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肌肉的生物力学特性范文1
摘要 根据篮球球运动专项力学特点，结合运动生物力学研究的现状、发展趋势、以及篮球运动教学发展的实际需求，对运动生物力学在篮球运动教学中应用和发展趋势进行分析。希望运动生物力学与篮球运动的特点紧密结合，更好地为篮球教学提供帮助。
关键词 运动生物力学 篮球运动 教学 应用分析
近年来，篮球运动受NBA和CBA的影响，很受学生的欢迎，大家都愿意参与这种集体带有趣味的运动。可在教学中可以看到一些学生由于身体的先天条件，动作做起来比较难受，不合理。怎样帮助每个孩子都能掌握这门技术。我想通过运动生物力学的原理去分析学生的特点，通过分析给他们制定不同的水准，不能集体都按统一的标准，这样会使学生感到篮球运动的艰难，我们降低难度就是要使不同的学生体验到成功的乐趣，因材施教使学生在快乐中学习。如何做到这些，我们就要借助于科技的力量和手段，更加全面地、深刻地认识篮球运动的规律。更好的在教学中利用为学生服务。
一、运动生物力学在篮球运动中的应用领域分析
从运动生物力学角度来看，篮球运动要求人体上下肢的协调配合，很好的应用人的手部动作去接球，做蹬地加速的动作，如何在这个过程中做到合理就必须了解学生的生理结构，肌肉力量的相互作用。什么角度的运动适合此阶段性的学习。用多大力能满足他们的可接受的力量范围，针对不同的学生应该采用不同的方法手段加强学生的学习，切不可让学生做过多大于自己身体不能做的力量训练。帮助他们在自己合理的技术动作内做到自己最适合的动作。对于动作的要求不可统一要求，要区别对待，这样一方面可以鼓励学生很好的练习；另一方面要使学生不断进取不至于伤害学生的自尊心。在场地器材方面要对学生认真讲解。使他们真正认识到自己的力是如何传导的，如何在正确的用力前提下做到做好的自己。
二、运动生物力学研究方法在篮球运动中的应用分析
（一）运动生物力学研究方法分类
按研究方法划分，运动生物力学应用在篮球运动中的研究大体可分为两类：一是力学理论研究方法，二是实验研究方法。两者相辅相成，相互统一，应当紧密结合，才能使运动生物力学更好地在运动实践中应用[1]。这就要求在实践当中很好的将二者紧密结合共同应用到学科领域当中。
（二）运动生物力学的力学理论研究方法在篮球运动项目中的应用分析
该研究方法因为是通过模拟手段对人体运动仿真，一般包括五个步骤：1.确定运动特征，建立目标函数；2.选择模型确定刚体的自由度；3.建立动力学模型；4.实测已知数据并求解；5.根据求解结果解释运动规律，这一步骤是将求得的数学规律化为体育运动语言对运动技术进行合理的指导[ 2]。根据此研究方法，可以对篮球中许多问题进行研究。如对于篮球运动中学生的伤病的研究，有助于对学生在篮球运动中的损伤认识和预防。可以利用力学理论研究的方法对关节力和力矩进行推算。这实际上是为人体的运动给予科学化得定量，通过科学实验找出人体运动的范围和幅度，为更好的人类发掘自身的潜能和动作的量化提供参考依据。
（三）运动生物力学的实验研究方法在篮球运动中的应用分析
由于动力学研究方法与运动学测试在篮球运动项目中运用的较少，所用到的生物力学仪器不多。因此运动生物力学的实验研究方法在篮球运动项目中有极大的发展空间。
1.常用的生物力学仪器将在篮球项目中的广泛应用
许多已经在其他专项中运用较为广泛的生物力学仪器在篮球运动项目中尚未广泛使用。比如，肌电仪，脚垫受力分析鞋垫。脚垫受力分析可以反映地面对人体的反作用力。运动员投球的力最终是通过人体蹬地面，同时地面给人体的反作用力而实的。通过在运动员的鞋子里放上受力分析鞋垫，可以得出在移动过程中，脚底压力的分布图，可以为篮球运动员鞋子的设计提供参数。通过肌电仪可对完成某动作所参与的肌肉活动的强度和时间进行描述，确定主要的参与肌群。这样学生就可以很清楚地知道完成某动作的肌肉用力顺序是什么，哪些是主动肌，哪些是被动肌，可为力量训练提供参考。
2.多机同步测试的研究
多机同步测试研究是运动生物力学研究的发展趋势。对于篮球这项精密的运动，以往的研究多是从一维的视角来进行的，对篮球运动的生物力学的研究应朝着多维的研究视角发展。比如，将摄像系统和测力台系统同步的测试方法，综合运动学和动力学的数据对篮球运动进行更加深入、全面的研究与分析。
3.开发篮球专项化、反馈快速化的运动技术测试仪器
近年来随着其他运动项目运动学、动力学、测试仪器的质量、功能、效率不断提高，某些运动项目专用的测试仪器不断出现。其它专项的研究可为篮球专项化的测试仪器提供借鉴。随着科学技术的迅速发展，加速度传感器的体积和质量都可以做到非常小，精度可以达到很高，此仪器可以实时监控篮球鞋的速度、加速度和角速度，并可据此推算篮球鞋不同部位的受力情况，以及脚蹬地的初速度。而对篮球鞋运动情况的所做的研究较少。如果这些设想可以实现的话，将丰富这方面的研究可以防止运动者教学脚部的受伤的情况。为更好的教学服务提供保障。防止学生在运动中受伤的概率。
（四）力学理论研究方法和实验研究方法紧密结合
理论力学理论研究方法和实验研究的方法紧密结合对篮球运动进行运动生物力学的研究，将有助于从不同层面和角度更好的认识篮球运动规律，进而可使运动生物力学更好地为篮球实践服务，是运动生物力学在篮球运动中应用的发展趋势。力学理论研究方法必须辅之实验和经验，才能使它在实际应用方面的作用得以发挥，力学理论方法与实验测试方法两者应当紧密结合。前者提供了运动普遍规律，对分析有理论指导意义，后者是理论研究与实际是具体应用的桥梁，能使研究更好地为运动实际服务。实验方法和力学理论研究共同发展、相辅相成，使运动生物力学学科渐趋深入完善。
三、结束语
篮球运动教学的动作技术诊断，力学研究，学生肌肉、骨骼力学特性的研究，将有助于篮球专项测试仪器的开发，篮球运动员损伤机理和预防的研究等领域需要利用运动生物力学在篮球专项中进行全方位的研究。这样有助于在实际中解决一些教学中的学生容易受伤的难题，将生物力学的有关原理服务于学生的课堂，用科学的方法指导学生篮球训练与比赛，更好的预防学生在不同情况下的运动损失与治疗。
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肌肉的生物力学特性范文2
1一体化仿真平台总体方案
1．1平台概述为开展长期太空飞行环境下航天员作业能力变化规律分析，本文建立了航天员空间操作人因分析一体化仿真平台。该平台通过将一个具有物理人体测量特性的虚拟人与可计算的认知模型及生物力学模型联系在一起［7］，用虚拟人代替真实航天员，对航天员完成特定太空操作任务的脑力负荷、生物力学操作和任务绩效进行预测和分析。虚拟人作为人的与系统进行交互，构成人及操作环境的集成，实现人在回路外的计算机仿真(HOOTL)，其目的是取代耗时的被试实验而对任务和系统设计进行早期快速评估。由于人在回路外的仿真实验中用模型代替人，降低了人的危险，大大的提高了实验分析的效率，缩短了研究周期，节省了研究经费。
1．2平台体系架构航天员空间操作人因分析一体化仿真平台整体分为三层，用户界面层提供整个平台的综合调度和管理，用于任务参数和资源输入、模型参数配置及下层功能的调度;功能实现层包括认知仿真、生物力学分析、绩效分析、三维可视化，多模型融合通信和数据库管理系统，主要用于认知决策过程仿真、人体生物力学仿真、工作负荷预测、绩效分析和任务过程可视化。底层平台硬件层通过集群系统为平台提供高性能计算能力，用于骨应力等有限元分析计算。其系统结构如图1所示。整个平台软件系统主要包括平台调度管理软件、认知仿真软件、生物力学仿真软件、绩效分析软件、三维可视化软件、多模型融合通信和数据库接口软件。调度管理系统软件是平台主调度界面，用于任务参数和资源输入、模型参数配置及下层功能平台的选择和调用。认知仿真软件实现认知思维过程的仿真。生物力学分析软件完成操作作业中人的生物力学特性仿真。绩效分析软件的功能是将完成具体任务的作业绩效采用图形、曲线、图表等多样的可视化方式表示出来，并对绩效仿真结果进行评价和分析。三维可视化软件将载入作业任务三维场景，根据任务流程实时可视化表现任务过程。网络通讯接口软件实现平台上各个模块间的数据共享和网络通讯。数据库软件用于记录仿真执行时生成的数据，支持配置数据表、添加、修改、删除、查询、浏览等数据处理功能。航天员空间操作人因分析一体化仿真平台将代替真实航天员，组成人在回路外的仿真系统，开展太空操作航天员认知决策和作业能力预测与分析试验性研究。
1．3平台工作流程平台运行时的仿真流程如图2所示。通过平台调度管理软件进行仿真任务的任务参数及仿真模型参数的初始化配置，并控制各个软件的仿真进程。认知仿真软件和生物力学仿真软件根据初始化参数进行模型计算，实时结果数据用于绩效分析软件的在线分析与监视，需要大运算量的后期处理数据将存储在平台仿真数据库中用于绩效分析软件的离线分析处理，同时这两个软件将通过驱动指令控制作业任务三维可视化软件对整个任务的过程进行三维可视化的显示。
2平台主要部分实现
2．1平台调度管理软件平台调度管理软件是人机交互主调度界面，用于对平台其他软件的调度、监视和管理。提供作业任务描述和模型参数输入功能，用户可以选择任务类型进入任务描述界面，对任务参数，如对接起点位置、路径、时间等进行选择，对认知、绩效等模型参数进行配置。任务配置界面见图3。平台调度管理软件具有任务仿真、模型修改、数据管理和仿真回放4个功能模块，任务仿真模块实现对作业任务的创建、配置、执行、修改和删除。模型修改模块实现人的特性参数配置、认知模型配置、生物力学模型配置和系统参数配置。数据管理模块实现每次任务仿真结果数据的浏览、导出及删除等管理功能。仿真回放可依据已记录在数据库中任务仿真结果实现任务过程的仿真回放。为增强平台的易用性，平台调度管理软件以人的特性为中心组织仿真的配置和参数的设置，将与人相关的认知参数和生物力学参数组织至每个人的个体数据结构中，将认知模型和生物力学模型中与人无关的通用模型参数或系统数据另外组织起来，在每次仿真调度开始时只需要简单设置是任务的初始参数和执行任务的虚拟人。为了实现整个平台的开放性，通过软件设计方法，实现了软件界面的动态生成，像仿真任务调度，任务初始化参数设置，仿真模型参数修改等软件界面都是由XML配置文件生成，当界面需要增加新的参数时，只需修改界面配置文件，就可以实现软件界面的更新，而不必重新修改和编译软件代码。
2．2认知仿真软件平台采用了Cao等［8］提出的ACTR-QN认知体系架构建立了人脑手控交会对接认知模型。ACTR-QN认知体系结构由感知、认知和动作3个子网络组成。感知子网络包括视觉和听觉模块;认知子网络包括产生式模块、说明性知识模块、目标模块和各类缓冲器，产生式模块与缓冲器进行信息交互，实现模块间行为的调节和信息的处理;动作子网络包括手动模块和语言输出模块［9］。ACTR-QN认知建模就是将人的认知行为过程映射到ACTR-QN认知结构体系的各个模块，实现人脑的认知行为过程仿真，一个个认知行为任务在QN-ACTR系统中循环执行，最终模拟完成整个认知行为。平台在基于离散事件仿真工具软件MicroSaintSharp(MSS)上构建了ACTR-QN认知网络图。认知结构包括视觉、听觉、中央处理、记忆与运动组块等，在各模块中融合太空操作认知规律的仿真过程，通过观察各认知模块的运行状态，实现认知过程的可视化。
2．3生物力学仿真软件生物力学仿真软件通过新鲜尸体骨力学性能测试实验结果、CT扫描图像数据、骨密度测试数据以及长期卧床试验肌肉体积、肌电、最大肌力等测量数据，结合数学模型、数值模型与计算机软件开发技术，建立包含骨肌系统运动学动力学仿真分析模块、航天员典型动作的运动学动力学参数数据库模块、操作能力变化的预测模块、骨骼肌肉应力分析和骨折风险预测模块等，实现航天员长期在轨飞行肌肉骨骼工作能力变化规律的预测。
2．4融合通信系统融合通信系统根据平台各模型间对数据的交换方式，支持同步集成和异步集成两种方式。同步集成采用实时局域网网络通信，实现上采用UDP组播通信，完成仿真参数配置、仿真流程控制、关键仿真数据及结果的实时交换及作业任务三维动画驱动等功能;异步集成采用数据库方式，使用Oracle11g数据库，局域网络连接方式，完成仿真输入参数和仿真计算结果统一的管理和存储，提供数据回放功能，支持仿真数据的离线绩效显示与分析。网络接口软件针对异构模型的并发处理特点，研究多模型交互融合系统的实时集成机制，开发了基于多通道组播的实时数据通信模块，该模块将平台软件之间的数据交换分为三层:应用层、数据层、通信层。应用层为上层软件及模型，它只需依据数据名称访问和更新数据，不用关心数据的来源及复杂交换过程，数据层建立了数据池表及管理模块，负责数据的建立、交换和维护;通信层只用负责在多个通道上传送数据。通过XML可对模型之间数据交换的通道、数据报文、数据分组、数据名称进行任意配置。即平台中要增加一个新软件、模型，或者模型生成一组新的数据，只要在配置中进行修改，整个平台的上层软件就都可以得到和访问这些新加数据。
2．5负荷绩效分析软件平台的负荷与绩效数据来源于3个部分:外部模拟器系统、认知仿真软件和生物力学仿真软件［10］。平台在MSS的Network下构建了ACTR-QN认知网络图［11］，通过对认知仿真过程中各组块资源时间占有率的计算，实现对感知、认知和动作作业负荷预测，在仿真过程中通过对组块工作状态的显示，实现认知占有率的实时显示。而生物力学分析软件仿真产生的运动学、动力学、肌肉力与骨应力等指标用于生物力学绩效的分析。任务负荷绩效分析预测软件对这些仿真结果数据通过在线或离线的方式进行可视化分析，提供柱状图、折线图、表格及动画等多种形式实现绩效预测结果的可视化，并通过对比负荷与绩效指标，实现操作人员的个性化评价。
2．6三维可视化软件通过对作业任务场景的三维建模工作，建立航天员、空间实验室、轨道舱及返回舱等作业人物及环境模型，基于OGRE开源引擎开发了作业任务三维可视化软件，构建并加载虚拟航天员和虚拟工作场景模型，实现航天员手控交会对接、开舱门和搬生物等作业的三维图形可视化表现，而作业过程则由认知仿真软件和生物力学仿真软件实时驱动。
3实验与验证
3．1实验设计本文选用太空飞行中人控交会对接任务作为用例［12］，该任务是一个典型的认知仿真任务。在人控交会对接任务中，航天员通过图形、数字和靶标图像等测量信息判断追踪飞行器与目标飞行器的相对位置、姿态等运动情况，并通过操作控制手柄，控制追踪飞行器完成与目标飞行器的对接。目标航天器靶标图像信息是航天员进行手控交会对接最主要的观察信息，即通过电视摄像机将目标飞行器对接口下方的十字形靶标的图案显示在屏幕上，航天员据此信息确定追踪飞行器与目标飞行器的相对位置和相对姿态，通过操纵手柄对追踪飞行器进行姿态控制和平移控制，直至对接成功。试验的框架如图4所示，一体化平台中的平台调度管理软件、认知仿真软件和作业任务三维可视化等软件与真实的便携式手控交会对接模拟器连接起来，用开发的MSS插件实现认知模型对模拟器电视图像的信息感知，并开发了控制手柄模拟程序，实现认知模型对模拟器手柄的控制，平台模拟一个虚拟的航天员，进行人在回路外的手控交会对接任务。根据前面对ACTR-QN体系的描述，建立了手控交会对接认知行为模型，在模型中，手控交会对接任务是在不断完成基本任务后而得以实现，这些基本任务包括观测、决策和控制［13］。观测任务是通过视觉模块连续感知外部信息，通过视觉缓冲把收集信息送入产生式模块;在产生式模块中，经过查询与过程性知识匹配的信息则触发一条产生式;决策任务则通过观测到的信息，查询得到匹配并通过目标模块的目标内容，触发一条或多条产生式，将执行结果送入运动缓冲，通过操作模块执行完成决策下达的任务。三类任务在QN-ACTR认知中央加工处理器中按顺序执行，形成认知与行为过程的反复循环。
3．2实验结果及分析任务过程三维可视化软件运行时界面如图5所示，构建并加载虚拟航天员和虚拟工作场景模型，实现航天员手控交会对接作业过程的三维图形可视化表现，其中航天员手部操作动作与ACT-QN中动作模块的输出同步。认知仿真软件运行时的界面见图6，在仿真中通过对ACT-QN各个模块的实时闪烁，观察认知模块的运行状态，实现认知过程的可视化。在本文中通过任务完成时间、燃料消耗、位置和姿态等指标实现任务绩效预测。实验中基于ACTR-QN模型成功在训练用模拟器上完成了两轴控制的手控交会对接任务，能在各种初始条件下实现两飞行器的成功对接。图7是实验中平台软件模拟的虚拟人与真实操作人员控制实现两飞行器在20m距离对接过程的Y轴和Z轴偏差对比，其中虚线是平台软件控制的对接过程偏差曲线，实线是操作人员的实际操控曲线，通过对比可以看出，基于软件模型的对接策略及认知仿真实现了与人基本一致的控制曲线及变化趋势。本实验针对太空飞行中人控交会对接任务进行了平台的认知仿真试验验证，平台与真实训练模拟器的交互、对接任务的完成情况及认知仿真结果的分析都达到了预期的目标。通过实验证明了平台设计时基于离散事件仿真工具软件上构建的ACTR-QN认知模型在运行效率、可扩展性和可视化能力都具有优势，完全可实现与航天训练用模拟器系统的实时协同仿真。实验过程中融合通信系统配置灵活、简便，在单机及联网等各种情况实现了平台各软件间的数据交换需求，没出现任务通信问题，稳定可靠，具有较强的多模型、多系统交互支撑能力。作业任务的三维可视化可实时直观的监视任务进程，并可在前期用于认知模型中任务策略的调试和改进。任务仿真的结果数据分析也表明平台通过认知仿真软件的认知模型模拟的虚拟航天员可实现了与真实操作人员基本一致的控制曲线及变化趋势，进一步证实了所建立平台的实用性和有效性。
4结论
肌肉的生物力学特性范文3
[关键词] 阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征； 三维有限元； 生物力学
[中图分类号] R 318.01 [文献标志码] A [doi] 10.7518/hxkq.2013.02.009
阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS）是具有发病率高、并发症多、猝死率高、常被患者忽略治疗等特点的疾病[1]。下颌前伸矫治器作为阻鼾器的一种
类型，是治疗OSAHS患者的有效手段[2]，而下颌前伸定位是口腔矫治器治疗OSAHS的核心问题之一。对于下颌前伸与上气道相关结构间的关系及适宜前伸量存在较多争议[3]，采用有限元方法对此方面的生物
力学研究，至今鲜见报道。本研究通过建立OSAHS上气道及周围结构的有限元模型，并对整体模型进行下颌逐步前伸加载，观察上气道舌咽部形态和生物力学的改变和特征。寻找下颌前伸与舌咽部之间的关系，为口腔矫治器治疗OSAHS提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 OSAHS患者上气道及周围结构三维有限元模型
的建立
1.1.1 CT数据获取 选取1名经夜间多导睡眠仪监测并确诊为OSAHS[4]的男性志愿者，经下颌前伸矫治器治疗有效并自愿停用治疗3个月，排除了其他导致上气道阻塞的各种解剖或病理因素。经16排螺旋CT机（GE/Lightspeed）进行扫描，患者取仰卧位，使平面垂直向下，扫描线与平面平行进行连续扫描，扫描范围为甲状软骨至眼眶下缘；扫描条件：120 kV，230 mA，层厚0.625 mm，层间距0 mm，得到218张CT图像，以DICOM格式刻录存盘。
1.1.2 建模方法 将CT扫描所获得DICOM格式数据文件导入Mimics 10.0软件中，经过阈值分割、区域生长、空洞填补与3D计算等操作，生成组织三维面模型。进一步的光滑化处理后在Mimics 10.0的Remesh模块中网格划分，生成了以-remesh命名的模型，用Iges格式另存即可。运用同样的方法分别重建出下颌骨、舌骨、气道的三维实体模型（图1）。
在Mimics 10.0中生成的模型以Iges格式导入反求软件Imageware 10.0中对点云数据进行处理，通过降噪、去除突出点等工作后，在该软件中对点云数据逐层进行B样条曲线拟合，Loft曲面生成，保证模型具有较高的几何相似性；将几何特征以Iges格式保存，并导入Ansys 8.0软件以生成体模型（图2）。由于本研究所关注的软组织（颏舌骨肌、下颌舌骨肌、颏舌肌
及舌体等）分别建模有困难，因此对软组织的建模采
取如下简化方法：作为一个整体进行建模，与气道接触处的肌肉边缘由气道的边缘重合，舌体的边缘由下颌骨的边缘确定，这一过程主要在Ansys中根据CT图像和解剖结构直接生成。
体模型的网格划分采用自动与手动相结合的方式，单元类型采用10节点的Solid92四面体单元；材料特性采用Mimics软件自动赋值与文献数据[5]相结合的方式（表1），生成上气道三维有限元模型（图3）。
为了简化分析计算与建模方便，在模型的构建中进行了如下假设与简化：1）将下颌骨模型全部作为皮质骨进行建模，未对其中的松质骨建模；2）将连接下颌骨和舌骨之间的肌肉作为整体建模，没有对骨膜进行建模，只是在模型中对肌肉与骨的连接部分进行了共面处理，在今后的分析计算中也会带来误差；3）设定模型中各材料和组织为连续、均质和各同向性的线弹性材料。
1.2 整体模型的下颌骨前伸加载分析
1.2.1 对模型进行相关力学相似性的验证 验证条件：牙尖交错位，限制下颌角和髁突、喙突的刚性位移。在侧切牙、前磨牙和磨牙上分别加载60、150、300 N的力，验证结果为3条应力轨迹线与经典文献一致[6]，说明建立的模型具有非常高的力学相似性，模型有效。
1.2.2 约束条件 设定上气道后壁不动，舌骨-肌肉-下颌骨连接为一整体、均质弹性体；将肌肉末端、舌骨内侧与相应上气道进行连接。对下颌骨的髁突、喙突限制所有自由度，下颌角肌肉附着处限制x、z方向位移，不限制下颌前伸。
1.2.3 加载 参照文献[3]，设定前伸量的范围为2～
8 mm；加载时在前牙列上模拟佩戴矫治器后施加前伸的位移量，分别从原始位加载下颌平移前伸2、4、6、8 mm，依次定义为工况一、工况二、工况三、工况四。在模型的上气道表面分别选取会厌尖横截面的横径和矢状径[7]为观察指标，位移数值增加记录为
正值，减小记录为负值，观察下颌骨不同前伸量相应形态位移和应力变化。
2 结果
通过对三维有限元模型中的下颌骨模型加载发现上气道舌咽部平面发生改变，在工况一、二、三、四作用下，舌咽部会厌尖横截面横径数值变化明显增加，最大增加到0.70 mm；舌咽部会厌尖横截面矢状径随加载顺序呈减小趋势，其最大减小到0.15 mm（表2）。
在综合位移图中可见，气道舌咽会厌尖截面积也随着下颌前伸量呈逐渐增加趋势。加载模型后，主应力分布位置未发生明显改变，主要集中于上气道前壁区肌肉牵拉处，但应力值随着前伸距离增加不断增加，S1主应力从最初的0.33 MPa增至1.33 MPa（表2，图4～5）。
3 讨论
3.1 利用Mimics 10.0、Imageware 10.0和Ansys 8.0软
件构建三维有限元模型的特点
上气道的生物力学和形态学研究成为研究OSAHS的重要方面，以往对上气道软组织结构的建模多未涉及气道与下颌骨等周围结构[7-8]或使用软件单一[9-10]。本研究利用Mimics 10.0、Imageware 10.0和Ansys 8.0软件构建上气道及周围结构三维有限元模型，利用软件的各自特点和优势，不仅减少了工作量，而且保证了模型的准确性和质量，同时为后期分析计算结果提供了保证。利用Imageware软件和Ansys软件的处理可保证模型的光顺与原点云数据的高拟合度，对于其上的颏孔等解剖结构未进行简化，为后续的加载和肌肉力附着点提供了准确的依据。根据CT图片的具置在Ansys中进行肌肉简化模型的生成，因此模型具有非常高的几何相似性。再在Mimics软件中自动赋值给骨和肌肉，实现了较准确地模拟模型中力学的基础。然后对建立模型进行力学相似性验证，说明建立的模型有很高的力学相似性，建模有效。
3.2 下颌前伸对OSAHS上气道舌咽部三维有限元模
型的加载分析
以往对上气道的模型加载分析，研究的重点都集中在对上气道内气流压力的变化引起上气道形态改变[11]和手术治疗方面[8]，而对于下颌前伸与上气道形态的加载分析没有涉及。基于此，本实验通过模拟下颌前伸矫治器治疗OSAHS的机理，通过对已建立OSAHS上气道有限元模型加载，使下颌逐步前伸，观察和分析舌咽部的生物力学和形态学改变，主要表现为下颌前伸后，咽部肌肉趋于绷紧状态，上气道体积增加并纠正咽部松弛和塌陷，依据本实验结果，在工况一、二、三、四下，横径明显增加，在舌咽部矢状径随加载呈减小趋势，可能是由于本研究中采取下颌骨平移方式加载，下颌垂直方向上打开不明显所致。加载发现；气道舌咽会厌尖截面也随着下颌前伸过程呈逐渐增加趋势，最大截面出现在工况四作用下，可能说明在下颌骨平移前伸时，相对于矢状径，横径对上气道打开作用更为明显。4种工况下应力分布位置未发生明显改变，主应力主要集中于上气道前壁区肌肉牵拉处，但随着前伸距离的增加，应力值不断增加，S1主应力从最初的0.33 MPa增至1.33 MPa。
本研究中，随着加载距离的增加，上气道舌咽部形态发生改变，表现为舌咽部横径和横截面增加，有利于消除OSAHS患者该段的狭窄和阻塞，打开上气道，达到治疗OSAHS的作用。实验过程中发现：随着下颌前伸距离增加，其应力区的应力更为集中，故使用下颌前伸治疗OSAHS时，建议初次前伸距离不宜过大，最好根据需要逐步增加，尽可能在最大减少患者不适感的情况下获得疗效。
有限元分析作为一种生物力学的模拟研究方法，其结果的准确性依赖于建模的质量、分析中边界条件与加载设置等[12]。而上气道作为一种软组织多而
解剖复杂的肌性管道，其中肌肉运动对气道影响也至关重要，但目前由于各方面条件限制，达到完全真实的模拟也存在很多困难。本研究根据解剖位置直接生成肌肉等结果，模型简化和加载方式的单一可能会造成结果计算中产生误差，希望随着研究深入，在后续中加以改进，使三维有限元在OSAHS研究中发挥更大的作用。
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肌肉的生物力学特性范文4
【摘要】 目的 观察中药复方对尾部悬吊模拟失重大鼠骨密度(BMD)、骨生物力学强度及组织形态计量学的影响。方法 50只Wistar大鼠按随机区组实验设计法分成正常对照组、模型组及悬吊中药低剂量组、中剂量组、高剂量组，每组10只，实验周期21 d。实验结束后，取右侧股骨和第4腰椎，用双能X线骨密度仪测量股骨、腰椎BMD；三点弯曲实验法及腰椎压缩实验法分别测定股骨和腰椎生物力学指标；取第3腰椎，制作不脱钙切片测量骨形态计量学指标。结果 与正常对照组相比，模型组大鼠股骨、腰椎BMD明显降低(P＜0.05)，股骨最大载荷、弹性载荷、最大挠度、弹性挠度明显降低(P＜0.05)；腰椎最大载荷、弹性载荷明显降低(P＜0.05)；腰椎骨小梁体积百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁矿化率明显降低(P＜0.05)。与模型组相比，中药中剂量组可明显增加模拟失重大鼠股骨BMD和腰椎最大载荷、弹性载荷和腰椎骨小梁体积百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁矿化率(P＜0.05)。结论 中药复方能促进骨的形成和矿化过程，增加BMD以及增强骨力学强度，从而达到防治骨丢失的作用。
【关键词】 中药；模拟失重；骨密度；骨生物力学；骨组织形态计量学
Abstract：Objective To study the effects of Chinese medicine compound on bone density， biomechanics， histomorphometry of weightlessness rats simulated by tail suspension. Methods Fifty Wistar rats were randomly pided into 5 groups with 10 rats each group：control group， model group， and low dose， medium dose and high dose Chinese medicine compound treated suspension group， the experiment period was 21 days. BMD of femur and lumbar vertebrae were detected by dual energy X-ray absorptiometry. The femoral biomechanics parameters and anti-compress ability of lumbar vertebrae were measured by three-point assay and compress test respectively. The quantitative structures of non- decalcified bone tissue sections were analyzed by histomorphometry. Result Compared with control group， BMD of femur and lumbar of model group decreased remarkably (P＜0.05)， Maximum Load， Elastic Load， Maximum Deflection and Elastic Deflection of femoral bone and Maximum Load and Elastic Load of lumbar vertebrae of model group decreased remarkably (P＜0.05)， TBV%， TFS%， AFS% and MAR% of lumbar vertebrae of model group also decreased remarkably (P＜0.05). Compared with model group， BMD of femoral bone， Maximum Load and Elastic Load， TBV%， TFS%， AFS% and MAR% of lumbar of medium dose group increased remarkably (P＜0.05). Conclusion Chinese medicine compound can improve the bone formation， prevent bone loss by improving ossify， bone mineral deposition and mineralization， as well as increase BMD， improve the bone biomechanics property.
Key words：Chinese medicine；simulated weightlessness；BMD；bone biomechanics；bone histomorphometry
失重性骨丢失是长期航天飞行中最危险的因素之一，因而探讨和寻求有效的对抗失重骨丢失的有效措施一直是航天医学界的难题，但至今仍无切实有效的防护措施。我们将中医药理论应用于航天医学研究，研制了以滋补肝肾、健脾益气、活血化瘀、强筋健骨等治法为依据组成的中药复方，并利用尾部悬吊模拟失重动物模型，对其药理、药效和机理进行了全面系统的研究。本实验是该方对骨代谢影响系列研究的一个组成部分，重点探讨该方对模拟失重大鼠骨密度(BMD)、骨生物力学强度及组织形态计量学的影响，为研究中医药对抗模拟失重骨丢失措施及探讨中药对抗模拟失重骨丢失机理的研究奠定基础。
1 实验材料
1.1 动物
Wistar大鼠，雄性，体重(150±10)g，北京维通利华公司提供，合格证号：SCXK(京)2002-0003。适应环境7 d后进行实验。
1.2 药物
中药复方由刺五加、黄芪、当归、补骨脂等药按一定比例组成。全部药材经北京中医药大学中药教研室鉴定，按传统工艺煎煮，制成1 g原药材/mL浓度的口服液。
1.3 试剂
甲基丙烯酸甲酯(批号20061010)，北京益利精细化学品有限公司；邻苯二甲酸二丁酯(批号040401)，北京化学试剂公司；过氧化苯甲酰(批号20040610)，北京金龙化学试剂有限公司。
1.4 仪器
双能X线骨密度仪，美国LUNAR公司；WD-1型电子万能试验机，长春第二试验机厂；WDW-5型微机控制电子万能试验机，长春市朝阳试验仪器有限公司；Reicheit-Jung 2040切片机，德国。
2 实验方法
2.1 尾部悬吊模型的建立
采用陈氏等[1]改进的鼠尾悬吊法。将大鼠在悬吊笼中尾部悬吊，后肢离地，使躯干与地面成300°角，前肢着地可以自由活动。
2.2 分组及给药
Wistar大鼠按随机区组实验设计法分成正常对照组(K组)、模型组(M组)及悬吊中药低剂量组(D组)、中剂量组(Z组)、高剂量组(X组)共5组，每组10只，均用悬吊笼单笼饲养，实验周期21 d。造模前7 d悬吊中药3个剂量组给予中药复方(10 mL/kg)灌胃，K组、M组给予蒸馏水灌胃(10 mL/kg)，每日灌胃1次。第8日灌胃1 h后，M组与悬吊中药3个剂量组尾部悬吊，K组大鼠笼中自由活动。继续每日灌胃1次，每周称重1次，按重量调整给药剂量，连续灌胃14 d。
2.3 标本处理及检测
2.3.1 大鼠股骨、腰椎骨密度的测定
实验第21日处死大鼠，取右侧股骨和第4腰椎骨，去净附着结缔组织，分别用生理盐水纱布包裹后即刻保存于-70 ℃冰箱中，并尽快进行BMD测定。测定前取出上述样本，室温下复温，然后将各样本分别置于有机玻璃板上，固定位置，以全长的1/2交界处为测量点，应用双能X线骨密度仪作骨横越扫描，荧光屏显示测量图像，自动打印测量结果。
2.3.2 股骨、腰椎生物力学的测定
实验前取出冰箱保存的大鼠股骨，室温下复温，进行三点弯曲试验，跨距20 mm，加载速度2 mm/min，同时记录载荷-变形曲线；第4腰椎体进行压缩试验，加载速度为2 mm/min，同时记录载荷-变形曲线，2组样本均计算最大载荷和弹性载荷、最大挠度和弹性挠度。
2.3.3 腰椎组织形态计量学的测定
在实验动物处死前14、3 d分别皮下注射盐酸四环素30 mg/kg。大鼠处死后，迅速取出第3腰椎。剔净骨周围肌肉及软组织，用生理盐水擦洗干净，置于10%福尔马林中固定24 h，然后制作5 μm和10 μm的纵向不脱钙骨切片。5 μm切片用二甲苯溶掉树脂后，梯度乙醇至水，甲苯胺蓝染色；10 μm切片直接用于荧光观察。主要参数包括：骨小梁体积百分比、骨小梁吸收表面百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁矿化率。
3 统计学方法
所测定指标均采用x±s表示，BMD和生物力学指标使用SPSS12.0统计软件中的方差分析(ANOVA)进行检验，骨组织形态剂量学使用Student-Newman方法进行检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。
4 结果
(见表1～表3)表1 中药复方对模拟失重大鼠腰椎骨组织形态计量学的影响(略)注：与K组比较，#P＜0.05；与M组比较，*P＜0.05；与Z组比较，ΔP＜0.05(下同)表2 中药复方对模拟失重大鼠股骨、腰椎BMD的影响((x±s，g/cm2)表3 中药复方对模拟失重大鼠股骨、腰椎最大载荷、最大挠度、弹性载荷、弹性挠度的影响(x±s)
5 讨论
我们的前期动物实验研究表明，尾部悬吊后大鼠出现了明显骨代谢异常，而在本实验中模型组大鼠股骨、腰椎BMD以及最大载荷、弹性载荷均显著减少，这与国内外的相关报道一致[2-3]，说明应用尾部悬吊大鼠的模型是成功的。
BMD是反映骨皮质厚度、骨小梁结构和骨量的重要指标，也是间接评价骨丢失程度的指标之一。本实验中，与正常对照组比较，模型组大鼠股骨、腰椎BMD明显降低，中药中剂量组可明显增加股骨BMD。说明尾部悬吊模拟失重时，后肢去负荷后肌肉萎缩、骨应力刺激消失、骨骼血液供应不足等引起大鼠承重骨骨矿盐大量丢失，给与中药干预后有可能增加骨骼血液供应以及刺激成骨细胞活性或抑制破骨细胞活性而促进大鼠的骨矿盐沉积，促进骨的矿化，增强BMD。但中药复方对股骨和腰椎BMD的药效有差异，可能与药物剂量、给药时间以及作用途径有关。
由于单纯骨矿盐含量测定不能表现骨结构和材料特征的变化，因此结合骨力学指标测定可以更全面评价骨质量，反映骨骼抗骨折能力。最大载荷和弹性载荷反映骨结构力学特性，他们的变化反映骨小梁质量、结构连续性和皮质厚度的改变[4]。挠度是骨骼柔韧性指标，其数值的大小与骨基质胶原蛋白含量高低有关。对于受试骨骼来说，单独考虑挠度并不能说明受试骨骼的质量，应根据具体的情况来综合分析。失重及模拟失重下骨骼力学特性(如硬度、强度、柔韧性、弹性及扭转力)皆有下降，尤其是扭转力的下降最为显著。Cosmos飞行发现大鼠股骨和脊柱的力学性能下降[5]。马氏等[6]于尾吊大鼠模型模拟失重90 d后测量长骨的生物力学性能发现，股骨的强度、硬度、刚度各项参数均较对照显著下降。在本实验中，模型组大鼠股骨、腰椎力学强度均降低，中药中剂量组可明显增加腰椎最大载荷和弹性载荷。提示中药复方通过增加BMD，增强骨力学强度而有效防止骨折发生，而对最大挠度和弹性挠度没有显著影响，可能与中药复方对骨基质胶原蛋白含量影响不明显有关。
在本实验中，中药复方中剂量组比低剂量组和高剂量组更明显增加BMD和骨力学强度，因此，我们选择中药复方中剂量组，从骨组织形态计量学方面进一步考察了该方的疗效。骨组织形态计量学是新近发展起来的一种骨组织定量研究方法，它将骨组织切片中二维图像展示的骨组织形态转化为数量资料，从而得出较多的定量结构信息，可从组织和细胞水平了解骨结构的变化情况。而骨组织的力学特征不仅决定于骨质的密度，还与骨小梁的微观结构有着非常密切的关系。目前有关骨形态及结构的研究证明，失重状态下骨结构的变化包括骨小梁变薄、数目减少、成骨细胞的数目和活动减少等[7]。本实验结果表明，模型组大鼠骨小梁结构及其形态发生明显改变，骨小梁明显变细，骨小梁体积百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁矿化率明显降低，部分骨小梁中断而逐渐被吸收，骨小梁之间的距离变宽，骨小梁的连接遭到破坏，失去原来的三维网架结构，导致松质骨的整体力学强度下降。提示模拟失重可抑制大鼠松质骨类骨质的形成和矿化，对骨吸收影响不大，表明模拟失重使骨形成减少而导致骨的丢失。经中药治疗后，骨小梁数目增加、变粗、间隙减小，骨小梁体积百分比和形成表面百分比及矿化率等明显增加，表明中药复方能明显的促进模拟失重大鼠类骨质的形成和矿化，改善骨的显微结构，从而增加了骨量和提高了骨的强度。
综上，中药复方可以有效改善失重性骨丢失，有效促进骨的形成和矿化过程，增加BMD以及增强骨力学强度，从而达到防治骨丢失的作用。表明该中药复方对防治失重性骨丢失方面具有一定的应用意义，有待于细胞水平和分子水平的深入研究。
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肌肉的生物力学特性范文5
关键词 推拿 力学 构建 研究 方法 教学
1、《推拿力学》教材建设的意义
推拿是一门古老的中医外治技术，经过几千年的临床实践，其疗效和使用价值勿庸置疑。在我国高等中医院校的推拿专业课程设置里，主要有《推拿功法学》、《推拿手法学》和《推拿治疗学》三门，综观三门课程的知识内容，基本上都是对古人经验的总结和整理，内容虽然丰富，但仍然属于经验医学。中医药现代化是时展的必然趋势，作为中医学有机组成部分的推拿学也必然要跟随时展的步伐。充实和更新学科知识内容，特别是运用现代物理力学原理、手段和方法研究古老推拿学所产生的、具有现代科学内涵的新的知识内容，将是推拿学向前发展和走向现代化的坚实步伐，将为本学科的发展注入新的活力。不仅如此，将力学的定性定量研究思维引入以经验为主的推拿医学，将为手法的作用实质和量化规范性操作提供坚实的理论基础。构建一本好的《推拿力学》教材，以此为基础进行教学实践探索，学生在继承学习传统经典推拿知识的同时，运用现代力学的原理对这些知识进行新的认识和思考，以及在教学过程中探索新的人才培养模式，培养大量高层次的人才，这对本学科的发展具有不可低估的深远意义。
2 理论准备
在探索将传统推拿经验医学知识进行现代诠释的理论准备过程中，我们寻找过很多的方法和路径，比如动物实验、临床医技手段和解剖学原理等，但这些路径和方法，要么对本学科问题的解决显得点点滴滴不够全面，要么不能切中要害解决不了根本问题。手法的最大特点在于“手法作用于人体，以力为作用特征[1]”，手法的运用过程其实质就是一个力的运用过程，传统手法医术要与现代科学相结合，从力的研究入手是一个最佳切入点。因此，可以把“力”的概念作为运用现代科学思维方式研究手法医学的桥梁和纽带。
3 《推拿力学》的教材构建
教材的主要知识内容是运用借鉴现代物理学中力学的研究方法，通过对手法、功法和治疗的力学分析，剖析手法对人体的作用方式和作用实质，介绍手法的力学基础、力学特性、力学作用原理、动力学效应、生物力学效应等，现将主要内容介绍如下。
绪论部分主要阐述推拿力学的基本概念、源流、编写目的、意义、学习方法、临床运用价值、学科研究发展方向等。
在手法的力学基础章节里，阐述与手法医学密切相关的力学概念，例如刚体、力、力矩、笛卡尔坐标系、平衡、平移、位移、旋转、自由度、运动学、载荷、阻力和时间等，并结合本学科的特点，介绍这些概念的临床应用及意义。力学分析的一些基本要术，比如力的大小、方向、作用点、时间、长度等，与之相关的还有向量、质量、速度、加速度、频率和固有频率等等；动力型位移、静力型位移、张力型位移、生理性载荷、病理性载荷、功能性载荷、组织结构力学、剪切力、拉伸力和压缩力；定义举例；耦合运动；三维空间上的螺旋轴；物理力学分析方法、力学计算公式，与本学科相结合的临床应用及其意义。
在手法的力学和生物力学特性章节里，运用借鉴现代物理学对力学的研究方法，来分析主要手法的力学特性，画出主要手法的力学分析图[2、3]，给出力臂、力矩、作用点、动力等力学作用因素，对某些手法(如一指禅推法、按法等)给出其力学计算公式，从物理学角度来量化手法的作用量(治疗量)，为合理科学的手法操作打下基础。结合人体的生物力学特性，描述和预测在手法外力作用时，人体静态和动态力学结构的发生、发展和变化，以及皮肤、皮下组织、血管、神经、肌肉、韧带、淋巴等组织结构所产生的收缩、舒张、酸、胀、麻、热等生物学效应。
在推拿力学的研究方法章节中，主要介绍以下几种研究方法，一是离体研究方法，二是在体研究方法，三是数学模型研究方法，四是骨性模型研究方法。基本的实验手段，编写三种，分别是强度实验、稳定实验和疲劳实验。推拿力学主要实验指标。
手法的力学作用原理和动力学效应。通过对手法力学特性的分析，运用力学理论来阐明手法对人体的作用方式和作用途经，分析手法中的主要作用因素、次要作用因素和无效作用因素，为提高手法的操作效率打下基础。从物理学角度，结合手法的作用点、力的大小、方向、幅度和频率等因素，阐明各个手法作用力作用于物体时所产生的动力学效应，例如：冲量效应、热效益、动量效应、位移效应等。本部分分为三个章节编写，一是手法的动作结构、运动学和运动学规律；二是六大类24个基本手法的力学结构、力学原理，画出力学变化图，探讨手法的合理性；三是手法运动生物力学实验，包括手法运动生物力学的研究方法、实验仪器及其应用、手法力学信息测录系统和信息计算机处理系统。
在功法力学部分，主要研究了易经筋十二个功法和少林内功中站裆势、马裆势、弓箭裆势、跨裆势、并裆势、大裆势、悬裆势、坐裆势、低裆势、磨裆势、亮裆势、前推八匹马、倒拉九头牛、霸王举鼎、风摆荷叶的力学模型及其基本结构，重点描述每一个动作结构的力学原理，对人体整体结构的影响，对人体局部肌肉、骨骼和关节的影响，从力学角度分析探讨动作原理、力学根据，对重点锻炼部位画出力学分析图，给出力学计算公式，探讨功法锻炼的合理性。
在治疗学部分，主要从手法的力学效应上进行编写，选择了颈椎病和腰椎间盘突出症两个疾病，根据每个疾病的生理特性和病理改变，与手法的力学原理相结合，遵照循证医学的观点，有理有据地分析手法运用的根据，从力学原理提出疾病的治疗处方，提出每个疾病手法治疗的作用点、力的大小、力的方向、力的作用时间、频率高低和振幅大小等因素的参考值。
在附篇部分还介绍了手法治疗与临床应用研究，主要探讨手法对局部组织器官和人体系统的作用。
4 教学实践
教学实践的目标是通过《推拿力学》的教学活动，使学生从根本上摆脱沿袭了几千年的“就手法而学习手法”模仿式学习，打破“经验教学”的旧框架，培养学生运用现代科学的研究手段和思维方式来对古老的手法医学做出全新的认识和理解。教学实践的目的是对教材内容进行实践检验，探索其科学性、正确性和有效性，为进一步修正提高打下基础。教学实践活动分以下步骤进行。
在编写教学计划和实施方案的基础上，选择我校2004级针灸推拿专业五年制和七年制两个班进行教学实践，以王国才主编的“十一五”国家级规划教材《推拿手法学》为主干教材，在学习该教材的同时，讲授《推拿力学》的相关知识内容，总共54学时。在教学过程中，我们邀请了本校和外校各两名专家共听取了8学时的课，课后专家均以书面评价形式对本教材和教学过程予以了较高评价，并对进一步完善和修改提出了宝贵意见。设计了学生问卷调查表，以“A、该教材很有价值对教学具有积极的促进作用”、“B、该教材价值一般对教学促进作用不太大”和“c、该教材使用价值不大对教学没有促进作用”三个问题供学生以不记名方式自由选择，两个班共211人，回收211份调查表，选择“A”的学生206名，占总数的97．6％，选择“B”的学生5名，占总数的2．4％，无选择“C”的学生。
5 认识与体会
力学贯穿了整个推拿医学的始终，虽然本教材还不够成熟，甚至有很多错漏之处，但这毕竟是一种学科的创新之举，是一种有益的尝试，特别是对本学科的现代化提供了一种启迪和思路，应该代表了本学科的发展方向。就目前而言，临床上手法操作十分混乱，各施各法，没有统一的规范和标准，手法的量效关系也一直不能够确定和量化，本教材的编写和完善，将为解决长期制约本学科向前发展的根本性问题带来希望。
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肌肉的生物力学特性范文6
【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。
参考文献
[1] Reidy D， Finkelstein J， Nagpurkar A，et al. Cervical spine loading characteristics in a cadaveric C5 corpectomy model using a static and dynamic plate[J]. J Spinal Disord Tech， 2004，17:117-122.
[2] Bindal RK， Ghosh S， Foldi B. Resorbable anterior cervical plates for single-level degenerative disc disease[J].Neurosurgery，2007，2:305-309.
[3] Lee SH， Sung JK.Anterior cervical stabilization using a semi-constrained cervical plate and titanium mesh cage for single level corpectomy[J].J Clin Niruosci， 2008，11:1227-1234.
[4] 徐建伟，贾连顺，陈德玉，等.颈椎前路椎体次全切除钛网植骨早期塌陷的探讨[J].中国矫形外科杂志，2002，13：1267-1269.
