生物力學實驗方法范文

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九年制義務教育生物教材的最大特點之一就是增加了大量的實驗，其目的在于加強生物學料的實驗教學，培養(yǎng)學生的觀察能力和實驗能力。

所謂實驗能力包括以下幾個方面：①操作能力：熟練使用顯微鏡、解剖器、安裝實驗裝置、自行設計各種實驗步驟、采集制作植物、動物標本；②獲得知識的能力：即在實驗過程中通過聆聽、觀察、閱讀、質疑、記錄分析實驗結果等途徑獲得知識的能力；③整理分析能力：通過表解、圖釋記錄實驗的結果，對實驗現象進行分析整理，找出實驗成敗原因，并能解釋實驗現象，寫出實驗報告；④解決問題能力：學生應用與實驗有關的知識尋求解答問題的能力。那么我們應該如何培養(yǎng)學生的實驗能力呢？在生物實驗教學中，我首先根據學生不同的年齡特征和心理特征，采取以下不同的組織形式，循序漸進地培養(yǎng)學生的實驗能力。

一、模擬實驗

剛進中學的初一學生好奇心強、好動，他們做實驗時，注意力分散在實驗儀器及用品上，不注意聽講、看老師的示范，在實驗過程中不認真操作，觀察實驗現象不細致。此時。我一般采取模擬方式進行實驗。如《顯微鏡的作用》一課，先講解顯微鏡的結構和作用，操作顯微鏡邊講要點、邊做示范，學生邊模仿操作。這樣模仿操作完顯微鏡后，再讓學生獨自操作一兩遍，經過幾次這樣的訓練后，學生就基本上學會了顯微鏡了。模擬實驗教學方法的好處是有利于培養(yǎng)學生認真、細致、嚴謹的科學態(tài)度，規(guī)范學生的實驗操作。

二、分段實驗

在模擬實驗的基礎上，再以分段實驗的方式訓練學生。如在《用顯微鏡觀察植物的細胞》一課，把實驗分為制作并觀察洋蔥表皮細胞、制作并觀察番茄果肉細胞、觀察葉表皮永久裝片三個階段。每個階段實驗過程是老師先講實驗操作的要領、做示范，然后學生再獨立操作、觀察。學生操作觀察時老師巡回輔導，一個階段完成后在進行下一個階段。各個階段完成后，老師以問答的方式讓學生說出觀察到的實驗現象：洋蔥表皮細胞近似長方體，番茄果肉細胞近似球體，葉表皮細胞形態(tài)不規(guī)則，但它們都有細胞壁、細胞質、細胞核。老師再補充說明，植物細胞都有細胞膜，但由于它太薄，而且緊貼細胞壁，用光學顯微鏡是不易觀察到的，最后引導學生得出結論，植物都是由細胞結構成的，不同的細胞形態(tài)不同，但它們都有相同的結構——細胞壁、細胞膜、細胞質、細胞核。分段實驗不僅給學生提供獨自操作的機會，培養(yǎng)學生獨立操作能力，而且在教師的引導下，使學生逐漸學會觀察實驗現象、收集實驗資料，歸納總結得出結論，從而主動獲得知識。

三、獨立實驗

經過一段時期分段實驗的訓練后，學生可以在老師的指導下，獨立操作實驗。方法是實驗前，學生在老師的指導下，認真熟悉實驗目的、方法、步驟、實驗所需的藥品、材料。教師提出實驗要求，講清要點，然后再讓學生獨立操作。教師在操作過程中巡回指導，若發(fā)現帶共性的問題，要讓全班停下來，統(tǒng)一糾正后再繼續(xù)實驗，最后總結實驗，指導學生完成實驗報告，這樣就進一步培養(yǎng)了學生獨立實驗的能力。通過以上的組織訓練后，學生能比較熟練地使用顯微鏡；能用解剖器解刨小動物；學會植物標本和昆蟲標本的采集、制作、初步具備了獨立實驗的能力。

四、開展課外活動，進一步培養(yǎng)學生的實驗能力

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【關鍵詞】物理學史科研方法 滲透

從物理學的發(fā)展歷史來看，隨著物理學研究內容的變化，物理學的研究方法也在變化著，并不斷得到豐富和提高。在古代，人們主要是靠不充分的觀察和簡單的推理，直覺地、籠統(tǒng)地去把握物理現象的一般特性。隨著近代自然科學的興起，觀察方法就從以自然觀察為主發(fā)展為以儀器觀測為主?？茖W實驗和數學方法相結合，使精確的、定量的物理學研究有了很快的發(fā)展。整理事實材料的需要，也促進了分析、歸納和演繹等邏輯方法的發(fā)展。這一時期科學方法的發(fā)展，使物理學作為一門實驗科學的特點顯著地呈現出來。

物理學家們的科學研究方法很多，在教學中我們可以向學生滲透以下幾種：

一、觀察

物理學是一門實踐性很強的學科，概念的建立和物理規(guī)律的發(fā)現往往離不開對自然現象的觀察。所以培養(yǎng)學生學會觀察、勤于觀察的習慣，對物理課的學習肯定會有較大的幫助。物理學史中許多重要發(fā)明、發(fā)現同樣是科學家善于觀察的結果。比如意大利物理學家伽利略，1853年在比薩教堂注意到一盞懸燈的擺動受到啟發(fā)，用線懸銅球模擬單擺實驗，確證了微小擺動的等時性和擺長對周期的影響；德國物理學家倫琴在進行陰極射線實驗時，注意到放在射線管附近氰亞鉑酸鋇的小屏上發(fā)出微光，從而發(fā)現了X射線（倫琴射線）。這些事例都說明觀察的重要性。培養(yǎng)學生觀察能力和觀察習慣，可以起到鞏固消化、加深理解的作用。

二、實驗

物理學是一門以實驗為本的科學，物理理論來源于實驗，并且還必須經過實驗的檢驗，可以說沒有實驗就沒有物理學。比如富蘭克林的風箏實驗，在風雨交加的情況下，利用風箏將大氣中的電收集到萊頓瓶中使其充電，證明了“閃電和靜電的同一性”；比如光的顏色問題，從亞里士多德到迪卡爾都認為“白光是純潔的、均勻的，是光的本質”，而色光只是光的變種，但是他們都沒有像牛頓那樣做過認真的實驗驗證，大約在1666年牛頓用棱鏡進行光的色散實驗，終于得出“白光是由各種折射程度不同的彩色光組成的非均勻混合體”的科學結論。

三、類比

類比是根據兩個事物在某些方面的相同、相似推論它們在其他方面也可能相同相似。比如荷蘭物理學家惠更斯，就是用類比的方法根據光也像聲波那樣能發(fā)生反射、折射，而提出光是一種波動的假說的，從而為光的波動理論奠定了基礎；法國物理學家德布羅意用類比的方法根據光的波粒二象性而推論微觀粒子也具有波動性，提出了物質波的概念；庫侖就是從牛頓的萬有引力定律中得到啟發(fā)，把電荷之間的作用力類比萬有引力，推論電力也像萬有引力一樣服從平方反比定律，從而發(fā)現了庫侖定律。如果沒有類比的方法，單靠實驗數據的積累不知到何年何月，才能得到嚴格的庫侖定律的表達式。類比推理是科學研究中行之有效的方法之一，在物理教學中可以啟迪學生思維，尋找思維途徑。當然，類比推理的結論要經過實踐的檢驗，這里不再贅述。

四、假說

物理學中的發(fā)現往往先建立在假說的基礎上，再經過理論推導或者實驗驗證最后證實。麥克斯韋在物理學中的最大貢獻是建立了統(tǒng)一的經典電磁場理論和光的電磁理論，預言了電磁波的存在。而這種理論預見后來得到了充分的實驗證實（赫茲實驗）。假設推理在物理教學中經常應用的方法，如靜電場中電場線，等勢面是否相交，還有建立在假說基礎上的一些理想實驗等。

五、模型

中學物理教學中涉及到大量的建立模型的研究方法，其主要目的是忽略次要因素，抓住主要矛盾，便于發(fā)掘事物的內在規(guī)律從而使抽象的假說的理論形象化，便于思考問題。物理學史中涉及的模型是很多的。

力學中的質點、單擺、彈簧振子、光滑平面、完全彈性碰撞……

熱學中的理想氣體、平衡態(tài)絕熱過程……

電學中的電荷、無限長導線、電力線、磁力線、純電容和電感電路……

原子物理學中的原子“核式結構”、玻爾模型、基本粒子的各種模型……

在物理學史上，一些物理模型的提出、修正、完善和被新的模型所取代的過程，就是人類認識自然能力不斷提高的過程。

物理學的思想和方法是在物理學發(fā)展過程中，在物理學家長期的科學實踐中，逐步摸索、積累、形成和發(fā)展起來的，是人類智慧的結晶。它已經滲透到許多學科的研究中去，成為現代科學研究和處理問題的重要思想和方法。學生了解和掌握這些思想和方法，對于今后從事任何研究和工作，對于解決和處理各種問題，都是很有用的，是終生受益的。

【參考文獻】

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演示實驗

多數演示實驗操作簡單效果明顯，但也有部分實驗按傳統(tǒng)的操作方法進行，實驗效果較差，達不到預期目的，對于此類實驗，教師必須努力創(chuàng)造條件，改進實驗方法，增加實驗的可見度，便于學生觀察。例如“磁場和磁感應線”在中學物理中是2個非常抽象的概念，要讓學生建立起這2個概念，必須借助實驗。傳統(tǒng)的實驗方法是將一塊磁鐵放在玻璃板上，在其上均勻撒些細鐵屑，然后輕敲玻璃板，再由教師手托玻璃板繞教室一周，讓學生在玻璃板下面直接觀察細鐵屑的排列情況。這樣既浪費時間，同時也不便于觀察。如果把玻璃板放在投影儀上，利用投影將細鐵屑排列情況反映在大屏幕上，效果會非常好，既節(jié)省時間又增加實驗的可見性，便于學生觀察實驗現象。對于部分演示實驗，也可以轉化為探究性實驗。例如關于“浮力的測量”這一實驗，在課標中為演示實驗。教師完全可以讓學生自己動手，利用所給器材測出浮力大小，既鍛煉學生的探究能力，又讓學生在解決問題的探究過程中獲得成功的喜悅。

分組實驗

分組實驗是培養(yǎng)學生動手能力的重要手段，學生通過親自實驗，熟練掌握操作技能，鞏固和驗證他們所學的理論知識。因此，教師要認真組織好每一次的分組實驗，做到目的明確、要求具體、指導到位。例如“在長度測量中”要求學生掌握刻度尺的“六字”規(guī)則，即：1選、2觀、3放、4看、5讀、6記。這樣就可以比較準確測量物體的長度。為了調動學生學習的積極性，也可以把有些驗證性實驗改為探究性實驗，如驗證阿基米德原理的實驗。具體做法：讓學生選實驗儀器，根據自己猜想分別進行實驗，探究浮力大小與物體密度、液體密度、物體浸在液體中的體積的關系；然后組織學生分析、討論實驗結果，總結得出阿基米德原理的內容。這樣既調動每一個學生學習的積極性，又能培養(yǎng)他們自我發(fā)現問題、解決問題的能力。

家庭實驗

對于教材中安排的家庭實驗，教師要鼓勵學生積極參與、獨立思考、自籌器材、大膽嘗試，創(chuàng)造性地運用所學知識，完成家庭小實驗。但教學中，筆者發(fā)現大多數學生對此實驗都有畏難情緒，缺乏應有的自信而不愿意去嘗試。為此，筆者有意向學生介紹牛頓、錢學森等中外科學家的事跡，幫助他們樹立信心，激發(fā)他們的欲望。如在學習“牛頓第一定律”的過程中，筆者抓住時機，適當地向學生介紹牛頓這位人類科學史上的“奇人”，告訴他們牛頓中學時代學習成績并不出眾，只是愛好讀書，對自然現象有好奇心，喜歡別出心裁地做些小發(fā)明、小實驗，自己動手制造各種實驗設備。為了制造望遠鏡，他自己設計研磨拋光機，實驗各種研磨材料，終于在公元1668年制成第一架反射望遠鏡樣機。通過介紹科學家的事跡，大大激發(fā)學生的學習熱情，很多學生都自愿參與其中。同時，教師還要利用一定的時間對學生的創(chuàng)作成果進行交流和評價，引導學生向更高層次發(fā)展，對學生都極具誘惑力。

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一、生物實驗教學中培養(yǎng)學生思維方法存在的問題

目前中學生物實驗中，教師對學生思維方法的培養(yǎng)上存在一些問題。一方面，教師給予學生過多過細的指導，學生缺少探索、自由發(fā)展的情境，不利于發(fā)展學生的探究能力，更不利于學生應對當今的高考模式；另一方面，學生不能使知識成為解決實際問題的思維方法。在實驗課上，常常反映出理論歸理論，不能有效地把所學的理論彼此聯(lián)系，靈活地應用于實驗，不能使知識成為一種動態(tài)的知識。鑒于以上出現的問題，我們每一個高中生物教師都應該轉變思路，重視實驗教學中的思維方法與實驗設計訓練。

二、生物實驗教學中學生思維方法與探究能力的培養(yǎng)

1.重視經典實驗的教學，讓學生學會科學實驗的思維方法。大多數的生物概念、原理和規(guī)律都是建立在實驗基礎上的。我們應仔細分析書中的經典實驗，比如演示實驗（滲透作用實驗裝置）、模擬實驗（基因的分離定律）、驗證實驗（植物細胞質壁分離和復原實驗）、雜交實驗（孟德爾豌豆雜交實驗）、探究實驗（生長素發(fā)現實驗）等，同時引導學生學習經典實驗設計的技巧、科學的研究方法（觀察實驗——提出問題——作出假設——反復實驗——驗證實驗——形成規(guī)律）。嚴謹的、實事求是的科學態(tài)度和持之以恒的科學精神，有助于培養(yǎng)學生建立科學實驗的思維方法。例如“孟德爾的基因分離定律研究”成功的原因在于：實驗材料選擇適當；有科學的實驗設計程序（假說—演繹法）；有科學的研究方法（先研究1對相對性狀，再研究多對相對性狀）及統(tǒng)計方法（觀察子代性狀分離現象，統(tǒng)計每一種子代數目）等。

2.開放實驗室，讓學生邊動手邊領悟實驗的各個關鍵環(huán)節(jié)。課本中的實驗和其他知識點一樣是基礎知識、基本能力的載體，在最近幾年的生物高考題中也有意識地強調這一點。因此，在高三復習中，我們應盡量讓學生親自動手做實驗，將《考試說明》中所列的實驗從實驗目的、原理、方法和操作步驟等方面進行綜合分析，掌握相關的操作方法和技能，并能綜合運用其解決問題。

例如，2011年江蘇高考第10題（題目略）。本題考查的是書本實驗的綜合，涉及用顯微鏡觀察多種多樣的細胞、檢測生物組織中的脂肪、觀察植物細胞的質壁分離和復原。這道題的關鍵在于把握題干中的“直接”二字。在光鏡下可看到的對象有較大的如液泡；本身有顏色的，如葉綠體；或者經特殊染色的，如染色體、線粒體、脂肪。B項中的花生子葉和C項中的線粒體因未作染色，所以不可見；D項中的紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞內體積相對較大的紫色液泡，占據了很大的視野，因而也不易觀察到細胞核。要想能正確地解答此類題，教師要引導學生對教材中的基本實驗有一個清楚的認識，嘗試從實驗情境的角度來分析確認相關描述的準確性。如果我們在平時的教學中讓學生親自動手做實驗，那學生的解題能力就會大大提高。正如一位專家所講：“不做學生不知，老師也未必知?！?/p>

3.借助實驗思維進行試題分析，提高學生解決問題的能力。在平時的教學中，我們引導學生進行題目分析時，一方面要讓學生借助實驗思維，排除干擾信息，提高解決問題的能力；另一方面讓學生借助實驗思維，依據實驗目的，提高表達能力及歸納、比較、推理等邏輯思維能力。

例如，2011年江蘇高考第31題（題目略）。本題中對怎么操作交代得很清楚，為什么要這樣操作，還要注意什么問題，則需要考生在本題的情境下作出仔細的分析和推理，學生只有具備較強的思維能力，才能很好地解答本題。2011年江蘇卷28、30、31三大題均為實驗分析題，有各自的情境，提供信息的渠道豐富，問題的角度也有所不同，但都很強烈地傳遞了一個信號——重視生物實驗思維分析，重視學生實驗探究能力的考查。因此，我們在平時的教學中一定要充分意識到實驗題的重要性，訓練學生解答實驗題的思維能力。

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關鍵詞：膨脹教學；實驗平臺；思考能力

軟組織力學特性是生物力學教學中的重要內容，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）的力學特性不同，其臨床表現也不同。可見，了解軟組織的力學特性對于醫(yī)生深入認識疾病具有重要的意義。而對于我校生物力學課程的授課對象一醫(yī)學相關專業(yè)學生而言，使他們了解力學特性的相關知識和方法就顯得非常必要。

目前，軟組織力學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行單軸或雙軸拉伸，利用實驗機記錄軸向或雙方向的載荷位移數據，通過數據處理獲得材料的力學特性。拉伸實驗操作簡單、所用設備標準規(guī)范，數據處理方便等，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確的力學響應，整體膨脹實驗則可以在不破壞軟組織形狀的基礎上，模擬生物體在體時的生理狀態(tài)，通過對整體軟組織進行加壓，進而獲得軟組織形變隨壓強的變化規(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響應更符合生理實際，獲得的力學特性更準確，該方法是目前研究軟組織力學特性的重要實驗方法。對于生物力學實驗和實踐教學而言，讓學生了解生物力學領域的重要研究方法是重要的教學任務，雖然整體膨脹實驗在相關的學生實驗和實踐工作中很少見到，但是考慮到我校生物力學課程的授課對象為醫(yī)學相關專業(yè)學生，因此，開發(fā)滿足實驗和實踐教學需要的整體膨脹實驗非常必要。

1.整體膨脹實驗平臺的設計

整體膨脹實驗是在不破壞軟組織整體形狀的情況下，對整體軟組織進行加壓，同時記錄軟組織內壓和變形的信息，通過數據處理，獲得軟組織的力學響應。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行整體膨脹實驗，可以獲得血管直徑隨血管內壓的變化規(guī)律；而對于類球缺狀材料，則可以得到頂點位移隨眼內壓的變化或面積變化隨眼內壓的變化。實際中，我們以管狀材料（兔腹主動脈）整體膨脹實驗為例，在已有工作的基礎上，設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)一了圖像和數據處理等流程，獲得了管狀材料的力學響應和材料特性。

1.1實驗測試系統(tǒng)設計 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，通過傳感器和數據采集分析系統(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。實驗過程中，通過加壓裝置對管狀材料進行加壓，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。連接設備，將壓力傳感器調零。調整試件位置，使CCD拍攝效果最佳。

對血管試件進行預調，通過微量注射泵向血管內注射生理鹽水，當血管內壓達到100 mmHg時停止注射，并卸載，當血管內壓達到0 mmHg時完成一次預調。預調三次后，進行正式實驗。

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關鍵詞：有限元 醫(yī)學 仿真實驗

Research of experimental of medical's Finite Element Analysis（FEA） simulation

Niu Xiaodong， Lu Lirong

Shanxi Changzhi medical college， Changzhi， 046000， China

Abstract： It will solve many complex problems if apply FEA to medical research， and these problems are difficult to solve but need to be solved in the physics of medical applications. So that it can provides theoretical guidance and scientific foundation for medical research and clinical treatment. Have the experimental course of medical’s FEA simulation， medical colleges have a very important significance for student’s study， teacher’s teaching and research， cooperation of college and affiliated hospitals.

Key words： FEA； medical； experimental of simulation

有限元分析是一種廣泛應用于工程科學技術的數學物理方法，用于模擬并解決各種工程力學、熱學、電磁學等物理場問題。1956年Turner等人提出有限元（Finite Element，FE）的概念。有限元的核心思想是結構的離散化，就是將實際結構假想地離散為有限數目的規(guī)則單元組合體，實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結果替代對實際結構的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。

隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設計和分析中得到越來越廣泛的重視，已經成為解決復雜工程分析計算問題的有效途徑，現在從汽車到航天飛機大多數設計制造已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、生物醫(yī)學研究等各個領域的廣泛應用已使設計水平發(fā)生了質的飛躍。

1 醫(yī)學有限元國內外研究現狀分析

有限元方法最早應用于骨科研究，開始于脊柱生物力學[1]。幾十年來其在解決生物力學問題上得到了廣泛應用，尤其近年來，隨著數字及計算機技術的不斷進步，有限元法本身已不再是相對獨立地研究生物力學性質，它越來越多地與各種動力學模型、參數優(yōu)化選擇、臨床放射學與實物測量、有機化學、組織學與免疫組化等方法巧妙結合，使結果更加準確可靠，成為生物力學研究中的一種重要工具。有限元方法在醫(yī)學上的研究主要包括以下四個方面。

1.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立，直接影響有限元仿真實驗結果的精度、計算機計算過程、計算時間的長短，且模型建立的優(yōu)劣與建模人員的專業(yè)素質和有限元知識分不開。現有研究的模型包括：人眼[2]、牙齒及矯正器[3]、脊柱[4]、顱腦骨骼[5]、胃[6]等人體骨骼及器官的三維有限元模型。

1.2 力學實驗仿真

A.Pandolfi，F.Manganiello對所建立的人眼角膜模型進行了力學分析[7]。Tammy L HD等對建立的脛股關節(jié)三維有限元模型分析了骨骼變形對關節(jié)面接觸行為的影響以及約束關節(jié)運動對接觸應力的影響等[8]。

脊柱生物力學仿真是有限元法在生物力學中研究最早、分析最多、臨床上應用最廣泛的領域。杜東鵬等則對腰椎間盤膨隆的力學機制與腰椎疲勞骨折分別進行了探討[9]。

頭顱及顳下關節(jié)也是有限元在生物力學中研究的重點。呂長生等對建立的足部骨組織模型進行有限元分析，為運動損傷或運動鞋的評價等提供了依據[10]。王芳等建立并驗證中國人全頸椎有限元模型，用于揮鞭樣損傷分析[11]。米那瓦爾?阿不都熱依木采用有限元方法，對頜面外科手術術后的顏面軟組織形態(tài)變化進行預測[12]。

1.3 醫(yī)療器械的力學性能評價及優(yōu)化設計

牙科是有限元法在臨床應用中的一大領域，相應的各種牙科固定器材得以研制開發(fā)，這些器材的力學性能又是研制過程中重點解決的問題。蔡玉惠等研究了RPA卡環(huán)在游離端義齒應用中支持組織的應力分布狀況，對RPA卡環(huán)的臨床應用具有力學上的指導作用[9]。

在內固定鋼板方面，張美超等從臨床應用出發(fā)，利用有限元法對頸前路蝶型鋼板進行生物力學模擬分析，得到了與其一致的易斷裂部位預測[9]。

在人工關節(jié)方面，Heegaard JH等建立了髕骨的計算模型，并且模擬了在人工膝關節(jié)中去掉股骨假體對髕骨活動的影響[13]。王永書等對患者胸腰椎爆裂性骨折節(jié)段（T12～L2）部位利用有限元進行手術模擬，均與標本模型及術后CT掃描基本相符[14]。

1.4 血流動力學CFD應用

Tarbell JM用FIDAP和Fluent軟件進行了血管壁中組織液流動的數值研究[15]。喬愛科等利用有限元分析方法得出冠狀動脈搭橋術中對稱雙路搭橋比單路搭橋具有更合理的血流動力學，可以避免動脈粥樣硬化的危險性血流動力學因素，從而減少手術再狹窄的發(fā)生[16]。楊金有應用CFD計算流體力學軟件進行人體主動脈內血流數值模擬分析，為闡明血管疾病的發(fā)病機理提供理論依據[17]。姚偉用計算流體力學軟件Fluent計算人體小腿骨間膜組織間隙中蛋白質非均勻分布情況下組織液流動[18]。

2 醫(yī)學有限元仿真實驗方法

通過上述醫(yī)學有限元研究可得醫(yī)學仿真實驗的方法主要分為四步：（1）通過螺旋CT技術，采集大量的樣本圖像。運用現有醫(yī)用物理實驗室計算機對樣本圖像進行建模處理，并進行相關的有限元分析。（2）通過查閱相關國內外資料，針對所需建立模型的生理、物理等參數特性，在幾種常用圖像處理軟件（Mimcs，Proe等）中選取較為合理準確的有限元建模軟件。（3）在常用有限元分析軟件（ANSYS，Fluent等）中選取較為合理準確的軟件對模型進行有限元分析。（4）將有限元分析結果與實際測量數據進行對比，分析有限元模型的準確性。

3 有限元法在醫(yī)學研究中的優(yōu)勢

有限元法在醫(yī)學研究中具有四個方面的突出優(yōu)勢：（1）可根據需要產生各種各樣的標本，對模型進行實驗條件仿真，模擬拉伸、彎曲、扭轉等各種力學實驗，可以在不同實驗條件下模擬任意部位變形、應力/應變分布、內部能量變化、極限破壞分析等情況。（2）標本也可以進行修正以模擬任何病理狀態(tài)。同一個標本在虛擬計算中可進行無數次加載或組合而不會被損壞。（3）其結果不受實驗條件的影響，也排除了實驗條件造成的誤差，而且可以重復計算，節(jié)約成本。（4）利用有限元法進行的模擬實驗具有實驗時間短、費用少、可模擬復雜條件、力學性能測試全面及可重復性好等優(yōu)點。

4 醫(yī)學院校開展醫(yī)學有限元仿真實驗的意義

在醫(yī)學院校開展醫(yī)學有限元仿真實驗，可以使學生將相關醫(yī)學、物理、生物等課程的知識綜合應用于仿真實驗中，給生物醫(yī)學工程專業(yè)學生的畢業(yè)設計提供更為廣闊的范圍，使研究具有更高的水平；激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和熱情，使學生在自主科研創(chuàng)新的基礎上，設計相關仿真實驗加以驗證、研究。同時，開展仿真實驗要求教師不僅需要對本專業(yè)知識做到“了如指掌”，而且需要教師具有仿真實驗相關的醫(yī)學、物理學、生物學等非本專業(yè)學科的專業(yè)知識，還要求教師必須掌握螺旋CT掃描技術，Mimics，ANSYS等建模、仿真軟件的計算機應用技術。這些知識對于教師實驗教學、科研水平的提高具有十分重要而深遠的意義。在開展醫(yī)學仿真實驗的基礎上，建設醫(yī)學仿真實驗室，不僅可以為學生提供畢業(yè)實習條件，加強實習基地建設，而且與醫(yī)院相關科室進行合作，可以在生物力學基礎上預測手術中、長期效果，對醫(yī)生手術具有較為科學的指導，加強了學校與醫(yī)院的合作。

5 結束語

建立醫(yī)學有限元實驗有兩個關鍵的問題：（1）醫(yī)用有限元模型快速準確的建立。模型的快速準確建立可以減少仿真實驗所需時間、降低費用、增加仿真的準確性和可信性。（2）建立通用的有限元模型庫，為進一步的實驗教學和科研打下堅實的基礎。因此需要在具體實驗實踐中逐步探索和積累。

將工程有限元分析同醫(yī)學結合開設實驗課，屬于多學科之間的交叉領域，不僅可以提高學生對所學專業(yè)知識的綜合運用能力，增強學生就業(yè)與學習深造的競爭力，而且可以加強多學科教師的教學和科研合作，提高教師的教學科研水平。同時提高相關實驗室的利用率，為學生自主開展創(chuàng)新實驗提供平臺，加強學校和附屬醫(yī)院的教學科研合作，為醫(yī)學院校提供更為廣闊的教學和科學研究領域。

參考文獻

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篇7

【摘要】

目的：觀察大鼠急性脊髓損傷后大劑量甲基強的松龍（methylprednisolone，MP）沖擊療法對大鼠骨密度及生物力學的影響。方法: 46只成年健康SD大鼠隨機分為對照組、模型組、治療組等3組。按改良Allen's法建立大鼠急性脊髓損傷模型。治療組傷后 30min 經腹膜腔注入MP30mg／kg，以后每小時注入 MP5.4mg／kg，維持24h；模型組應用生理鹽水替代 MP，處理方法同治療組。觀察模型組與治療組大鼠在傷后1、3和6個月 BBB 運動功能評分、各組L4椎體、股骨不同部位骨密度及生物力學參數的變化。結果: 術后各時間點模型組與治療組BBB 評分總體呈增高趨勢，治療組在各個時間點BBB 神經行為學評分均優(yōu)于模型組（P

【關鍵詞】 急性脊髓損傷；甲基強的松龍；骨質疏松；骨密度；生物力學

［ABSTRACT］ Objective: To investigate the effect of high dose MP on bone density and biomechanics changes after acute spinal cord injury（ASCI）．Methods: A total of 46 adult rats were randomly pided into three groups， namely， the control group (CG)， the model group (MG)， and the experimental group (EG). After anesthesia， T8 vertebrae plate resection were performed to rats in both CG and EG with spinal cords injury by Allen method. Thirty minutes after ASCI， the subjects in experimental group received MP injection through intraperitoneal with dosage of 30 mg/kg. Then a dosage of 5.4 mg/kg of MP was given through intraperitoneal injection every hour in 24 hours. The subjects in the model group received normal saline instead of MP with the same method. A detection of both Basso， Beattie and Bresnahan (BBB) locomotor rating scaling， bone density and biomechanics was performed to the L4 vertebral body and the femur of rats 1， 3 and 6 months following operation， respectively. Results: BBB scale: after operation， the scale of groups MG and EG was increased over time; group EG was significantly higher than group MG from 1， 3， 6 month (P< 0.05， P

［KEY WORDS］ Acute spinal cord injury；MP；Osteoporosis；Bone density；Biomechanics

急性脊髓損傷（acute spinal cord injury，ASCI）是一種嚴重的損傷，其病死率、致殘率很高。傷后大劑量甲基強的松龍（methylprednisolone，MP）沖擊是目前急性脊髓損傷公認治療方法，它的作用機制復雜。甲基強的松龍早期可以顯著增加神經系統(tǒng)興奮性，改善脊髓血流量，減輕組織損傷［1，2］，但其遠期對患者的影響不明確。筆者以通過改良Allen’s法［3］建立大鼠脊髓損傷動物模型，研究大鼠脊髓損傷MP治療前、后骨密度及生物力學改變情況，推測大劑量 MP 治療對患者遠期療效的影響。

1 材料和方法

1.1 材料

46只雌性 SD 大鼠，體質量（250±10）g；4％多聚甲醛 PBS（磷酸緩沖液）固定液；甲基強的松龍注射用粉劑（法瑪西亞普強有限公司）；DPXL型雙能 X 射線骨密度儀（美國Lunar 公司）；858 Mini Bionix 型生物材料力學實驗機（美國MTS公司）等。

1.2 實驗方法

1.2.1 分組與造模

46只雌性SD大鼠隨機等分為對照組（control group，CG）6只，模型組(model group，MG)20只，治療組（experimental group，EG）20只。造模：將大鼠腹腔麻醉后，常規(guī)消毒，以T8棘突中心作長約3cm切口，暴露硬脊膜，采用改良Allen’s裝置制備脊髓急性打擊傷動物模型，損傷力度為10g×2.5cm。模型制作成功判定標準：打擊后損傷處脊髓出血、水腫，大鼠出現擺尾反射，雙下肢及軀體回縮樣撲動，麻醉清醒后雙下肢呈弛緩性癱瘓。治療組傷后30min 腹膜腔注入MP30mg/kg， 以后每小時注入MP5.4mg/kg，連續(xù)注射24h。 模型組以生理鹽水替代MP，按治療組同樣方法給藥。致傷后每日按壓大鼠膀胱促進排尿，定時喂食。

1.2.2 神經行為學評分

評分觀察者為非本試驗組員。在損傷后1、3、6個月參照 BBB(basso beattie bresnahan locomotor rating scale，BBB) 神經行為學評分法［4］綜合評定MG組和EG 組的功能。最小值為 0 分，表示神經行為功能完全喪失；最大值為 21 分，表示行為功能完全正常。

1.2.3 骨密度及生物力學檢測

分別于術后1、3、6個月，在麻醉狀態(tài)下對各組大鼠用雙能X射線骨密度儀的小動物測量軟件測定右股骨、腰4椎體的骨密度。術后6個月處死大鼠后取各組大鼠的右側股骨及腰4椎體，去除表面附著軟組織，用生理鹽水浸濕的紗布包裹后置于20℃冰箱保存。力學檢測前室溫解凍標本，使用生物材料力學實驗機進行股骨3點彎曲和腰椎結構強度實驗。股骨3點彎曲實驗跨距2mm，加載速度為2mm/min，腰椎結構強度實驗加載速度為1mm/min，勻速加載直至標本斷裂。每個樣本放置在儀器上的位置及方向保持一致。

1.3 統(tǒng)計學處理

采用 SPSS 12.0軟件進行統(tǒng)計，計量數據以均數±標準差表示，組間比較采用t檢驗，P

2 結果

2.1 動物一般情況

模型組和治療組造模后，大鼠雙側下肢癱瘓，模型組及治療組各有5只在造模1個月內死亡，模型組有1只在第60天死亡，故均未列入統(tǒng)計。

2.2 大鼠神經行為學評分

治療組在1、3、6個月 BBB 神經行為學評分均優(yōu)于模型組，兩組相比較差異有統(tǒng)計學意義(P< 0.05，P < 0.01)，見表1。 表1 各組大鼠脊髓損傷后后肢功能 BBB 評分 （略）

2.3 各組骨密度測定

術后1、3、6個月，模型組及治療組大鼠右側股骨、第4腰椎骨密度明顯下降，與對照組相比差異均有統(tǒng)計學意義(P< 0.05，P

2.4 各組大鼠股骨3點彎曲和腰椎結構強度測定

術后6個月，模型組及治療組大鼠右側股骨、第4腰椎骨結構強度均顯著降低，與對照組相比有極顯著性差異(P

3 討論

海南醫(yī)學院學報 Vol.16 No.7 Jul.2010ASCI是一種嚴重的中樞神經系統(tǒng)損傷。目前臨床治療急性脊髓損傷均按全美急性脊髓損傷隨機受控臨床試驗的方案進行治療。糖皮質激素藥物MP是目前臨床上用于干預性治療急性脊髓損傷的首選藥物，其防止繼發(fā)性脊髓損傷的作用機制可能與抑制脂類過氧化有關物，中和氧自由基，防止神經細胞的凋亡，促進神經系統(tǒng)的復蘇［1，57］。文獻報道［8］大部分患者都能耐受大劑量MP沖擊治療，部分患者治療時短時間內可能出現激素應用的不良反應，但其對患者的遠期影響還有待進一步研究。本實驗通過脊髓損傷后模型組與治療組神經行為學評分、骨密度及生物力學的測定，對2組骨大鼠骨質疏松的差異進行分析，了解ASCI早期大劑量應用甲基強的松龍對患者的遠期影響。

本實驗發(fā)現，模型組大鼠神經功能受損后隨著時間延長有所恢復，但比治療組差，大劑量MP可以提高運動和感覺恢復，特別是不完全脊髓損傷患者，這也與目前臨床應用結果相一致［9，10］。本實驗發(fā)現造模后1、3、6個月，模型組及治療組的骨密度明顯下降，這與國內外研究相同［1113］。實驗也發(fā)現造模6個月后，治療組股骨及腰椎的骨密度要低于模型組，具有顯著性差異，這說明大劑量MP遠期有可能會加快骨質疏松的進程。

骨生物力學反映骨對抗外力作用的強度，集中體現了骨的材料特性和結構特性，骨質疏松時由于骨量減少與骨結構的改變，直接影響骨的生物力學性能，使骨強度降低［14］，增加骨折的危險性。因此，測定骨的生物力學性能的變化是評價骨質疏松癥的一個重要和特殊的指標。本實驗發(fā)現術后6個月，模型組右側股骨的3點彎曲試驗、第4腰椎壓碎試驗結果要優(yōu)于治療組，說明大劑量MP對大鼠遠期骨的生物力學有影響。

以上結果表明，早期大劑量MP治療ASCI對于阻止或減少脊髓繼發(fā)損傷，保留脊髓殘存功能，提高患者生存質量有重要意義，是治療急性脊髓損傷的一項有效措施，值得進一步的深入研究和應用。但大劑量MP治療過程中，有可能加重骨量丟失，加速患者骨質疏松的進程，應建議患者盡量早期進行各種功能鍛煉，配合預防骨質疏松藥物的長期應用，這樣才能提高沖擊療法的安全性和有效性。

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關鍵詞：排球；跨步墊球；運動學分析

一、前言

排球跨步墊球及以其為基礎的各種低姿勢墊球是排球比賽過程中使用頻率較高的墊球技術動作，它又是各種低姿墊球動作的基礎?，F代排球教材中，缺乏對其技術動作科學化的描寫和分析，導致在現實教學中，教學標準不統(tǒng)一，教學效果也不理想。因此，本文采用三維高速攝影解析技術對跨步墊球技術特點進行分析研究，旨在探尋跨步墊球技術的動作結構特征，豐富和完善排球技術教學和教材理論，給動作技術教學、訓練、評價、診斷提供客觀的理論依據。

二、研究對象與方法

1.研究對象

研究對象為湖南師范大學男子排球隊的3名和湖南師范大學女子排球隊的1名主力運動員。研究內容為排球跨步墊球技術。

2.研究方法

本課題的研究方法主要采用實驗法，運用三維高清攝像解析系統(tǒng)對優(yōu)秀排球運動員的排球跨步墊球技術進行運動學的研究。

（1）文獻資料法

查閱了中國期刊全文數據庫里近二十年來關于排球墊球技術及運動生物力學相關研究的文獻資料、相關論文和著作中對排球技術的研究情況和生物力學的研究進展并形成了文獻綜述，為本研究打下了扎實的研究基礎。

（2）專家訪談法

咨詢有關的運動生物力學研究專家和教師，向其請教以往寫作過的論文中所涉及的實驗方法、設計及數據處理和分析等方面的問題。

（3）實驗法

采用三維高清攝影圖像解析技術，對技術動作的結構特征進行分析。

（4）數理統(tǒng)計法

數據利用QToolS軟件和Excel軟件對獲得的數據指標進行計算和統(tǒng)計。

3.測試程序

模擬比賽情況，受試者進行充分準備活動后，按實驗要求，在專家的指導下讓四名受試運動員在測試范圍內作跨步墊球動作，每名測試對象完成兩次跨步墊球，按規(guī)范標準進行拍攝（以右側跨步動作為例）。由現場專家選定效果較好、技術較規(guī)范的兩名運動員的跨步墊球動作作為分析對象，然后計算數據的平均值。

4.測試方法

采用三維定點攝像的方法，用兩部高清攝影機，對實驗測試對象的跨步墊球技術進行三維定點拍攝，運用相應的解析系統(tǒng)對其動作技術進行解析，得出測試指標參數。一部置于運動員的右側，一部置于運動員的前方，兩部攝像機主光軸約成 90度，拍攝頻率為50Hz。高清錄像拍攝，頻率25幀/秒，經奇偶場分離后頻率相當于50場/秒。采用2臺sony FX-2000E高清攝像機拍攝視頻。

標定框架采用國家體育總局體育科學研究所的PEAK輻射式三維標定框架，標定精度高。選擇被分析的動作時，選擇的整個動作位于框架標定范圍內。

使用SIMI motion視頻解析系統(tǒng)對技術動作進行解析，采用扎齊奧爾斯基人體模型，人體模型取系統(tǒng)軟件自帶的人體模型，分析數據包括身體重心、軀干、各關節(jié)點位移速度、以及各關節(jié)和軀干的角度和各時段的時間等數據，所得數據采用數字化濾波法進行平滑處理，截斷頻率為10，用EXCEL 2000對視訊系統(tǒng)得到的數據進行坐標轉換、計算得到運動學數據，并編輯公式計算人體基本平面方程系數以及關節(jié)點在各個平面的投影坐標，再用Q-Tools計算關節(jié)角度。用Origin7.0做三維坐標圖。對解析出的數據進行對比分析與研究，并做參數間的相關分析，運用相關參數數據描述動作過程，建立整個動作結構相關環(huán)節(jié)間夾角、角速度、角加速度、速度、身體重心等量化指標和參數，揭示動作過程的運動學特點和規(guī)律。

三、動作階段的劃分

動作階段劃分是研究技術動作的重要環(huán)節(jié)。排球運動員跨步墊球技術是由準備姿勢、跨步、墊球、隨后動作四個環(huán)節(jié)組成，而對擊球效果起決定作用的是跨步和墊球兩個環(huán)節(jié)。為了確定動作結構和時相劃分方便，本文首先確定了不同動作階段的臨界點，它可表征各動作階段基本力學特征與動作質量。我們依照排球跨步墊球動作的順序把跨步墊球動作分為：跨步階段（1.4s-3.3s）、擊球階段（3.3s-4.1s）、隨后階段（4.1s-5.2s）。

四、研究結果與分析

1.排球跨步墊球技術下肢各環(huán)節(jié)運動學分析

（1）膝關節(jié)的運動

膝關節(jié)的角度特征如下：

從圖1中可以看出左、右膝關節(jié)角在0～2.64s時段的變化趨勢并不相同。2.64s時刻為跨步腳剛著地的時刻。右膝關節(jié)角變化曲線在該階段有一個明顯的先下降后上升的過程，而左膝關節(jié)則是一個逐步下降的過程。右膝關節(jié)在跨步階段要向前跨出一步完成跨步動作，在跨步過程中右膝關節(jié)先屈曲后伸展。在跨步階段身體重心落在左腳上，此時左腳起著支撐整個身體的作用，并保持重心穩(wěn)定性，因此左膝關節(jié)角在跨步階段變化很小。在2.64s后，左、右膝關節(jié)的變化趨勢完全相同，當跨步腳著地后，左、右膝關節(jié)開始同時屈曲，降低身體重心。到擊球前屈曲值達到最大，身體重心此時處于最低，隨后雙腳蹬地，同時雙臂上擺擊球。

跨步墊球技術在跨步階段膝關節(jié)有一個屈膝重心下降的動作，這個動作是跨步墊球技術的重要組成部分，目的是通過拉伸膝關節(jié)蹬伸主動收縮肌群，增大肌肉收縮初長度儲備彈性勢能，同時增加墊球時的墊球距離，為后繼膝關節(jié)蹬伸動作做好準備。而且在判斷來球的方向和速度后通過跨步動作還能及時調整擊球的最佳時機和部位。在跨步墊球技術中左膝最大屈曲角度為60.6°。右膝最大屈曲角度為59.89°。下肢屈膝身體重心下降的動作幅度太大或太小都不能產生最佳的蹬伸效果，不利于整個墊球動作的完成。如果膝關節(jié)屈曲幅度過大，就會造成膝關節(jié)伸肌群過大的對抗負荷，進而影響膝關節(jié)的伸展速度及軀干和上肢各環(huán)節(jié)的整體配合。反之，膝關節(jié)屈曲幅度過小，又不能充分拉長伸膝主動收縮肌群，影響主動收縮前彈性勢能的儲備，進而影響到蹬伸效果。跨步墊球技術下肢的蹬伸動作主要是使髖關節(jié)產生向上的運動，通過下肢的蹬伸帶動手臂向上擺動，保證擊球時動作的穩(wěn)定性。由于不同運動員的身材和身體素質的不同，因此不同的運動員最佳膝關節(jié)的屈曲角度和身體的下蹲深度也不相同。合理的膝關節(jié)屈曲角度有助于運動員發(fā)揮最佳技術動作。

（2）踝關節(jié)的運動

由圖2可知：從跨步開始，右踝關節(jié)角度不斷增大，而左踝關節(jié)角度不斷減小，這是由于跨步開始時，身體以左腳為支撐，右腳向前方跨出一步，隨后身體重心下移，直至跨步結束。由于右腳向前跨步，右踝關節(jié)與左踝關節(jié)正好相反，不斷增大，直至跨步后右腳腳跟與地面接觸時增至最大。

2.排球跨步墊球技術動作整體分析

排球跨步墊球合理的動作節(jié)奏應該是身體自下位關節(jié)至上位關節(jié)的速度依次遞增。各運動環(huán)節(jié)的遞增量越大，說明動作的動量傳遞效果越好?？绮綁|球技術動作的跨步階段，單腳向前跨出一步，同時身體重心下移，軀干稍向前傾，雙手手臂伸直下壓，為后繼擊球動作調整好擊球的時機和方位，同時儲備了彈性勢能，增加了肌肉收縮做功距離。擊球動作階段，通過下肢蹬伸、軀干和上肢各運動環(huán)節(jié)的依次加速與制動，將速度傳遞至手臂，手臂通過從來球的下部向上抬，以達到最佳的擊球速度，將球平穩(wěn)而有力地擊出。擊球時身體主要環(huán)節(jié)的活動順序為膝―髖―肩―肘和手腕。從完整技術動作上看，跨步墊球是在拉長相關主動收縮肌的條件下，首先由下肢肌肉主動收縮用力，然后是上肢各環(huán)節(jié)肌肉群的收縮用力，這種動作時序符合墊球技術動作力學原理。合理的技術動作能充分發(fā)揮軀干肌肉和下肢肌肉的爆發(fā)加速作用，不要過多地單純依靠上肢運動環(huán)節(jié)加速，這樣才能使上肢肌肉有較大的能量儲備，同時保證動作的穩(wěn)定。在擊球動作階段上肢肌肉感覺敏銳，控制手臂的方位和調控擊球時間，并保證擊球最佳的擊球點和擊球時機。因此應加強下肢的蹬伸力量，并在擊球時加強下肢的蹬伸作用，從技術上保證下肢和軀干肌肉合理的爆發(fā)加速功能，為上肢各環(huán)節(jié)的依次加速提供運動初速度。

五、結論

1.跨步墊球技術動作結構的分類

本研究對排球跨步墊球技術的嘗試性劃分是對目前排球跨步墊球技術劃分理論的大膽嘗試。筆者根據運動生物力學中關于技術動作的階段劃分原理，根據動作結構與動作任務的不同，把排球跨步墊球術分為跨步階段、擊球階段和擊球后的隨后階段。

2.跨步墊球技術下肢的運動學特征

左膝最大屈曲角度為60.6°，左膝最大蹬伸角度為159.5°，左膝關節(jié)的活動幅度為98.9°。右膝最大屈曲角度為59.89°，右膝最大蹬伸角度為119.8°，右膝關節(jié)的活動幅度為59.1°。膝關節(jié)屈曲幅度過大，就會造成膝關節(jié)伸肌群過大的對抗負荷，進而影響膝關節(jié)的伸展速度及軀干和上肢各環(huán)節(jié)的整體配合。反之，膝關節(jié)屈曲幅度過小又不能充分拉長伸膝主動收縮肌群，影響主動收縮前彈性勢能的儲備，進而影響到蹬伸效果。

六、結語

跨步墊球技術在比賽中與其他墊球技術相比應用廣泛，技術結構較為合理。采用跨步，身體重心位于兩支撐腳之間，支撐比較穩(wěn)定?？绮綁|球有利于肌肉用力的控制，也就可以較好地控制來球。

今后應結合三維動力學進行進一步的其他同類研究，通過同步裝置，對跨步墊球進行運動學與動力學的同步分析，只有這樣才能更全面地分析跨步墊球的技術特征和內在規(guī)律。

對于排球運動的技術原理等課題還有待于我們去深入研究，揭示其科學的本質和內在的規(guī)律、科學化發(fā)展，這樣才可以更好地使排球運動得以更廣泛的普及和更科學化的發(fā)展。

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篇9

【摘要】 ［目的］評價硫酸鈣骨水泥椎體成形術的生物力學性能并探討用于胸腰椎爆裂骨折的可行性。［方法］16具新鮮小牛胸腰椎標本分為4組，每組4具，A、B、C 3組（實驗組）標本在制成爆裂骨折模型后分別實施3種骨水泥（CSC、CPC、PMMA）椎體成形術，D組為無骨折對照組。測量爆裂骨折前、后、復位后及椎體成形術后的椎體前緣高度；測量達到完全填充時的3種骨水泥的注射量；生物力學檢測比較4組標本間的極限抗壓強度及剛度差別。［結果］(1)實驗組12具標本均形成胸腰椎爆裂骨折模型，平均撞擊能量為66.2 J；(2)CSC、CPC、PMMA的注射量分別為：4.4 ml±0.8 ml、3.7 ml±0.7 ml、4.0 ml±0.6 ml，組間無差別（P>0.05）；(3)3種骨水泥均能有效充填爆裂骨折椎體復位后遺留的骨缺損，顯著恢復傷椎高度（P

【關鍵詞】 硫酸鈣骨水泥； 爆裂骨折； 生物力學； 椎體成形術

Abstract：［Objective］To evaluate the biomechanical performance of vertebroplasty using calcium sulfate cement for thoracolumbar burst fractures.［Method］Sixteen bovine thoracolumbar spines (T11～L1) were into pided 4 groups(A， B， C and D).After burstfracture model was created ，12 vertebral bodies in group A，B，C were augmented with calcium sulfate cement (CSC)， calcium phosphate cement (CPC) and polymethacrylate (PMMA) bone cement respectively. Each anterior vertebral body (VB) height was measured with a caliper at 4 time points: intact conditions (HInt)， postfracture (HFr)， postreduction (HRe) and postvertebroplasty (HVP).The vertebroplasty treatment consisted of inserting a biopsy needle bipedicularly into each VB， and filling the void with different bone cements. The filling volume of 3 different bone cements also was measured. Each VB was compressed at 0.5mm/s using a hinged plating system on a materials testing machine to 50% of the postvertebroplasty height to determine strength and stiffness. Difference was checked for significance (P0.05).The average filling volume of bone cement in 3 groups was 4.35 ml (CSC)，3.72 ml (CPC) and 3.95 ml (PMMA) respectively， and there was not statistically significant either (P>0.05). Vertebroplasty with PMMA completely restored strength (116%) and stiffness (105%) of VBs. Augmented with CSC or CPC only partly recovered vertebral strength and stiffness. However， significantly greater strength restoration was got with CSC (1 659 N) as compared with CPC (1 011 N，P0.05). ［Conclusion］ For a burstfracture calf spine， use of CSC for vertebroplasty yields similar vertebral stiffness as compared with PMMA or CPC. Although augmentation with CSC partly obtained strength of VBs， this treatment still can be applied in thoracolumbar burst fractures with other instrumental devices for its bioactivation.

Key words：calcium sulfate cement； burst fracture； biomechanics； vertebroplasty

胸腰椎爆裂骨折是臨床上常見的脊柱創(chuàng)傷。后路短節(jié)段椎弓根釘內固定是常用的手術治療方法，但因為存在較高的內固定失敗率［1］，越來越引起關注。椎弓根釘結合椎體成形術為近來報道較多的一種手術方式，但椎體填充材料仍以普通骨水泥（polymethacrylate，PMMA）及自體松質骨為主［2］，由于上述材料本身性質的缺陷，手術安全性及術后療效難以保證。硫酸鈣骨水泥（calcium sulfate cement，CSC）是一種新型的骨移植材料，主要用于長骨松質骨區(qū)域骨缺損的填充，國內外尚無用于爆裂骨折的報道。本實驗通過在小牛胸腰椎爆裂骨折模型上分別實施CSC、磷酸鈣骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）、PMMA椎體成形術，比較3種骨水泥椎體成形術后的生物力學性能的差別，探討CSC椎體成形術的臨床應用價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

收集16具新鮮雄性荷爾斯胎牛（體重32～41 kg，平均37 kg，均為出生后1～5 d內宰殺）胸腰段（T11～L1）標本，經X線片排除先天性骨骼發(fā)育不良及畸形（圖1）。剔除肋骨及附著的肌肉組織，保留椎間韌帶及關節(jié)突關節(jié)完整，雙層塑料袋密封后置于－20℃冰箱內，保存期15～45 d，平均24 d。

1.2 實驗步驟

1.2.1 胸腰椎爆裂骨折模型的制備 實驗時將標本取出，常溫（20℃）下解凍24 h。取其中12具標本，使用游標卡尺（精度：0.02 mm）測量T12椎體前緣高度，記為完整椎體高度（HInt）。以T12為中心，將T11、L1包埋于直徑9 ㎝、厚3 ㎝的環(huán)氧樹脂中，僅暴露中間椎體及其上下方椎間盤，保持上下兩底面相互平行，成角

采用Panjabi等［3］推薦的“自由落體逐級撞擊法”來制備爆裂骨折模型：將標本置于高100 cm、直徑10 cm的垂直PVC管底部，質量9.0 kg的鐵錘從初始高度為50 cm處自由下落撞擊標本頂端，若T12完整無損，則以10 cm為一梯度逐級升高鐵錘高度以增大撞擊能量，直至T12發(fā)生爆裂骨折，撞擊時的能量可根據公式“E＝mgh”（其中m為鐵錘重量；g為重力加速度；h為撞擊高度，單位為m）算出。爆裂骨折產生后升高鐵錘，測量此時爆裂椎體前緣高度，記為骨折后高度（HFr）。

將標本水平放置，牽拉兩端的混凝土圓柱，使爆裂椎體（T12）充分復位，再次測量骨折椎體前緣高度，記為復位后高度（HRe）。

1.2.2 椎體成形術 將12具爆裂骨折標本隨機均分為A、B、C 3組，另4具完整標本歸入D組，即對照組。使用脊椎穿刺針（美國Wright公司，針芯直徑3.2 mm，其尾部可與配套注射器連接），在C型臂X線機引導下，經雙側椎弓根旁途徑穿刺至骨折椎體空腔處。骨水泥填充材料分別為：A組注射CSC(美國Wright醫(yī)療器械公司，MIIGX3系列)；B組為CPC（上海瑞邦生物材料有限公司）；C組為PMMA（天津市合成材料工業(yè)研究所）。當感到阻力增大或骨水泥即將從骨折線縫隙滲出時則停止注射，骨水泥的使用量可從注射器上讀出。以濕毛巾包裹標本，置于37℃培養(yǎng)箱中1 h后取出并測量此時椎體前緣高度，記為椎體成形術后高度（HPV）。

1.2.3 生物力學測試 切除16具標本的T11、L1椎體及T12椎體連接的椎間盤組織，只保留T12椎體。將標本水平放置在材料測試機（MTS880升級型，南京工業(yè)大學機械院材料疲勞實驗室）的夾具上。采用單椎體垂直恒速加載，預加載50 N，以消除標本松弛或蠕變的影響，加載速度為0.5 mm/s，以100 Hz的頻率記錄載荷、位移數據。各標本均加載至椎體高度（HPV）的50%［4］，行破壞性生物力學測試。根據各載荷-位移曲線上出現的拐點及曲線的斜率得出各組標本的極限抗壓強度及剛度。

1.2.4 影像學觀察 對A、B、C 3組標本行DR（美國GE公司：XR/d）攝片及CT（美國GE公司HiSpeed單排螺旋CT）掃描，以確保目標椎體形成爆裂骨折（圖2）；椎體成形術后再次行DR攝片及CT掃描，以觀察3種骨水泥的灌注效果。

1.2.5 統(tǒng)計方法 使用SPSS 11.5軟件包進行統(tǒng)計分析，數據采用均數±標準差表示（±s），兩兩比較用非配對t檢驗，組間比較采用單因素方差分析（oneway ANOVA）；P

2 結 果

2.1 撞擊能量與爆裂骨折模型的制備

因采用逐漸升高鐵錘高度來控制撞擊能量，提高了模型制備的成功率。本實驗中，當撞擊高度為0.5 m，各標本均保持完整；撞擊高度為0.6 m，只有1具標本形成爆裂骨折；當高度升至0.7 、0.8 m時，形成爆裂骨折模型的標本數目分別為4、7具。平均撞擊高度為0.75 m±0.07 m，平均撞擊能量為66.2 J±6.0 J。

2.2 椎體高度的測量結果

胸腰椎爆裂骨折后，傷椎高度丟失，且以椎體前緣高度丟失最為顯著，故本實驗選取骨折前（HInt）、骨折后（HFr）、復位后（HRe）及椎體成形術后（HPV）的椎體前緣平均高度作為評價手法牽拉復位及椎體成形術復位效果的參考指標，具體結果詳見表1。 表1 椎體前緣高度比較注：A、B、C 3組中HFr分別與HInt、HRe、HPV行非配對t檢驗，P0.05，組間無統(tǒng)計學差異。

2.3 椎體成形術

CSC、CPC、PMMA注射量分別為：4.4 ml±0.8 ml、3.7 ml±0.7 ml、4.0 ml±0.6 ml，組間無統(tǒng)計學差異（P=0.42）；椎體成形術前、后各組標本的影像學觀察（圖3）發(fā)現，在上述注射量下，3種骨水泥均能有效充填傷椎，恢復椎體外形，重建椎體。

2.4 生物力學測試結果

16具標本均加載至原椎體高度（HPV）的50%，由于采用破壞性試驗方式，加載后的椎體均出現不可逆性變形。根據測試儀器所記錄的不同時間點的載荷、位移值，使用GraphPadPrism 2.01軟件繪制各組椎體的載荷-位移曲線，各曲線上的拐點即為極限抗壓強度值（圖4）；計算300 N至椎體極限抗壓強度值50%之間段載荷-位移曲線上各點的斜率，平均后得出的4組受測椎體的剛度、極限抗壓強度及剛度結果見表2。表2 椎體極限抗壓強度及剛度 注：極限抗壓強度與剛度數據間采用非配對t檢驗，*P、＃P、P>0.05，差異無統(tǒng)計學意義

圖1 小牛胸腰椎（T11～L1） 圖2 T12爆裂骨折復位后X線正側位片 圖2a 正位 圖2b 側位。手法復位后傷椎(T12)內部出現明顯的骨缺損區(qū) 圖3 CSC、CPC、PMMA椎體成形術后的DR攝片及CT掃描結果 CSC椎體成形術后DR攝片（3a）示骨水泥的填充效果滿意，椎體外形恢復，CT掃描（3b）示椎體內骨缺損充填滿意且椎管內無明顯滲漏；CPC椎體成形術后DR攝片 （3c）示骨水泥的填充效果尚可，CT掃描（3d）示椎體內存在少量骨缺損區(qū)；（3e）PMMA椎體成形術后DR攝片示骨水泥的填充效果良好，但椎體后緣有較多骨水泥漏出，CT掃描（3f）亦提示椎管內有滲漏。圖4 4組標本的典型載荷位移曲線 箭頭所指為各曲線的拐點，即為椎體極限抗壓強度（A、B、C、D分別為CSC組、CPC組PMMA組及無骨折對照組標本）

3 討 論

3.1 椎體成形術應用于爆裂骨折的理論依據

對胸腰椎爆裂骨折的影像學研究發(fā)現：椎弓根釘復位后，在爆裂椎體的內部，特別是椎弓根層面的前部（前柱區(qū)）依然存在骨缺損，其體積約為椎體大小的1/4［5］，形成所謂“蛋殼椎”、“空心椎”。在本實驗中，對小牛T12爆裂骨折前、后的CT掃描結果也證實了上述現象。研究表明，前柱完整與否將決定脊柱矢狀面塌陷及后凸畸形的發(fā)生率［6］。胸腰椎爆裂骨折實施后路短節(jié)段內固定術后，由于傷椎內部骨缺損區(qū)的持續(xù)存在，其內部新生骨量不足或被纖維結締組織填充，椎體力學強度下降，導致脊柱前柱失去支撐作用，內固定物長期過度負載，易發(fā)生松動甚至折斷，造成局部后凸畸形復現。臨床上使用較多的橫突間植骨由于遠離力學軸線，易被吸收，即便形成骨橋，仍然難以消除椎體間的微動，因此不能有效防止斷釘的發(fā)生。松質骨成形術因受椎弓根周徑的限制，植骨量少且難以到達骨缺損區(qū)，已被證明基本無效。

椎體成形術的椎體增強作用正是通過向傷椎骨缺損區(qū)內植入醫(yī)用骨水泥，恢復傷椎的力學性能，從而減輕內植物的應力負荷，以減少術后并發(fā)癥。在椎弓根釘充分復位后，直視下實施椎體成形術，不僅大大降低了操作難度，而且椎體壓縮性區(qū)域被充分拉開后能保證骨水泥對骨缺損區(qū)的有效填充（圖3），同橫突間植骨相比，它對脊柱運動節(jié)段無干擾，為后期脊柱在矢狀面序列的重建及穩(wěn)定創(chuàng)造了條件。

3.2 椎體成形術治療胸腰椎爆裂骨折現狀及存在的不足

目前，用于椎體成形術的人工骨替代材料多為PMMA和CPC，二者均具有良好的生物力學性能［7］。Cho等［8］在使用椎弓根釘內固定治療胸腰椎爆裂骨折時輔以PMMA椎體成形術，術后療效顯著提高，隨訪2.5年，患者的脊柱后凸角度僅有微弱丟失，未發(fā)現內固定物松動、斷裂。Oner等［9］將CPC椎體成形術應用于胸腰椎爆裂骨折，亦取得良好的術后療效。然而，上述兩種材料均存在較大的自身缺陷：PMMA生物相容性差，永不降解，傷椎始終無法骨性愈合，加之其強度遠遠高于椎體骨質，易導致鄰椎繼發(fā)骨折［10］，因此對于中青年胸腰椎爆裂骨折患者并不適合；CPC雖可生物降解，但速度十分緩慢，術中一旦漏入椎管，將會長期壓迫脊髓或神經，產生嚴重后果。

3.3 CSC椎體成形術的臨床應用價值

CSC（CaSO4·1/2H2O）經由CaSO4·2H2O高壓加熱處理而成，組織相容性好、可顯影、具備成骨誘導性、13周左右生物降解［11］，臨床已用于填充松質骨（如橈骨遠端、脛骨平臺等）部位的骨缺損。Perry等［12］的體外研究表明，新鮮脊柱壓縮性骨折模型上實施CSC椎體成形術后，能完全恢復椎體的強度（108%）及部分剛度（46%）。但上述結果是在壓縮性骨折的模型上測得的，同爆裂骨折模型相比后者能更直觀的檢測出骨水泥材料的力學性能。

本實驗通過構建小牛胸腰椎爆裂骨折模型，為模擬椎弓根釘的復位效果，在手法充分復位的基礎上實施椎體成形術。通過測量椎體高度發(fā)現，CSC注射后快速硬化，能為椎體提供即刻的支撐強度，維持術后椎體的高度（19.09 mm/19.22 mm，99%），與PMMA、CPC并無差別。

為研究椎體成形術后抗御損傷的能力，實驗主要檢測椎體的極限抗壓強度和剛度這兩項力學指標，以評估CSC的生物力學性能。結果表明：經CSC椎體成形術后椎體的極限抗壓強度（1 659N）小于PMMA（2 821 N），為正常椎體（2 439N）68.0%（t=2.85，P=0.029），但高于CPC（1 011 N）（t=6.19，P0.05）。

作者認為，與采用新鮮人體標本測得的力學參數比較，小牛脊柱的某些參數要小于前者［13］，但采用新生小牛脊柱標本，能夠最大程度的保證樣本的均一性，避免人體標本可能出現的因年齡、性別、體質等差異對測量結果產生的影響及可能形成的誤差。此外，本實驗采用單椎體模型，行椎體上終板垂直恒速加載，為求測量準確，力學實驗前已將椎間盤及其它軟組織剔除，有助于更好地反映椎體的力學特點。

CSC椎體成形術后的椎體強度雖低于正常椎體，但若結合椎弓根釘等其它內固定方式則能極大的分擔內固定物的應力負荷，進而降低其松動、折斷的發(fā)生率。此外，一些學者認為椎體成形術后較小的椎體剛度能夠減輕相鄰椎體的退行性變［9］，減少鄰椎骨折的發(fā)生，這一點與PMMA相比，具有極大的優(yōu)勢。

4 結 論

綜上所述，CSC椎體成形術能夠重建椎體強度，恢復傷椎力學性能，輔助椎弓根釘用于治療胸腰椎爆裂骨折是安全可行的，但由于該材料可降解、吸收，能否取代PMMA而用作骨質疏松病人的椎體壓縮性骨折，尚需在體實驗進一步研究。

參考文獻

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篇10

【摘要】［目的］利用工程力學分析軟件CatiaV5，模擬在不同的肩關節(jié)功能位置上、間接沖擊暴力所致肱骨骨折的受傷力學機制和力學環(huán)境，為認識和治療肱骨骨折提供生物力學依據。［方法］采用高分辨率的人體肩關節(jié)斷層解剖圖作為三維重建的數據源，選取自鎖骨頂端至肱骨遠端關節(jié)面、共380層的斷層圖像，層厚1mm，按照點、線、面的建模方式，先建立人體肩關節(jié)的三維幾何模型，再予網格化，建立人體肩關節(jié)的三維有限元模型，利用該模型，模擬在12個不同的肩關節(jié)功能位置上（外展30°、45°、60°、90°、同時合并內旋、中立、外旋）、肱骨受到分級加載的軸向沖擊載荷時的骨折位置以及瞬時的應力、應變狀況。［結果］根據肱骨在不同的功能位置上載荷－應變關系曲線，載荷從0～250N時，呈線性變化，后為非線性期，卸載后，殘余骨變形；隨著載荷的增加，肱骨干的應變隨之增加。當肩關節(jié)的外展位置由90°逐漸變?yōu)?0°時，肱骨干上內外側應變逐漸增加，內外旋45°時應變比中立位時增加顯著；同時，肱骨干內外側的應力不同，內側應力大，外側應力小，內外旋時，肱骨干的應力增加更快、更大。［結論］在肩關節(jié)不同的功能位置上，三維有限元分析逼真地模擬出各自不同的肱骨應力、應變狀態(tài)值及骨完整性受到破壞的三維圖像、骨折線的大體走向；肱骨骨折的三維有限元模擬和分析是研究與骨折相關的力學原理的非常有價值的方法。

【關鍵詞】間接暴力；肱骨骨折；三維有限元；模擬

Abstract：［Objective］Tosimulatethebiomechanicsmechanismandenvironmentofhumeralfracturecausedbyindirectimpactforceforthepurposeofbiomechanicsunderstandingandtreatmentofsuchfracture.［Method］Basedonthedatasource,whichwashighresolutionanatomicsliceimagesfromapproximalclavicletodistalhumerus,1mmthicknessandtotally380layers,thegeometricmodeloftotalshoulderjointwasestablishedaccordingtotheorder:point,line,area,andfurthermeshedtosetupthethreedimensionfiniteelementmodelofshoulder,fracturesitesandinstantaneousstressandstrainofhumerusweresimulatedandanalyzedundertheconditionwhichlongitudinalimpactforcewasloadedonthehumerusbasedonthe12functionalpositionsofshoulder(abduction30°、45°、60°、90°,andsimultaneousneutrality,internalrotation45°,externalrotation45°).［Result］Accordingtothehumeralshaftloadstraincurveindifferentfunctionalpositionsofshoulder,linearrelationwasfoundwhenloadchangedfrom0Nto250N,afterwhichnonlinearcomeout,andevenloadwasremoved,bonewasdeformedeternally.Withtheriseinloadamount,theincreaseinstresswasdetected.Whenabductiondegreechangedfrom90°to30°,thestrainofhumerus,boththelateralandthemedialincreasedgradually,andincreaseininternalrotation45°andexternalrotation45°wasmoresignificantthanthatinneutrality.Meanwhile,stressdifferencecouldbeseenbetweenthelateralandthemedial,andmedialwaslargerthanthelateral.Increaseinstressinrotationpositionswasquickerandmorethanthatinotherfunctionalpositions.［Conclusion］Basedon4abductiondegrees(30°,45°,60°,90°)and3rotationdegrees(neutrality,internalrotation45°,externalrotation45°),thethreedimensionalfiniteelementshouldercouldsimulatepreciselystress,strain,generaltrendoffractureline,threedimensionimagesofbonefailure.Threedimensionfiniteelementsimulationandanalysisofshoulderisavaluablemechanicalmethodforresearchonbiomechanicstheoryrelatedtohumerusfracture.

Keywords：indirectimpactforce;humerusfracture;threedimensionalfiniteelement;simulation

臨床上，肱骨骨折的發(fā)生率并不少見。目前，對于肱骨骨折確切的損傷機制尚缺乏較深刻的了解，較透徹的闡明肱骨骨折的機制方面的知識對于肱骨骨折的預防和治療將會產生重要的指導意義。本研究就是利用人體肩關節(jié)的三維有限元模型，模擬不同的軸向沖擊載荷下，肱骨的形變情況，并顯示其動態(tài)過程，探討肱骨骨折的受傷應力機制。

1材料與方法

1.1肩關節(jié)結構的幾何實體重建

采用高分辨率的人體肩關節(jié)斷層解剖圖作為三維重建的數據源，按照點－線－面－體的方式建立肩關節(jié)的幾何實體形狀，可以分別顯示皮質骨、松質骨、軟骨及髓腔結構，在CatiaV5運行平臺上可以任意角度轉動，觀察模型的解剖結構和方向（圖1）。

1．2肩關節(jié)三維有限元模型的構建

肩關節(jié)的三維實體建模完成后，根據材料特性的不同，定義軟骨、皮質骨、松質骨材料力學參數（表1）。選用10節(jié)點的四面體單元，該四面體具有6個方向的自由度，在CatiaV5運行平臺上，定義肩關節(jié)的各項參數和指標，選擇中上等精度的自動網格劃分模式，對肩關節(jié)進行自動網格化，生成3977個節(jié)點（nodes）、20919個四面體單元（elements）（圖2）。表1肩關節(jié)的材料力學參數（Joseph.A等2002年）

1.3肩關節(jié)不同功能位置上肱骨骨折的三維有限元模擬

啟動CatiaV5的結構模塊。根據盂肱關節(jié)面的接觸關系，及肱骨頭的旋轉中心的確立，固定肩胛骨相對不動，將肱骨分別從0°位外展到30°、45°、60°、90°每個位置上；分別設定3種旋轉狀態(tài)：中立位、外旋45°、內旋45°，從而將肩關節(jié)的動態(tài)功能過程分割成12個不同的功能位置。在每一個位置下，根據盂肱關節(jié)面接觸區(qū)域的位置和范圍，設定肱骨的邊界約束，限制其所有方向的自由度。

自肱骨遠端分別加載以0.1s梯度增加的300N軸向沖擊載荷，載荷持續(xù)時程為1s，同時自肱骨大結節(jié)加載50N水平恒定載荷，啟動CatiaV5的求解模塊，計算機進入沖擊受力分析模塊程序。運算結束后，得到動態(tài)顯示的加載－形變過程，分析其應力分布和骨折移位狀況。根據圖像的模擬結果，我們可以判斷不同的功能位置上的骨斷裂的位置和移位方向，根據節(jié)點的斷裂度判斷骨折線的大致走向。

2結果

計算機運算結束后，得到12個功能位置上、暴力載荷下的肱骨應力、形變趨勢，并且動態(tài)展示出來。本文以45°外展位為例(圖3～5)；此外，通過鼠標取值，可以記錄肱骨上的平均應變值（圖6），從而進一步繪制載荷－應變曲線（圖7），了解肱骨隨載荷變化的生物力學規(guī)律。

3討論

3.1本研究中骨折模擬的力學合理性

造成骨折的原因有內因和外因兩個方面，前者是指骨結構本身的特性，例如材料性質和結構性質，后者是指骨骼受外力的方向、大小、變化速度以及肢體的空間位置等［1］。對于肱骨骨折而言，常見于摔倒時，上肢撐地，沖擊載荷在較短的時間內通過間接傳遞作用于骨骼，造成骨折［2］；同時，由于人體上臂具有靈活的運動范圍，故摔倒時，肱骨可以有多個不同的功能位置，而這種位置直接影響骨骼的受力矢量，因此，本研究在前期肩關節(jié)三維有限元模型和肩關節(jié)試驗力學分析結果的基礎上，模擬不同功能位置上的肱骨骨折狀態(tài)，是符合肩關節(jié)生物力學原理的［3］。

3.2三維有限元分析法模擬肱骨骨折的優(yōu)勢所在

肱骨發(fā)生骨折時，由于其瞬時性的特點，往往很難重復其具體過程，無法對其進行實時分析。試驗研究的條件下進行骨折力學分析時，當載荷超過骨的極限強度時，骨小梁斷裂，骨結構的完整性破壞。目前的力學記錄儀器尚不能記錄峰值強度以后的骨應力和骨應變，特別是骨的內部力學狀況，所以，用試驗的方法研究骨折的力學機制存在著明顯的不足，它不能提供骨折完整過程的信息，故本研究嘗試用先進的計算機技術，憑借工程力學的軟件，按照生物力學的原理，去研究肱骨骨折的損傷機制，是對試驗力學有力的補充和完善。運用三維的視覺環(huán)境，高度形象地模擬骨折的形變和應力分布。作為一項被運用到醫(yī)學領域的計算機技術，三維有限元分析法可以高度模擬物體結構與材料的特性；既可以精確地反映區(qū)域性的信息，又可以完整地反映全域性的信息；既可以進行精確的計算分析，又可以從事形象的、直觀的定性研究，分析研究的重復性好，應用面廣，適應性強，可以反復使用，無損耗，能夠通過模擬分析的方法研究實驗方法所不能研究的工況（或生理狀況），得到客觀實體實驗法所難以得到的研究結果［4］。

3.3有限元模擬肱骨骨折受傷機制的臨床意義

從肱骨骨折的三維有限元動態(tài)模擬圖像資料上看，當關節(jié)盂實施邊界約束、肱骨大結節(jié)加載基礎載荷、于肱骨遠端加載以0.1s梯度增加的300N沖擊載荷時，應力逐漸由肱骨遠端移向骨干部，隨著力的傳遞，壓力集中在肱骨頸干交界部位和干部上段部分，應力在其前側和/或內側達到最大聚積；而與此同時，與關節(jié)盂相接觸的肱骨關節(jié)面的部分，應力也逐漸增加，這兩個應力集中區(qū)域在沖擊載荷作用下，應力增加不顯著。骨應變圖提示這個區(qū)域此時承載的載荷逐漸轉成張力區(qū)，2種載荷交界區(qū)域即是骨小梁承受彎曲最大的部位，當能量完全釋放，骨小梁斷裂，骨折線產生，遠段肱骨部分移向后側或/和外側。應變是應力作用于骨組織的的結果，伴隨著應力的變化，肱骨上應變發(fā)生變化，骨形變不可避免。另外，作者看到，在12個不同的功能位置上，相同的加載時，肱骨的應力集中區(qū)發(fā)生了轉移和變化。當從30°90°外展時，高應力區(qū)由內側逐漸轉向外側，而以60°外展外旋位置上應力最高，達3.13MPa。也就是說在這個位置上摔倒時，骨骼承受最大的應力，骨應變在此區(qū)域最大，故骨折發(fā)生率較高，特別對于本身骨強

度減弱的情況下（例如、

圖1肩關節(jié)的三維幾何實體重建圖像圖2肩關節(jié)的三維網格化圖345°外展中立位的骨折形變模擬過程（ae.形變過程；f.骨折線的走行）圖4

45°外展內旋位的骨折形變模擬過程（ae.形變過程；f.骨折線的走行）

圖545°外展外旋位的骨折形變模擬過程（ae.形變過程；f.骨折線的走行）圖6箭頭所指為鼠標取值圖7外展45°位置上中立位、外旋45°、內旋45°時肱骨干上載荷－應變關系曲線質疏松時），在30°外展位置上易發(fā)生由肱骨外科頸和肱骨上段后上向前下的骨折移位［5］；而在90°外展加載時，骨折線接近橫行走向，因此可以推測在健康人群中，肩關節(jié)30°～90°范圍摔倒時，骨折線由斜形逐漸變成橫行，且肱骨外科頸和肱骨上段時更易于骨折和移位置［6,7］。

此外，不同的肩關節(jié)旋轉位置對肱骨骨折也產生一定的影響。從圖像中可以發(fā)現當內旋和外旋時，肱骨上的應力分布發(fā)生轉移。內旋時，高應力區(qū)移向肱骨的前外側，外旋時，高應力區(qū)移向肱骨的內側，并伴隨骨折線出現部位的轉移。根據動態(tài)模擬圖像中，可以清晰顯示骨折的動態(tài)現況，且可以反復回放，任意提取任何一個需要的信息。

3.4肩關節(jié)有限元模擬分析的應用前景

本研究中所建立的肩關節(jié)三維有限元是一個良好的生物力學研究工具，利用它，不僅可以對關節(jié)的骨性結構進行力學分析，同時通過建立三維連接單元，還可以重建肩關節(jié)的任一個軟組織結構；通過這些軟組織的試驗力學測試，獲得相關的材料參數，同樣可以將軟組織的有限元模型建立起來，繼而進行力學分析。本論文僅僅對肱骨骨折實施了有限元的模擬，使用同樣的方法，可以對其他肩關節(jié)的其他結構的損傷機理進行模擬，如鎖骨骨折、脫位、肩胛骨骨折、盂肱關節(jié)的脫位、慢性肩關節(jié)不穩(wěn)、肩峰撞擊癥等。

總之，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，以及力學分析軟件的不斷完善，三維有限元分析法一定會在骨關節(jié)生物力學研究領域發(fā)揮越來越大的作用。

【參考文獻】

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