生物力学测试方法精选(九篇)

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第1篇：生物力学测试方法范文

摘 要 运动生物力学的测试方法在竞技体育研究领域主要应用于技术研究以及发力原理分析等方面，对于拳击项目相关研究进行梳理，有助于辨析测试方法的应用范围，对今后的相关研究开展起到有意义的参考作用。

关键词 生物力学 方法 拳击

生物力学研究，尤其是运动学、动力学、表面肌电等实验技术逐步应用于拳击科学研究中。运动学方法应用在技术改进和规范程度判断等方面，起到很好的辅导作用。动力学研究对对抗性项目对抗时，力的大小、方向的变化及力作用的效果等进行定量分析，揭示发力原理及规律。表面肌电研究应用于判断动作过程中，哪些肌肉参与收缩，收缩过程中肌纤维发力长短、顺序等，这对科学合理化技术动作和确定不同力量训练方法手段的科学性非常有意义。

李凌云[1]采用生物力学的测试仪器、方法，试图寻找运动生物力学的一些原理和方法在武术领域中应用规律，从生物力学的原理应用在武术中的情况。我们可以将这些方法同样应用于其他同场格斗类项目中，为其他同项群项目的生物力学研究提供理论参考和实践指导。

运动学研究和表面肌电技术在拳击生物力学研究中应用较为广泛。郭峰，张日辉[2]探讨拳击运动员后手直拳动作内部神经肌肉系统协同变化，研究认为后手直拳击打，上肢拮抗肌发挥着重要作用。从肌肉激活顺序判断，动作符合鞭打动作原理，建议加强上肢拮抗肌训练。刘海瑞[3]的实验也得出了相似的结果，分析了拳击出拳击打拳速突然减速的成因。二者在突然降速的研究结果是一致的。拮抗肌放电信号较强也能够在一定意义上解释这一现象的出现，但二者结论中应该加强拮抗肌训练值得商榷，拮抗肌与主动肌、协同肌的协调配合时准确、高效完成技术动作的基础，应该从协调性训练的角度分析更为准确。

王新坤[4]运用爱捷运动录像测试分析系统，对参加2004年全国拳击冠军赛决赛的部分冠军前手直拳作进行运动学特征的研究分析。结果显示：运动员打击瞬间拳速在击中目标之前会突然增加，其研究结果前手直拳打击瞬间是加速的，与刘海瑞，郭峰、张日辉等研究后手直拳击打前速度突降结果相反，其原因有待进一步探讨。岳东升、张翠[5]利用高速摄像与测力台（Kistler）同步测试的方法，对拳击运动员直拳技术动作进行测试，该研究是典型的以运动学研究技术路线，对运动员技术改进有一定意义。

有关动力学研究在拳击中较为少见，相关理论研究中，谷晓红[6]从击打过程中的生物力学原理问题、打击力与作用时间、快速移动与稳定性、鞭打技术与多环节协调运动四个方面对拳击运动中的有关生物力学问题进行了探讨，指出了现存的误区及不足。苏彦炬[7]对不同击打技术的下肢发力特征进行了实验研究，对拳击下肢发力原理，影响击打效果的因素等做了宏观分析，对相关理论研究具有指导意义。

等速肌力测试关节力量从侧面反映肌肉力量，但与动作速度不相符合，存在一定的局限。姜传银[8]等运用等速肌力测试的方法，对拳击、跆拳道散打运动员进行比较研究，发现不同项目，不同肌群在速度力量方面的优势环节。从侧面也反映了不同项目因发力环节不同，不同部位的肌肉力量存在着明显的项目特征。等速测试数据较为精确，但限于单关节测试，动作路线，幅度、速度存在差异，对于专项力量测试存在局限性。

从拳击相关生物力学研究综述可见，以往研究对技术运动学分析较多，主要技术为前、后手直拳，分析其原因，直拳的运动学分析可近似理解为直线运动，相对实验控制和分析容易把握。而对表面肌电的研究可以对发力顺序与肌肉贡献率进行探讨，研究结果显示出的鲜明的个体化特征，从中提取共性及规律较难。表面肌电技术应用广泛，尤其是对专项训练手段和方法的检测，具有很大发展空间，二者有效结合可以弥补简单运动学分析带来的误差。等速肌力测试可以从侧面反映关节力量，但与专项发力方式速度不同。以运动学结合动力学研究在力量训练相关生物力学研究中是比较成熟的研究手段，对于拳击速度耐力相关研究应该是今后研究的方向 。

参考文献：

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第2篇：生物力学测试方法范文

1  资料与方法

1.1  一般资料  从国人新鲜尸体中获取20例不成对的膝关节(男10例,女10例),冷冻在-20℃,直到试验日为止。膝关节均在供者死亡后12h内冷冻。冷冻时间1~12个月不等。死者排除以下情况:(1)年龄>50岁;(2)骨骼未发育完全者(女性<16岁,男性<19岁);(3)有膝关节手术史;(4)有膝关节炎病史。在取髌腱标本之前,先将膝关节在室温中解冻。将髌腱连同全部髌骨和胫骨的一部分(包含有胫骨结节)从膝关节中分割出来。胫骨部分修整成楔形,取髌腱的中央部分(平均5mm宽),用手术刀沿着腱束的长轴将腱的内外侧修理成直的平面。小心操作以避免将腱束横行切断。用游标卡尺在不同截面测量髌腱的宽和厚,取其均值,并测量髌腱的长,用以计算髌腱的体积。

1.2  使用仪器  将样本安装在DCS-25T电子万能试验机(日本岛津)上,进行单轴拉伸试验,拉伸速度为30mm/min。以3033型X-Y函数记录仪(四川仪表制造厂)记录载荷―变形曲线,并进行分析,得出最大载荷、衰竭应变及弹性模量。

1.3  计算样本密度  力学测试完毕后将样本的腱性部分从骨的附着点上分离出来,称重。根据前面算出的体积计算出每个样本的密度。

1.4  统计学方法  采集所有数据,应用t检验来比较不同性别来源的髌腱的力学性质,进行相关性分析来判断髌腱密度与生物力学性质间的关系。将样本根据密度排列,再随机选择其中一个密度作为标准,将其上、下两组样本的生物力学指标用t检验分析,重复这个过程,检验是否存在一个密度值,比这个密度值大的样本与比这个密度值小的样本相比,其生物力学强度要高。

2  结果

样本的平均截面积是19.47mm2(SD 8.72),髌腱的平均长度是47.83mm(SD 3.78),男性髌腱平均长49.22mm(SD 3.42),比女性髌腱[平均46.44mm(SD 3.76)]稍长一些(P=0.05)。髌腱组织混合在一起的平均密度是1.61g/cm3(SD 0.47)。男性髌腱的密度(1.68g/cm3)和女性髌腱的密度(1.54g/cm3)之间差异无显着性(P=0.23),所测得密度范围为0.81~2.57g/cm3。

髌腱的力学性质不依赖于供体的年龄和性别。在最大抗张强度(P=0.62,)、最大应变(P=0.61)、弹性模量(P=0.57)方面基于性别上的差异均无显着性。因为性别和年龄对髌腱力学性质没有任何影响,所以将样本混合起来做密度的相关分析。样本的最大抗张强度与其密度相关(r=0.57, P<0.02)。髌腱的弹性模量也与其密度呈正相关,尽管其相关性较弱,但亦有统计学意义(r=0.44,P<0.05)。衰竭应变与其密度无相关性(r=-0.25,P>0.1)。连续采用t检验分析显示密度>1.68g/cm3(n=8)的髌腱的最大抗张强度比质量密度<1.68g/cm3(n=12)者明显要高。

3  讨论

本研究中,组织密度被作为变量进行相关性分析,通过测量其密度,就去除了组织大小对相关性分析的影响。我们发现在髌腱的生物力学性质与密度之间高度相关。较大的组织密度可能意味着较多的胶原堆积在组织中,产生较大的生物力学强度。Woo SL[1]发现经常活动的猪的伸趾肌腱质量和胶原含量增加,其最大抗张强度显着增加。但其未做肌腱生物力学和其质量的相关性研究。我们发现了髌腱组织的一个密度值(1.68g/cm3),大于这个密度的髌腱群体,其生物力学强度显着要高。因为高于或低于这个髌腱密度值的供者的平均年龄非常接近,所以年龄不会导致髌腱的生物力学的差异。这与Flahiff[2]报道的结果一致。

在以前的研究中,诸如样本大小、组织储藏方法、组织的测试条件、样本的截面积和力学测试方法等因素都被认为是很重要的因素,并且各实验间各不相同[3],因此,难以 做具体数据上的比较。文献报道[3],测试过程中对样本进行盐水浴,让液体从腱组织渗出,能产生更大的强度和硬度。一些研究人员观察了髌腱生物力学的差异,猜测可能有某些内在或外在的因素与此差异性有关。例如,Flahiff[2]认为重量、活动量、健康及饮食能影响髌腱的力学性能,虽然Beynnon[4]陈述软组织内在的未知生物学因素能导致肌腱力学性能的差异。基于我们的研究,髌腱的密度似乎是这种差异的一个原因。

第3篇：生物力学测试方法范文

[关键词]骨水泥；动力髋螺钉；股骨粗隆间骨折；生物力学

[中图分类号]R318.01；R683.42　[文献标识码]A　[文章编号]1671-7562(2010)06-0621-04

股骨粗隆间骨折是老年人常见的骨折，动力髋螺钉(dynamic hip screw，DHS)固定被认为是治疗股骨粗隆间骨折的有效方法。但老年人骨质疏松，内固定失败是较为常见的并发症。一些临床与基础研究支持骨水泥强化DHS固定能减少DHS的内固定失败，但DHS松动后(如手术中可能不当操作)是否可以采用骨水泥强化DHS重新固定，目前研究相对较少。临床上可供选择的骨水泥有多种，本实验对目前临床上常用的磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)与聚甲基丙烯酸甲酯(polymethy-methacrylate，PMMA)骨水泥强化修复DHS固定股骨粗隆间骨折内固定失败作用进行比较，为临床应用提供理论依据。

1.　材料与方法

1.1　材料准备

选用15例人股骨标本，小转子下15cm截断，标本均为4％福尔马林固定1年以内的防腐老年女性，来源于南京医科大学人体解剖学教研室。股骨标本经骨密度测量证实骨质疏松，经肉眼检查及普通x线检查排除有骨折、肿瘤、炎症、结核等，剔除干净其上附着的肌肉、韧带、关节囊等软组织，喷洒4％福尔马林保持标本湿润，以塑料袋密闭封装，室温下保存。CPC购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业研究所生产，DHS由常州康辉医疗器械公司提供，美国NORLAND公司生产的XR-36型双能x线吸收骨密度仪，WE-5生物力学实验机(天水红山试验机厂生产)。

1.2　实验方法

1.2.1　DHS内固定模型制作　所有标本均采用4孔135°DHS固定，为了安放时尽可能保证DHS固定在股骨颈的中央，先对标本进行DHS所需孔进行预钻孔。然后制作骨折模型。自大转子顶与股外侧肌嵴交界处至小转子用骨锯锯开骨皮质，锯除小转子，骨折线与股骨干轴线成角45°，制成粗隆间骨折EvansⅢ型骨折模型。然后进行DHS安装，拧入DHS，装入侧方钢板。远端与骨皮质靠拢贴实后拧入尾钉适当加压，钻孔、测深、攻丝后逐个拧入固定螺钉。其中随机选取5例进行生物力学测试。

1.2.2　DHS的拔出　将其余10例标本以45度角固定于生物力学实验机上，近端以牵拉夹夹于股骨头下方，远端于股骨大粗隆骨折两端进行分离加载直至DHS的拔出，制成内固定失败模型。

1.2.3　骨水泥强化修复　取出DHS，随机选取5例采用CPC强化，另5例采用PMMA骨水泥强化。CPC强化组，把标本固定在台钳上，用生理盐水冲洗股骨头的髋螺钉孔道，用电吹风吹干后，调配好CPC(按1g固相：1ml液相的比例配置)呈糊状，5ml注射器注入，于工作时间5min内均匀灌注入DHS孔道，拧入DHS，用量以不溢出为适宜，装入侧方钢板，远端与骨皮质靠拢贴实后拧入尾钉适当加压，钻孔、测深、攻丝后逐个拧入固定螺钉。PMMA骨水泥固定组，采用调配好的低稠度的骨水泥注入，其余操作与CPC组相同。将制作好的骨水泥强化动力髋标本安装在生物力学实验机上。

1.2.4　测试方法

实验前剥离股骨头上软组织并进行几何测量，在股骨外侧面置应变片A、B、c，内侧置应变片D、E、F共6枚，在股骨远端用骨水泥固定，模拟单足独立负重，考虑外展肌参与工作。为提高测量精度，全部标本在结构、尺寸、载荷、力学性质上均符合实验力学模型要求。将制作好标本安装在生物力学实验机上，加载载荷，加载速度为1.5mm・min-1，对DHS内固定标本以万能力学实验机逐级加载，出现下列情况时认为内固定失败：(1)大转子顶骨折断端皮质固定两点移位5mm；(2)变形逐渐增加而负载不增加甚至下降；(3)拉力螺钉后退超过10mm；(4)钉尖穿出股骨头。测定股骨转子间骨折固定后的相关数据。见图1～3。

1.3　统计学处理

采用Stata7.0统计软件对数据使用单因素方差分析法(anova)分析，对各组相关数据进行比较(Scheff法)，JP

2.　结果

15例DHS内固定后的标本在进行加载实验中，当载荷加至3500N左右时陆续出现内固定失败，其中8例出现骨折断端超过5mm，4例出现变形增加而负载不增加甚至下降，3例DHS后退超过10mm。本组标本未有钉尖穿出股骨头现象出现。实验结果见表1。

结果表明，在轴向刚度方面PMMA组与对照组相比较大，但CPC组与对照组相比较小，差异有统计学意义(P

在剪切刚度方面，PMMA组与对照组相比较大，差异有统计学意义(P

在扭转强度方面，PMMA组与对照组相比较小，差异有统计学意义(p0.05)。

3.　讨论

股骨粗隆间骨折手术的目的在于获得坚强的内固定，以利于病人早期活动，减少并发症。DHS是治疗股骨粗隆间骨折常用的有效固定方法，但是在骨质疏松的老年人，股骨头、颈强度下降，抗拔出能力下降，易出现DHS退出或切割，导致内固定失败。

通过强化固定DHS固定可预防内固定的失败，目前文献报道有多种强化DHS的方法，常用的有PMMA，黎宁等研究认为PMMA强化DHS能有效提高DHS固定强度，整体提高骨折稳定性，减少内固定失败的可能性。但PMMA有一些不足之处，它不能被吸收，能聚合发热，产生的热量可能影响局部的骨细胞

活性，同时聚合时释放单体对心脏产生一定的毒性。而CPC具有良好的生物活性，它具有可降解性、骨传导性、大于松质骨的抗压强度、可随意塑性及固化时不发热等优点。管国平等实验证实，CPC能提高DHS的极限载荷，韩小平等研究结果表明，联合CPC强化DHS治疗老年人股骨转子间骨折平均卧床时间比单纯应用DHS固定的时间明显要短。

对于DHS内固定失败，后期修复有人工关节置换等方法。DHS松动后(如手术中可能不当操作)作为补救措施，采用骨水泥强化修复是一个可行的方法。对于骨水泥，本实验结果表明采用PMMA强化能提高其轴向刚度、剪切刚度、抗扭转强度。而CPC强化修复后，在轴向刚度、剪切刚度、抗扭转强度方面均比对照组要差，这可能是DHS松动拔出时使骨螺钉孔的形态发生变化，影响了骨水泥与骨界面的镶嵌固定，从而使之强化能力下降。因此术中如出现DHS松动，采用PMMA比CPC强化从力学角度看更有一定的优势。

本实验的不足之处为体外实验，无法模拟内固定在体内强度的变化，特别是骨折在愈合过程中，局部的微环境变化如新骨的形成对骨螺钉界面的影响无法得知，因此仍需进一步研究。

[参考文献]

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第4篇：生物力学测试方法范文

随着脊柱外科经后路内固定手术普遍开展，各种椎弓根螺钉固定系统已广泛应用于临床，但Esses等[1]通过临床应用调查这些固定器械发现没有哪一种椎弓根螺钉固定比较完善，大量病例的远期随访表明并发症多。主要是螺钉松脱、断钉、内固定不牢固、矫正度丢失、椎体间融合形成假关节、脱位术后复发、椎弓根断裂等。Wittenberg[2]认为椎弓根螺钉固定产生并发症多的原因是螺钉内固定疲劳的结果。内固定器械受周期性负荷而导致疲劳。结合国内外在椎弓根螺钉内固定疲劳生物力学方面的研究综述如下：

1 椎弓根螺钉疲劳指标

Yamgata等[3]认为要研究椎弓根螺钉内固定生物力学疲劳特性，应从下面3个方面确定：①螺钉强度——疲劳次数关系：就是测定螺钉植入后其强度与周期性负荷次数（疲劳次数）关系；②测定螺钉旋入/出力矩。这具指标能表明螺钉固定疲劳前后的力矩变化，代表期疲劳程度；③螺钉最大轴向拔出力，表示钉一骨界面紧握力牢固性。Wittenberg等也研究了强度一疲劳次数关系，并发现螺钉固定强度随疲劳次数增加而下降。Zdeblick等[3]研究螺钉旋入/出力矩与疲劳次数关系，并指出力矩随疲劳总人数增加下降。轴向拔出力也下降；钉一骨界面轴向拔出力也随疲劳次数增加而下降。

材料选择，Smith[5]认为椎弓根螺钉内固定生物力学体外试验标本材料有3个来源：①人尸体脊柱标本，最佳是人新鲜尸体脊术，但来源有限；②人工摹拟脊柱，人工按脊柱椎体骨质等特点仿造出脊柱标本，在制造过程中可人为设计安置各种电子测定元件，有利于试验记录测量，但与人体脊柱质、量等各方面相差大；③动物新鲜脊柱标本，目前常用是牛的脊柱，Eilke等[6]应用小牛的胸6至腰6脊柱段与人胸腰椎脊柱段进行体外比较生物力学试验，得出试验结果进行统计分析无差异，所以他认为在体外生物力学试验可用小牛脊柱代替人脊柱当试验材料。人活体内研究因条件及医学伦理限制，很少研究。

椎弓根螺钉内固定疲劳试验研究方法及仪器：椎弓根螺钉内固定试验是摹拟内固定器械在体内受脊柱三维六自由度周期负荷作用下生物力学疲劳变化规律。研究较复杂，仪器测试要求高。目前没有规范的标准。Goel等[7]认为一种标准体外疲劳试验一定要做到对椎弓根螺钉内固定器械进行摹拟在体测试，获得不同负荷周期性作用下测出强度-疲劳次数关系曲线。疲劳试验80年代前大都是没有内固定器下的单纯标本人工机械试验。随着电子技术发展，90年代后自动化的试验机器完全代替人工机械方法，他介绍了美国明尼苏达州制造的双轴液压伺服生物材料测试系统即MTS试验机。该机优点能摹拟人体脊柱在维六自由度运动，即能旋转、拉伸、周期性加载荷，测定过程全自动化计算机控制，减少人为误差，同时测定强度一疲劳次数曲线、拔出力和力矩，被认为是目前先进的生物力学试验系统。 smith[5]也持相同观点而且建议体外生物力学试验研究程序化：试验原理度量科学化试验目的试验仪器选择负荷加载选定（目前没有具体标准）标本固定安装测度系统准备收集试验资料统计分析、讨论。另外Yamagata等[3]介绍日本京都制造通用疲劳试验机。该机也是电子程控测试，但仅测出强度-疲劳次数关系单项指标。还有方法仅测出力矩，或仅侧刚度，或仅测拔出力等单项指标。

2 影响椎弓根螺钉内固定生物力学疲劳特性的因素

①椎体骨密度（BMD） 椎弓根及椎体骨密度对其螺钉固定疲劳生物力学是主要影响因素。Halvorson等[8]用双光子骨密度测定仪测定标本椎体骨密度，分成正常组：1.17±0.08g/cm2；骨质疏松组：0.818±0.05g/cm2。发现正常骨质密度组平均轴向挨出力为1540±361N；而骨质疏松组为206±159N。即螺钉轴向拔出力与椎体骨密度呈正相关。Okuyama等[9]认为BMD每降低10mg/ml。螺钉最在拔出力约减少60N。Kumano等[10]认为Ⅲº骨质疏松螺钉轴向拔出力100N以下，很容易松动脱出，所以建议Ⅲº骨质疏松不要直接用椎弓根螺钉固定。其它研究也证明骨密度对螺钉固定力矩、强度等有重要影响，且呈正相关[11-14]。

②椎弓根螺钉横截面积大小和螺钉形态、长度、固定深度 Brantley等[21]研究指出椎弓根螺钉横截面积大小对椎弓根横截面积占有70%以上才有足够的固定强度；少于这个比例的螺钉则易疲劳松脱。但是当螺钉截面积增大到占椎弓根横截面积90%时，再增加螺钉直径，没有明显增加固定强度，反面易使椎弓根爆裂骨折。由于椎弓根横截面积有限，所以螺钉大小其横截面积为椎弓根横截面积的0.7-0.9之间为好。螺钉长度增加，固定深度加深也有增强固定强度、防止疲劳作用。但固定深度椎体大小和椎弓根长度的限制。他指出当固定深度为螺钉进入椎弓根穿刺点到椎弓根轴线与椎体前缘交点连线距离80%深度时（原则是螺钉尖端不要穿过椎体前缘皮质）螺钉固定强度已足够，再增加固定深度无明显增加其固定强度。所以增加固定深度亦有限。还指出螺钉大小、长度、深度对中度以上骨质疏松者没有增加固定强度。Zdeblik等[4]研究螺钉大小对扭力矩强度有正相关，即螺钉直径加大，扭力矩可相应增加。Kwok等[15]在人尸体上研究比较柱形螺钉和锥形螺钉旋入力矩和轴向拔出力。发现锥形螺钉能增强旋入力矩。柱形钉无此作用。但两者轴向拔出力无差别。

③椎弓根长、宽、高 Mckinley等用人工脊柱摹拟椎弓根长、宽、高，并研究长、宽、高对螺钉负荷弯力矩作用，结果发现螺钉负荷弯力矩与椎弓根高成负相关，与椎弓根长度正相关，宽度对螺钉负荷弯力矩无明显作用。

④螺钉孔道准备方法及固定方向 George等[17]用钻头准备孔道和用定位探子打出孔道方法，并比较2种方法准备孔道后螺钉固定轴向拔出力，结果两者无统计学差异，但指出用钻头钻法准备钉孔道定位不准，易造成椎弓根撕裂，而降低固定强度。Ronderos等[18]研究用击打和非击打2种方法准备进行螺钉固定测其钉-骨界面拔出力。还有Halrorson等[8]用比螺钉直径小1mm或相等的两种攻丝准备孔道，测螺钉轴向拔出力，结果发现用小的攻丝锥准备的孔道螺钉轴向拔出力要大于用与螺钉直径等大的攻丝锥备成的孔道螺钉向拔出力。

⑤医生手术熟练程度及技术水平 Stauber等[19]认为椎弓根定位不准确常使螺钉固定穿出椎弓根，破坏了椎弓根骨床质量，降低了固定强度，也易造成神经损伤。因此有应用光纤内窥镜来探查螺钉孔道定位情况，以提高螺钉固定定位的准确性。

⑥螺钉质量螺钉质量（包括所选用合金材料种类的好坏、刚度强度大小、生产工艺高低等）对其椎弓根固定稳定性、牢固性很重要。发现经椎弓根螺钉固定后螺钉弯曲或折断，Esses等[1]认为是与螺钉机械强度不够、刚度达不到内固定的要求、质量不合格有关。Matsuzaki等认为发生断钉是螺钉质量不过关的典型表现，他认为一定要对每一种螺钉等器械应用于临床前进行材料生物力学检测，质量合格后才能应用。

⑦负荷大小、周期性次数 Goel等[7]指出疲劳试验研究基本特征是在人为条件下，施加一定量的预负荷于标本，在一定的频率下周期性作用于内固定器械来研究其疲劳反应及其变化规律。但目前不同试验研究的预负荷、频率、周期性负荷次数都不统一。Cunningham.等[21]研究结果表明：①在400N水平VSP、LSOLA、TSRH、加压CD棒系统疲劳次数超过100万次；②在500N水平VSP、ISOLA、TSKH、加压CD棒系统疲劳次数达60万次时出现疲劳；③在600N水平，4种器械内固定系统平均20万次即出现疲劳反应。可见椎弓根螺钉内疲劳与其受力、疲劳次数、频率均有关。Myers等[13]用MTS对单根螺钉固定进行疲劳试验，测其轴向拔出力，表明疲劳次数增加，拔出力下降。在相同疲劳条件下，Wittenberg等[2]AO螺钉平均73300次出现疲劳，VSP螺钉平均20800次出现疲劳，强度-疲劳次数关系，结果发现螺钉固定强度随疲劳次数增加而下降，但不是线性相关。疲劳次数低于4000次时，各螺钉固定强度无统计学差异。

3 预防椎弓根螺钉固定疲劳的措施

预防椎弓根螺钉固定目的是要获得牢固稳定的内固定以达到临床治疗目的。因此防止预防椎弓根螺钉固定产生疲劳问题又成为人们研究的热点。提高骨密度，防止骨质疏松是经椎弓根螺钉固定稳定牢固的基础[12]。Pfeiffer等[12]对Ⅲº骨质疏松者准备螺钉孔道后，用适量PMMA骨水泥填入孔道再拧入螺钉固定，结果可以提高螺钉轴向拔出力，固定更牢靠稳定，从而防止疲劳。Chiba等[22]研究通过附加椎板钩辅助固定可能减少椎弓根螺钉负荷而减少疲劳发生。Stovall等[23]研究腰骶椎融合术时也应用附加椎板钩辅助固定，也明显增强内固定牢固性。Dick等[24]研究在椎弓根螺钉骨固定器械两侧纵行板或棍间用横杆连结装置可以提高其固定强度，有利于防止疲劳。Lim[25]又研究了横杆连结装置最佳位置，认为双横杆最佳位置是近侧端杆位于纵行板或棍1/4处作用最大；远侧横杆应位于纵杆1/8处起作用大。另外，提高外科医生手术技术水平、技巧、熟练程度，对椎弓根螺钉内固定牢固稳定、降低疲劳也是一项重要措施。

4 椎弓根螺钉疲劳研究存在问题

虽然椎弓根螺钉疲劳生物力学研究做了许多工作，但有些方面有待进一步研究，主要有：①不同年龄段疲劳指标正常参考值没有确立；②疲劳与螺钉受力方向的关系没有报道；③中国人应用椎弓根螺钉的疲劳生物力学研究。 5 参考文献

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第5篇：生物力学测试方法范文

【摘要】 [目的]比较颈椎前路静力性、动力性钉板系统在颈椎前路单椎间减压植骨融合中的生物力学，为临床应用提供生物力学依据。[方法]采用6具小牛颈椎标本，测定其正常颈椎C4、5节段的活动范围(ROM) ，而后在C4、5节段制作单椎间减压植骨融合模型后随机分为3组，分别采用Orion、Codman、Window钢板、螺钉固定，分别测定脊柱在前屈、后伸、旋转、侧屈运动时的稳定性并与正常标本比较。[结果]单椎间减压植骨融合后，无论采用哪种钢板固定，其术后ROM值除侧屈时稍大外均比正常颈椎要小，在前屈时最为明显(P< 0.05);后伸时Orion固定最接近正常标本(P> 0.05)，而Codman、Window与正常标本相比有较大差异(P< 0.05);旋转侧屈时3 种钢板与正常颈椎均无显著性差异(P> 0.05);3 种钢板之间无显著性差异(P> 0.05) 。[结论]在颈椎前路单椎间减压植骨融合中，颈前路静力性、动力性钉板系统均能维持颈椎的稳定性。本试验支持动力性钉板系统在颈椎前路单椎间减压植骨融合中应用。

【关键词】 颈椎; 生物力学; 内固定

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

颈椎前路静力性钢板被广泛地应用于椎间盘或椎体切除后重建，但有学者认为坚强固定会产生应力遮挡，减少了植骨块的载荷而影响融合效果。而颈椎前路动力性钢板固定可使植骨块与植骨床之间紧密接触，植骨块得到充分的载荷刺激，可以提高融合率[1]，因此临床应用逐渐得到重视。但钢板动力化是否会影响到术后颈椎的稳定性，不同设计的钢板间又有何差异，文献报道较少。本研究对三种不同设计钢板固定临床常见的颈椎前路单椎间减压植骨融合的稳定性进行生物力学比较，为临床合理选用内固定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

采用6具小牛新鲜颈椎标本(由上海光明乳业集团南汇区特约屠宰场提供)，通过大体解剖及X线摄片排除病理标本，剔除全部肌肉，保持韧带、关节囊、椎间盘及骨性结构的完整，标本用双层塑料袋密封，在-30°低温冰箱保存10～15 d，在实验前将逐级解冻。三种钢板为Orion由美敦力·枢法模公司提供、Codman由北京Link公司、Window由北京奥斯比利克公司提供。测试仪器为上海大学生物力学工程研究所三维空间坐标系统仪。

1.2 标本的制备

在颈椎标本上、下两端C2～7椎体分加浇注相互平行的骨水泥(自凝牙托粉)平台，平行度小于10°，以便于对标本进行加载测试。而后将C4、5椎间盘切除，去除上下终板软骨，用大小适宜的三面皮质髂骨块植入，相当临床上单椎间隙减压植骨融合模型。颈椎标本按如下顺序依次行： Orion钢板、Codman钢板、Window钢板固定，于C4、5椎体中上部进针，螺钉角度分别向头、尾侧成角15°，制成相应内固定模型。

1.3 实验方法

1.3.1 测试顺序：(1)完整模型;(2)Orion钢板固定模型;(3)Codman钢板固定模型;(4)Window钢板固定模型。

1.3.2 力学模型及生物力学测试

颈椎的力学测试模型主要是正确模拟人体颈椎运动的规律性能及颈椎力学性质的变化，载荷及力学重心的确定。对颈椎的受力状态与人相似，施加载荷为150 N为宜，以保证处于生理状态下标本可重复加载，不会导致颈椎标本破坏或失稳。对颈椎的加载方式采用滚珠对准力学重心点以准静态速度1.4 mm/min液压平稳分级加载。测试过程中先行预载以去除颈椎骨的蠕变、松驰等时间效应的影响，然后模拟人体颈椎三维运动(图1)，产生前屈、后伸、左右侧屈的运动，通过高精度数显光栅测微仪(KG-101型，精度0.01%)测量颈椎C4、5椎体的位移;旋转试验则将测试相应节段左、右旋转至6°，通过YJ-14连续数字式应变仪测量施于颈椎的扭矩。测量数据经计算机处理换算成角位移的变化。测量过程中对标本予以生理盐水喷雾，以保持标本湿润新鲜状态。

图1 颈椎不同运动方式示意图

1.3.3 数据分析和统计学处理

本实验对标本各种运动状态的三维稳定性进行测量，所有数据处理用SPSS 11.5处理。计算颈椎的不同运动状态时不同内固定下的运动范围。采用重复测量方差分析LSD法进行统计学比较，比较不同内固定方法下的ROM的差异。比较时显著性差异设定在(P

2 结果

所有数据处理用SPSS 11.5处理。计算颈椎的不同运动状态时不同内固定下的运动范围。采用重复测量方差分析LSD法进行统计学比较，比较不同内固定方法下的ROM的差异。比较时显著性差异设定在(P

试验过程中未出现颈椎标本破坏或内固定失败等。就本试验中的颈椎前路单椎间减压植骨融合模型而言，尽管采用前路钢板固定，也未能完全恢复到正常标本的刚度。试验数据经统计分析，结果参照表1。

在前屈状态:3 种钢板固定后的ROM值均比正常颈椎组小，统计分析有显著差异(P< 0.05) ，均较正常标本更稳定。其中以Codman 的稳定性最好。

后伸状态: Orion固定后的ROM值最接近正常颈椎，统计分析无显著差异(P> 0.05)。而Codman和Window 固定后的ROM值均比正常颈椎组小(P< 0.05) ，Codman比Window 的稳定性更好。

侧屈状态:3 种钢板的ROM 比正常颈椎组稍大，但无显著差异(P>0.05) ，说明能达到稳定性要求。

旋转状态：结果与前屈状态时类似。3种钢板固定后的ROM值均比正常颈椎组小，但无显著差异(P> 0.05) 。其中Codman 的稳定性最好。但在前屈、后伸、侧屈、旋转状态下3种钢板固定后稳定性均无显著差异意义(P> 0.05) 。

3 讨论

颈前路单椎间减压植骨融合是临床治疗颈椎间盘突出症或颈椎病的常用术式，前路钢板内固定的使用明显减少了植骨块脱出、塌陷及后凸畸形等并发症[2]，但植骨块融合率仍未理想，文献报告的单间隙融合中假关节发生率最高达到12%[3]。有学者[4]认为这跟先前使用较为广泛的传统静力性颈椎前路钢板的坚强固定产生应力遮挡，减少植骨块的载荷有关。而颈椎前路动力性钢板固定可使植骨块与植骨床之间紧密接触，植骨块得到充分的载荷刺激，可以提高融合率，因此临床应用逐渐得到重视。

目前临床应用的前路钢板基本都是单皮质螺钉固定的带锁钢板，也称限制性钢板。根据锁定机制的不同， Haid将之分为完全限制性和半限制性2个亚类。前者指锁定后螺钉与钢板交界处没有活动，例如CSLP，Orion钢板等。后者又称动力性钢板，可进一步细分为转动和平移2类，属于转动类的有Codman、Zephir等，螺钉与钢板界面间角度可变，以此增加植骨块承载;平移类如ABC、DOC、Window、Premier等，除了螺钉角度可变外，更允许螺钉轴向下沉，形成动力性加压而使植骨块与植骨床之间紧密接触，同时减少对植骨块应力遮挡。本研究选用了临床应用较广泛的Orion，Windows，Codman三种有代表性的不同设计的钢板(图3)。Orion钢板上下两端的螺钉孔各向头尾端成固定的15°角和向内聚6°角，通过成角的张力增加固定的稳定性，为典型的静力固定。Codman钢板则允许螺钉在螺孔内有一定的转动范围，以此增加植骨块所受的应力载荷，为转动类的动力固定;Window钢板中央有间断长方形窗式槽，供螺钉置于任何符合颈椎生量曲度和角度的合适位置，螺钉拧入后，和螺孔间具有动力加压功能，为平移类的动力固定。

图2三种不同设计钢板

试验结果表明，三种钢板除在侧屈时ROM比正常大(但与正常无显著差异外)，其余状态时ROM均比正常小，其中前屈与正常相比有显著差异(P0.05)。测试结果与俞杭平[5]的实验结果类似。但对于实验结果之间有一些差异，作者认为和我们采取的标本可能有一定关系，小牛的颈椎C4、5节段生理运动范围比人的颈椎活动运动范围小。因此可能低估颈前路钢板的作用。

颈椎单椎间减压植骨块融合相当于一个骨折的愈合过程， AO认为复位后坚强固定是骨折愈合的必须条件，但本试验结果表明，颈椎单椎间减压植骨融合后，无论采用哪种钢板固定，其术后ROM值除侧屈时比正常稍大外(但差异无显著意义)，在前屈、后伸、旋转运动时均比正常颈椎要小，均能提供高于正常颈椎的稳定性，说明钢板固定后植骨块融合拥有良好的愈合环境。尤其作为动力化固定的Codman和Window两种钢板完全能提供植骨块融合必须的稳定性，但从既往的生物力学研究看，动力性钢板由于特有的力学特点使植骨块所受的应力增加及植骨部位的微动，可促进骨愈合，减少骨愈合的时间。Reidy等[6]也认为动力性加压能提高植骨块的载荷，从生物力学上看更支持动力性钢板在单纯前柱不稳定中应用。

由于是生物力学研究没有涉及到肌肉组织的稳定作用和机体的协调作用，因此不完全代表临床应用的实际情况，而只提示某一种内固定器械比另外一种器械的生物力学特性强。此外，由于新鲜人尸体标本获取较困难，特别是可能牵涉的伦理问题，本试验中选择了新鲜小牛标本作为研究对象。Wilke等认为使用小牛脊柱标本在比较各内固定系统性能，尤其是脊柱椎间活动度方面，反映出的相关趋势与人体标本是一致的。

总体而言，在颈前路单椎间减压植骨融合固定中，不管是静力性还是动力性固定均能有效维持脊柱的稳定性，但从Codman 和Window 等动力性固定的载荷特点看，动力性钢板固定的应力遮挡效应小，有利于植骨块融合，因此在单椎间减压融合中选用Codman 和Window 相比较而言有一些优点，这提示我们在治疗时尽可能选择动力性固定。

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第6篇：生物力学测试方法范文

关键词：膨胀教学；实验平台；思考能力

软组织力学特性是生物力学教学中的重要内容，对于解释疾病的发生发展具有重要的作用，不同组织（包括正常组织和病理组织）的力学特性不同，其临床表现也不同。可见，了解软组织的力学特性对于医生深入认识疾病具有重要的意义。而对于我校生物力学课程的授课对象一医学相关专业学生而言，使他们了解力学特性的相关知识和方法就显得非常必要。

目前，软组织力学特性的实验方法主要包括拉伸实验和整体膨胀实验，拉伸实验主要针对软组织的条状试件进行单轴或双轴拉伸，利用实验机记录轴向或双方向的载荷位移数据，通过数据处理获得材料的力学特性。拉伸实验操作简单、所用设备标准规范，数据处理方便等，但对于具有特定性状的软组织而言，通过拉伸实验无法获得准确的力学响应，整体膨胀实验则可以在不破坏软组织形状的基础上，模拟生物体在体时的生理状态，通过对整体软组织进行加压，进而获得软组织形变随压强的变化规律。

可见，对于具有特性形状的软组织材料，通过整体膨胀实验获得的力学响应更符合生理实际，获得的力学特性更准确，该方法是目前研究软组织力学特性的重要实验方法。对于生物力学实验和实践教学而言，让学生了解生物力学领域的重要研究方法是重要的教学任务，虽然整体膨胀实验在相关的学生实验和实践工作中很少见到，但是考虑到我校生物力学课程的授课对象为医学相关专业学生，因此，开发满足实验和实践教学需要的整体膨胀实验非常必要。

1.整体膨胀实验平台的设计

整体膨胀实验是在不破坏软组织整体形状的情况下，对整体软组织进行加压，同时记录软组织内压和变形的信息，通过数据处理，获得软组织的力学响应。整体膨胀实验的主要研究对象是管状组织（主要包括血管）和类球缺状组织（角膜、巩膜、虹膜）。通过对血管等管状材料进行整体膨胀实验，可以获得血管直径随血管内压的变化规律；而对于类球缺状材料，则可以得到顶点位移随眼内压的变化或面积变化随眼内压的变化。实际中，我们以管状材料（兔腹主动脉）整体膨胀实验为例，在已有工作的基础上，设计和搭建了整体膨胀实验平台，规范了实验操作流程，统一了图像和数据处理等流程，获得了管状材料的力学响应和材料特性。

1.1实验测试系统设计 管状材料的整体膨胀实验平台主要包括加压装置和软组织形变图像采集和录系统。具体的实验装置示意图见图1，加压装置为微量注射泵，通过传感器和数据采集分析系统记录加压过程中的压力变化；软组织形变图像采集和记录系统主要包括显微镜、CCD和计算机。实验过程中，通过加压装置对管状材料进行加压，同时采集和记录软组织的变形信息。

1.2实验操作步骤 采用过量麻醉剂将新西兰兔处死，开腹分离腹主动脉，取出试件并置于生理盐水中备用。测量并记录血管壁厚、直径和长度。

将试件两端固定于夹具，将试件置于生理盐水浴内。连接设备，将压力传感器调零。调整试件位置，使CCD拍摄效果最佳。

对血管试件进行预调，通过微量注射泵向血管内注射生理盐水，当血管内压达到100 mmHg时停止注射，并卸载，当血管内压达到0 mmHg时完成一次预调。预调三次后，进行正式实验。

第7篇：生物力学测试方法范文

关键词：生物力学；骨质疏松；腰椎；模型；体层摄影术

脊柱的生物力学试验可以通过体内和体外试验两种方式进行。近年来有限元分析法作为一种骨科生物力学的研究方法越来越受到关注。有限元分析不仅能模拟脊柱的各种运动方式，还能模拟正常人、患者和手术后的脊柱外形，从而计算出相应的各个结构的受力和位移情况。腰椎的有限元模型可以为骨质疏松椎体弥补以上试验的不足，为骨质疏松椎体的生物力学试验提供良好的试验模型。拟建立包含多个完整的功能脊柱单位（Functional spinal unite，FSU）骨质疏松腰椎的三维有限元模型，模型包括四个椎体和三个个椎间盘。模型将用于骨质疏松的椎体的治疗评价的生物力学试验。

1 资料与方法

1.1  一般资料：①志愿者1名：根据国人解剖学数值选取1个有代表性的健康成年男性志愿者，35岁，身高175 cm，体重73 kg；②General Electrics 64层螺旋CT机；③计算机工作站：Intel（R）Xeon（TM）CPU 3.00 G 双核四节点（8 cpu），内存：16 G，硬盘：320 G；④医学图像处理软件Mimics 10.0（Materialise's interactive medical image control system 10.0）：一款由比利时Materialise 公司开发的介于医学与机械领域之间的一套逆向软件，可以快捷的将CT或是MRI的断层扫瞄的二维图像转化为机械领域中CAD/CAM软件或完全的三维模型；⑤有限元分析软件MSC.PATRAN 2005：MSC.PATRAN最早由美国宇航局（NASA）倡导开发的，是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化身和交互图形界面集于一身，构成一个完整CAE集成环境；⑥有限元分析软件ABAQUS：ABAQUS由美国公司开发，是世界知名的高级有限元分析软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库。

1.2  方法与步骤：模型的建立：①螺旋CT扫描：采用General Electrics 64层螺旋CT对已经选定的对象进行螺旋扫描及断层图像处理。扫描时志愿者采取仰卧位静止不动，尽量保持扫描断面与身体长轴垂直。扫描参数如下：层厚0.699 mm，球管电流200 mA、电压120 kV。②CT图像处理及保存：在CT工作站中，通过调整图灰度、增加对比度等，对图像观察细节进行处理，得到清晰的骨窗断层图像，并将其保存为DICOM格式，刻录为光盘保存。③CT图像处理及胸腰段三维图像的重建：将DICOM格式的图像数据导入三维重建软件Mimics。在MIMICS中逐层分割提取已选取的CT图像，去除骨骼周围软组织图像，尽量把胸腰椎T11～T12～L1～L2段从背景中分割。得到处理后每一个断层的CT图像，然后重建出胸腰段的三维图像。④胸腰段椎体三维实体模型的建立和光滑处理：把生成的三维图像数据导入Magic rp软件，利用Remesh模块对模型进行光滑处理，生成光滑和几何高度近似，具有较好面网格质量的模型以便导入Patran前处理软件，构建有限元模型。⑤胸腰段三维模型的前处理：将优化的面网格文件导入MSC Patran前处理软件，生成正常T11～T12～L1～L2段椎体的四面体单元。并在体单元的基础上根据解剖结构的材料属性不同，把椎体分割成皮质骨、松质骨、椎体后部3个部分，其中皮质骨厚度约为1～2 mm。⑥T11/T12、T12/L1、L1/L2椎间盘的建模过程：在已有的椎体四面体单元的基础上生成椎间盘和终板模型，采用六面体单元划分。椎间盘髓核被模拟为不可压缩的体单元（Hybird）。髓核的体积约占椎间盘体积的35%～45%，靠近中后部1/3。椎间盘的上下表面由1.0 mm 厚的软骨终板构成。⑦关节突关节、椎间盘纤维、韧带的建模过程：选择关节软骨，并把关节软骨层的表面接触选用面-面接触单元模拟（无摩擦的滑动表面接触单元），关节囊使用三维Truss单元模拟。纤维环纤维由只承受拉应力的Truss单元构建，纤维在环状体中呈剪刀状方式走行，并与椎间盘平面成平均25°～40°的夹角。有限元模型包含的前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带以及黄韧带均采用只受拉力Truss单元模拟。⑧赋予各结构材料学参数：对整个胸腰段有限元模型单元材料相关属性进行设定，构建与实际模型在材料参数和力学行为上相吻合的三维有限元模型，其中纤维、韧带、关节囊为只受拉应力的线弹性材料。各部位的材料属性见表1。

表1  正常胸腰段有限元模型的材料参数

结构弹性模量（MPa）泊松比截面积（mm2）皮质骨    12 0000.30

松质骨1000.2

关节软骨100.4

L5-椎体后部3 5000.25

终板1 0000.4

椎间盘纤维环基质4.20.45

椎间盘髓核0.20.4999

纤维环纤维500非线性

前纵韧带200.33 8.0后纵韧带700.320.0黄韧带500.360.0棘间韧带280.335.5棘上韧带280.335.5横突间韧带500.310.0关节囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41

骨质疏松的材料模型为在正常模型材料参数的基础上，皮质骨、终板、后部结构模量减少33%，松质骨减少66%，同时考虑髓核脱水，弹性模量增加1倍，其他结构保持不变。见表2。

表2  骨质疏松胸腰段有限元模型的材料参数

结构弹性模量（MPa）泊松比截面积（mm2）皮质骨    8 0400.30

松质骨340.2

关节软骨100.4

L5-椎体后部2 3450.25

终板6700.4

椎间盘纤维环基质4.20.45

椎间盘髓核0.40.4999

纤维环纤维500非线性

前纵韧带200.338.0后纵韧带700.320.0黄韧带500.360.0棘间韧带280.335.5棘上韧带280.335.5横突间韧带500.310.0关节囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41

2 结果

正常脊柱胸腰段三维有限元模型已经建立起来。完整的脊柱胸腰段三维有限元模型包括共276 580个四面体单元，8 532个六面体单元，673个杆单元，总计共95 219个结点。见表3。

表3  正常胸腰椎有限元模型的单元划分

结构单元类型数量节点

95 219椎体骨四面体单元276 580椎间盘、终板六面体单元8 532韧带、关节囊、纤维三维杆单元673

建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。

完全按照上述步骤我们利用有限元软件Patran前处理功能，对不同组织的物理特性进行定义，皮质骨、终板、后部结构模量减少33%，松质骨减少66%，同时考虑髓核脱水，弹性模量增加1倍，其他结构保持不变。基本符合真实的生物力学要求，真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性，成功建立了T11～L1的骨质疏松有限元模型。见图1。

图1  建立关节囊、纤维、韧带的正常胸腰段脊柱有限元模型

3 讨论

1974年，Belytschko首先将有限元分析法应用于脊柱力学研究，建立二维椎间盘模型，标志着有限元在骨科生物力学分析中应用的开端[1]。Liu等在1975年首次提出三维有限元模型，将其用于椎间盘生物力学研究并将理论结果与试验结果进行了比较。由于有限元法在求解过程中条理清晰，步骤同一，通用性强，特别适合计算机仿真计算。随着电脑软硬件技术的发展，有限元法在骨结构生物力学及医疗研究中愈显重要且前景广阔。

有限元分析不仅能模拟脊柱的各种运动方式，还能模拟正常人、患者和手术后的脊柱外形，从而计算出相应的各个结构的受力和位移情况。脊柱某些结构的外在位移用普通试验方法容易测得，但内在应力的改变则需要复杂的测试技术，利用有限元分析能够精细地得到模型内部地受力变化。这比外在位移来说更具有深远地意义。而计算机技术的进步及功能完善的专用软件的问世，为确保有限元模型的精确性奠定了基础。现今的研究成果使有限元模型不仅能逼真地模拟椎骨、椎间盘，还能将脊柱周围的韧带、肌肉直接或者间接地加入模型，使模型更加真实完善。正因为如此，近年来有限元分析法作为一种骨科生物力学的研究方法越来越受到关注。有限元模型最大的优势在于可以反映集体内部的应力变化情况，这是其他试验方法难以做到的。

3.1  骨质疏松腰椎三维有限元模型的建立：有限元建模有多种方法，由于人体结构的不规则性，同时CT、MRI机器普及，图像建模的方法比较适合于临床生物力学的研究，目前多数临床相关的研究是通过此方法建模的[2-3]。

在本试验中，我们采用General Electrics 64层螺旋CT对已经选定的对象进行薄层螺旋扫描及断层图像处理。得到清晰的胸腰段椎体骨窗断层图像，并将其保存为DICOM格式，再将DICOM格式的图像数据导入三维重建软件Mimics。这样通过CT建立的胸腰段椎体有限元仿真模型与真实的胸腰段脊柱在几何上就近似人体骨形态。并且我们建立的是四面体椎体模型，四面体相比六面体，对复杂几何体的形状拟和较好。脊柱六面体有限元模型和本课题建立的四面体椎体加六面体椎间盘的胸腰段有限元模型示意图：见图2～3。

图2  脊柱六面体有限元模型

图3  胸腰段六面体、四面体混合有限元模型

另外，由于韧带从生理结构上，只承受拉力作用，不受压力作用，因此，本试验中采用只受拉力作用的线弹性材料模型，采用三维杆单元模拟，一定程度上符合韧带的生理特性。由于CT无法建立椎间盘模型（因为在CT上椎间盘的灰度和周围软组织的灰度重叠无法取值）且椎间盘结构复杂，文章根据椎间盘的生理结构，通过CAD构建了简化的椎间盘模型。椎间盘被固定在相邻的椎体之间，分散来自椎体的压力，通过与双侧软骨终板结合的纤维环和髓核使椎体间具有一定的活动度。

3.1.1 三维胸腰椎体几何模型的准确性：我们研究所建立的有限元模型是骨质疏松椎体压缩性骨折好发的脊柱胸腰段，更符合临床实际情况。模型的建立选择健康成年人的胸腰段脊柱作为基础，应用螺旋CT扫描获得胸腰段脊柱的详细轮廓数据，经Materialise Mimics逆向处理软件，建立胸腰段脊柱的三维实体模型。本研究采用基于CT原始数据的先进逆向建模技术，解决了CAD传统正向建模技术无法构建骨骼等复杂几何体的问题，从而保证了几何高度近似，为下一步的研究提供了良好的三维模型。

3.1.2 三维胸腰椎体网格模型的优点：在对胸腰椎体进行网格划分时，考虑到椎体的几何复杂性，对椎体采用自适应四面体网格划分方法，并对在着重考察和形状非常不规则的区域进行网格细化处理，保证了网格模型和几何模型的高度近似性。因此，本研究的网格模型更加细化和逼真，保证了计算的准确性。同时对于椎间盘模型，采用六面体模型，保证了椎间盘纤维模型的合理构建。采用椎体骨四面体和椎间盘六面体的复合网格模型，即保证了网格模型的几何逼真，又保证了胸腰椎各解剖部位的合理构建，为胸腰椎生物力学的研究提供了良好的网格模型。

3.1.3 胸腰椎模型材料属性的可靠性：因为试验条件的限制，本研究胸腰段脊柱有限元模型各部位的材料属性及基本参数采用了国外学者在胸腰椎材料力学研究中的试验结果，并已被不同研究学者引用进行胸腰脊柱的有限元模拟分析[4-6]。虽然因为研究的方法、试验的条件以及力学标本来自不同地区人种的关系，不同研究学者的材料试验造成材料属性有所偏差，但是本研究采用同一学者的研究结果，对不同模型进行力学分析，从纵向上进行定性比较分析，是合理的。

3.2  胸腰椎模型建立的临床意义：很多老年病如椎间盘退变，椎体的压 缩性骨折等都与老年性的骨质疏松有关，而很多的骨质疏松椎体的病因和治疗均与其生物力学有关，因此，分析不同的手术及创伤对骨质疏松的腰椎的影响是十分关键的。精确的生物力学试验可以帮助选择准确的植入物和手术方法，指导患者的术后康复和锻炼[7-8]。目前，很多学者通过有限元模型来进行骨科研究，并取得了好的成果[9-12]。本试验建立的有限元模型可以在计算机上随意的对椎体产生变形，可以模拟椎体骨折的模型，分析骨折后的生物力学变化，同时可对目前治疗骨质疏松骨折的新技术如椎体成型和后凸成型做比较，以及椎体疏松后内固定松动的问题，还可用于腰椎退变性滑脱，能够很好的模拟腰椎的生物力学试验。我们建立此模型想利用此模型观察骨质疏松椎体骨折后椎体成形后的相邻椎体骨折的问题，最近越来越多的报道认为这种骨折与椎体刚度和强度的增强有关。是否椎体成形术后的相邻椎体的骨折是由椎体的生物力学的改变引起，目前尚无定论。以往试验利用有限元的方法对椎体增强后的相邻椎体的生物力学进行了报道，但得出的结论不一致。这些生物力学试验均证明了椎体刚度的增强是目前相邻椎体骨折的原因[13-14]，认为相邻椎体的骨折与骨水泥增强椎体的弹性模量有关，但部分学者认为相邻椎体的骨折和椎体的增强没有关系[15]。我们将利用建立的有限元模型对目前比较关注的椎体成型手术后的相邻椎体的骨折问题进行进一步的探讨。通过更精确的模型来排除其他因素对增强椎体周围椎体的影响。

3.3  试验的局限性及展望：有限元模型材料参数的获得是通过生物试验得到的，但是到目前为止，退变组织的材料参数的获得对于我们模拟退变的三维有限元模型来说仍是个难以解决的问题，不同研究学者对材料属性的定义有所偏差。另外，虽然近年来建立的生物力学有限元模型越来越接近客观实体，并且对生物力学机制有更深入的理解和预测。但有限元法是一种理论性的分析，只有在更好地结合临床检测与试验观察之后，才能最真实地反映脊柱的受力状况，为疾病的发生、发展分析及疾病的治疗提供准确的参考。

今后，我们还将做深入的研究。包括进一步完善有限元模型的设计，特别是退变椎间盘和髓核的有限元模拟，并考虑肌肉力的影响；探讨KP治疗中骨水泥最佳的注射容积量；骨水泥在治疗椎中不同的分布对治疗椎体及相邻椎体的生物力学的影响；使用不同性质的骨水泥对脊柱的生物力学的影响；把有限元分析和生物试验的方法良好的结合起来。

本研究建立的骨质疏松腰椎三维有限元模型接近真实的生物力学标本，是理想的研究骨质疏松腰椎生物力学的数字化模型，可应用于胸腰段骨质疏松后凸成形术相关的有限元生物力学研究。

4 参考文献

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第8篇：生物力学测试方法范文

（一）国家社会科学基金对体育理论和竞技体育学研究导向不强

作为国家体育类最高级别的科研基金项目，国家社科基金项目体育学立项资助基金项目，从宏观上反映了我国体育学科研究的热点、难点、重点及发展方向［1］，对体育学科学研究提供了导向，起统领作用，反映了国家对体育学科学研究的宏观指导，其课题研究居于国内重大理论问题和实践问题之前沿，研究成果在一定程度上代表了我国体育学科学研究的最高水平。调查统计得知，竞技体育学14年来在国家社会科学基金立项58项，约占立项总数的11．65％，位列第四；体育理论立项55项，约占立项总数的11．04％，位列第五，而社会体育学立项99项，约占立项总数的19．88％，位列第一，同时体育社会学立项63项，约占立项总数的12．65％，位列第二，社会体育学和体育社会学两学科立项约占立项总数的32．53％。从数据中我们不难看出，从立项单位到体育工作者，都把研究重心放在了社会体育学、体育社会学、体育管理学，忽视了体育基础理论和竞技体育学的研究。体育基础理论在体育学研究中具有基础性的地位和作用，它是我们客观、深入、全面、系统地认识体育的知识基础，也是实现体育跨越式发展和应用研究创新的“基石”。社会体育的发展不仅需要有“文”，更需要“理”的基础来支持。

（二）国家自然科学基金入口窄立项难

近年来，自然科学基金资助方式随着社会、经济和科技的发展，呈现出多元化趋势。体育学科申报自然科学基金较晚，调查显示，截止到2009年，仅有国家体育总局运动医学研究所在2006年申请的立项被立项为化学科学部的重点项目，资助经费180万元，8年来体育学科的立项课题多数为面上项目，共计40项，青年科学基金项目仅立项3次，体育学在自然科学基金上的立项相对其他基金项目较少，并且资助率较低，立项难度非常大，如历年来获得面上项目立项最多的北京体育大学，8年间申请了约69个立项课题，被批15个，资助率21．74％，且大部分都是面上项目。体育学科学研究也隶属于自然科学研究范畴，我国体育院校的体育工作者多是以体育教育训练学专业为主，如何从生物科学和化学科学的角度，充分重视体育基础理论知识（运动生理学、运动生物力学、运动解剖学）去实践科学研究，是当前亟须解决的重大问题。竞技体育、学校体育、社会体育、体育产业等学科应在运动解剖学、运动生理学、运动生物力学、运动医学、运动营养学等基础理论学科的指导下进行科学体育实践活动，体育的每项技术动作都与运动解剖学、运动生理学、运动生物力学、运动生物化学、运动医学等基础理论学科密切联系，没有基础研究的体育学科学研究，其两脚只能悬在空中，没有基础学科做坚实的保障我们无法探寻科学研究的本质。

二、体育科学研究的对策

（一）科学研究理念与时俱进

当以技术革命为基本核心推动工业革命向更深的层次和更广的领域发展的时候，人们在不知不觉中就以科学信息技术体系为基本框架，从而建构了一个全新的人类社会发展蓝图———随着科学发展的日新月异，运动解剖学、运动生理学、运动生物力学等基础保障学科的发展在信息技术的支撑下取得了长足的发展，对于我们进一步研究人体运动系统———骨关节、肌肉等深层次、细致的研究，提供了技术支持和保障，运用玛雅技术和ANSYS有限元分析软件的结合，可使将来体育能够脚踏实地的在运动解剖学、运动生理学、运动生物力学等基础保障学科上去研究教育学、训练学、运动医学、运动营养、运动与养护、运动与健康等学科，去发展和完善体育学科，进一步深层次地探究人的全面发展，否则以教育和训练结合为主导的体育科学研究体系则显得十分苍白。体育科学研究是体育软实力的重要组成部分［2］，因此应充分发挥体育软实力的重要作用，把握好体育软实力的导向作用，加强对体育学深入、细致的研究，逐步争强对国家自然科学基金体育学立项研究，充分发挥现有的经验优势，多争取国家自然科学基金的立项。

（二）重视体育学科中运动生物力学等基础学科的作用

通过对国家社科基金和自然科学基金的统计分析，我们可以看出体育工作者很少有从基础学科的角度去研究、去探索体育学。例如，运动生物力学是一门实践性很强的学科，它的研究领域非常广泛，既有对人体自身器官如骨骼、肌肉生物力学特性的研究，也有对人体整体运动如各种项目动作技术的诊断，既有对人体模型的力学分析，又有对人体运动的实验测试。近些年来，随着现代科学技术的日新月异，尤其是电子学、机械学、材料学、光学、玛雅技术、ANSYS有限元分析技术、激光技术、传感器技术、计算机技术等相关学科的飞速发展以及社会需求的不断增长，运动生物力学的研究领域也在不断拓展，如对人与体育仪器器材关系的研究正朝着又一个新兴的边缘学科———体育工程学发展。人们不仅关注竞技体育，也开始重视全民健身，这为运动生物力学的发展提供了一个良好的氛围和契机。但就是如此重要的基础学科，在近几年的体育科学研究中却寥寥无几，我国在竞技体育及其他领域取得的成绩，总结其规律、探讨其本质时很难进行科学的量化和评价。

（三）优化课程结构

第9篇：生物力学测试方法范文

1 研究目的

随着人们物质文化生活水平的提高和体育运动项目的增多，自行车在作为交通工具的同时，也成为一种体育活动的器械，自行车运动成为人们爱好的体育竞赛项目。1880至1900年间，自行车运动开始于美国和欧洲，较流行的国家有比利时、法国、荷兰、意大利、卢森堡、西班牙、瑞士等国。1896年，希腊雅典举行的第一届夏季奥运会上就有该项目。世界上著名的公路自行车赛有环法自行车赛、环西自行车赛、环意自行车赛等。

北京2008年奥运会体育图标-自行车

自行车运动从自行车比赛项目设置的发展来看，在1896年第1届奥运会上，自行车项目被列入正式比赛项目。20世纪20～40年代，场地、公路自行车比赛设项都相对趋于规范；20世纪50年代后，国际自盟对奥运会自行车比赛的项目设置、竞赛方法进一步规范化。同时，在奥运会上增设了赛事质量高、受观众喜爱的、比较成熟的竞赛项目，如：山地越野赛、小轮车项目。中国的自行车运动从上世纪80年代开始在亚洲崛起，目前我国自行车运动女子项目已接近世界中上流水平，在亚洲处于领先地位。在全国自行车界的共同努力下，中国自行车运动取得了突出成绩，中国自行车项目的基础建设和自行车运动水平上了一个新的台阶，自行车项目发展的外部环境进一步优化。2012年伦敦奥运会，女子获得两银一铜的成绩。自行车运动是一项极富观赏性的运动，紧张的现场气氛，激烈的比赛场面能够带给观众刺激、愉悦的心理体验。本文将就自行车运动项目的国内外研究现状和最新试验方法做一综述，为中国自行车运动成绩的提高提供绵薄之力。自行车运动项目的普及将积极推进地方自行车运动协会、社会各类自行车俱乐部的发展，大力促进社会性、群众性的自行车运动发展。

2 研究方法

围绕着本论文研究的项目及需要，而有目的、有计划地查阅一些中英文献资料，为本文的研究方法和理论分析提供基础和依据。

3 研究讨论

3.1 自行车运动员训练的生理、生化监测

随着体育竟争的日趋激烈，采用大运动量高强度训练来提高运动成绩已成为竞技体育的一种主要手段，因此长期跟踪测试多项生理生化指标来监控运动训练已成为当今体育科研的一个新的方面。严政等[3]对江苏省优秀自行车女选手训练过程的几个主要生理指标的评定与监控进行了研究，针对自行车运动员项目的特点，选择了最大摄氧量、无氧功率、激素和血乳酸4大生理生化指标并辅以血红蛋白，心率等指标进行运动前后的跟踪测定，并从有氧和无氧两个方面对运动员生理机能和运动能力进行综合评定。训练监控普测是对在训运动员进行血红蛋白测试，了解运动员近期训练、营养等情况，重点监测的服务对象是备战的重点运动员，根据有针对性的测试，出具运动处方报告。 采用全程跟踪整个冬训周期，动态追踪测试8名运动员的生理、生化指标，调整训练强度，建立运动员个人挡案，并在此基础上对运动员实施个体化营养调控与补充计划。在此期间，心率表将会适时测定运动强度并指导运动员进行适度运动训练。

以上研究显示：心率图可以显示出自行车训练的特性，可以由此分析运动员的训练状态、精神状态 ，还可以对比赛的过程和结果进行科学的分析，并发现自行车运动员最大心率和乳酸阈心率存在较大个体差异。

3.2 短距离自行车运动成绩的多因素分析及SR M训练系统的应用

刘小学[6]等采用分段测试方法，对我国场地短距离自行车男子1公里运动员的全程竞速能力进行了划分和多因素分析，加速度能力和相对高速耐力是影响我国短距离自行车运动成绩的两个最关键因素。目前，根据SRM训练系统在一些比赛中的测试结果，我们可以得知，自行车运动员的专项力量是在高频率下的踏蹬力量，所需要的专项频率也是在一定踏蹬力量下的频率。只有符合这种要求的训练才是专项训练，单纯地进行最大力量训练或在过低阻力条件下进行的高频率训练都不符合专项需求[1]。

3.3 自行车生物力学研究

李强等[7]主要对自行车项目的踏蹬技术、自行车的设计与改进、自行车骑行时的阻力、录像解析等方面国内外研究的现状，并对自行车项目的一些运动生物力学问题进行了初步理论探讨。在踏蹬技术方面，邓兴国、白鸿毅等对自行车运动员的踏蹬方式进行了研究，发现踏蹬技术好的运动员在踏蹬效率达到70%时，踏蹬过程中每一踏蹬周期死点小于2个。证明了以有用力作为踏蹬技术好坏的指标是正确的，并再一次证明了踏蹬技术的好坏与踏角相对应。对于自行车阻力的研究，两人跟骑时的空气阻力，后者迎风面积小于前者。两车轮间距为0.1m时，可减小单人车空气阻力50%。随着跟骑距离的增大，后者的空气阻力增加缓慢；国外认为骑行时自行车主要受到五种阻力因素：驱动自行车的摩擦力、与自行车加速有关的惯性力、攀登时的重力、轮胎的滚动摩擦力和空气阻力。

4 研究结语

关于自行车运动的相关研究比较多，主要集中于生理生化方面的监控和运动技术的生物力学分析，但是在运动过程中的及时的跟踪监控应用方面研究的比较少。但是中国对自行车运动项目越来越重视，相信中国自行车项目很快就会实现金牌数“零”的突破。

自行车运动是非常好的健身方式，现代人利用自行车娱乐健身，既可郊游又能交友。现在，各种自行车运动非常流行，让人欣慰。自行车运动是非常绿色健康的运动方式，对身体和器械的要求也不高，适合普通百姓。而且更重要的是，骑自行车不一定要一较高下，享受自行车运动本身的快乐才是最重要的。

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参考文献

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