生物力學測試方法
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生物力學測試方法范文第1篇
摘要 根據籃球球運動專項力學特點，結合運動生物力學研究的現狀、發展趨勢、以及籃球運動教學發展的實際需求，對運動生物力學在籃球運動教學中應用和發展趨勢進行分析。希望運動生物力學與籃球運動的特點緊密結合，更好地為籃球教學提供幫助。
關鍵詞 運動生物力學 籃球運動 教學 應用分析
近年來，籃球運動受NBA和CBA的影響，很受學生的歡迎，大家都愿意參與這種集體帶有趣味的運動。可在教學中可以看到一些學生由于身體的先天條件，動作做起來比較難受，不合理。怎樣幫助每個孩子都能掌握這門技術。我想通過運動生物力學的原理去分析學生的特點，通過分析給他們制定不同的水準，不能集體都按統一的標準，這樣會使學生感到籃球運動的艱難，我們降低難度就是要使不同的學生體驗到成功的樂趣，因材施教使學生在快樂中學習。如何做到這些，我們就要借助于科技的力量和手段，更加全面地、深刻地認識籃球運動的規律。更好的在教學中利用為學生服務。
一、運動生物力學在籃球運動中的應用領域分析
從運動生物力學角度來看，籃球運動要求人體上下肢的協調配合，很好的應用人的手部動作去接球，做蹬地加速的動作，如何在這個過程中做到合理就必須了解學生的生理結構，肌肉力量的相互作用。什么角度的運動適合此階段性的學習。用多大力能滿足他們的可接受的力量范圍，針對不同的學生應該采用不同的方法手段加強學生的學習，切不可讓學生做過多大于自己身體不能做的力量訓練。幫助他們在自己合理的技術動作內做到自己最適合的動作。對于動作的要求不可統一要求，要區別對待，這樣一方面可以鼓勵學生很好的練習；另一方面要使學生不斷進取不至于傷害學生的自尊心。在場地器材方面要對學生認真講解。使他們真正認識到自己的力是如何傳導的，如何在正確的用力前提下做到做好的自己。
二、運動生物力學研究方法在籃球運動中的應用分析
（一）運動生物力學研究方法分類
按研究方法劃分，運動生物力學應用在籃球運動中的研究大體可分為兩類：一是力學理論研究方法，二是實驗研究方法。兩者相輔相成，相互統一，應當緊密結合，才能使運動生物力學更好地在運動實踐中應用[1]。這就要求在實踐當中很好的將二者緊密結合共同應用到學科領域當中。
（二）運動生物力學的力學理論研究方法在籃球運動項目中的應用分析
該研究方法因為是通過模擬手段對人體運動仿真，一般包括五個步驟：1.確定運動特征，建立目標函數；2.選擇模型確定剛體的自由度；3.建立動力學模型；4.實測已知數據并求解；5.根據求解結果解釋運動規律，這一步驟是將求得的數學規律化為體育運動語言對運動技術進行合理的指導[ 2]。根據此研究方法，可以對籃球中許多問題進行研究。如對于籃球運動中學生的傷病的研究，有助于對學生在籃球運動中的損傷認識和預防。可以利用力學理論研究的方法對關節力和力矩進行推算。這實際上是為人體的運動給予科學化得定量，通過科學實驗找出人體運動的范圍和幅度，為更好的人類發掘自身的潛能和動作的量化提供參考依據。
（三）運動生物力學的實驗研究方法在籃球運動中的應用分析
由于動力學研究方法與運動學測試在籃球運動項目中運用的較少，所用到的生物力學儀器不多。因此運動生物力學的實驗研究方法在籃球運動項目中有極大的發展空間。
1.常用的生物力學儀器將在籃球項目中的廣泛應用
許多已經在其他專項中運用較為廣泛的生物力學儀器在籃球運動項目中尚未廣泛使用。比如，肌電儀，腳墊受力分析鞋墊。腳墊受力分析可以反映地面對人體的反作用力。運動員投球的力最終是通過人體蹬地面，同時地面給人體的反作用力而實的。通過在運動員的鞋子里放上受力分析鞋墊，可以得出在移動過程中，腳底壓力的分布圖，可以為籃球運動員鞋子的設計提供參數。通過肌電儀可對完成某動作所參與的肌肉活動的強度和時間進行描述，確定主要的參與肌群。這樣學生就可以很清楚地知道完成某動作的肌肉用力順序是什么，哪些是主動肌，哪些是被動肌，可為力量訓練提供參考。
2.多機同步測試的研究
多機同步測試研究是運動生物力學研究的發展趨勢。對于籃球這項精密的運動，以往的研究多是從一維的視角來進行的，對籃球運動的生物力學的研究應朝著多維的研究視角發展。比如，將攝像系統和測力臺系統同步的測試方法，綜合運動學和動力學的數據對籃球運動進行更加深入、全面的研究與分析。
3.開發籃球專項化、反饋快速化的運動技術測試儀器
近年來隨著其他運動項目運動學、動力學、測試儀器的質量、功能、效率不斷提高，某些運動項目專用的測試儀器不斷出現。其它專項的研究可為籃球專項化的測試儀器提供借鑒。隨著科學技術的迅速發展，加速度傳感器的體積和質量都可以做到非常小，精度可以達到很高，此儀器可以實時監控籃球鞋的速度、加速度和角速度，并可據此推算籃球鞋不同部位的受力情況，以及腳蹬地的初速度。而對籃球鞋運動情況的所做的研究較少。如果這些設想可以實現的話，將豐富這方面的研究可以防止運動者教學腳部的受傷的情況。為更好的教學服務提供保障。防止學生在運動中受傷的概率。
（四）力學理論研究方法和實驗研究方法緊密結合
理論力學理論研究方法和實驗研究的方法緊密結合對籃球運動進行運動生物力學的研究，將有助于從不同層面和角度更好的認識籃球運動規律，進而可使運動生物力學更好地為籃球實踐服務，是運動生物力學在籃球運動中應用的發展趨勢。力學理論研究方法必須輔之實驗和經驗，才能使它在實際應用方面的作用得以發揮，力學理論方法與實驗測試方法兩者應當緊密結合。前者提供了運動普遍規律，對分析有理論指導意義，后者是理論研究與實際是具體應用的橋梁，能使研究更好地為運動實際服務。實驗方法和力學理論研究共同發展、相輔相成，使運動生物力學學科漸趨深入完善。
三、結束語
籃球運動教學的動作技術診斷，力學研究，學生肌肉、骨骼力學特性的研究，將有助于籃球專項測試儀器的開發，籃球運動員損傷機理和預防的研究等領域需要利用運動生物力學在籃球專項中進行全方位的研究。這樣有助于在實際中解決一些教學中的學生容易受傷的難題，將生物力學的有關原理服務于學生的課堂，用科學的方法指導學生籃球訓練與比賽，更好的預防學生在不同情況下的運動損失與治療。
參考文獻：
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生物力學測試方法范文第2篇
【關鍵詞】運動生物力學 表面肌電 難度動作
中華武術歷史悠久，博大精深，一直深受來自全世界人民的喜愛。隨著現代體育的不斷發展，武術套路也在向世界推廣的潮流中不斷的前進，現如今已逐步發展成為了以現代體育科學為理論指導，以西方競技體育模式為運動方式的現代競技體育項目。在跨學科研究以成為常態的新的背景下，近年來涌現出了很多有關運動生物力學在武術套路中的研究與應用的文章。其中的很多文章多采用運動學的方法對武術套路運動員作運動學的數據測量與分析并得出相應的結論。然而通過表面肌電對武術套路難度動作進行分析和研究的文章卻不多。如何更好地運用表面肌電技術研究武術難度動作，已成為一個新的研究熱點方向。
1.有關運動生物力學的研究內容與方法
運動生物力學是一門邊緣學科，同時也是一門應用性很強的學科。運動生物力學分析不僅在人體運動實踐中起著重要作用，它還是運動員和教練員做為教學和訓練指導的有力工具。近年來它的發展十分迅速。國內的許多理工類、醫學類和體育院校都獨立開設了這門課程，有些院校還開設了相應的專業，國內一些學者同時出版了許多相應的教材和專著，在該學科上取得一些居國內外先進水平的成果。對人體與物體的運動分析是運動生物力學的重要研究內容，其中對運動位移軌跡的分析是描述運動的重要方面。
運動生物力學主要通過它的分析應用系統進行研究。并運用運動圖像分析法、三維測力臺法、步態分析法、肌電分析等研究方法對所要研究內容作出測數與分析。第23屆國際運動生物力學年會報告上發現國際生物力學應用技術研究和競技體育研究仍占主流，研究方法不斷得到突破，三維攝像和肌電實現同步測量。各高校還相繼研發出新的測試儀器和研究系統，這使得運動生物力學研究不斷向前發展。
2.運動生物力學在武術難度動作中的研究
在武術套路中指定難度動作分為A、B、C三個難度等級，武術比賽中指定難度動作因其難度大、扣分重、不易完成使其逐漸成為整個套路的核心。提高指定難度動作的訓練質量對提高運動成績至關重要。
2.1 運動生物力學在武術難度動作中的研究過程
通過運動生物力學研究長拳難度動作，一般先把難度動作進行階段劃分，以旋風腳動作為例：旋風腳可以劃分為助跑、起跳、空中擊響及轉體、落地等四個階段，之后用高速攝像機拍攝或用肌電測試儀進行實驗測量，或者兩者同時進行，實驗結束后，用三維影像分析系統和肌電數據分析系統對所得數據進行處理。最后利用QToolS軟件和Excel軟件對獲得的數據指標進行計算和統計，從而得出想要的結論。
2.2運動生物力學在武術難度動作中的研究發展趨勢
通過運動生物力學對武術難度進行研究經歷了運動學、動力學、以及多角度分析等三個階段。
運動學分析階段主要是通過攝像得出有關難度動作在旋轉角度、各關節夾角、以及動作擺動幅度等相關數據并進行分析，這在一定程度上可以對動作進行分析，但不夠全面。動力學階段主要是對武術難度動作進行運動學肌電兩方面或多方面測量，不僅從單一運動的角度，更從運動與肌肉發力等多角度進行綜合考慮，使研究成果更有價值。多角度分析階段已不僅僅是再對武術難度動作進行測量分析，將對動作從技術本身從發結合攝像肌電等手段，在運動生理學和運動解剖學等多學科的支持下再對難度動作進行研究，使得研究成果更具說服力。
3.運用表面肌電技術研究武術難度動作
運用表面肌電技術對武術難度動作進行研究，主要是通過使用肌電測試儀對做難度動作的運動員進行肌電測量，獲得數據以后在對數據進行處理，其中比較重要的數據指標有積分肌電，它是計量肌肉放電水平的以單位面積放電量為單位，可以初步了解肌肉在做武術難度動作所做的貢獻。還有就是放電的時序，即做武術難度動做過程中各個肌肉的放電順序，我們可以通過這些方面了解各肌肉在做動作中協調工作的情況，從而實現研究目的。在運用表面肌電技術對武術難度動作進行研究中，時程也是非常重要的，它反映了各肌肉放電所持續的時間，使得我們在研究武術難度動作和安排相關肌肉訓練上能得到很多借鑒。運用表面肌電技術研究武術難度動作已成為武術套路難度動作研究的新方向。
4.小結
關于運動生物力學在武術套路中難度動作的研究的文章有很多，通過閱讀和整理相關資料，可以把這些所研究文章大致分為以下三個方面。
1.對某一難度動作或組合難度動作的運動學分析，即主要運用三維攝像手段進行拍攝，再運用相關運動分析系統對所拍攝圖像進行解析。
2.對某一武術套路難度動作的表面肌電分析。
3.運動生物力學在武術中應用的綜述類文章。其中由以前兩方面的文章居多。如何使用表面肌電去分析和研究武術套路中的難度動作將會成為未來很好的一個研究方向。
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生物力學測試方法范文第3篇
胸腰段后凸畸形的病因主要有先天性脊柱畸形、胸腰段脊柱骨折、強直性脊柱炎、Scheuermanns病、老年性脊柱后凸、脊柱結核椎體破壞、椎體腫瘤、軟骨發育不全等〔1、2〕，除了脊柱本身的因素外，胸腰段后凸畸形可由腹部腫瘤引起〔3〕。脊柱曲度正常時，身體重力線應通過各節段生理彎曲的交界處。胸腰段以上重心位于胸椎的前部，胸腰段后凸畸形所造成的成角的或短弧形后凸畸形使損傷平面以上軀體的重心更趨前移，必將進一步加重后凸畸形〔4〕。隨著我國進入老齡化社會，胸腰段后凸畸形的患者不斷增多，胸腰段后凸畸形常出現局部不穩定，脊柱支撐功能喪失，從而引發腰痛，且多并發上腰椎的失穩及加速腰椎間盤退變，從而給患者造成極大的痛苦，有些患者通過保守治療無效，常需要手術治療，給患者家庭和社會造成了巨大的負擔。下面筆者就目前國內外胸腰段后凸畸形影響腰椎諸節段矢狀面穩定性的研究情況進行綜述。
1 脊柱胸腰段及腰骶椎的解剖及生物力學特點
胸腰椎移行部與腰椎及腰骶椎相比其形態和生物力學特性大不相同。該部位是后凸的胸椎與前凸的腰椎的移行區，生理弧度變直，這一區域恰好位于活動度較小、穩定性較強的胸椎與活動度較大、穩定性相對較差的腰椎之間；T11、12肋骨為浮肋，抵止在相應的椎體上而不是椎體間，不參與垂直載荷；從T10～12L1關節突關節的關節面的傾斜則發生很大變化，即左右旋轉和左右側屈的ROM大大降低，而前后屈曲ROM較胸椎明顯增大；正常情況下，該部脊柱前方的垂直載荷分擔率遠遠大于后方。在T11及T12胸椎，上關節突表現為胸椎上關節突的形態特征，而下關節突的形態特征卻與腰椎相近，其前、后方無胸肋關節和肋橫突關節的加強，且僅與一個椎體相關節，這些均構成了胸腰椎容易損傷的解剖學基礎〔5〕。因此，脊柱的壓縮性或爆裂性骨折常發生在胸腰段，從而造成胸腰段后凸畸形。從胸腰椎至腰骶椎，前后屈曲ROM逐漸增大，腰骶椎髂腰韌帶的存在使該部位的運動和穩定性與L4、5以上有所不同〔6〕。
Abumi等〔7〕通過人尸體腰椎節段的破壞模型證實，棘上韌帶、棘間韌帶損傷甚至雙側關節突關節內側半部分切除難以造成腰椎失穩，而單側或雙側關節突關節完全切除則可導致椎間旋轉和屈曲的失穩。椎間孔部的減壓易導致關節突間（峽部）的分離。單側時由于有椎弓的存在，兩側關節突關節還可發揮其功能。
2 目前利用動物脊柱標本進行的生物力學研究
王新偉等〔8〕利用出生1周以內的小牛胸腰椎新鮮標本，研究了小牛胸腰椎前路模型中的相關解剖，并與人體相關數據進行比較，發現：與人體相比，小牛脊柱椎體及椎間盤更接近圓柱狀，椎間盤高度占脊柱高度的比例更大。又進行了生物力學實驗，測試屈曲、伸展及側屈狀態下的載荷-應變、載荷-位移關系、最大載荷時的應力強度及屈曲、伸展、側屈及扭轉狀態下的軸向剛度，最后進行極限力學性能測試。發現出生1周內的小牛胸腰椎標本在人生理載荷范圍內，呈線形變化，與人體一致。
王向陽等〔9〕收集12具新鮮豬T10～L4節段胸腰椎脊柱標本，制造不同程度前中柱骨折模型，分為2組，分別安放椎弓根螺釘內固定器和內固定加前路植骨重建，每種狀態依次在CMT4104多功能力學試驗機上進行軸向壓縮和前屈壓縮測試，分別計算每組的完整標本、骨折內固定標本和植骨內固定標本的軸向壓縮剛度和前屈壓縮剛度。發現：胸腰椎前中柱骨折后經椎弓根螺釘系統固定不能使其恢復至原來的力學性能，椎體骨折累及范圍越大，固定后力學性能越差；前中柱重建是減少后路內固定器械承載的關鍵。
周有禮等〔10〕利用羊的整條脊柱標本，對胸腰椎爆裂骨折后的局部載荷進行了研究。發現：在胸腰椎結合區域有較大的應變值表示該區域局部所承受的力量較大，在實驗上脊柱承受牽引時，在胸腰椎接合之區域會承受較大的拉力。
3 利用在體動物模型進行的研究
Oda等〔11〕利用在體羊脊柱腰段后凸畸形模型，研究脊柱損傷和后凸畸形對相鄰運動節段的影響，他們將活體羊分為對照組、L3～5原位融合組及L3～5Cobbs角為30°的后凸畸形融合組，進行了影像學、生物力學及組織學的研究分析，結果證實：脊柱后凸畸形導致頭側鄰近節段的后方韌帶復合結構的前凸性攣縮；L2椎板在屈伸活動下所承受的應力在后凸畸形組更為明顯，提示更多的載荷轉移向后柱；后凸畸形組鄰近的頭側關節突關節有明顯的退變性骨關節病改變，鄰近的尾側關節突關節亦有輕微的退變性骨關節病改變，而在原位融合組退變輕微。
Nielsen LW等〔12〕利用幼年豬制作了Scheuermanns病的脊柱后凸畸形模型，利用病理學、放射影像學、血液生化等方法進行研究，發現豬的Scheuermanns病胸腰段后凸畸形模型，與人Scheuermanns病導致的胸腰段脊柱后凸畸形有可比性。
Lowe TG〔13〕等利用未成年羊的Scheuermanns病模型，進行了一項在體實驗，他將羊的胸腰段至下腰椎用椎弓根釘和聚乙烯繩在后面進行拴系，不融合，進行了13個月的觀察后，處死羊，取其脊柱進行生物力學研究，發現模型矢狀面上的非融合調整，能有效地減少椎體楔形變的程度，此方法可能成為治療青少年Scheuermanns病的一種可行辦法。
4 利用人的尸體新鮮脊柱標本進行的研究
Birnbaum等〔14〕利用11具新鮮尸體軀干標本（含胸廓），制造了胸椎后凸畸形模型，對前路松解前、后的矢狀面矯形效果進行了解剖學及生物力學研究，結果發現：單純前路松解（開放或經胸腔鏡輔助）矯形效果良好，且能有效地改善矢狀面平衡。
趙必增等〔15〕利用新鮮尸體胸腰椎標本，探討了椎體成形強化后對鄰近椎間盤、椎體的力學影響，發現強化椎體后，對鄰近椎體造成的應力集中很小，而對鄰近椎間盤有一定的影響。
5 利用三維有限元分析進行胸腰段后突畸形研究
有限元素法（FEM）是一個求偏微分方程式的數值方法。隨著個人計算機功能的完善，有限元素法的使用也越來越簡單，在醫用生物力學方面應用更是越來越普遍〔16〕。
Liebschner MA等〔17〕對19例人的尸體胸腰段椎體標本進行CT掃描，建立三維有限元模型，進行有限元分析；同時對標本實體進行解剖學測量以及生物力學試驗分析，最后將二者測得的數據進行對比研究，進行統計學分析，發現：用恒定0.35層厚和457 MPa有效模量，結合CT重建的椎體幾何模型與骨小梁特性，進行椎體外殼的建模，能精確的預測整個椎體的生物力學特性。
程立明等〔18〕就胸腰段后突畸形對相鄰椎間盤力學影響進行了三維有限元分析研究。他們選取結構正常的脊柱作為實驗材料，通過CT掃描獲取脊柱的二維圖像，然后進行三維重建，轉化為有限元模型（FEM），利用Free Form成形軟件構建胸椎后凸畸形模型，分別對正常結構和胸椎后凸的脊柱有限元模型進行載荷試驗，分別比較椎間盤和小關節應力分布情況，總結出以下結論：脊柱胸腰段后凸畸形改變了相應椎間盤的載荷應力應變分布，這可能加快椎間盤退變及使后方纖維環易受損破壞。
6 利用影像學進行的臨床研究
Seel EH等〔19〕使用Oxford Cobbometer對椎體骨折導致胸腰段后凸畸形的Cobbs角進行測量，發現與傳統的測量方法相比，其測量的結果更簡便、準確、可行。
吉立新等〔20〕收集12例具備胸腰椎和腰骶椎正側位X線片的胸腰段后凸畸形病例，與20例正常對照組進行相應比較，進行分析研究。發現患病組平均腰椎前凸角度與正常對照組相比有極顯著性差異。患病組單節段腰椎前凸角度以上腰椎變化更為明顯。從而認為：胸腰段的后凸畸形，使病損平面以上軀體的重心更趨前移，增加了致畸負荷，必將進一步加重后凸畸形。為維持直立下軀干重心的平衡，就需要調整頭、頸、胸和腰部的曲度甚至髖部和膝部的位置使重心后移，其中最主要是通過腰椎的前凸加大來實現這一目的。腰段所發生的代償性改變比腰骶段更為明顯，而腰段的代償性改變又更多地集中在上腰椎，而且椎體的后滑移也發生在上腰椎，表明胸腰段后凸畸形對上腰椎有更大的影響。
陳仲強等〔21〕測量14例后凸畸形截骨手術治療前后的胸腰段后凸角和腰椎的前凸角以及椎體滑移情況，對所得結果與正常組進行對比分析。發現：胸腰段后凸畸形可導致腰椎過度前凸及椎體向后方滑移，尤其在上腰椎更為明顯，可能是引發腰背疼痛的重要原因之一：矯正胸腰段后凸畸形可減小腰椎的過度前凸和椎體滑移傾向，可明顯減輕患者的腰背疼痛；前后方聯合截骨更安全，矯正后凸畸形效果更好。
7 問題與展望
綜上所述，對于胸腰段后凸畸形，國內外學者從解剖、動物標本模型、在體模型、人尸體標本模型、有限元分析模型及影像學臨床等不同角度出發，進行了生物力學及其他方面的研究。研究更多的是解剖、標本模型、有限元分析及影像學方面。解剖學屬于形態學范疇，研究歷史較長；動物標本易于取材，但與人的生物力學特性還是有差異的；相對實驗分析而言，有限元分析的優點在于它對分析參數控制的絕對性和簡易性，及完整多樣的結果數據。現階段有限元素分析，必須要配合恰當的實驗數據或臨床現象比對，結合有經驗的臨床及力學人員，有限元素分析才能發揮它最大的功效。而由于受各方面條件的限制，在體動物生物力學模型與人新鮮尸體生物力學模型的研究，國內外報道的很少，尤其是利用人新鮮尸體對胸腰段后凸畸形影響腰椎諸節段矢狀面穩定性進行生物力學的研究，目前國內外尚是一個空白，這方面還有很大的研究空間。 【參考文獻】
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生物力學測試方法范文第4篇
【摘要】 ［目的］研究CT掃描三維重建技術對于骶髂關節骨折進行閉合手術治療的術前指導作用。［方法］選擇30個骶髂關節，均行X線片和螺旋CT三維重建后，隨機分為3組，每組10個關節。A組：根據CT數據資料于Minics軟件指導下行骨折克氏針固定；B組：于電視X線機下行骨折克氏針固定，根據X線片和螺旋CT資料行骨折克氏針固定。固定后通過生物力學和大體剖面觀察，評價不同組間生物力學和解剖學效果。［結果］A、B 2組在力學強度和解剖位置方面均優于C組，差異均有統計學意義(P0.05)。［結論］Minics軟件及三維重建技術可以很好的指導骶髂骨折的手術操作。
【關鍵詞】 骨盆骨折； 骶髂關節； 生物力學
現代社會高能、高速損傷日益增多，骨盆骨折發病率逐年增多，目前已占骨折總例數的1%～3%，盡管醫療技術已有很大提高，嚴重骨盆骨折病死率仍在20%左右，致殘率約50%～60%［1］。尤以骶髂關節骨折，由于受傷部位較深，涉及組織及器官較多，手術治療時由于操作不當極易造成不必要的手術并發癥，甚至導致手術失敗。本實驗通過使用Minics軟件對試驗標本個體化CT數據資料進行處理和研究，探討該方法在閉合條件下對經皮治療骶髂關節骨折固定手術的術前設計及指導作用。
1 材料和方法
1.1 材料
15具尸體骨盆，男12具，女3具，年齡23～45歲，平均34歲，不含軟組織(南方醫科大學人體解剖學教研室提供)；X線機(TU3000/DR1000X，Hitachi日本)，64排螺旋CT(Philips/Brilliance 64，飛利浦公司，荷蘭)，生物力學機(MTS生物力學試驗機)，電視X線機(Tridoros Optimatic 1000 mA，西門子，日本)，Minics 10.01軟件，沖擊電鉆(中國上海)，8 mm克氏針。
1.2 方法
各骨盆均行正側位、雙斜位X線片和螺旋CT三維重建。30個關節隨機分為3組，每組10個關節。A組：將CT數據輸入電腦后，利用Minics軟件進行三維重建處理，分析骨折裂縫的大小、位置和周圍骨性結構的比鄰。并利用軟件中畫筆工具模擬出2根8 mm“克氏針”，垂直骨折線行跨關節骨折固定(圖1)，調節“克氏針”位置，消除針道對周圍血管、神經和臟器穿過損傷后，顯示穿針部位在體表的投影和進針(三維)角度，然后于尸體骨盆按照軟件模擬的部位和路徑進行克氏針固定。B組：在電視X線機指導下，行骨折部位克氏針固定。C組：根據X線片和CT片行克氏針。
1.3 試驗步驟
1.3.1 生物力學分析 有學者認為顯著增加螺釘軸向拔出力的因素與增大螺釘外徑和加大進釘深度有關；骨密度也是影響螺釘固定強度的重要因素，骨密度越大，螺釘的拔出力也就越大［2］。按文獻3方法進行操作，具體方法：標本置于MTS858生物力學測試機平臺，呈人體垂直直立位牢固固定，釘尾施加擺動拔出力，預載100 N，后以10 nm/min分級加載，兩側放置高精度攝像儀，每加載50 N記錄1次，在擺動度數1°～5°時分別記錄相應的拔出力，所有標本均重復上述操作。
圖1 利用Minics軟件進行三維重建模擬圖（略）
1.3.2 大體觀察 生物力學測試后各組隨機選取4個標本，沿穿針方向剖開，觀察針道與骶髂關節界面以及周圍組織關系。統計標準為“2針均于中部穿越骨折線計為0，有1根于中部穿越骨折線計為3，2只均未穿過骨折線計為5；針道不穿越任何臟器的計為“O”，針道穿入骶管的計為A，穿破骶骨向后側穿出計為B，穿破骶骨穿入盆腔的計為C。
統計學分析，所有數量表示為資料±s，SPSS 12.0統計軟件進行統計學處理，組間比較采用方差分析，檢驗水準為α=0.05。
2 結果
2.1 生物力學實驗
A、B組方法指導下固定的克氏針在抗拔出力方面明顯優于C組，拔針過程中產生的位移明顯少于C組，2組差異具有統計學意義(Pa0.05)(表1)。
表1 不同手術方法克氏針拔出力和相對位移（略）
2.2 大體觀察
A、B 2組大部分標本顯示，克氏針能夠順利穿過骶髂關節界面，且不穿入椎管或由關節前后穿出，很好的起到局部固定或避免組織損傷的效果，C組標本均出現固定不確切，和針道偏斜的表現(表2)。
表2 大體觀察結果（略）
3 討論
骶髂關節骨折屬垂直不穩定性骨盆骨折［4］，隨著醫生及患者康復意識和診斷技術的不斷提高，閉合手術治療的效果越來越受到醫生和患者的重視。骶髂關節，也稱為骶髂復合體(sacroiliac complex)，影響頭側的腰骶關節及尾側的髖關節，占整個骨盆功能的60%［5］左右，治療效果對骨盆功能的恢復具有重要意義。骶髂關節骨折，手術顯露困難，術野暴露面積大，加之骶骨內和骶髂關節前方有硬脊膜囊、骶神經根、骶叢及重要大血管通過，操作難度大，處理不好會引起很多并發癥，極易誤傷臟器、神經、血管，造成創傷性關節炎。
目前處理此類骨折的較常規的方法是：（1）保守治療牽引：過程長，患者長期臥床，護理麻煩，且易引起諸多并發癥［6］；（2）閉合復位，憑經驗行克氏針或螺釘內固定：手術風險大，易造成重要組織和器官的損傷［7］；（3）切開復位內固定：損傷復雜，一般醫生掌握困難［8］；（4）電視X線機指導下閉合穿針：操作安全簡單，對術者解剖和立體定向水平要求較高［9］。
Minics軟件是SWUGN公司于2002年開發的一種3D軟件，可以錄入CT等影像學數據，并進行重建，并可以隨意旋轉，成像，還可以利用工具軟件，在圖像中繪制立體的螺釘、鋼板或克氏針進行固定，并通過三維數據進行位置調節。
本研究采用螺旋CT對骨盆標本的掃描數據錄入Minics軟件，通過軟件自帶的三維成像功能，進行圖形重建，繪制出模擬真實的骨盆模型。利用軟件中的旋轉工具可以從任意角度觀察骨盆構象，了解復合關節的解剖關系。更重要的是，利用軟件中的繪圖工具還可以在圖像資料中添加模擬的螺釘或克氏針，并可以隨意調節進針部位和角度，還可通過延展工具在組織表面進行投影，進行術前手術實施模擬，進而指導真實手術操作。本組數據顯示：采用三維重建指導的克氏針固定在力學強度和進針部位和準確度等方面與電視X線機指導下的克氏針固定效果相當，甚至略好，明顯優于單憑X線片和CT資料的經驗性“盲穿”。
該方法操作簡單，易于掌握，尤其適于剛剛從業的初學者，且避免了電視X線機下對患者和術者的射線照射。該方法的三維重建功能還具有很好的診斷價值(將另文論述)，具有良好的應用前景。
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生物力學測試方法范文第5篇
[關鍵詞]兔；肋軟骨；軟骨膜；生物力學
[中圖分類號]R622 R332 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455（2012）04-0579-03
Effect of costal perichondrium on biomechanics of transplanted costicartilage in rabbits
JIANG Shan,CHEN Zhen-yu,ZHU Yue-hua,LENG Xiang-feng,ZHANG Wei-na
(Department of Plastic Surgery,Affiliated Hospital of Medical College,Qingdao University,Qingdao 266000,Shandong,China)
Abstract: Objective To study the differences of the cartilage with and without the perichondrium after autologous ectopic transplantation in healthy rabbits,in order to offer theory reference for clinic to make the best use of cartilage. Methods 6 rabbits at the age of six weeks.Each of them the sixth,seventh,and eighth costal cartilages with perichondrium were removed,and divided into two segments at the even length,one segment with perichondrium and the other non-perichondrium.They were buried under the skin of the back at bilaterally symmetrical parts.Two different groups of cartilages were took out after 12 weeks and removed the perichondrium of the cartilages that had it previously. Tensile,compressive and flexural tests were conducted by using SHIMADZU material testing machine. Results The average maximum strength and the strain of tension,compression and flexion of the perichondrium group were higher than those in the non- perichondrium group（P
Key words:rabbit;costicartilage;perichondrium;biomechanics
肋軟骨是一種透明軟骨，組織具有彈性，移植后易成活，與其他組織相比不易變形，是理想的填充、塑形以及支持材料。自體肋軟骨因與機體組織生物相容性佳，無排斥反應，抗感染能力強等優點而被廣泛應用于多種整形外科手術，如耳再造、隆鼻等[1]。
肋軟骨的生物力學性能對手術效果具有十分重要的影響，具有良好生物力學性能的肋軟骨可更好地對抗各種外力作用，取得并維持更為理想的手術效果。現階段，國內外已有不少對軟骨生物力學性能的研究，但大多數以其它部位的軟骨為研究對象，如關節軟骨等。即使有少量研究肋軟骨生物力學性能的，也未能系統闡述肋軟骨膜對其的影響[2-3]。已有大量研究表明，肋軟骨膜能夠促進肋軟骨的生長并有利于其塑形[4]，但其對肋軟骨生物力學性能的直接影響仍不確定。本研究正是針對上述不足，通過實驗研究兔健康肋軟骨的極限抗拉強度，最大抗壓強度，最大彎曲強度等各項生物力學性能，探討肋軟骨膜對肋軟骨的生物力學性能的影響，以期為利用肋軟骨行整形手術時選取最佳移植物提供理論參考。
1 材料和方法
1.1.1 實驗動物：健康新西蘭大白兔幼兔6只，平均體重1.5～2kg，平均周齡6周。
1.1.2 手術方法：地西泮5mg/kg，鹽酸氯胺酮30mg/kg肌注麻醉成功后，背部術區備皮，胸腹部備皮，消毒，鋪巾。沿左側肋弓作斜形切口，連軟骨膜一起，取出第6、7、8肋肋軟骨。胸腹壁切口用5-0絲線逐層拉攏間斷縫合。背部兩側對稱部位各做三處約0.5cm長縱行切口，同側切口間隔約1cm，剪刀橫向鈍性分離皮下至合適長度。將取出的肋軟骨從中間切斷，形成等長兩段，其中一段保留軟骨膜，另一段則去除。將各組帶軟骨膜與不帶軟骨膜的軟骨于背部對稱部位埋植于皮下，帶軟骨膜的埋于一側，不帶軟骨膜的埋于另一側。麻醉蘇醒后將兔放入觀察室，分籠飼養，術后3日內，每日肌注青霉素40萬IU。術后12周取出埋植肋軟骨，觀察各標本均無明顯吸收變形現象，各軟骨及軟骨膜完整，將埋植前帶軟骨膜者的軟骨膜剝去，埋植前不帶軟骨膜者不作處理，兩組均制成試件以備測量。
1.2 實驗儀器及測試條件：在SHIMADZU（日本，AGS-X型）材料試驗機上對肋軟骨試件進行拉伸、壓縮及彎曲試驗。實驗在室溫（18℃～25℃）下進行，且用超聲波加濕器保持一定的濕度，實驗中過程中用Ringer's液滴注試件，以防試件干燥。用游標卡尺測量試件的長、寬、厚或直徑，并以此計算材料的橫截面積，同一試驗中各試件形狀及大小一致。實驗采用100N傳感器，機器可自動測量變形，各實驗均經過預調處理。
1.3 實驗過程
1.3.1 拉伸試驗：將試件沿肋軟骨長軸方向固定于機器上、下夾頭間，以5mm/min的速度均勻拉伸直至試件被拉斷。為使試件在中間較細部位斷裂，將其制成長15mm，厚2mm，兩端寬4mm，中間寬2mm的沙漏狀。分別測試各標本，記錄下各最大拉伸強度值及最大應變。
1.3.2 壓縮試驗：將標本制成長1mm,直徑4mm的圓柱形試件, 沿肋軟骨長軸方向放置于試驗儀托盤上, 以5mm/min的速度均勻壓縮至破壞。分別測試各標本, 記錄各最大壓縮強度值及最大應變。
1.3.3 彎曲試驗：將標本制作成長15mm，直徑4mm的圓柱形試件，水平放置于彎曲試驗的支點上,跨距15mm,作三點彎曲試驗。分別測試各標本, 記錄各最大彎曲強度值及彎曲破壞時間。
1.4 統計學處理：采用SPSS18.0行數據統計學處理，所有數據均采用（均數±標準差）表示，采用兩獨立樣本t檢驗作統計學分析，P
2 結果
2.1 拉伸試驗：兩組試件拉伸試驗應力-應變曲線見圖1。從該曲線可以看出埋植前帶軟骨膜組破壞應力明顯大于不帶軟骨膜組，后者抗拉能力明顯減弱。相同的應力作用時, 不帶軟骨膜組發生的應變更大。對兩組的各標本進行計算, 結果表明帶軟骨膜組的平均極限抗拉強度為(3.38±0.17)MPa,平均最大應變為(8.04±0.33)%；不帶軟骨膜組的平均極限抗拉強度為(2.12±0.15)MPa，平均最大應變為(5.12±0.68)%， 兩者相比差異有顯著性意義(P
2.2 壓縮試驗：兩組試件壓縮試驗應力-應變曲線見圖2。從圖中可以看出不帶軟骨膜組破壞應力明顯小于帶軟骨膜組。對兩組的各標本進行計算, 結果表明帶軟骨膜組的平均最大壓縮強度為(8.31±0.61)MPa，平均最大應變為(6.42±0.43)%；不帶軟骨膜組的平均最大壓縮強度為(4.29±0.69)MPa, 平均最大應變為(4.01±0.31)%，兩者相比差異有顯著性意義（P
2.3彎曲試驗：兩組試件彎曲試驗應力-時間曲線見圖3。從該圖可以看出, 雖然兩組曲線近似, 但帶軟骨膜組發生破壞的時間為(36.01±3.88)s，明顯長于不帶軟骨膜組的(23.50±3.56)s。對兩組的各標本進行計算, 結果表明帶軟骨膜組的平均最大彎曲強度為(7.80±0.51)MPa，不帶軟骨膜組的平均最大彎曲強度為(4.52±0.30)MPa，兩者相比差異有顯著性意義(P
3 討論
3.1 自體肋軟骨由于前述各種優點，臨床上應用廣泛。然而，在取用肋軟骨時，常面臨著帶不帶軟骨膜的選擇。目前，國內外已有大量研究表明，肋軟骨膜對肋軟骨的生長和塑形有重要的影響作用。與不帶軟骨膜者相比，帶軟骨膜肋軟骨移植后與周圍組織黏連更為緊密，在長度、重量和體積方面的生長均優于同期不帶軟骨膜移植肋軟骨，鏡下亦可觀察到軟骨細胞更為活躍，膠原及蛋白多糖含量顯著優于不帶軟骨膜者[4-5]。由于肋軟骨的生物力學性能主要由其基質中的膠原纖維特別是Ⅱ型膠原纖維的數量、分布、空間排列及蛋白多糖的含量所決定[6]，因此，肋軟骨膜對肋軟骨組織學方面的影響，勢必導致肋軟骨生物力學性能的改變，進而影響肋軟骨作為填充、塑形及支持材料應用于整形手術的效果。
3.2 本實驗首次采用SHIMADZU（日本，AGS-X型）試驗機對埋植于兔背部皮下12周的兩組肋軟骨進行生物力學測試, 分別測試并記錄材料在拉伸、壓縮、彎曲時的應力-應變關系曲線及應力-時間關系曲線。拉伸試驗的結果表明,兩組肋軟骨的拉伸應力-應變曲線形狀相似,均呈非線性指數關系[7]。從圖1可看出, 兩組肋軟骨的拉伸破壞為延性斷裂，即先屈服后斷裂,帶軟骨膜組破壞應力明顯大于不帶軟骨膜組，后者抗拉能力明顯減弱。相同的應力作用時, 帶肋軟骨膜組發生的應變較小。對兩組各標本進行計算, 結果顯示帶肋軟骨膜組的最大拉伸強度和最大拉伸應變均大于不帶肋軟骨膜組, 表明后者的抗拉能力有明顯的下降。由于抗拉強度主要與軟骨基質中膠原的含量、分布以及空間排列有關, 拉伸強度的降低也間接反映了不帶軟骨膜組肋軟骨的膠原特性次于帶軟骨膜者，與前人的組織學研究結果相一致[8]。
3.3 壓縮試驗結果表明, 兩組的應力-應變曲線均呈現近似線性關系, 帶軟骨膜組破壞應力大于不帶軟骨膜組，兩者有明顯差別。計算結果顯示, 帶軟骨膜組的最大壓縮強度和最大壓縮應變均大于不帶軟骨膜組, 表明不帶軟骨膜組肋軟骨抗壓能力確有下降。已有研究表明，軟骨的抗壓能力與軟骨基質中膠原和蛋白多糖的變化均有關系[9],不帶肋軟骨膜組肋軟骨抗壓能力的下降也從側面反映了軟骨基質中膠原及蛋白多糖的特性變化均不如帶軟骨膜者。
3.4 彎曲試驗中，雖然兩組肋軟骨的彎曲應力-時間曲線相似,但帶肋軟骨膜組發生破壞的時間明顯長于不帶肋軟骨膜組；計算結果表明帶軟骨膜組肋軟骨的最大彎曲強度也明顯大于不帶軟骨膜組, 說明不帶肋軟骨膜埋植肋軟骨的抗彎曲的能力降低。
3.5 本研究結果表明，帶肋軟骨膜埋植肋軟骨的極限抗拉強度、抗壓強度、彎曲強度等各項生物力學指標均明顯優于不帶肋軟骨膜者。據此，我們可以推測，帶軟骨膜移植肋軟骨可更好地對抗各種外力作用，取得并維持更為理想的手術效果。綜合以上各方面因素，利用肋軟骨進行整形再造手術時，應優先考慮所取肋軟骨保留適量軟骨膜。
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