DHS重新固定，目前研究相對較少。臨床上可供選擇的骨水泥有多種，本實驗對目前臨床上常用的磷酸鈣骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)與聚甲基丙烯酸甲酯(polymethy-methacrylate，PMMA)骨水泥強(qiáng)化修復(fù)DHS固定股骨粗隆間骨折內(nèi)固定失敗作用進(jìn)行比較，為臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。
1. 材料與方法
1.1 材料準(zhǔn)備
選用15例人股骨標(biāo)本，小轉(zhuǎn)子下15cm截斷，標(biāo)本均為4％福爾馬林固定1年以內(nèi)的防腐老年女性，來源于南京醫(yī)科大學(xué)人體解剖學(xué)教研室。股骨標(biāo)本經(jīng)骨密度測量證實骨質(zhì)疏松，經(jīng)肉眼檢查及普通x線檢查排除有骨折、腫瘤、炎癥、結(jié)核等，剔除干凈其上附著的肌肉、韌帶、關(guān)節(jié)囊等軟組織，噴灑4％福爾馬林保持標(biāo)本濕潤，以塑料袋密閉封裝，室溫下保存。CPC購于上海瑞邦生物材料有限公司，PMMA骨水泥由天津合成材料工業(yè)研究所生產(chǎn)，DHS由常州康輝醫(yī)療器械公司提供，美國NORLAND公司生產(chǎn)的XR-36型雙能x線吸收骨密度儀，WE-5生物力學(xué)實驗機(jī)(天水紅山試驗機(jī)廠生產(chǎn))。
1.2 實驗方法
1.2.1 DHS內(nèi)固定模型制作 所有標(biāo)本均采用4孔135°DHS固定，為了安放時盡可能保證DHS固定在股骨頸的中央，先對標(biāo)本進(jìn)行DHS所需孔進(jìn)行預(yù)鉆孔。然后制作骨折模型。自大轉(zhuǎn)子頂與股外側(cè)肌嵴交界處至小轉(zhuǎn)子用骨鋸鋸開骨皮質(zhì)，鋸除小轉(zhuǎn)子，骨折線與股骨干軸線成角45°，制成粗隆間骨折EvansⅢ型骨折模型。然后進(jìn)行DHS安裝，擰入DHS，裝入側(cè)方鋼板。遠(yuǎn)端與骨皮質(zhì)靠攏貼實后擰入尾釘適當(dāng)加壓，鉆孔、測深、攻絲后逐個擰入固定螺釘。其中隨機(jī)選取5例進(jìn)行生物力學(xué)測試。
1.2.2 DHS的拔出 將其余10例標(biāo)本以45度角固定于生物力學(xué)實驗機(jī)上，近端以牽拉夾夾于股骨頭下方，遠(yuǎn)端于股骨大粗隆骨折兩端進(jìn)行分離加載直至DHS的拔出，制成內(nèi)固定失敗模型。
1.2.3 骨水泥強(qiáng)化修復(fù) 取出DHS，隨機(jī)選取5例采用CPC強(qiáng)化，另5例采用PMMA骨水泥強(qiáng)化。CPC強(qiáng)化組，把標(biāo)本固定在臺鉗上，用生理鹽水沖洗股骨頭的髖螺釘孔道，用電吹風(fēng)吹干后，調(diào)配好CPC(按1g固相：1ml液相的比例配置)呈糊狀，5ml注射器注入，于工作時間5min內(nèi)均勻灌注入DHS孔道，擰入DHS，用量以不溢出為適宜，裝入側(cè)方鋼板，遠(yuǎn)端與骨皮質(zhì)靠攏貼實后擰入尾釘適當(dāng)加壓，鉆孔、測深、攻絲后逐個擰入固定螺釘。PMMA骨水泥固定組，采用調(diào)配好的低稠度的骨水泥注入，其余操作與CPC組相同。將制作好的骨水泥強(qiáng)化動力髖標(biāo)本安裝在生物力學(xué)實驗機(jī)上。
1.2.4 測試方法
實驗前剝離股骨頭上軟組織并進(jìn)行幾何測量，在股骨外側(cè)面置應(yīng)變片A、B、c，內(nèi)側(cè)置應(yīng)變片D、E、F共6枚，在股骨遠(yuǎn)端用骨水泥固定，模擬單足獨立負(fù)重，考慮外展肌參與工作。為提高測量精度，全部標(biāo)本在結(jié)構(gòu)、尺寸、載荷、力學(xué)性質(zhì)上均符合實驗力學(xué)模型要求。將制作好標(biāo)本安裝在生物力學(xué)實驗機(jī)上，加載載荷，加載速度為1.5mm?min-1，對DHS內(nèi)固定標(biāo)本以萬能力學(xué)實驗機(jī)逐級加載，出現(xiàn)下列情況時認(rèn)為內(nèi)固定失?。?1)大轉(zhuǎn)子頂骨折斷端皮質(zhì)固定兩點移位5mm；(2)變形逐漸增加而負(fù)載不增加甚至下降；(3)拉力螺釘后退超過10mm；(4)釘尖穿出股骨頭。測定股骨轉(zhuǎn)子間骨折固定后的相關(guān)數(shù)據(jù)。見圖1～3。
1.3 統(tǒng)計學(xué)處理
采用Stata7.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)使用單因素方差分析法(anova)分析，對各組相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較(Scheff法)，JP
2. 結(jié)果
15例DHS內(nèi)固定后的標(biāo)本在進(jìn)行加載實驗中，當(dāng)載荷加至3500N左右時陸續(xù)出現(xiàn)內(nèi)固定失敗，其中8例出現(xiàn)骨折斷端超過5mm，4例出現(xiàn)變形增加而負(fù)載不增加甚至下降，3例DHS后退超過10mm。本組標(biāo)本未有釘尖穿出股骨頭現(xiàn)象出現(xiàn)。實驗結(jié)果見表1。
結(jié)果表明，在軸向剛度方面PMMA組與對照組相比較大，但CPC組與對照組相比較小，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P
在剪切剛度方面，PMMA組與對照組相比較大，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P
在扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度方面，PMMA組與對照組相比較小，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(p0.05)。
3. 討論
股骨粗隆間骨折手術(shù)的目的在于獲得堅強(qiáng)的內(nèi)固定，以利于病人早期活動，減少并發(fā)癥。DHS是治療股骨粗隆間骨折常用的有效固定方法，但是在骨質(zhì)疏松的老年人，股骨頭、頸強(qiáng)度下降，抗拔出能力下降，易出現(xiàn)DHS退出或切割，導(dǎo)致內(nèi)固定失敗。
通過強(qiáng)化固定DHS固定可預(yù)防內(nèi)固定的失敗，目前文獻(xiàn)報道有多種強(qiáng)化DHS的方法，常用的有PMMA，黎寧等研究認(rèn)為PMMA強(qiáng)化DHS能有效提高DHS固定強(qiáng)度，整體提高骨折穩(wěn)定性，減少內(nèi)固定失敗的可能性。但PMMA有一些不足之處，它不能被吸收，能聚合發(fā)熱，產(chǎn)生的熱量可能影響局部的骨細(xì)胞
活性，同時聚合時釋放單體對心臟產(chǎn)生一定的毒性。而CPC具有良好的生物活性，它具有可降解性、骨傳導(dǎo)性、大于松質(zhì)骨的抗壓強(qiáng)度、可隨意塑性及固化時不發(fā)熱等優(yōu)點。管國平等實驗證實，CPC能提高DHS的極限載荷，韓小平等研究結(jié)果表明，聯(lián)合CPC強(qiáng)化DHS治療老年人股骨轉(zhuǎn)子間骨折平均臥床時間比單純應(yīng)用DHS固定的時間明顯要短。
對于DHS內(nèi)固定失敗，后期修復(fù)有人工關(guān)節(jié)置換等方法。DHS松動后(如手術(shù)中可能不當(dāng)操作)作為補(bǔ)救措施，采用骨水泥強(qiáng)化修復(fù)是一個可行的方法。對于骨水泥，本實驗結(jié)果表明采用PMMA強(qiáng)化能提高其軸向剛度、剪切剛度、抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。而CPC強(qiáng)化修復(fù)后，在軸向剛度、剪切剛度、抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度方面均比對照組要差，這可能是DHS松動拔出時使骨螺釘孔的形態(tài)發(fā)生變化，影響了骨水泥與骨界面的鑲嵌固定，從而使之強(qiáng)化能力下降。因此術(shù)中如出現(xiàn)DHS松動，采用PMMA比CPC強(qiáng)化從力學(xué)角度看更有一定的優(yōu)勢。
本實驗的不足之處為體外實驗，無法模擬內(nèi)固定在體內(nèi)強(qiáng)度的變化，特別是骨折在愈合過程中，局部的微環(huán)境變化如新骨的形成對骨螺釘界面的影響無法得知，因此仍需進(jìn)一步研究。
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第4篇：生物力學(xué)測試方法范文
隨著脊柱外科經(jīng)后路內(nèi)固定手術(shù)普遍開展，各種椎弓根螺釘固定系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于臨床，但Esses等[1]通過臨床應(yīng)用調(diào)查這些固定器械發(fā)現(xiàn)沒有哪一種椎弓根螺釘固定比較完善，大量病例的遠(yuǎn)期隨訪表明并發(fā)癥多。主要是螺釘松脫、斷釘、內(nèi)固定不牢固、矯正度丟失、椎體間融合形成假關(guān)節(jié)、脫位術(shù)后復(fù)發(fā)、椎弓根斷裂等。Wittenberg[2]認(rèn)為椎弓根螺釘固定產(chǎn)生并發(fā)癥多的原因是螺釘內(nèi)固定疲勞的結(jié)果。內(nèi)固定器械受周期性負(fù)荷而導(dǎo)致疲勞。結(jié)合國內(nèi)外在椎弓根螺釘內(nèi)固定疲勞生物力學(xué)方面的研究綜述如下：
1 椎弓根螺釘疲勞指標(biāo)
Yamgata等[3]認(rèn)為要研究椎弓根螺釘內(nèi)固定生物力學(xué)疲勞特性，應(yīng)從下面3個方面確定：①螺釘強(qiáng)度——疲勞次數(shù)關(guān)系：就是測定螺釘植入后其強(qiáng)度與周期性負(fù)荷次數(shù)（疲勞次數(shù)）關(guān)系；②測定螺釘旋入/出力矩。這具指標(biāo)能表明螺釘固定疲勞前后的力矩變化，代表期疲勞程度；③螺釘最大軸向拔出力，表示釘一骨界面緊握力牢固性。Wittenberg等也研究了強(qiáng)度一疲勞次數(shù)關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)螺釘固定強(qiáng)度隨疲勞次數(shù)增加而下降。Zdeblick等[3]研究螺釘旋入/出力矩與疲勞次數(shù)關(guān)系，并指出力矩隨疲勞總?cè)藬?shù)增加下降。軸向拔出力也下降；釘一骨界面軸向拔出力也隨疲勞次數(shù)增加而下降。
材料選擇，Smith[5]認(rèn)為椎弓根螺釘內(nèi)固定生物力學(xué)體外試驗標(biāo)本材料有3個來源：①人尸體脊柱標(biāo)本，最佳是人新鮮尸體脊術(shù)，但來源有限；②人工摹擬脊柱，人工按脊柱椎體骨質(zhì)等特點仿造出脊柱標(biāo)本，在制造過程中可人為設(shè)計安置各種電子測定元件，有利于試驗記錄測量，但與人體脊柱質(zhì)、量等各方面相差大；③動物新鮮脊柱標(biāo)本，目前常用是牛的脊柱，Eilke等[6]應(yīng)用小牛的胸6至腰6脊柱段與人胸腰椎脊柱段進(jìn)行體外比較生物力學(xué)試驗，得出試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析無差異，所以他認(rèn)為在體外生物力學(xué)試驗可用小牛脊柱代替人脊柱當(dāng)試驗材料。人活體內(nèi)研究因條件及醫(yī)學(xué)倫理限制，很少研究。
椎弓根螺釘內(nèi)固定疲勞試驗研究方法及儀器：椎弓根螺釘內(nèi)固定試驗是摹擬內(nèi)固定器械在體內(nèi)受脊柱三維六自由度周期負(fù)荷作用下生物力學(xué)疲勞變化規(guī)律。研究較復(fù)雜，儀器測試要求高。目前沒有規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。Goel等[7]認(rèn)為一種標(biāo)準(zhǔn)體外疲勞試驗一定要做到對椎弓根螺釘內(nèi)固定器械進(jìn)行摹擬在體測試，獲得不同負(fù)荷周期性作用下測出強(qiáng)度-疲勞次數(shù)關(guān)系曲線。疲勞試驗80年代前大都是沒有內(nèi)固定器下的單純標(biāo)本人工機(jī)械試驗。隨著電子技術(shù)發(fā)展，90年代后自動化的試驗機(jī)器完全代替人工機(jī)械方法，他介紹了美國明尼蘇達(dá)州制造的雙軸液壓伺服生物材料測試系統(tǒng)即MTS試驗機(jī)。該機(jī)優(yōu)點能摹擬人體脊柱在維六自由度運動，即能旋轉(zhuǎn)、拉伸、周期性加載荷，測定過程全自動化計算機(jī)控制，減少人為誤差，同時測定強(qiáng)度一疲勞次數(shù)曲線、拔出力和力矩，被認(rèn)為是目前先進(jìn)的生物力學(xué)試驗系統(tǒng)。 smith[5]也持相同觀點而且建議體外生物力學(xué)試驗研究程序化：試驗原理度量科學(xué)化試驗?zāi)康脑囼瀮x器選擇負(fù)荷加載選定（目前沒有具體標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)本固定安裝測度系統(tǒng)準(zhǔn)備收集試驗資料統(tǒng)計分析、討論。另外Yamagata等[3]介紹日本京都制造通用疲勞試驗機(jī)。該機(jī)也是電子程控測試，但僅測出強(qiáng)度-疲勞次數(shù)關(guān)系單項指標(biāo)。還有方法僅測出力矩，或僅側(cè)剛度，或僅測拔出力等單項指標(biāo)。
2 影響椎弓根螺釘內(nèi)固定生物力學(xué)疲勞特性的因素
①椎體骨密度（BMD） 椎弓根及椎體骨密度對其螺釘固定疲勞生物力學(xué)是主要影響因素。Halvorson等[8]用雙光子骨密度測定儀測定標(biāo)本椎體骨密度，分成正常組：1.17±0.08g/cm2；骨質(zhì)疏松組：0.818±0.05g/cm2。發(fā)現(xiàn)正常骨質(zhì)密度組平均軸向挨出力為1540±361N；而骨質(zhì)疏松組為206±159N。即螺釘軸向拔出力與椎體骨密度呈正相關(guān)。Okuyama等[9]認(rèn)為BMD每降低10mg/ml。螺釘最在拔出力約減少60N。Kumano等[10]認(rèn)為Ⅲo骨質(zhì)疏松螺釘軸向拔出力100N以下，很容易松動脫出，所以建議Ⅲo骨質(zhì)疏松不要直接用椎弓根螺釘固定。其它研究也證明骨密度對螺釘固定力矩、強(qiáng)度等有重要影響，且呈正相關(guān)[11-14]。
②椎弓根螺釘橫截面積大小和螺釘形態(tài)、長度、固定深度 Brantley等[21]研究指出椎弓根螺釘橫截面積大小對椎弓根橫截面積占有70%以上才有足夠的固定強(qiáng)度；少于這個比例的螺釘則易疲勞松脫。但是當(dāng)螺釘截面積增大到占椎弓根橫截面積90%時，再增加螺釘直徑，沒有明顯增加固定強(qiáng)度，反面易使椎弓根爆裂骨折。由于椎弓根橫截面積有限，所以螺釘大小其橫截面積為椎弓根橫截面積的0.7-0.9之間為好。螺釘長度增加，固定深度加深也有增強(qiáng)固定強(qiáng)度、防止疲勞作用。但固定深度椎體大小和椎弓根長度的限制。他指出當(dāng)固定深度為螺釘進(jìn)入椎弓根穿刺點到椎弓根軸線與椎體前緣交點連線距離80%深度時（原則是螺釘尖端不要穿過椎體前緣皮質(zhì)）螺釘固定強(qiáng)度已足夠，再增加固定深度無明顯增加其固定強(qiáng)度。所以增加固定深度亦有限。還指出螺釘大小、長度、深度對中度以上骨質(zhì)疏松者沒有增加固定強(qiáng)度。Zdeblik等[4]研究螺釘大小對扭力矩強(qiáng)度有正相關(guān)，即螺釘直徑加大，扭力矩可相應(yīng)增加。Kwok等[15]在人尸體上研究比較柱形螺釘和錐形螺釘旋入力矩和軸向拔出力。發(fā)現(xiàn)錐形螺釘能增強(qiáng)旋入力矩。柱形釘無此作用。但兩者軸向拔出力無差別。
③椎弓根長、寬、高 Mckinley等用人工脊柱摹擬椎弓根長、寬、高，并研究長、寬、高對螺釘負(fù)荷彎力矩作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)螺釘負(fù)荷彎力矩與椎弓根高成負(fù)相關(guān)，與椎弓根長度正相關(guān)，寬度對螺釘負(fù)荷彎力矩?zé)o明顯作用。
④螺釘孔道準(zhǔn)備方法及固定方向 George等[17]用鉆頭準(zhǔn)備孔道和用定位探子打出孔道方法，并比較2種方法準(zhǔn)備孔道后螺釘固定軸向拔出力，結(jié)果兩者無統(tǒng)計學(xué)差異，但指出用鉆頭鉆法準(zhǔn)備釘孔道定位不準(zhǔn)，易造成椎弓根撕裂，而降低固定強(qiáng)度。Ronderos等[18]研究用擊打和非擊打2種方法準(zhǔn)備進(jìn)行螺釘固定測其釘-骨界面拔出力。還有Halrorson等[8]用比螺釘直徑小1mm或相等的兩種攻絲準(zhǔn)備孔道，測螺釘軸向拔出力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用小的攻絲錐準(zhǔn)備的孔道螺釘軸向拔出力要大于用與螺釘直徑等大的攻絲錐備成的孔道螺釘向拔出力。
⑤醫(yī)生手術(shù)熟練程度及技術(shù)水平 Stauber等[19]認(rèn)為椎弓根定位不準(zhǔn)確常使螺釘固定穿出椎弓根，破壞了椎弓根骨床質(zhì)量，降低了固定強(qiáng)度，也易造成神經(jīng)損傷。因此有應(yīng)用光纖內(nèi)窺鏡來探查螺釘孔道定位情況，以提高螺釘固定定位的準(zhǔn)確性。
⑥螺釘質(zhì)量螺釘質(zhì)量（包括所選用合金材料種類的好壞、剛度強(qiáng)度大小、生產(chǎn)工藝高低等）對其椎弓根固定穩(wěn)定性、牢固性很重要。發(fā)現(xiàn)經(jīng)椎弓根螺釘固定后螺釘彎曲或折斷，Esses等[1]認(rèn)為是與螺釘機(jī)械強(qiáng)度不夠、剛度達(dá)不到內(nèi)固定的要求、質(zhì)量不合格有關(guān)。Matsuzaki等認(rèn)為發(fā)生斷釘是螺釘質(zhì)量不過關(guān)的典型表現(xiàn)，他認(rèn)為一定要對每一種螺釘?shù)绕餍祽?yīng)用于臨床前進(jìn)行材料生物力學(xué)檢測，質(zhì)量合格后才能應(yīng)用。
⑦負(fù)荷大小、周期性次數(shù) Goel等[7]指出疲勞試驗研究基本特征是在人為條件下，施加一定量的預(yù)負(fù)荷于標(biāo)本，在一定的頻率下周期性作用于內(nèi)固定器械來研究其疲勞反應(yīng)及其變化規(guī)律。但目前不同試驗研究的預(yù)負(fù)荷、頻率、周期性負(fù)荷次數(shù)都不統(tǒng)一。Cunningham.等[21]研究結(jié)果表明：①在400N水平VSP、LSOLA、TSRH、加壓CD棒系統(tǒng)疲勞次數(shù)超過100萬次；②在500N水平VSP、ISOLA、TSKH、加壓CD棒系統(tǒng)疲勞次數(shù)達(dá)60萬次時出現(xiàn)疲勞；③在600N水平，4種器械內(nèi)固定系統(tǒng)平均20萬次即出現(xiàn)疲勞反應(yīng)。可見椎弓根螺釘內(nèi)疲勞與其受力、疲勞次數(shù)、頻率均有關(guān)。Myers等[13]用MTS對單根螺釘固定進(jìn)行疲勞試驗，測其軸向拔出力，表明疲勞次數(shù)增加，拔出力下降。在相同疲勞條件下，Wittenberg等[2]AO螺釘平均73300次出現(xiàn)疲勞，VSP螺釘平均20800次出現(xiàn)疲勞，強(qiáng)度-疲勞次數(shù)關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)螺釘固定強(qiáng)度隨疲勞次數(shù)增加而下降，但不是線性相關(guān)。疲勞次數(shù)低于4000次時，各螺釘固定強(qiáng)度無統(tǒng)計學(xué)差異。
3 預(yù)防椎弓根螺釘固定疲勞的措施
預(yù)防椎弓根螺釘固定目的是要獲得牢固穩(wěn)定的內(nèi)固定以達(dá)到臨床治療目的。因此防止預(yù)防椎弓根螺釘固定產(chǎn)生疲勞問題又成為人們研究的熱點。提高骨密度，防止骨質(zhì)疏松是經(jīng)椎弓根螺釘固定穩(wěn)定牢固的基礎(chǔ)[12]。Pfeiffer等[12]對Ⅲo骨質(zhì)疏松者準(zhǔn)備螺釘孔道后，用適量PMMA骨水泥填入孔道再擰入螺釘固定，結(jié)果可以提高螺釘軸向拔出力，固定更牢靠穩(wěn)定，從而防止疲勞。Chiba等[22]研究通過附加椎板鉤輔助固定可能減少椎弓根螺釘負(fù)荷而減少疲勞發(fā)生。Stovall等[23]研究腰骶椎融合術(shù)時也應(yīng)用附加椎板鉤輔助固定，也明顯增強(qiáng)內(nèi)固定牢固性。Dick等[24]研究在椎弓根螺釘骨固定器械兩側(cè)縱行板或棍間用橫桿連結(jié)裝置可以提高其固定強(qiáng)度，有利于防止疲勞。Lim[25]又研究了橫桿連結(jié)裝置最佳位置，認(rèn)為雙橫桿最佳位置是近側(cè)端桿位于縱行板或棍1/4處作用最大；遠(yuǎn)側(cè)橫桿應(yīng)位于縱桿1/8處起作用大。另外，提高外科醫(yī)生手術(shù)技術(shù)水平、技巧、熟練程度，對椎弓根螺釘內(nèi)固定牢固穩(wěn)定、降低疲勞也是一項重要措施。
4 椎弓根螺釘疲勞研究存在問題
雖然椎弓根螺釘疲勞生物力學(xué)研究做了許多工作，但有些方面有待進(jìn)一步研究，主要有：①不同年齡段疲勞指標(biāo)正常參考值沒有確立；②疲勞與螺釘受力方向的關(guān)系沒有報道；③中國人應(yīng)用椎弓根螺釘?shù)钠谏锪W(xué)研究。 5 參考文獻(xiàn)
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第5篇：生物力學(xué)測試方法范文
【摘要】 [目的]比較頸椎前路靜力性、動力性釘板系統(tǒng)在頸椎前路單椎間減壓植骨融合中的生物力學(xué)，為臨床應(yīng)用提供生物力學(xué)依據(jù)。[方法]采用6具小牛頸椎標(biāo)本，測定其正常頸椎C4、5節(jié)段的活動范圍(ROM) ，而后在C4、5節(jié)段制作單椎間減壓植骨融合模型后隨機(jī)分為3組，分別采用Orion、Codman、Window鋼板、螺釘固定，分別測定脊柱在前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)、側(cè)屈運動時的穩(wěn)定性并與正常標(biāo)本比較。[結(jié)果]單椎間減壓植骨融合后，無論采用哪種鋼板固定，其術(shù)后ROM值除側(cè)屈時稍大外均比正常頸椎要小，在前屈時最為明顯(P< 0.05);后伸時Orion固定最接近正常標(biāo)本(P> 0.05)，而Codman、Window與正常標(biāo)本相比有較大差異(P< 0.05);旋轉(zhuǎn)側(cè)屈時3 種鋼板與正常頸椎均無顯著性差異(P> 0.05);3 種鋼板之間無顯著性差異(P> 0.05) 。[結(jié)論]在頸椎前路單椎間減壓植骨融合中，頸前路靜力性、動力性釘板系統(tǒng)均能維持頸椎的穩(wěn)定性。本試驗支持動力性釘板系統(tǒng)在頸椎前路單椎間減壓植骨融合中應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】 頸椎; 生物力學(xué); 內(nèi)固定
Abstract: [Objective]To study the constructive stability with three kinds of anterior cervical plates in clinically simulated single - level anterior intervertebral decompression and fusion model to provide biomechanical basis for clinical application. [Methods]Six fresh calf cervical spine specimens were applied. After intact specimen underwent test ， in each specimen ， the following construct were tested successively in model : fixation with Orion，Codman ，Window respectively.[Results]The ROM of the following construct with Orion，Codman，Window respectively were less significantly than those of the intact specimens inflexion(P< 0.05) . In extension ， the ROM of construct with Codman and Window were less significantly than those of the intact specimens (P< 0.05) . But there was no significantly difference between the constructs with Orion and the intact spine specimens (P>0.05) . There were no significantly difference among the constructs with three kinds of plate respectively and the intact specimens in lateral bending and rotation. However ， there were no significantly difference among Orion ， Codmanand，Window(P> 0.05) .[Conclusion]Dynamic and static anterior fixation can all provide effective stability for cervical spine.Dynamic anterior fixation can be used in anterior intervertebral decompression and fusion.
Key words：cervical spine; biomechanics; internal fixation
頸椎前路靜力性鋼板被廣泛地應(yīng)用于椎間盤或椎體切除后重建，但有學(xué)者認(rèn)為堅強(qiáng)固定會產(chǎn)生應(yīng)力遮擋，減少了植骨塊的載荷而影響融合效果。而頸椎前路動力性鋼板固定可使植骨塊與植骨床之間緊密接觸，植骨塊得到充分的載荷刺激，可以提高融合率[1]，因此臨床應(yīng)用逐漸得到重視。但鋼板動力化是否會影響到術(shù)后頸椎的穩(wěn)定性，不同設(shè)計的鋼板間又有何差異，文獻(xiàn)報道較少。本研究對三種不同設(shè)計鋼板固定臨床常見的頸椎前路單椎間減壓植骨融合的穩(wěn)定性進(jìn)行生物力學(xué)比較，為臨床合理選用內(nèi)固定提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 實驗材料
采用6具小牛新鮮頸椎標(biāo)本(由上海光明乳業(yè)集團(tuán)南匯區(qū)特約屠宰場提供)，通過大體解剖及X線攝片排除病理標(biāo)本，剔除全部肌肉，保持韌帶、關(guān)節(jié)囊、椎間盤及骨性結(jié)構(gòu)的完整，標(biāo)本用雙層塑料袋密封，在-30°低溫冰箱保存10～15 d，在實驗前將逐級解凍。三種鋼板為Orion由美敦力·樞法模公司提供、Codman由北京Link公司、Window由北京奧斯比利克公司提供。測試儀器為上海大學(xué)生物力學(xué)工程研究所三維空間坐標(biāo)系統(tǒng)儀。
1.2 標(biāo)本的制備
在頸椎標(biāo)本上、下兩端C2～7椎體分加澆注相互平行的骨水泥(自凝牙托粉)平臺，平行度小于10°，以便于對標(biāo)本進(jìn)行加載測試。而后將C4、5椎間盤切除，去除上下終板軟骨，用大小適宜的三面皮質(zhì)髂骨塊植入，相當(dāng)臨床上單椎間隙減壓植骨融合模型。頸椎標(biāo)本按如下順序依次行： Orion鋼板、Codman鋼板、Window鋼板固定，于C4、5椎體中上部進(jìn)針，螺釘角度分別向頭、尾側(cè)成角15°，制成相應(yīng)內(nèi)固定模型。
1.3 實驗方法
1.3.1 測試順序：(1)完整模型;(2)Orion鋼板固定模型;(3)Codman鋼板固定模型;(4)Window鋼板固定模型。
1.3.2 力學(xué)模型及生物力學(xué)測試
頸椎的力學(xué)測試模型主要是正確模擬人體頸椎運動的規(guī)律性能及頸椎力學(xué)性質(zhì)的變化，載荷及力學(xué)重心的確定。對頸椎的受力狀態(tài)與人相似，施加載荷為150 N為宜，以保證處于生理狀態(tài)下標(biāo)本可重復(fù)加載，不會導(dǎo)致頸椎標(biāo)本破壞或失穩(wěn)。對頸椎的加載方式采用滾珠對準(zhǔn)力學(xué)重心點以準(zhǔn)靜態(tài)速度1.4 mm/min液壓平穩(wěn)分級加載。測試過程中先行預(yù)載以去除頸椎骨的蠕變、松馳等時間效應(yīng)的影響，然后模擬人體頸椎三維運動(圖1)，產(chǎn)生前屈、后伸、左右側(cè)屈的運動，通過高精度數(shù)顯光柵測微儀(KG-101型，精度0.01%)測量頸椎C4、5椎體的位移;旋轉(zhuǎn)試驗則將測試相應(yīng)節(jié)段左、右旋轉(zhuǎn)至6°，通過YJ-14連續(xù)數(shù)字式應(yīng)變儀測量施于頸椎的扭矩。測量數(shù)據(jù)經(jīng)計算機(jī)處理換算成角位移的變化。測量過程中對標(biāo)本予以生理鹽水噴霧，以保持標(biāo)本濕潤新鮮狀態(tài)。
圖1 頸椎不同運動方式示意圖
1.3.3 數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計學(xué)處理
本實驗對標(biāo)本各種運動狀態(tài)的三維穩(wěn)定性進(jìn)行測量，所有數(shù)據(jù)處理用SPSS 11.5處理。計算頸椎的不同運動狀態(tài)時不同內(nèi)固定下的運動范圍。采用重復(fù)測量方差分析LSD法進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)比較，比較不同內(nèi)固定方法下的ROM的差異。比較時顯著性差異設(shè)定在(P
2 結(jié)果
所有數(shù)據(jù)處理用SPSS 11.5處理。計算頸椎的不同運動狀態(tài)時不同內(nèi)固定下的運動范圍。采用重復(fù)測量方差分析LSD法進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)比較，比較不同內(nèi)固定方法下的ROM的差異。比較時顯著性差異設(shè)定在(P
試驗過程中未出現(xiàn)頸椎標(biāo)本破壞或內(nèi)固定失敗等。就本試驗中的頸椎前路單椎間減壓植骨融合模型而言，盡管采用前路鋼板固定，也未能完全恢復(fù)到正常標(biāo)本的剛度。試驗數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計分析，結(jié)果參照表1。
在前屈狀態(tài):3 種鋼板固定后的ROM值均比正常頸椎組小，統(tǒng)計分析有顯著差異(P< 0.05) ，均較正常標(biāo)本更穩(wěn)定。其中以Codman 的穩(wěn)定性最好。
后伸狀態(tài): Orion固定后的ROM值最接近正常頸椎，統(tǒng)計分析無顯著差異(P> 0.05)。而Codman和Window 固定后的ROM值均比正常頸椎組小(P< 0.05) ，Codman比Window 的穩(wěn)定性更好。
側(cè)屈狀態(tài):3 種鋼板的ROM 比正常頸椎組稍大，但無顯著差異(P>0.05) ，說明能達(dá)到穩(wěn)定性要求。
旋轉(zhuǎn)狀態(tài)：結(jié)果與前屈狀態(tài)時類似。3種鋼板固定后的ROM值均比正常頸椎組小，但無顯著差異(P> 0.05) 。其中Codman 的穩(wěn)定性最好。但在前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下3種鋼板固定后穩(wěn)定性均無顯著差異意義(P> 0.05) 。
3 討論
頸前路單椎間減壓植骨融合是臨床治療頸椎間盤突出癥或頸椎病的常用術(shù)式，前路鋼板內(nèi)固定的使用明顯減少了植骨塊脫出、塌陷及后凸畸形等并發(fā)癥[2]，但植骨塊融合率仍未理想，文獻(xiàn)報告的單間隙融合中假關(guān)節(jié)發(fā)生率最高達(dá)到12%[3]。有學(xué)者[4]認(rèn)為這跟先前使用較為廣泛的傳統(tǒng)靜力性頸椎前路鋼板的堅強(qiáng)固定產(chǎn)生應(yīng)力遮擋，減少植骨塊的載荷有關(guān)。而頸椎前路動力性鋼板固定可使植骨塊與植骨床之間緊密接觸，植骨塊得到充分的載荷刺激，可以提高融合率，因此臨床應(yīng)用逐漸得到重視。
目前臨床應(yīng)用的前路鋼板基本都是單皮質(zhì)螺釘固定的帶鎖鋼板，也稱限制性鋼板。根據(jù)鎖定機(jī)制的不同， Haid將之分為完全限制性和半限制性2個亞類。前者指鎖定后螺釘與鋼板交界處沒有活動，例如CSLP，Orion鋼板等。后者又稱動力性鋼板，可進(jìn)一步細(xì)分為轉(zhuǎn)動和平移2類，屬于轉(zhuǎn)動類的有Codman、Zephir等，螺釘與鋼板界面間角度可變，以此增加植骨塊承載;平移類如ABC、DOC、Window、Premier等，除了螺釘角度可變外，更允許螺釘軸向下沉，形成動力性加壓而使植骨塊與植骨床之間緊密接觸，同時減少對植骨塊應(yīng)力遮擋。本研究選用了臨床應(yīng)用較廣泛的Orion，Windows，Codman三種有代表性的不同設(shè)計的鋼板(圖3)。Orion鋼板上下兩端的螺釘孔各向頭尾端成固定的15°角和向內(nèi)聚6°角，通過成角的張力增加固定的穩(wěn)定性，為典型的靜力固定。Codman鋼板則允許螺釘在螺孔內(nèi)有一定的轉(zhuǎn)動范圍，以此增加植骨塊所受的應(yīng)力載荷，為轉(zhuǎn)動類的動力固定;Window鋼板中央有間斷長方形窗式槽，供螺釘置于任何符合頸椎生量曲度和角度的合適位置，螺釘擰入后，和螺孔間具有動力加壓功能，為平移類的動力固定。
圖2三種不同設(shè)計鋼板
試驗結(jié)果表明，三種鋼板除在側(cè)屈時ROM比正常大(但與正常無顯著差異外)，其余狀態(tài)時ROM均比正常小，其中前屈與正常相比有顯著差異(P0.05)。測試結(jié)果與俞杭平[5]的實驗結(jié)果類似。但對于實驗結(jié)果之間有一些差異，作者認(rèn)為和我們采取的標(biāo)本可能有一定關(guān)系，小牛的頸椎C4、5節(jié)段生理運動范圍比人的頸椎活動運動范圍小。因此可能低估頸前路鋼板的作用。
頸椎單椎間減壓植骨塊融合相當(dāng)于一個骨折的愈合過程， AO認(rèn)為復(fù)位后堅強(qiáng)固定是骨折愈合的必須條件，但本試驗結(jié)果表明，頸椎單椎間減壓植骨融合后，無論采用哪種鋼板固定，其術(shù)后ROM值除側(cè)屈時比正常稍大外(但差異無顯著意義)，在前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)運動時均比正常頸椎要小，均能提供高于正常頸椎的穩(wěn)定性，說明鋼板固定后植骨塊融合擁有良好的愈合環(huán)境。尤其作為動力化固定的Codman和Window兩種鋼板完全能提供植骨塊融合必須的穩(wěn)定性，但從既往的生物力學(xué)研究看，動力性鋼板由于特有的力學(xué)特點使植骨塊所受的應(yīng)力增加及植骨部位的微動，可促進(jìn)骨愈合，減少骨愈合的時間。Reidy等[6]也認(rèn)為動力性加壓能提高植骨塊的載荷，從生物力學(xué)上看更支持動力性鋼板在單純前柱不穩(wěn)定中應(yīng)用。
由于是生物力學(xué)研究沒有涉及到肌肉組織的穩(wěn)定作用和機(jī)體的協(xié)調(diào)作用，因此不完全代表臨床應(yīng)用的實際情況，而只提示某一種內(nèi)固定器械比另外一種器械的生物力學(xué)特性強(qiáng)。此外，由于新鮮人尸體標(biāo)本獲取較困難，特別是可能牽涉的倫理問題，本試驗中選擇了新鮮小牛標(biāo)本作為研究對象。Wilke等認(rèn)為使用小牛脊柱標(biāo)本在比較各內(nèi)固定系統(tǒng)性能，尤其是脊柱椎間活動度方面，反映出的相關(guān)趨勢與人體標(biāo)本是一致的。
總體而言，在頸前路單椎間減壓植骨融合固定中，不管是靜力性還是動力性固定均能有效維持脊柱的穩(wěn)定性，但從Codman 和Window 等動力性固定的載荷特點看，動力性鋼板固定的應(yīng)力遮擋效應(yīng)小，有利于植骨塊融合，因此在單椎間減壓融合中選用Codman 和Window 相比較而言有一些優(yōu)點，這提示我們在治療時盡可能選擇動力性固定。
參考文獻(xiàn)
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第6篇：生物力學(xué)測試方法范文
關(guān)鍵詞：膨脹教學(xué)；實驗平臺；思考能力
軟組織力學(xué)特性是生物力學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容，對于解釋疾病的發(fā)生發(fā)展具有重要的作用，不同組織（包括正常組織和病理組織）的力學(xué)特性不同，其臨床表現(xiàn)也不同?？梢?，了解軟組織的力學(xué)特性對于醫(yī)生深入認(rèn)識疾病具有重要的意義。而對于我校生物力學(xué)課程的授課對象一醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生而言，使他們了解力學(xué)特性的相關(guān)知識和方法就顯得非常必要。
目前，軟組織力學(xué)特性的實驗方法主要包括拉伸實驗和整體膨脹實驗，拉伸實驗主要針對軟組織的條狀試件進(jìn)行單軸或雙軸拉伸，利用實驗機(jī)記錄軸向或雙方向的載荷位移數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理獲得材料的力學(xué)特性。拉伸實驗操作簡單、所用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，數(shù)據(jù)處理方便等，但對于具有特定性狀的軟組織而言，通過拉伸實驗無法獲得準(zhǔn)確的力學(xué)響應(yīng)，整體膨脹實驗則可以在不破壞軟組織形狀的基礎(chǔ)上，模擬生物體在體時的生理狀態(tài)，通過對整體軟組織進(jìn)行加壓，進(jìn)而獲得軟組織形變隨壓強(qiáng)的變化規(guī)律。
可見，對于具有特性形狀的軟組織材料，通過整體膨脹實驗獲得的力學(xué)響應(yīng)更符合生理實際，獲得的力學(xué)特性更準(zhǔn)確，該方法是目前研究軟組織力學(xué)特性的重要實驗方法。對于生物力學(xué)實驗和實踐教學(xué)而言，讓學(xué)生了解生物力學(xué)領(lǐng)域的重要研究方法是重要的教學(xué)任務(wù)，雖然整體膨脹實驗在相關(guān)的學(xué)生實驗和實踐工作中很少見到，但是考慮到我校生物力學(xué)課程的授課對象為醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生，因此，開發(fā)滿足實驗和實踐教學(xué)需要的整體膨脹實驗非常必要。
1.整體膨脹實驗平臺的設(shè)計
整體膨脹實驗是在不破壞軟組織整體形狀的情況下，對整體軟組織進(jìn)行加壓，同時記錄軟組織內(nèi)壓和變形的信息，通過數(shù)據(jù)處理，獲得軟組織的力學(xué)響應(yīng)。整體膨脹實驗的主要研究對象是管狀組織（主要包括血管）和類球缺狀組織（角膜、鞏膜、虹膜）。通過對血管等管狀材料進(jìn)行整體膨脹實驗，可以獲得血管直徑隨血管內(nèi)壓的變化規(guī)律；而對于類球缺狀材料，則可以得到頂點位移隨眼內(nèi)壓的變化或面積變化隨眼內(nèi)壓的變化。實際中，我們以管狀材料（兔腹主動脈）整體膨脹實驗為例，在已有工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計和搭建了整體膨脹實驗平臺，規(guī)范了實驗操作流程，統(tǒng)一了圖像和數(shù)據(jù)處理等流程，獲得了管狀材料的力學(xué)響應(yīng)和材料特性。
1.1實驗測試系統(tǒng)設(shè)計 管狀材料的整體膨脹實驗平臺主要包括加壓裝置和軟組織形變圖像采集和錄系統(tǒng)。具體的實驗裝置示意圖見圖1，加壓裝置為微量注射泵，通過傳感器和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)記錄加壓過程中的壓力變化；軟組織形變圖像采集和記錄系統(tǒng)主要包括顯微鏡、CCD和計算機(jī)。實驗過程中，通過加壓裝置對管狀材料進(jìn)行加壓，同時采集和記錄軟組織的變形信息。
1.2實驗操作步驟 采用過量麻醉劑將新西蘭兔處死，開腹分離腹主動脈，取出試件并置于生理鹽水中備用。測量并記錄血管壁厚、直徑和長度。
將試件兩端固定于夾具，將試件置于生理鹽水浴內(nèi)。連接設(shè)備，將壓力傳感器調(diào)零。調(diào)整試件位置，使CCD拍攝效果最佳。
對血管試件進(jìn)行預(yù)調(diào)，通過微量注射泵向血管內(nèi)注射生理鹽水，當(dāng)血管內(nèi)壓達(dá)到100 mmHg時停止注射，并卸載，當(dāng)血管內(nèi)壓達(dá)到0 mmHg時完成一次預(yù)調(diào)。預(yù)調(diào)三次后，進(jìn)行正式實驗。
第7篇：生物力學(xué)測試方法范文
關(guān)鍵詞：生物力學(xué)；骨質(zhì)疏松；腰椎；模型；體層攝影術(shù)
脊柱的生物力學(xué)試驗可以通過體內(nèi)和體外試驗兩種方式進(jìn)行。近年來有限元分析法作為一種骨科生物力學(xué)的研究方法越來越受到關(guān)注。有限元分析不僅能模擬脊柱的各種運動方式，還能模擬正常人、患者和手術(shù)后的脊柱外形，從而計算出相應(yīng)的各個結(jié)構(gòu)的受力和位移情況。腰椎的有限元模型可以為骨質(zhì)疏松椎體彌補(bǔ)以上試驗的不足，為骨質(zhì)疏松椎體的生物力學(xué)試驗提供良好的試驗?zāi)Ｐ?。擬建立包含多個完整的功能脊柱單位（Functional spinal unite，F(xiàn)SU）骨質(zhì)疏松腰椎的三維有限元模型，模型包括四個椎體和三個個椎間盤。模型將用于骨質(zhì)疏松的椎體的治療評價的生物力學(xué)試驗。
1 資料與方法
1.1 一般資料：①志愿者1名：根據(jù)國人解剖學(xué)數(shù)值選取1個有代表性的健康成年男性志愿者，35歲，身高175 cm，體重73 kg；②General Electrics 64層螺旋CT機(jī)；③計算機(jī)工作站：Intel（R）Xeon（TM）CPU 3.00 G 雙核四節(jié)點（8 cpu），內(nèi)存：16 G，硬盤：320 G；④醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 10.0（Materialise's interactive medical image control system 10.0）：一款由比利時Materialise 公司開發(fā)的介于醫(yī)學(xué)與機(jī)械領(lǐng)域之間的一套逆向軟件，可以快捷的將CT或是MRI的斷層掃瞄的二維圖像轉(zhuǎn)化為機(jī)械領(lǐng)域中CAD/CAM軟件或完全的三維模型；⑤有限元分析軟件MSC.PATRAN 2005：MSC.PATRAN最早由美國宇航局（NASA）倡導(dǎo)開發(fā)的，是工業(yè)領(lǐng)域最著名的并行框架式有限元前后處理及分析系統(tǒng)，其開放式、多功能的體系結(jié)構(gòu)可將工程設(shè)計、工程分析、結(jié)果評估、用戶化身和交互圖形界面集于一身，構(gòu)成一個完整CAE集成環(huán)境；⑥有限元分析軟件ABAQUS：ABAQUS由美國公司開發(fā)，是世界知名的高級有限元分析軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS包括一個十分豐富的、可模擬任意實際形狀的單元庫。
1.2 方法與步驟：模型的建立：①螺旋CT掃描：采用General Electrics 64層螺旋CT對已經(jīng)選定的對象進(jìn)行螺旋掃描及斷層圖像處理。掃描時志愿者采取仰臥位靜止不動，盡量保持掃描斷面與身體長軸垂直。掃描參數(shù)如下：層厚0.699 mm，球管電流200 mA、電壓120 kV。②CT圖像處理及保存：在CT工作站中，通過調(diào)整圖灰度、增加對比度等，對圖像觀察細(xì)節(jié)進(jìn)行處理，得到清晰的骨窗斷層圖像，并將其保存為DICOM格式，刻錄為光盤保存。③CT圖像處理及胸腰段三維圖像的重建：將DICOM格式的圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics。在MIMICS中逐層分割提取已選取的CT圖像，去除骨骼周圍軟組織圖像，盡量把胸腰椎T11～T12～L1～L2段從背景中分割。得到處理后每一個斷層的CT圖像，然后重建出胸腰段的三維圖像。④胸腰段椎體三維實體模型的建立和光滑處理：把生成的三維圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Magic rp軟件，利用Remesh模塊對模型進(jìn)行光滑處理，生成光滑和幾何高度近似，具有較好面網(wǎng)格質(zhì)量的模型以便導(dǎo)入Patran前處理軟件，構(gòu)建有限元模型。⑤胸腰段三維模型的前處理：將優(yōu)化的面網(wǎng)格文件導(dǎo)入MSC Patran前處理軟件，生成正常T11～T12～L1～L2段椎體的四面體單元。并在體單元的基礎(chǔ)上根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)的材料屬性不同，把椎體分割成皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎體后部3個部分，其中皮質(zhì)骨厚度約為1～2 mm。⑥T11/T12、T12/L1、L1/L2椎間盤的建模過程：在已有的椎體四面體單元的基礎(chǔ)上生成椎間盤和終板模型，采用六面體單元劃分。椎間盤髓核被模擬為不可壓縮的體單元（Hybird）。髓核的體積約占椎間盤體積的35%～45%，靠近中后部1/3。椎間盤的上下表面由1.0 mm 厚的軟骨終板構(gòu)成。⑦關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎間盤纖維、韌帶的建模過程：選擇關(guān)節(jié)軟骨，并把關(guān)節(jié)軟骨層的表面接觸選用面-面接觸單元模擬（無摩擦的滑動表面接觸單元），關(guān)節(jié)囊使用三維Truss單元模擬。纖維環(huán)纖維由只承受拉應(yīng)力的Truss單元構(gòu)建，纖維在環(huán)狀體中呈剪刀狀方式走行，并與椎間盤平面成平均25°～40°的夾角。有限元模型包含的前縱韌帶、后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、橫突間韌帶以及黃韌帶均采用只受拉力Truss單元模擬。⑧賦予各結(jié)構(gòu)材料學(xué)參數(shù)：對整個胸腰段有限元模型單元材料相關(guān)屬性進(jìn)行設(shè)定，構(gòu)建與實際模型在材料參數(shù)和力學(xué)行為上相吻合的三維有限元模型，其中纖維、韌帶、關(guān)節(jié)囊為只受拉應(yīng)力的線彈性材料。各部位的材料屬性見表1。
表1 正常胸腰段有限元模型的材料參數(shù)
結(jié)構(gòu)彈性模量（MPa）泊松比截面積（mm2）皮質(zhì)骨 12 0000.30
松質(zhì)骨1000.2
關(guān)節(jié)軟骨100.4
L5-椎體后部3 5000.25
終板1 0000.4
椎間盤纖維環(huán)基質(zhì)4.20.45
椎間盤髓核0.20.4999
纖維環(huán)纖維500非線性
前縱韌帶200.33 8.0后縱韌帶700.320.0黃韌帶500.360.0棘間韌帶280.335.5棘上韌帶280.335.5橫突間韌帶500.310.0關(guān)節(jié)囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41
骨質(zhì)疏松的材料模型為在正常模型材料參數(shù)的基礎(chǔ)上，皮質(zhì)骨、終板、后部結(jié)構(gòu)模量減少33%，松質(zhì)骨減少66%，同時考慮髓核脫水，彈性模量增加1倍，其他結(jié)構(gòu)保持不變。見表2。
表2 骨質(zhì)疏松胸腰段有限元模型的材料參數(shù)
結(jié)構(gòu)彈性模量（MPa）泊松比截面積（mm2）皮質(zhì)骨 8 0400.30
松質(zhì)骨340.2
關(guān)節(jié)軟骨100.4
L5-椎體后部2 3450.25
終板6700.4
椎間盤纖維環(huán)基質(zhì)4.20.45
椎間盤髓核0.40.4999
纖維環(huán)纖維500非線性
前縱韌帶200.338.0后縱韌帶700.320.0黃韌帶500.360.0棘間韌帶280.335.5棘上韌帶280.335.5橫突間韌帶500.310.0關(guān)節(jié)囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41
2 結(jié)果
正常脊柱胸腰段三維有限元模型已經(jīng)建立起來。完整的脊柱胸腰段三維有限元模型包括共276 580個四面體單元，8 532個六面體單元，673個桿單元，總計共95 219個結(jié)點。見表3。
表3 正常胸腰椎有限元模型的單元劃分
結(jié)構(gòu)單元類型數(shù)量節(jié)點
95 219椎體骨四面體單元276 580椎間盤、終板六面體單元8 532韌帶、關(guān)節(jié)囊、纖維三維桿單元673
建成后的三維有限元模型與實體組織具有良好的幾何相似性。
完全按照上述步驟我們利用有限元軟件Patran前處理功能，對不同組織的物理特性進(jìn)行定義，皮質(zhì)骨、終板、后部結(jié)構(gòu)模量減少33%，松質(zhì)骨減少66%，同時考慮髓核脫水，彈性模量增加1倍，其他結(jié)構(gòu)保持不變?；痉险鎸嵉纳锪W(xué)要求，真實模擬了骨質(zhì)疏松椎體的材料特性，成功建立了T11～L1的骨質(zhì)疏松有限元模型。見圖1。
圖1 建立關(guān)節(jié)囊、纖維、韌帶的正常胸腰段脊柱有限元模型
3 討論
1974年，Belytschko首先將有限元分析法應(yīng)用于脊柱力學(xué)研究，建立二維椎間盤模型，標(biāo)志著有限元在骨科生物力學(xué)分析中應(yīng)用的開端[1]。Liu等在1975年首次提出三維有限元模型，將其用于椎間盤生物力學(xué)研究并將理論結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行了比較。由于有限元法在求解過程中條理清晰，步驟同一，通用性強(qiáng)，特別適合計算機(jī)仿真計算。隨著電腦軟硬件技術(shù)的發(fā)展，有限元法在骨結(jié)構(gòu)生物力學(xué)及醫(yī)療研究中愈顯重要且前景廣闊。
有限元分析不僅能模擬脊柱的各種運動方式，還能模擬正常人、患者和手術(shù)后的脊柱外形，從而計算出相應(yīng)的各個結(jié)構(gòu)的受力和位移情況。脊柱某些結(jié)構(gòu)的外在位移用普通試驗方法容易測得，但內(nèi)在應(yīng)力的改變則需要復(fù)雜的測試技術(shù)，利用有限元分析能夠精細(xì)地得到模型內(nèi)部地受力變化。這比外在位移來說更具有深遠(yuǎn)地意義。而計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步及功能完善的專用軟件的問世，為確保有限元模型的精確性奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)今的研究成果使有限元模型不僅能逼真地模擬椎骨、椎間盤，還能將脊柱周圍的韌帶、肌肉直接或者間接地加入模型，使模型更加真實完善。正因為如此，近年來有限元分析法作為一種骨科生物力學(xué)的研究方法越來越受到關(guān)注。有限元模型最大的優(yōu)勢在于可以反映集體內(nèi)部的應(yīng)力變化情況，這是其他試驗方法難以做到的。
3.1 骨質(zhì)疏松腰椎三維有限元模型的建立：有限元建模有多種方法，由于人體結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，同時CT、MRI機(jī)器普及，圖像建模的方法比較適合于臨床生物力學(xué)的研究，目前多數(shù)臨床相關(guān)的研究是通過此方法建模的[2-3]。
在本試驗中，我們采用General Electrics 64層螺旋CT對已經(jīng)選定的對象進(jìn)行薄層螺旋掃描及斷層圖像處理。得到清晰的胸腰段椎體骨窗斷層圖像，并將其保存為DICOM格式，再將DICOM格式的圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics。這樣通過CT建立的胸腰段椎體有限元仿真模型與真實的胸腰段脊柱在幾何上就近似人體骨形態(tài)。并且我們建立的是四面體椎體模型，四面體相比六面體，對復(fù)雜幾何體的形狀擬和較好。脊柱六面體有限元模型和本課題建立的四面體椎體加六面體椎間盤的胸腰段有限元模型示意圖：見圖2～3。
圖2 脊柱六面體有限元模型
圖3 胸腰段六面體、四面體混合有限元模型
另外，由于韌帶從生理結(jié)構(gòu)上，只承受拉力作用，不受壓力作用，因此，本試驗中采用只受拉力作用的線彈性材料模型，采用三維桿單元模擬，一定程度上符合韌帶的生理特性。由于CT無法建立椎間盤模型（因為在CT上椎間盤的灰度和周圍軟組織的灰度重疊無法取值）且椎間盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，文章根據(jù)椎間盤的生理結(jié)構(gòu)，通過CAD構(gòu)建了簡化的椎間盤模型。椎間盤被固定在相鄰的椎體之間，分散來自椎體的壓力，通過與雙側(cè)軟骨終板結(jié)合的纖維環(huán)和髓核使椎體間具有一定的活動度。
3.1.1 三維胸腰椎體幾何模型的準(zhǔn)確性：我們研究所建立的有限元模型是骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折好發(fā)的脊柱胸腰段，更符合臨床實際情況。模型的建立選擇健康成年人的胸腰段脊柱作為基礎(chǔ)，應(yīng)用螺旋CT掃描獲得胸腰段脊柱的詳細(xì)輪廓數(shù)據(jù)，經(jīng)Materialise Mimics逆向處理軟件，建立胸腰段脊柱的三維實體模型。本研究采用基于CT原始數(shù)據(jù)的先進(jìn)逆向建模技術(shù)，解決了CAD傳統(tǒng)正向建模技術(shù)無法構(gòu)建骨骼等復(fù)雜幾何體的問題，從而保證了幾何高度近似，為下一步的研究提供了良好的三維模型。
3.1.2 三維胸腰椎體網(wǎng)格模型的優(yōu)點：在對胸腰椎體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，考慮到椎體的幾何復(fù)雜性，對椎體采用自適應(yīng)四面體網(wǎng)格劃分方法，并對在著重考察和形狀非常不規(guī)則的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，保證了網(wǎng)格模型和幾何模型的高度近似性。因此，本研究的網(wǎng)格模型更加細(xì)化和逼真，保證了計算的準(zhǔn)確性。同時對于椎間盤模型，采用六面體模型，保證了椎間盤纖維模型的合理構(gòu)建。采用椎體骨四面體和椎間盤六面體的復(fù)合網(wǎng)格模型，即保證了網(wǎng)格模型的幾何逼真，又保證了胸腰椎各解剖部位的合理構(gòu)建，為胸腰椎生物力學(xué)的研究提供了良好的網(wǎng)格模型。
3.1.3 胸腰椎模型材料屬性的可靠性：因為試驗條件的限制，本研究胸腰段脊柱有限元模型各部位的材料屬性及基本參數(shù)采用了國外學(xué)者在胸腰椎材料力學(xué)研究中的試驗結(jié)果，并已被不同研究學(xué)者引用進(jìn)行胸腰脊柱的有限元模擬分析[4-6]。雖然因為研究的方法、試驗的條件以及力學(xué)標(biāo)本來自不同地區(qū)人種的關(guān)系，不同研究學(xué)者的材料試驗造成材料屬性有所偏差，但是本研究采用同一學(xué)者的研究結(jié)果，對不同模型進(jìn)行力學(xué)分析，從縱向上進(jìn)行定性比較分析，是合理的。
3.2 胸腰椎模型建立的臨床意義：很多老年病如椎間盤退變，椎體的壓 縮性骨折等都與老年性的骨質(zhì)疏松有關(guān)，而很多的骨質(zhì)疏松椎體的病因和治療均與其生物力學(xué)有關(guān)，因此，分析不同的手術(shù)及創(chuàng)傷對骨質(zhì)疏松的腰椎的影響是十分關(guān)鍵的。精確的生物力學(xué)試驗可以幫助選擇準(zhǔn)確的植入物和手術(shù)方法，指導(dǎo)患者的術(shù)后康復(fù)和鍛煉[7-8]。目前，很多學(xué)者通過有限元模型來進(jìn)行骨科研究，并取得了好的成果[9-12]。本試驗建立的有限元模型可以在計算機(jī)上隨意的對椎體產(chǎn)生變形，可以模擬椎體骨折的模型，分析骨折后的生物力學(xué)變化，同時可對目前治療骨質(zhì)疏松骨折的新技術(shù)如椎體成型和后凸成型做比較，以及椎體疏松后內(nèi)固定松動的問題，還可用于腰椎退變性滑脫，能夠很好的模擬腰椎的生物力學(xué)試驗。我們建立此模型想利用此模型觀察骨質(zhì)疏松椎體骨折后椎體成形后的相鄰椎體骨折的問題，最近越來越多的報道認(rèn)為這種骨折與椎體剛度和強(qiáng)度的增強(qiáng)有關(guān)。是否椎體成形術(shù)后的相鄰椎體的骨折是由椎體的生物力學(xué)的改變引起，目前尚無定論。以往試驗利用有限元的方法對椎體增強(qiáng)后的相鄰椎體的生物力學(xué)進(jìn)行了報道，但得出的結(jié)論不一致。這些生物力學(xué)試驗均證明了椎體剛度的增強(qiáng)是目前相鄰椎體骨折的原因[13-14]，認(rèn)為相鄰椎體的骨折與骨水泥增強(qiáng)椎體的彈性模量有關(guān)，但部分學(xué)者認(rèn)為相鄰椎體的骨折和椎體的增強(qiáng)沒有關(guān)系[15]。我們將利用建立的有限元模型對目前比較關(guān)注的椎體成型手術(shù)后的相鄰椎體的骨折問題進(jìn)行進(jìn)一步的探討。通過更精確的模型來排除其他因素對增強(qiáng)椎體周圍椎體的影響。
3.3 試驗的局限性及展望：有限元模型材料參數(shù)的獲得是通過生物試驗得到的，但是到目前為止，退變組織的材料參數(shù)的獲得對于我們模擬退變的三維有限元模型來說仍是個難以解決的問題，不同研究學(xué)者對材料屬性的定義有所偏差。另外，雖然近年來建立的生物力學(xué)有限元模型越來越接近客觀實體，并且對生物力學(xué)機(jī)制有更深入的理解和預(yù)測。但有限元法是一種理論性的分析，只有在更好地結(jié)合臨床檢測與試驗觀察之后，才能最真實地反映脊柱的受力狀況，為疾病的發(fā)生、發(fā)展分析及疾病的治療提供準(zhǔn)確的參考。
今后，我們還將做深入的研究。包括進(jìn)一步完善有限元模型的設(shè)計，特別是退變椎間盤和髓核的有限元模擬，并考慮肌肉力的影響；探討KP治療中骨水泥最佳的注射容積量；骨水泥在治療椎中不同的分布對治療椎體及相鄰椎體的生物力學(xué)的影響；使用不同性質(zhì)的骨水泥對脊柱的生物力學(xué)的影響；把有限元分析和生物試驗的方法良好的結(jié)合起來。
本研究建立的骨質(zhì)疏松腰椎三維有限元模型接近真實的生物力學(xué)標(biāo)本，是理想的研究骨質(zhì)疏松腰椎生物力學(xué)的數(shù)字化模型，可應(yīng)用于胸腰段骨質(zhì)疏松后凸成形術(shù)相關(guān)的有限元生物力學(xué)研究。
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第8篇：生物力學(xué)測試方法范文
（一）國家社會科學(xué)基金對體育理論和競技體育學(xué)研究導(dǎo)向不強(qiáng)
作為國家體育類最高級別的科研基金項目，國家社科基金項目體育學(xué)立項資助基金項目，從宏觀上反映了我國體育學(xué)科研究的熱點、難點、重點及發(fā)展方向［1］，對體育學(xué)科學(xué)研究提供了導(dǎo)向，起統(tǒng)領(lǐng)作用，反映了國家對體育學(xué)科學(xué)研究的宏觀指導(dǎo)，其課題研究居于國內(nèi)重大理論問題和實踐問題之前沿，研究成果在一定程度上代表了我國體育學(xué)科學(xué)研究的最高水平。調(diào)查統(tǒng)計得知，競技體育學(xué)14年來在國家社會科學(xué)基金立項58項，約占立項總數(shù)的11．65％，位列第四；體育理論立項55項，約占立項總數(shù)的11．04％，位列第五，而社會體育學(xué)立項99項，約占立項總數(shù)的19．88％，位列第一，同時體育社會學(xué)立項63項，約占立項總數(shù)的12．65％，位列第二，社會體育學(xué)和體育社會學(xué)兩學(xué)科立項約占立項總數(shù)的32．53％。從數(shù)據(jù)中我們不難看出，從立項單位到體育工作者，都把研究重心放在了社會體育學(xué)、體育社會學(xué)、體育管理學(xué)，忽視了體育基礎(chǔ)理論和競技體育學(xué)的研究。體育基礎(chǔ)理論在體育學(xué)研究中具有基礎(chǔ)性的地位和作用，它是我們客觀、深入、全面、系統(tǒng)地認(rèn)識體育的知識基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)體育跨越式發(fā)展和應(yīng)用研究創(chuàng)新的“基石”。社會體育的發(fā)展不僅需要有“文”，更需要“理”的基礎(chǔ)來支持。
（二）國家自然科學(xué)基金入口窄立項難
近年來，自然科學(xué)基金資助方式隨著社會、經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，呈現(xiàn)出多元化趨勢。體育學(xué)科申報自然科學(xué)基金較晚，調(diào)查顯示，截止到2009年，僅有國家體育總局運動醫(yī)學(xué)研究所在2006年申請的立項被立項為化學(xué)科學(xué)部的重點項目，資助經(jīng)費180萬元，8年來體育學(xué)科的立項課題多數(shù)為面上項目，共計40項，青年科學(xué)基金項目僅立項3次，體育學(xué)在自然科學(xué)基金上的立項相對其他基金項目較少，并且資助率較低，立項難度非常大，如歷年來獲得面上項目立項最多的北京體育大學(xué)，8年間申請了約69個立項課題，被批15個，資助率21．74％，且大部分都是面上項目。體育學(xué)科學(xué)研究也隸屬于自然科學(xué)研究范疇，我國體育院校的體育工作者多是以體育教育訓(xùn)練學(xué)專業(yè)為主，如何從生物科學(xué)和化學(xué)科學(xué)的角度，充分重視體育基礎(chǔ)理論知識（運動生理學(xué)、運動生物力學(xué)、運動解剖學(xué)）去實踐科學(xué)研究，是當(dāng)前亟須解決的重大問題。競技體育、學(xué)校體育、社會體育、體育產(chǎn)業(yè)等學(xué)科應(yīng)在運動解剖學(xué)、運動生理學(xué)、運動生物力學(xué)、運動醫(yī)學(xué)、運動營養(yǎng)學(xué)等基礎(chǔ)理論學(xué)科的指導(dǎo)下進(jìn)行科學(xué)體育實踐活動，體育的每項技術(shù)動作都與運動解剖學(xué)、運動生理學(xué)、運動生物力學(xué)、運動生物化學(xué)、運動醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)理論學(xué)科密切聯(lián)系，沒有基礎(chǔ)研究的體育學(xué)科學(xué)研究，其兩腳只能懸在空中，沒有基礎(chǔ)學(xué)科做堅實的保障我們無法探尋科學(xué)研究的本質(zhì)。
二、體育科學(xué)研究的對策
（一）科學(xué)研究理念與時俱進(jìn)
當(dāng)以技術(shù)革命為基本核心推動工業(yè)革命向更深的層次和更廣的領(lǐng)域發(fā)展的時候，人們在不知不覺中就以科學(xué)信息技術(shù)體系為基本框架，從而建構(gòu)了一個全新的人類社會發(fā)展藍(lán)圖———隨著科學(xué)發(fā)展的日新月異，運動解剖學(xué)、運動生理學(xué)、運動生物力學(xué)等基礎(chǔ)保障學(xué)科的發(fā)展在信息技術(shù)的支撐下取得了長足的發(fā)展，對于我們進(jìn)一步研究人體運動系統(tǒng)———骨關(guān)節(jié)、肌肉等深層次、細(xì)致的研究，提供了技術(shù)支持和保障，運用瑪雅技術(shù)和ANSYS有限元分析軟件的結(jié)合，可使將來體育能夠腳踏實地的在運動解剖學(xué)、運動生理學(xué)、運動生物力學(xué)等基礎(chǔ)保障學(xué)科上去研究教育學(xué)、訓(xùn)練學(xué)、運動醫(yī)學(xué)、運動營養(yǎng)、運動與養(yǎng)護(hù)、運動與健康等學(xué)科，去發(fā)展和完善體育學(xué)科，進(jìn)一步深層次地探究人的全面發(fā)展，否則以教育和訓(xùn)練結(jié)合為主導(dǎo)的體育科學(xué)研究體系則顯得十分蒼白。體育科學(xué)研究是體育軟實力的重要組成部分［2］，因此應(yīng)充分發(fā)揮體育軟實力的重要作用，把握好體育軟實力的導(dǎo)向作用，加強(qiáng)對體育學(xué)深入、細(xì)致的研究，逐步爭強(qiáng)對國家自然科學(xué)基金體育學(xué)立項研究，充分發(fā)揮現(xiàn)有的經(jīng)驗優(yōu)勢，多爭取國家自然科學(xué)基金的立項。
（二）重視體育學(xué)科中運動生物力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的作用
通過對國家社科基金和自然科學(xué)基金的統(tǒng)計分析，我們可以看出體育工作者很少有從基礎(chǔ)學(xué)科的角度去研究、去探索體育學(xué)。例如，運動生物力學(xué)是一門實踐性很強(qiáng)的學(xué)科，它的研究領(lǐng)域非常廣泛，既有對人體自身器官如骨骼、肌肉生物力學(xué)特性的研究，也有對人體整體運動如各種項目動作技術(shù)的診斷，既有對人體模型的力學(xué)分析，又有對人體運動的實驗測試。近些年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日新月異，尤其是電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、光學(xué)、瑪雅技術(shù)、ANSYS有限元分析技術(shù)、激光技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的飛速發(fā)展以及社會需求的不斷增長，運動生物力學(xué)的研究領(lǐng)域也在不斷拓展，如對人與體育儀器器材關(guān)系的研究正朝著又一個新興的邊緣學(xué)科———體育工程學(xué)發(fā)展。人們不僅關(guān)注競技體育，也開始重視全民健身，這為運動生物力學(xué)的發(fā)展提供了一個良好的氛圍和契機(jī)。但就是如此重要的基礎(chǔ)學(xué)科，在近幾年的體育科學(xué)研究中卻寥寥無幾，我國在競技體育及其他領(lǐng)域取得的成績，總結(jié)其規(guī)律、探討其本質(zhì)時很難進(jìn)行科學(xué)的量化和評價。
（三）優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)
第9篇：生物力學(xué)測試方法范文
1 研究目的
隨著人們物質(zhì)文化生活水平的提高和體育運動項目的增多，自行車在作為交通工具的同時，也成為一種體育活動的器械，自行車運動成為人們愛好的體育競賽項目。1880至1900年間，自行車運動開始于美國和歐洲，較流行的國家有比利時、法國、荷蘭、意大利、盧森堡、西班牙、瑞士等國。1896年，希臘雅典舉行的第一屆夏季奧運會上就有該項目。世界上著名的公路自行車賽有環(huán)法自行車賽、環(huán)西自行車賽、環(huán)意自行車賽等。
北京2008年奧運會體育圖標(biāo)-自行車
自行車運動從自行車比賽項目設(shè)置的發(fā)展來看，在1896年第1屆奧運會上，自行車項目被列入正式比賽項目。20世紀(jì)20～40年代，場地、公路自行車比賽設(shè)項都相對趨于規(guī)范；20世紀(jì)50年代后，國際自盟對奧運會自行車比賽的項目設(shè)置、競賽方法進(jìn)一步規(guī)范化。同時，在奧運會上增設(shè)了賽事質(zhì)量高、受觀眾喜愛的、比較成熟的競賽項目，如：山地越野賽、小輪車項目。中國的自行車運動從上世紀(jì)80年代開始在亞洲崛起，目前我國自行車運動女子項目已接近世界中上流水平，在亞洲處于領(lǐng)先地位。在全國自行車界的共同努力下，中國自行車運動取得了突出成績，中國自行車項目的基礎(chǔ)建設(shè)和自行車運動水平上了一個新的臺階，自行車項目發(fā)展的外部環(huán)境進(jìn)一步優(yōu)化。2012年倫敦奧運會，女子獲得兩銀一銅的成績。自行車運動是一項極富觀賞性的運動，緊張的現(xiàn)場氣氛，激烈的比賽場面能夠帶給觀眾刺激、愉悅的心理體驗。本文將就自行車運動項目的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和最新試驗方法做一綜述，為中國自行車運動成績的提高提供綿薄之力。自行車運動項目的普及將積極推進(jìn)地方自行車運動協(xié)會、社會各類自行車俱樂部的發(fā)展，大力促進(jìn)社會性、群眾性的自行車運動發(fā)展。
2 研究方法
圍繞著本論文研究的項目及需要，而有目的、有計劃地查閱一些中英文獻(xiàn)資料，為本文的研究方法和理論分析提供基礎(chǔ)和依據(jù)。
3 研究討論
3.1 自行車運動員訓(xùn)練的生理、生化監(jiān)測
隨著體育竟?fàn)幍娜遮吋ち?，采用大運動量高強(qiáng)度訓(xùn)練來提高運動成績已成為競技體育的一種主要手段，因此長期跟蹤測試多項生理生化指標(biāo)來監(jiān)控運動訓(xùn)練已成為當(dāng)今體育科研的一個新的方面。嚴(yán)政等[3]對江蘇省優(yōu)秀自行車女選手訓(xùn)練過程的幾個主要生理指標(biāo)的評定與監(jiān)控進(jìn)行了研究，針對自行車運動員項目的特點，選擇了最大攝氧量、無氧功率、激素和血乳酸4大生理生化指標(biāo)并輔以血紅蛋白，心率等指標(biāo)進(jìn)行運動前后的跟蹤測定，并從有氧和無氧兩個方面對運動員生理機(jī)能和運動能力進(jìn)行綜合評定。訓(xùn)練監(jiān)控普測是對在訓(xùn)運動員進(jìn)行血紅蛋白測試，了解運動員近期訓(xùn)練、營養(yǎng)等情況，重點監(jiān)測的服務(wù)對象是備戰(zhàn)的重點運動員，根據(jù)有針對性的測試，出具運動處方報告。 采用全程跟蹤整個冬訓(xùn)周期，動態(tài)追蹤測試8名運動員的生理、生化指標(biāo)，調(diào)整訓(xùn)練強(qiáng)度，建立運動員個人擋案，并在此基礎(chǔ)上對運動員實施個體化營養(yǎng)調(diào)控與補(bǔ)充計劃。在此期間，心率表將會適時測定運動強(qiáng)度并指導(dǎo)運動員進(jìn)行適度運動訓(xùn)練。
以上研究顯示：心率圖可以顯示出自行車訓(xùn)練的特性，可以由此分析運動員的訓(xùn)練狀態(tài)、精神狀態(tài) ，還可以對比賽的過程和結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的分析，并發(fā)現(xiàn)自行車運動員最大心率和乳酸閾心率存在較大個體差異。
3.2 短距離自行車運動成績的多因素分析及SR M訓(xùn)練系統(tǒng)的應(yīng)用
劉小學(xué)[6]等采用分段測試方法，對我國場地短距離自行車男子1公里運動員的全程競速能力進(jìn)行了劃分和多因素分析，加速度能力和相對高速耐力是影響我國短距離自行車運動成績的兩個最關(guān)鍵因素。目前，根據(jù)SRM訓(xùn)練系統(tǒng)在一些比賽中的測試結(jié)果，我們可以得知，自行車運動員的專項力量是在高頻率下的踏蹬力量，所需要的專項頻率也是在一定踏蹬力量下的頻率。只有符合這種要求的訓(xùn)練才是專項訓(xùn)練，單純地進(jìn)行最大力量訓(xùn)練或在過低阻力條件下進(jìn)行的高頻率訓(xùn)練都不符合專項需求[1]。
3.3 自行車生物力學(xué)研究
李強(qiáng)等[7]主要對自行車項目的踏蹬技術(shù)、自行車的設(shè)計與改進(jìn)、自行車騎行時的阻力、錄像解析等方面國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，并對自行車項目的一些運動生物力學(xué)問題進(jìn)行了初步理論探討。在踏蹬技術(shù)方面，鄧興國、白鴻毅等對自行車運動員的踏蹬方式進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)踏蹬技術(shù)好的運動員在踏蹬效率達(dá)到70%時，踏蹬過程中每一踏蹬周期死點小于2個。證明了以有用力作為踏蹬技術(shù)好壞的指標(biāo)是正確的，并再一次證明了踏蹬技術(shù)的好壞與踏角相對應(yīng)。對于自行車阻力的研究，兩人跟騎時的空氣阻力，后者迎風(fēng)面積小于前者。兩車輪間距為0.1m時，可減小單人車空氣阻力50%。隨著跟騎距離的增大，后者的空氣阻力增加緩慢；國外認(rèn)為騎行時自行車主要受到五種阻力因素：驅(qū)動自行車的摩擦力、與自行車加速有關(guān)的慣性力、攀登時的重力、輪胎的滾動摩擦力和空氣阻力。
4 研究結(jié)語
關(guān)于自行車運動的相關(guān)研究比較多，主要集中于生理生化方面的監(jiān)控和運動技術(shù)的生物力學(xué)分析，但是在運動過程中的及時的跟蹤監(jiān)控應(yīng)用方面研究的比較少。但是中國對自行車運動項目越來越重視，相信中國自行車項目很快就會實現(xiàn)金牌數(shù)“零”的突破。
自行車運動是非常好的健身方式，現(xiàn)代人利用自行車娛樂健身，既可郊游又能交友?，F(xiàn)在，各種自行車運動非常流行，讓人欣慰。自行車運動是非常綠色健康的運動方式，對身體和器械的要求也不高，適合普通百姓。而且更重要的是，騎自行車不一定要一較高下，享受自行車運動本身的快樂才是最重要的。
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