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生物力学分析方法范文1
关键词：高中物理；学习障碍；克服方法
高中生要想学好物理，必须在起初阶段克服对物理学习的障碍。但是相对于初中物理课程，高中物理知识难度高、跨度大，很容易使学生产生无法克服的学习障碍。那么，如何才能克服学习障碍呢？首先要分析形成学习障碍的原因，从而针对这些原因寻找有效的解决方法。
一、高中物理学习障碍的成因分析
1.高中物理学习障碍形成的客观原因。高中物理知识相对于初中物理知识，是有很大变化的，高中物理知识与初中物理知识关联性不强、跨度大、抽象难懂，这是造成学生学习障碍的重要因素之一。初中物理学习主要是以观察和实验为基础的教学，内容是力学、热学、声学和光学等物理基础知识，都是比较具体化的知识内容。高中物理知识是观察实验与抽象思维相结合的教学内容，由于知识的抽象化以及学生的思维逻辑能力不强，造成了学生无法理解高中物理知识。所以，对于刚接触高中物理知识的学生来说，往往会存在理解上的障碍，使学生无法有效地学习物理知识。
2.学生的心理原因。刚接触高中物理知识，学生会潜意识地受初中物理学习方法的影响，用初中物理学习方法来理解高中物理知识。初中物理知识内容少，知识结构简单，学生只要熟练掌握和运用概念和公式就可以学好物理知识。而高中物理知识的内容多，知识结构复杂，课堂的密度相对较高，各部分知识之间存在关联。因此学生采用初中的学习方法是很难适应高中物理知识学习的，所以在高中物理学习中，学生往往会不知道该从何学起，也不知道应该重点学习什么，从而使学生对物理学习产生厌恶，造成物理学习的心理障碍。
3.高中物理教材原因。高中物理知识都是相对比较抽象化的内容，需要学生具有良好的抽象思维和想像力。在观察实验的时候，要求学生要积极思考，要有很好的观察能力，在很短的时间内把握实验现象的特征，从中分析出现象的实质和核心内容。这就要求学生要有极强的发现和探索问题以及分析问题的能力。而刚接触高中物理知识的学生是缺乏这种能力的。
二、克服高中物理学习障碍的有效方法
1.高中物理学习要循序渐进，促进学生知识结构的稳步形成。对物理学习存在障碍的学生，老师不可以操之过急，学生也不要自暴自弃。老师要帮助学生利用已有的初中物理知识作为高中物理知识学习的台阶，通过学生已有的知识建立新的认知结构，用新方法和知识来替代原有的思维方式和认知结构。
2.激发学生的学习兴趣。只有使学生对高中物理知识产生学习兴趣，才能使学生产生学习动力，学生的物理课堂学习效果才会有所提高。因此，提高学生学习兴趣是高中物理课堂教学的必要手段，可以让学生多到实验室自己探究物理规律，阅读与物理有关的物理历史和物理故事，来提高学生的兴趣。
3.培养学生养成良好的物理学习习惯。要克服物理学习障碍，就必须养成良好的学习习惯。学生要在课下多做功课，在课堂开始前做好预习工作，把教材内容阅读几遍，基本熟悉掌握，并把不能理解的内容做标注；课堂中要针对自己不能理解的内容认真听讲，并认真做笔记；课下要做好复习工作，不理解的地方可以询问同学或老师，从而把知识点理解透彻，这样才能有效地学好物理。
4.老师要给予学生正确的指导和心理疏导。对于刚接触高中物理知识的学生来说，不该有太高的要求，对知识的学习不能要求学生一次到位。要根据学生的实际学习情况，制定相应教学方案，适当放慢教学速度，使学生能够熟练地掌握物理知识。同时要积极疏导学生的心理压力，告诉学生学习障碍谁都会有，不能操之过急，可以以自身的经验来告诉学生如何克服学习障碍，减轻学生的心理压力。教学安排中，要注重练习题的难度控制，由浅而深地给学生合理安排练习任务，这样学生才能增强学习自信心，思维逻辑能力也会在循序渐进的过程中得到有效的培养。
5.给予学生积极的鼓励和客观的评价。老师在批改作业的时候要客观评价，这样会有利于激发学生的学习动力。客观评价是对学生的学习态度的肯定和认可，可以有效地激发学生的自信心和上进心。在对学生评价时，除了公正评价外，要给予鼓励和批评。老师的客观评价会对学生的心理产生影响，久而久之，学生就能在学习中接受老师的批评，并建立自我鼓励的机制，使学生在潜移默化中克服物理学习障碍。
生物力学分析方法范文2
关键词：运动生物力学理论 学校体操教学 学生能力 教学质量
运动生物力学是研究体育运动技术力学规律的科学，它通过对学校体操各单项运动技术的生物力学分析，提出必要的理论数据，建立标准运动技术的模式，使教练员和运动员明确什么样的动作是正确的运动技术，什么样的动作是错误的运动技术。教练员明确了运动技术的原理，便可通过一定的手段对运动员进行技术诊断，找出技术改进措施，寻求最佳运动技术，以提高训练的科学性。体操技术动作常常是在反正常姿态下完成的，有较强的时空感，完成动作的时间短，学生学习有一定的难度。对体操动作进行正确的技术分析，能帮助教师更深入地理解教材，合理地安排教材内容和运用教学方法，帮助学生正确地理解动作，建立准确的动作概念，加速动作技能的形成，提高学生分析和解决问题的能力，为今后从事教学工作打下良好的基础。
根据运动学和动力学特征将体操动作分门别类，使教学安排科学化。人认知的迁移规律表明，学习者对一些新运动技能的掌握往往受到早先形成的运动技术定势的影响。这种影响表现为正、负两方面，正迁移能促进新技能的形成和发展，而负迁移干扰新技能的形成和发展。体操教师只有对技术动作力学分析，并归纳出各项体操动作力学特征的相同点和不同处，才能在教学中正确地运用迁移规律。笔者在体操教学中依据动作的力学特征，把教材分成几个板块进行教学。例如，技巧中的前滚翻、鱼跃前滚翻，纵箱中的前滚翻，双杠中的分腿坐前滚翻成分腿坐等等，均属前滚翻类动作，作为一个动作板块;双杠中的挂臂撑屈伸上和杠端跳起经屈体悬垂摆动屈伸上，单杠中的经直角悬垂摆动屈伸上，动作特征相同，也归为一个动作板块，等等。这样，按动作板块安排教学，教师运用同结构教学法，能起到学生学一个会一串的作用，学生会产生学了前一个动作对后一个动作有跃跃一试的念头和欲望，达到提高学生学习体操动作的兴趣和主动性。同时，由于动作结构相同，学生也容易建立动作的时空感，掌握正确的用力时机，大大地缩短了学习动作的时间。总之，对体操技术动作进行生物力学分析，掌握其力学特征，都可为体操教师选择教学方法、合理地安排教学内容提供科学的依据，有利于学生理解并掌握技术动作。
体操教师运用生物力学原理分析体操技术动作，能帮助学生区分正确动作与错误动作，明确动作完成程序，使动作规范化。在体操教学中，笔者常常发现学生自认为已掌握了动作，其实所完成的动作是错误的或已改变了动作性质。及时帮助学生分析错误动作的根源并纠正错误是掌握正确技术动作的关键。教师运用运动生物力学分析正确动作和错误动作的区别所在，能强化学生对正确动作的理解，明白动作为什么要这样做，从而及时纠正自己错误动作。例如，技巧项目的头手翻动作，人体重心位置的控制是决定该动作能否顺利完成和动作质量高低的关键所在。不少学生往往对此技术关键没引起充分的认识，因而练习过程不是重心没有移出便开始伸髋，就是重心前移过多而完成不了动作。教师对人体重心未移出、移出适中和移出过多等3种情况所产生的运动力学结果进行分析，学生明白了道理，练习中就会有意识地控制自身重心位置。同时根据自己完成的情况，判断自己错误动作所在，从而有效地纠正错误，建立正确的动作概念，并达到规范化。
提高学生保护与帮助的能力。教师对体操技术动作的生物力学分析，向学生讲明动作动力学和运动学特征，学生领会了该动作的力学原理，对动作有了正确的认识，在此基础上，再指导互相保护与帮助的方法，学生便很容易接受，就能对动作不同类型采用不同的方法，在最需要助力或阻力时给予施力;动作在何处最容易出危险，应站在何处进行保护与帮助。这样，通过一定时间的练习，学生就能较熟练地掌握保护与帮助的方法，从而有效地提高学生保护与帮助的能力;提高学生分析和解决问题的能力。教师在指导分析技术动作的基础上，选择一些较简单的动作让学生独立思考分析，掌握运用生物力学原理分析动作的方法，既学会了动作，又掌握了技术动作方法，从而达到提高分析问题、解决问题的能力。
总之，体操技术教学广泛地运用生物力学原理对技术动作进行分析，能加速学生对技术动作的理解，加速技术动作的完成，提高学生的能力，使教学科学化。
参考文献
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［2］运动生物力学.高等教育出版社，2000.
［3］体操编写组.体操 ［M］.人民体育出版社，2001.
生物力学分析方法范文3
【摘要】 目的 研究股骨头松质骨弹性模量、骨密度及骨小梁形态及结构的相关性，以期用体外测定骨密度早期预测股骨头坏死后塌陷。方法 取股骨头承重区松质骨，测量其弹性模量、骨密度值，应用图像分析系统测量组织形态学分析指标，进行相关回归分析，分析骨密度与弹性模量及组织形态学指标之间的相关性及相关关系。结果 松质骨骨密度与弹性模量之间呈二次曲线相关关系；骨密度与组织形态学分析指标之间有很好的相关性。结论 应用骨密度能较好的反映股骨头生物力学性能及松质骨细微结构，理论上可以应用于股骨头坏死后塌陷的预测。
【关键词】 骨密度；弹性模量；组织形态学；股骨头缺血性坏死
Abstract：Objective To research the correlation between Emodulus and BMD of trabecular bones in femoral head，and observe the structure of trabecular bones at different level of BMD，and evaluate the trend direction of trabecular bones structure of femoral head.Methods Measure the Emodulus and BMD with DEXA of bones in femoral head，and universal compression machine respectively；measure the static bone histomorphometry parameters with computercontrolled image analysis system；test the correlation between BMD and Emodulus，BMD and static bone histomorphometry parameters statistically.Results BMD could reflect Emodulus and static bone histomorphometry parameters very well.Conclusion BMD can reflect Emodulus and static bone histomorphometry parameters very well，and can be used in prediction of collapse of femoral head after avascular necrosis.
Key words：bone mineral density；elastic modulus；histomorphometry；avascular Necrosis of the femoral head
成人缺血性股骨头坏死(avascular necrosis of the femoral head，ANFH)是骨科常见疾病。股骨头坏死后塌陷是导致髋关节功能受限或丧失从而致残的主要原因［1］。如能早期预测股骨头坏死后塌陷并予以适当处理，则有可能预防股骨头塌陷的发生［2，3］。
本实验测量股骨头松质骨骨密度(bone mineral density，BMD)、弹性模量及组织形态学参数，研究BMD与骨弹性模量及组织形态学分析指标之间的相关性及相关系数，以BMD反映股骨头的生物力学性质及骨小梁形态。通过体外动态测定股骨头松质骨BMD，间接反映股骨头的生物力学性质及骨小梁形态及结构的变化趋势，为临床早期预测股骨头坏死后塌陷的研究提供理论依据。
1 一般资料
28 例股骨头缺血性坏死、髋关节骨关节病或新鲜股骨颈骨折，需行全髋关节置换术者作为研究对象，其中男17 例，女11 例；年龄32～76 岁，平均(63.1±8.3) 岁。无甲状腺或甲状旁腺机能亢进或减退、肝肾疾病等。
2 实验方法
2.1 取材 在全髋关节置换手术中取出股骨头后，立即用环钻在股骨头承重区沿力线方向经股骨头中心钻取松质骨，以锋利手术刀将两端切成平行并与纵轴垂直，标本长度约为(25±0.5) mm，再用细砂纸将两端仔细打磨平整。精确测量直径及长度后储存于－70℃低温冰箱中备用［4］。整个标本采取及制作过程在2 h内完成。
2.2 方法
2.2.1 弹性模量测定 将股骨头标本从低温冰箱中取出后，置于22～25℃室温中约3 h进行复温。应用万能压力测试机进行非损伤加载。加载速率为0.002 m/s，最大载荷为0.15 kN，最大变形为7％，变形测量精度为0.005 mm，载荷测量精度为1 N［5］。每份标本测量3次，取第3次测量值。每次测量前后及间歇期均将标本浸泡于室温生理盐水中。计算弹性模量。弹性模量计算公式为：E＝(F/S)×(L/ΔL)［6］，各数据均采用国际单位制(E为弹性模量，ΔL为标本变形值，F为载荷，S为标本截面面积)。
2.2.2 骨密度值测定 弹性模量测定后，双能X线骨密度仪进行骨密度值测定。将标本直立放置于检查床上，沿标本纵轴进行扫描，单位为g/cm2。骨密度测定前后将标本浸泡于生理盐水中。
2.2.3 骨组织形态学分析 标本进行手工磨片后酸性复红染色，应用半自动图像数字化分析仪，放大10倍下进行组织形态学测量，每一标本连续测量8～10个视野，分析下列6个静态参数：松质骨体积(trabecular bone volume，TBV)，单位mm2内骨小梁体积占松质骨体积的百分数；平均骨小梁密度(mean trabecular plate density，MTPD)，单位mm2内骨小梁个数(个/mm2)；平均骨小梁间距或弥散度(mean trabecular plate separation，MTPS)，相邻两个骨小梁之间的距离(μm)；平均骨小梁厚度(mean trabecular plate thickness，MTPT)，骨小梁本身的平均厚度(μm)；骨小梁间连接点数(intertra becular node，IBN)形成网状的骨小梁在单位面积内交叉连接点个数(个/mm2)；骨小梁末端数(freeending trabecular，FET)，单位面积内骨小梁游离残端个数(个/mm2)［7］。
2.2.4 实验数据处理 应用统计分析软件包SPSS10.0进行统计学分析，分析骨密度值与弹性模量以及骨密度值与组织形态学分析各指标之间的相关性及相关关系。
3 结
果
3.1 测量结果 弹性模量及骨密度测定结果见表1。应用半自动图像数字分析仪，放大10倍下进行组织形态学测量，每一标本连续测量8～10个视野，各静态参数测定结果见表2。表1 弹性模量及骨密度测定结果表2 骨组织形态学分析结果
3.2 相关回归分析 本实验统计学分析后发现，松质骨骨密度与弹性模量两组数据之间呈二次曲线相关关系，回归方程为Y＝315.30－1327.33X＋1523.07X2，相关系数为0.782(P＜0.001)。
本实验结果显示，股骨头松质骨的骨密度与组织形态学分析指标之间也有很好的相关性。骨密度与松质骨体积之间呈现直线相关关系，回归方程为：Y＝4.18＋29.35X，相关系数为0.860(P＜0.001)；骨密度与平均骨小梁密度之间呈现直线相关关系，回归方程为：Y＝0.26＋1.89X，相关系数为0.779(P＜0.001)；骨密度与平均骨小梁间距之间呈现直线负相关关系，回归方程为：Y＝1520.30－1222.40X，相关系数为0.783(P＜0.001)；骨密度与平均骨小梁厚度之间呈现直线相关关系，回归方程为：Y＝－20.33＋318.72X，相关系数为0.763(P＜0.001)；骨密度与骨小梁间连接点数之间呈现直线相关关系，回归方程为：Y＝6.40＋82.58X，相关系数为0.702(P＜0.001)；骨密度与骨小梁末端数之间为直线负相关关系，回归方程为：Y＝91.43－72.13X，相关系数为0.741(P＜0.001)。
结果表明股骨头松质骨骨密度能够很好地反映股骨头松质骨的生物力学性质及骨小梁形态及结构的变化趋势。
3.3 骨密度的相对安全范围 结合骨密度－弹性模量回归曲线、骨密度－组织形态学分析指标回归曲线以及镜下观察结果，综合评估后发现，当骨密度在0.5～0.7 g/mm2之间时，股骨头松质骨的生物力学性能相对较好，在正常的负重条件下可以认为这是一个相对安全的骨密度范围，发生塌陷的风险较小。
4 讨
论
4.1 骨密度与弹性模量的相关性 有许多国内外学者对弹性模量与骨密度之间的相关关系做了大量研究，因为试验条件、试验方法及试验对象不同，得到的结论亦不相同，但都发现两者之间相关性很强［8～10］。
本实验结果说明，股骨头松质骨骨密度与弹性模量之间有很好的相关性，通过测得的松质骨骨密度值，可以根据两者之间的相关关系式计算出弹性模量值。但是当骨密度值高于正常时，即出现增生硬化时，弹性模量和骨密度值并不遵循此相关关系式，而是弹性模量迅速下降。
4.2 骨密度与组织形态学分析指标的相关性 本实验结果显示，组织形态学分析指标和骨密度之间为线性相关关系，骨密度测量可以很好的反映松质骨的细微结构。
结果表明，通过骨密度可以计算出组织形态学的各项参数，从另外一个角度可以反映出股骨头的生物力学性能。
4.3 不同骨密度范围塌陷风险的大小 结合骨密度－弹性模量回归曲线、骨密度－组织形态学分析指标回归曲线以及镜下观察结果，综合评估后发现，在骨密度大于0.7 g/mm2或小于0.5 g/mm2时，股骨头松质骨的生物力学性能很差；而当骨密度在0.5～0.7 g/mm2之间时，股骨头松质骨的生物力学性能相对较好。
对于股骨头坏死高危人群或已确诊为早期股骨头坏死但尚未发生塌陷的患者，动态观察其股骨头松质骨的骨密度变化，如骨密度小于0.5 g/mm2或大于0.7 g/mm2，或骨密度连续呈下降趋势，理论上可以认为发生股骨头塌陷的风险相对较大。
4.4 以骨密度早期预测股骨头坏死后塌陷的可行性及优越性 以骨密度预测股骨头坏死后塌陷的风险性，具有以下优点：a)骨密度测量对影响骨代谢因素非常敏感［11］，可以更早的发现骨代谢的变化，并且可以直接通过动态观察骨密度评估股骨头生物力学性能变化趋势，对股骨头塌陷的风险进行判断；b)可以通过骨密度评估股骨头松质骨组织形态学指标，将股骨头生物力学性质与显微结构结合来判断股骨头塌陷风险，更为全面［12，13］；c)本方法为体外测量，符合无创原则，方法简便易行，且较X线片的预测更为准确，直接反映股骨头的生物力学状态，较其他方法更为可靠。
由上所述，通过本实验获得如下结论：a)股骨头承重区松质骨骨密度与弹性模量呈现二次相关关系，相关系数为0.782(P＜0.001)；b)股骨头承重区松质骨骨密度与组织形态学静态分析指标之间呈现直线相关或直线负相关关系，相关系数均＞0.700；c)应用骨密度能较好的反映股骨头生物力学性能及松质骨细微结构，理论上可以应用于股骨头坏死后塌陷的预测。可以将0.5 g/cm2＜BMD＜0.7 g/cm2作为骨密度的相对安全范围，当骨密度在此范围外时，应考虑有塌陷的危险；d)本实验方法经拓展后亦可应用于骨质疏松患者其他长骨骨折预测的研究。
参考文献
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生物力学分析方法范文4
【关键词】 腰椎 生理学 终板 生物力学
0引言
椎体由中央的松质骨和外周的皮质骨组成，终板是位于其上、下面的皮质外层结构，中央较薄，周围增厚隆起，形成一环状骨突. 在前路椎间减压植骨融合的手术中，保留椎体终板能够有效防止植骨块的塌陷，减少后突畸形维持椎间高度，进行椎体和椎间盘切除后通常要在椎体间植入结构性支撑物，如自体骨、同种异体骨、椎间融合器或活动式椎间盘等，这些植入物都是用来维持脊柱前柱结构的生物力学功能，但是临床上经常会出现植入物沉陷到一个或两个椎体的终板内［1］，植入物沉陷可以导致潜在的疼痛，脊柱融合节段的失稳从而造成手术的失败［2］，为防止植入物的下沉，作为植入物与椎体间界面的终板要有足够的强度来承受局部的最大载荷［3］，我们分析人体腰椎不同节段终板表面不同位点的生物力学强度分布规律，为椎间置入物的放置位置、改进椎间融合器的设计及相关临床手术操作提供指导.
1材料和方法
1.1材料6具新鲜尸体的腰椎标本30椎（L1-L5），经腰椎X线摄像确定椎体完好，无骨质疏松及退行性变. 剔除周围软组织及椎体后侧附件，分离各节段，去除椎间盘及软骨终板，显露骨性终板. 标本置于-20℃冰箱冷冻保存，试验前于室温下解冻. 为保证各点的测试有可比性，在每个终板表面上均建立坐标系. 以椎体的正中矢状径作为纵轴，纵轴的中点为原点O，过原点做纵轴的垂直线定为横轴，用微米游标卡尺精确测量纵轴、横轴的长度，用油性笔分别在纵轴、横轴上标注出5等分点、7等分点，分别过各等分点做纵轴和横轴的垂线，分别得到了4条横线，6条纵线，横线分别命名为a， b， c，d，纵线分别命名为1， 2， 3， 4， 5， 6. 横线与纵线的交点共24个点即为测试点（图1）. 压缩加载试验时并未发现因测试点之间距离太小造成相邻测试点终板破坏而影响试验结果.
图1腰椎终板表面生物力学测试的坐标系（横线与纵线的交点即为测试点） （略）
1.2方法利用858 mini bionixⅡ材料测试系统（MTS公司、明尼阿波尼斯，美国）对腰椎终板表面各点进行压缩测试，用固定夹具高6 cm，直径10 cm，四周以螺栓固定椎体，固定接触面覆以3 mm厚的胶皮以保护椎体，用直径1.5 mm的半球形压头以12 mm/min的速度垂直于终板表面在每个测试点进行连续压缩加载试验，计算机记录压缩力位移曲线，在最大压缩力(最大破坏载荷)下降5%后停止加载，于实验机上读取最大压缩力数值.
统计学处理：测试结果用x±s表示，应用SPSS13.0统计软件对数据进行统计学分析，采用析因分析对最大压缩力的分布规律进行统计分析，终板的横线和纵线作为两个因素，分析椎体节段间最大压缩力的差异时将椎体节段作为第三个因素，分析椎体上下终板之间的差异时应用配对t检验进行统计学分析，显著性水平设为双侧α=0.05，对节段、横线、纵线之间的最大压缩力进行SNK检验，显著性水平设为双侧α=0.05.
2结果
2.1腰椎节段间最大压缩力的分布规律对腰椎各节段上终板平面进行析因分析，发现L1-L3与L4-L5 上终板平面最大压缩力差异具有统计学意义（P＜0.05，图2A），对腰椎各节段下终板平面进行析因分析，发现L1-L2与L3-L5下终板平面最大压缩力的差异具有统计学意义（P＜0.05，图2B），腰椎终板平面最大压缩力由上到下有逐渐增大的趋势.
A：上终板平面； B：下终板平面.
图2腰椎各节段最大压缩力平均值（略）
2.2腰椎终板平面最大压缩力分布规律对腰椎上终板平面各组分进行析因分析，发现L1-L5腰椎上终板平面横线a与其余各线差异具有统计学意义（P＜0.05），纵线1， 6与其余各线差异具有统计学意义（P＜0.05，图3A）. 对腰椎下终板平面各组分进行析因分析，发现L1-L5下终板平面横线a与其余各线差异具有统计学意义（P＜0.05），纵线3， 4线与其余各线差异具有统计学意义（P＜0.05，图3B）. 通过以上的统计学分析可发现腰椎终板平面外周部的最大抗压力大于中央部，由前向后腰椎终板平面最大抗压力有逐渐增大的趋势，腰椎终板的最大抗压力部位应位于终板的后外侧部.
转贴于
A：上平面； B：下平面.
图3腰椎终板横点平面最大压缩力分布（略）
2.3腰椎各节段上、下终板平面最大压缩力的比较分别对腰椎标本各节段上、下终板平面最大压缩力进行配对t检验分析，结果显示L3-L5上、下终板的最大压缩力差异均有统计学意义（P＜0.05），余椎体差异无统计学意义（表1）.
表1腰椎各节段上、下终板平面最大压缩力（略）
3讨论
终板是位于椎体上下面的皮质外层结构. 椎体终板在临床上有着极为重要的意义，椎体的松质骨强度很小，椎间植骨融合时，保留终板非常重要，能有效增加椎体的抗压强度，防止植骨块沉陷，同时还可以减少后突畸形，维持椎间高度. 因而研究终板的生物力学特性对于指导临床手术操作以及改进手术器械的设计具有十分重要的意义. Oxland等［4］认为椎体终板能够将压力平衡分布于其下的松质骨上，从而使椎体的抗压强度增大，如果将终板去除，椎体最大抗压力会下降33%，但这只是将椎体作为一个整体进行垂直压缩，因而无法了解椎体终板表面的生物力学强度. Grant等［5］的研究中选取了65个完整的终板平面（L3-S1），每个终板平面确定了27个测试点，用直径3 mm的半球形压头以0.2 mm/s的速度对终板表面垂直下压，通过最大压缩力位移曲线确定最大抗压强度，最后得出结论椎体的后外侧部的生物力学强度大于中央部，终板中央部是强度最弱区. Lowe等［6］认为椎体前柱结构的完整在脊柱重建中起着十分重要的作用，而植入物的沉陷现象不仅与椎体终板表面局部区域生物力学性质有关而且与植入物的形状、构造、术中是否保留终板有关，他们通过对尸体胸腰椎标本（T1-L5）分成3组，前两组用不同构造的压入物在终板表面进行生物力学测试，最后一组进行保留与不保留椎体终板的生物力学实验，通过统计学分析后得出结论终板的后外侧区是最能抵抗植入物沉陷的部位，而中央区则是沉陷最易发生的部位，大直径的实心的植入物不易发生沉陷，而中空结构的植入物较易发生沉陷，认为这与中空结构更易传导压力有关，同时又指出部分保留终板更有优势，因为这样既可以提供足够的生物力学强度，又有利于血管的长入以利融合. Kumar 等［7］用2维的有限元模型结合4种常用的融合器样式分析了脊椎融合相邻节段终板表面应力分布规律，最后得出结论融合器与终板表面的接触面积越大产生的应力越小，要提高手术的成功率应尽可能的使植入物对终板平面的应力接近生理模式. Labrom 等［8］的研究中分别将钛网融合器置于腰骶椎标本（L3-S1）终板平面的不同位置进行压缩试验，统计学分析实验数据后得出结论：终板后外侧区比中央区具有更大的生物力学强度. 我们采用了Grant的实验方法，在每个终板表面直接建立坐标系，避免了因椎体不规则及大小不同对测试点选择的影响，实验更具可比性，总共设置了4条横线，6条纵线，共24个测试点. 采用的半球形压头直径为1.5 mm，速度为12 mm/min，这样即可避免了过快造成骨破坏又可以防止过慢造成骨蠕变的情况发生. 采用直径1.5 mm的半球形压头提高了实验的灵敏性，同时还可以有效防止压头落入血管襻，在试验中未发现点与点之间互相干扰影响实验结果的情况. 本研究结果进一步证实了腰椎终板的生物力学强度外周部大于中央部，同时发现腰椎终板平面生物力学强度由前向后有增大的趋势，因而在设计椎间融合器时或进行自体骨移植手术时可将植入物尽量靠近椎体后方放置，但勿超出椎体后缘以免压迫脊髓. 同时研究还表明下腰椎上终板的生物力学强度小于下终板，因而在进行腰椎前路融合术时尤其要警惕上终板平面植入物沉陷的发生，可以考虑将椎间融合器设计为楔形，这样可以增大融合器与终板的接触以增加界面固定力同时也可以减小对终板的损伤以降低术后沉陷的发生.
参考文献
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生物力学分析方法范文5
关键词：后扫腿；身体质量；转动惯量
后扫腿是一个旋转性的动作，其重心底，扫转快，停的稳，动作技术环节复杂。在教学中学生对该动作难以掌握，常见的主要错误如下：上体右转和左脚尖内扣速度慢，难以扫满一周：扫转时未全蹲，重心过高，上体过分前倾，难以维持身体平衡。
分析其原因，主要是学生对动作技术原理理解不够，不能积极主动地掌握技术要领，而在教学中教师往往只讲动作做法，强调动作技术规格要求，忽视了其原理分析，以致学生在学习中知其然而不知其所以然。另外，由于教学教法上的不足等因素，影响了教学效果。为此，本文运用运动生物力学原理对后扫腿的几个动作环节逐一分析，并与教学教法相结合，对该动作进行探讨。
一、研究对象和方法
1.研究对象
南师大体育系95级武术专业学员和部分校武术队队员及武协会员。
2.研究方法
教学分组实验法、数理统计法。
动作错误统计表：（A代表95级武术专业学员，B代表校武术队队员及武协会员）
根据上面的统计可以看出，在教学中存在的主要错误是不能扫转一周、失去平衡和未全蹲，它们分别占专业学员的93.3%和校队及武协队员的92.5%。
二、难以扫满一周的动力学分析及教学建议
1.常见的错误
拧腰扣脚速度慢，双手扶地时未插入右腿下方；右腿扫转前重心没有及时移至左脚前掌和转体缩胯的程度不够；左腿屈膝折叠不紧，未全蹲。
2.运动生物力学分析
（1）身体质量的分布与转动惯量
大家知道：转动惯量的大小决定改变物体旋转状态的难易程度，转动惯量越大，物体的转动状态越难改变，转动惯量越小，越易改变物体的转动状态。根据I=mr2。虽然人体的总质量不会发生改变，但肢体对转轴分布状态的改变，即旋转半径r的改变使人体的转动惯量具有可变性。
后扫腿时，左脚尖内扣提踵，由左弓步变成左脚前掌支撑的右仆步并收腹、立腰、缩胯，重心迅速移向左腿，使肢体的质量分布尽量向左腿的转动轴集中，从而使转动惯量变小，人体容易旋转。而有些学生在做后扫腿时，往往没按上述动作要领来做，致使身体质量分布远离转轴，r较大，故动作难以完成。
（2）动量矩守恒与转动
后扫腿动作的部分技术要领与动量矩守恒定律也有密切关系。我们知道：当物体所受外力矩为零时，物体动量矩保持不变，即M=0时，I1ω1-I2ω2=0，这就是动量矩守恒定律。
后扫腿时，双手扶地靠近右膝下方，一是便于上体向右旋转和辅维持身体平衡；二是推撑有力，使身体质量分布更靠近转轴，使转动惯量变小，从而使角速度ω增大，有利于人体快速扫转一周，反之不利于人体的扫转。所以有些学生认为手扶地位置无关紧要的想法是错误的。
另外，右腿扫至击点时，为了动作的表现和技击的需要而放胯，但一过击点，立即收胯甚至右腿微屈来减小旋转半径r，致使转动惯量I变小，ω增大旋转加快，当扫转一周时迅速伸胯展体成左弓步，转动半径r就会猛然增大，转动惯量I增大，同时角速度ω快速减小，也就容易定住身形，达到后扫腿快扫突停的要求。而初学者往往在停止动作时低头弓腰右腿屈，不但影响了动作的美感，更影响了动作的完成。
（3）转动与摩擦
扫转除了与上述因素相关外，还与扫腿时摩擦力的大小有直接关系。根据f=μN。若身体重心不能完全落在左腿上，则另一部分重力必然由右腿承担，右腿的支撑力变大，则正压力N变大，f相应变大。另外，若μ变大，则f也变大，而μ值的大小决定于接触面的物性。压强以及滑动速度的大小。μ随速度的增大而减小，随压强的增大而增大但都不成算术比例。同样的正压力接触面积越大压强越小，μ也就越小，从而滑动摩擦力f也越小。接触面光滑平整和接触面较大，则μ值较小，f也较小。所以要求动作一开始要把身体重心尽量移向左腿，以减小右腿的压力。在扫转过程中，右脚掌仅保持与地面的轻微摩擦，以确保扫转的速度不受影响。滑动摩擦力f越大越不利于转动，故扫转将一周时，应快速把重心移至两腿之间，且全脚掌用力踏实地面，增大摩擦力，达到迅速止动的目的。
（4）教学建议
①在教学中，教师应言简意赅地向学生讲清以上运动生物力学原理。从严从细抓好每个动作技术环节及规格要求。②练习时，可让学生先做手不扶地高姿势的扫转练习，强调扫转时重心迅速移到左腿上，上体保持正直，上体控制平衡，待技术基本熟练后，逐渐降低重心到左腿全蹲。③强调双手扶地时应扶在右膝下方的动作要求，并让学生体会双手扶地位置不同的动作差别。④定向教学。为了克服一些学生在手扶地时习惯性低头弓腰，造成上体过分前倾的错误，教师可让学生右转扶地时定点平视某一目标，以保持体正立腰。⑤让学生在不同性质的地面上练习。先选择在平滑的地面上练习，然后再到较粗糙的水泥地或地毯上进行。
三、失去平衡与未全蹲的生物力学分析与教学建议
1.常见错误
未全蹲，身体重心在两腿之间，扫转时产生的摩擦力太大，易失去平衡。
2.运动生物力学分析
（1）重心高低与稳定
后扫腿要求大小腿叠紧，支撑脚前脚掌着地为轴，双手辅助扶地。而有些学生练习时，往往只是半蹲，造成重心太高，上体向右前方过分前倾，由于惯性而使重力作用线向支撑面边线靠近或落在其外，导致失去平衡。
大家知道，当人体处于下支撑状态时，在相同条件下，重心越高，支撑面越小，稳定角越小，重心作用线越靠近支撑面边线或在其外，稳定性越差，越难以维持平衡。反之，稳定性越强。后扫腿时，半蹲就会出现上述不利于维持身体平衡的条件，导致动作失败。
（2）摩擦力与平衡
如果右脚扫踢时与地面的摩擦力过大，就会造成扫踢无力速度慢，动作技术不到位、上快下慢不协调等不良后果而失去身体平衡。摩擦力分析如上所述。
（3）教学建议
①教学中把转体与全蹲作为重点环节来抓，让学生由左弓步双推掌开始，然后快速右转扶地，立腰收胯成右仆步，左脚前掌内扣撑地，强调全蹲。②让学生反复体会全蹲与扫转动作的连贯性与协调性，以防动作脱节。开始时要求学生扫转半周即可，然后大半周，逐步完成一周。③完整动作练习。全蹲与拧腰发力协调配合，右腿扫踢快速有力，击点清晰，快速制动，稳定平衡。整个动作协调连贯，一气呵成。
参考文献：
[1]武术教材编写组.武术[M].高等教育出版社，1996.
生物力学分析方法范文6
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、强直性脊柱炎、Scheuermanns病、老年性脊柱后凸、脊柱结核椎体破坏、椎体肿瘤、软骨发育不全等〔1、2〕，除了脊柱本身的因素外，胸腰段后凸畸形可由腹部肿瘤引起〔3〕。脊柱曲度正常时，身体重力线应通过各节段生理弯曲的交界处。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损伤平面以上躯体的重心更趋前移，必将进一步加重后凸畸形〔4〕。随着我国进入老龄化社会，胸腰段后凸畸形的患者不断增多，胸腰段后凸畸形常出现局部不稳定，脊柱支撑功能丧失，从而引发腰痛，且多并发上腰椎的失稳及加速腰椎间盘退变，从而给患者造成极大的痛苦，有些患者通过保守治疗无效，常需要手术治疗，给患者家庭和社会造成了巨大的负担。下面笔者就目前国内外胸腰段后凸畸形影响腰椎诸节段矢状面稳定性的研究情况进行综述。
1 脊柱胸腰段及腰骶椎的解剖及生物力学特点
胸腰椎移行部与腰椎及腰骶椎相比其形态和生物力学特性大不相同。该部位是后凸的胸椎与前凸的腰椎的移行区，生理弧度变直，这一区域恰好位于活动度较小、稳定性较强的胸椎与活动度较大、稳定性相对较差的腰椎之间；T11、12肋骨为浮肋，抵止在相应的椎体上而不是椎体间，不参与垂直载荷；从T10～12L1关节突关节的关节面的倾斜则发生很大变化，即左右旋转和左右侧屈的ROM大大降低，而前后屈曲ROM较胸椎明显增大；正常情况下，该部脊柱前方的垂直载荷分担率远远大于后方。在T11及T12胸椎，上关节突表现为胸椎上关节突的形态特征，而下关节突的形态特征却与腰椎相近，其前、后方无胸肋关节和肋横突关节的加强，且仅与一个椎体相关节，这些均构成了胸腰椎容易损伤的解剖学基础〔5〕。因此，脊柱的压缩性或爆裂性骨折常发生在胸腰段，从而造成胸腰段后凸畸形。从胸腰椎至腰骶椎，前后屈曲ROM逐渐增大，腰骶椎髂腰韧带的存在使该部位的运动和稳定性与L4、5以上有所不同〔6〕。
Abumi等〔7〕通过人尸体腰椎节段的破坏模型证实，棘上韧带、棘间韧带损伤甚至双侧关节突关节内侧半部分切除难以造成腰椎失稳，而单侧或双侧关节突关节完全切除则可导致椎间旋转和屈曲的失稳。椎间孔部的减压易导致关节突间（峡部）的分离。单侧时由于有椎弓的存在，两侧关节突关节还可发挥其功能。
2 目前利用动物脊柱标本进行的生物力学研究
王新伟等〔8〕利用出生1周以内的小牛胸腰椎新鲜标本，研究了小牛胸腰椎前路模型中的相关解剖，并与人体相关数据进行比较，发现：与人体相比，小牛脊柱椎体及椎间盘更接近圆柱状，椎间盘高度占脊柱高度的比例更大。又进行了生物力学实验，测试屈曲、伸展及侧屈状态下的载荷-应变、载荷-位移关系、最大载荷时的应力强度及屈曲、伸展、侧屈及扭转状态下的轴向刚度，最后进行极限力学性能测试。发现出生1周内的小牛胸腰椎标本在人生理载荷范围内，呈线形变化，与人体一致。
王向阳等〔9〕收集12具新鲜猪T10～L4节段胸腰椎脊柱标本，制造不同程度前中柱骨折模型，分为2组，分别安放椎弓根螺钉内固定器和内固定加前路植骨重建，每种状态依次在CMT4104多功能力学试验机上进行轴向压缩和前屈压缩测试，分别计算每组的完整标本、骨折内固定标本和植骨内固定标本的轴向压缩刚度和前屈压缩刚度。发现：胸腰椎前中柱骨折后经椎弓根螺钉系统固定不能使其恢复至原来的力学性能，椎体骨折累及范围越大，固定后力学性能越差；前中柱重建是减少后路内固定器械承载的关键。
周有礼等〔10〕利用羊的整条脊柱标本，对胸腰椎爆裂骨折后的局部载荷进行了研究。发现：在胸腰椎结合区域有较大的应变值表示该区域局部所承受的力量较大，在实验上脊柱承受牵引时，在胸腰椎接合之区域会承受较大的拉力。
3 利用在体动物模型进行的研究
Oda等〔11〕利用在体羊脊柱腰段后凸畸形模型，研究脊柱损伤和后凸畸形对相邻运动节段的影响，他们将活体羊分为对照组、L3～5原位融合组及L3～5Cobbs角为30°的后凸畸形融合组，进行了影像学、生物力学及组织学的研究分析，结果证实：脊柱后凸畸形导致头侧邻近节段的后方韧带复合结构的前凸性挛缩；L2椎板在屈伸活动下所承受的应力在后凸畸形组更为明显，提示更多的载荷转移向后柱；后凸畸形组邻近的头侧关节突关节有明显的退变性骨关节病改变，邻近的尾侧关节突关节亦有轻微的退变性骨关节病改变，而在原位融合组退变轻微。
Nielsen LW等〔12〕利用幼年猪制作了Scheuermanns病的脊柱后凸畸形模型，利用病理学、放射影像学、血液生化等方法进行研究，发现猪的Scheuermanns病胸腰段后凸畸形模型，与人Scheuermanns病导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，进行了一项在体实验，他将羊的胸腰段至下腰椎用椎弓根钉和聚乙烯绳在后面进行拴系，不融合，进行了13个月的观察后，处死羊，取其脊柱进行生物力学研究，发现模型矢状面上的非融合调整，能有效地减少椎体楔形变的程度，此方法可能成为治疗青少年Scheuermanns病的一种可行办法。
4 利用人的尸体新鲜脊柱标本进行的研究
Birnbaum等〔14〕利用11具新鲜尸体躯干标本（含胸廓），制造了胸椎后凸畸形模型，对前路松解前、后的矢状面矫形效果进行了解剖学及生物力学研究，结果发现：单纯前路松解（开放或经胸腔镜辅助）矫形效果良好，且能有效地改善矢状面平衡。
赵必增等〔15〕利用新鲜尸体胸腰椎标本，探讨了椎体成形强化后对邻近椎间盘、椎体的力学影响，发现强化椎体后，对邻近椎体造成的应力集中很小，而对邻近椎间盘有一定的影响。
5 利用三维有限元分析进行胸腰段后突畸形研究
有限元素法（FEM）是一个求偏微分方程式的数值方法。随着个人计算机功能的完善，有限元素法的使用也越来越简单，在医用生物力学方面应用更是越来越普遍〔16〕。
Liebschner MA等〔17〕对19例人的尸体胸腰段椎体标本进行CT扫描，建立三维有限元模型，进行有限元分析；同时对标本实体进行解剖学测量以及生物力学试验分析，最后将二者测得的数据进行对比研究，进行统计学分析，发现：用恒定0.35层厚和457 MPa有效模量，结合CT重建的椎体几何模型与骨小梁特性，进行椎体外壳的建模，能精确的预测整个椎体的生物力学特性。
程立明等〔18〕就胸腰段后突畸形对相邻椎间盘力学影响进行了三维有限元分析研究。他们选取结构正常的脊柱作为实验材料，通过CT扫描获取脊柱的二维图像，然后进行三维重建，转化为有限元模型（FEM），利用Free Form成形软件构建胸椎后凸畸形模型，分别对正常结构和胸椎后凸的脊柱有限元模型进行载荷试验，分别比较椎间盘和小关节应力分布情况，总结出以下结论：脊柱胸腰段后凸畸形改变了相应椎间盘的载荷应力应变分布，这可能加快椎间盘退变及使后方纤维环易受损破坏。
6 利用影像学进行的临床研究
Seel EH等〔19〕使用Oxford Cobbometer对椎体骨折导致胸腰段后凸畸形的Cobbs角进行测量，发现与传统的测量方法相比，其测量的结果更简便、准确、可行。
吉立新等〔20〕收集12例具备胸腰椎和腰骶椎正侧位X线片的胸腰段后凸畸形病例，与20例正常对照组进行相应比较，进行分析研究。发现患病组平均腰椎前凸角度与正常对照组相比有极显著性差异。患病组单节段腰椎前凸角度以上腰椎变化更为明显。从而认为：胸腰段的后凸畸形，使病损平面以上躯体的重心更趋前移，增加了致畸负荷，必将进一步加重后凸畸形。为维持直立下躯干重心的平衡，就需要调整头、颈、胸和腰部的曲度甚至髋部和膝部的位置使重心后移，其中最主要是通过腰椎的前凸加大来实现这一目的。腰段所发生的代偿性改变比腰骶段更为明显，而腰段的代偿性改变又更多地集中在上腰椎，而且椎体的后滑移也发生在上腰椎，表明胸腰段后凸畸形对上腰椎有更大的影响。
陈仲强等〔21〕测量14例后凸畸形截骨手术治疗前后的胸腰段后凸角和腰椎的前凸角以及椎体滑移情况，对所得结果与正常组进行对比分析。发现：胸腰段后凸畸形可导致腰椎过度前凸及椎体向后方滑移，尤其在上腰椎更为明显，可能是引发腰背疼痛的重要原因之一：矫正胸腰段后凸畸形可减小腰椎的过度前凸和椎体滑移倾向，可明显减轻患者的腰背疼痛；前后方联合截骨更安全，矫正后凸畸形效果更好。
7 问题与展望
综上所述，对于胸腰段后凸畸形，国内外学者从解剖、动物标本模型、在体模型、人尸体标本模型、有限元分析模型及影像学临床等不同角度出发，进行了生物力学及其他方面的研究。研究更多的是解剖、标本模型、有限元分析及影像学方面。解剖学属于形态学范畴，研究历史较长；动物标本易于取材，但与人的生物力学特性还是有差异的；相对实验分析而言，有限元分析的优点在于它对分析参数控制的绝对性和简易性，及完整多样的结果数据。现阶段有限元素分析，必须要配合恰当的实验数据或临床现象比对，结合有经验的临床及力学人员，有限元素分析才能发挥它最大的功效。而由于受各方面条件的限制，在体动物生物力学模型与人新鲜尸体生物力学模型的研究，国内外报道的很少，尤其是利用人新鲜尸体对胸腰段后凸畸形影响腰椎诸节段矢状面稳定性进行生物力学的研究，目前国内外尚是一个空白，这方面还有很大的研究空间。 【参考文献】
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