生物力学实验方法范例6篇

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生物力学实验方法范文1

【摘 要】我们在物理教学中发现，有相当多的学生只会读书、做题、考试，而不会自己分析、设计、实验。观察实验现象、分析实验结论，体现在中考实验题失分较多。因此，在物理教学中，尤其在实验教学中，必须改革实验教学，充分发挥学生思维的主体性，促进学生创造性思维的培养，提高学生的创新能力。

【关键词】物理实验；方法创新；创新能力

物理学从本质上说是一门实验科学，物理规律的发现和物理理论的建立都必须以严格的物理实验为基础，并受到实验的检验。因此，在物理教学中，尤其是在实验教学中，注意不断激励学生通过观察、比较、实验、归纳、类比等探索手段提出种种假设和猜想发展他们的创新意识就显得尤为重要。

1. 培养创新能力已成为素质教育的主旋律 随着时代的发展，培养学生的创新精神已成为素质教育的主旋律。联合国教科文组织认为，教育的使命是使每个人发展自己的才能和创造性潜能。培养创新的人才成为时代的要求。埃德力・富尔在《学会生存――教育世界的今天和明天》中指出：“未来的文盲不再是不识字的人而是没有学会学习的人。教育的目的不应该培养学生从事一种特定的终生不变的职业，而应以培养他们有能力在各种专业中尽可能地流动，并永远刺激他们自我学习和培训自己的欲望”。

2. 分组实验的多样化 目前分组实验，普遍存在只重视简单的操作练习，从器材、方法到表格设计都是按照规定好的进行实验。教师很少引导学生思考和探索，有些学生只是依葫芦画瓢，根本不能领会实验的原理和思想方法。而动手能力是素质教育的基本能力之一，是发展学生的思维能力，培养学生创造能力的必要条件。而分组实验是锻炼学生的主渠道，要积极创造条件，为学生提供更多的动手操作的机会。分组实验不仅是要求学生掌握一定的实验技能 ，了解物理学的实验方法，更重要的是通过实验培养学生创造才能，激发学生对科学知识的探索精神。因此，教师的实验教学中，对某些实验可事先将实验课题对学生提出，组织学生对实验进行讨论：在实验中应选择什么仪器，采取什么手段，注意哪些问题。最后让学生自己设计实验方案，拟定计划，实验中学生可按不同的方案进行实验。课后再组织学生对实验中出现的问题，实验成败的关键，最佳方法及实验结论等问题展开讨论，并由学生进行答辩、演示。这样学生在整个实验过程中都处于积极的思维、分析、动脑、动手之中，站到了学习的主置上。如用天平和量筒测量液体密度时，我让学生根据实验目的和原理去设计实验，写出实验器材和步骤。对于器材，有些学生把课本中的烧杯换成自己手头的种种容器。在步骤上，有的把倒部分盐水改为全部倒入，还有学生先称空杯的质量，再称倒入盐水后的质量。对于器材，表扬学生肯动脑筋，在步骤上肯定将盐水全部倒入的合理性，并对先称空杯后再倒入盐水称总质量的做法进行讨论分析，得出这种方法在理论上是可以的，但在将盐水倒入量筒测体积时，由于杯底和壁还粘有盐水，使测得的体积偏小，会使测量结果误差偏大。这样学生感到成功的喜悦，师生探究的快乐，并能找到自己的差距，极大调动了学习的兴趣。在实验中、教学中培养学生的创新能力，拓展学生的思想空间，充分发挥学生的主观能动性。

生物力学实验方法范文2

一、发散思维的概念和特征

发散思维作为创造性思维的核心成分，其在教学中的地位举足轻重。所谓发散思维，又称为求异思维，是指在思维过程中能够根据已有的信息，打破常规，从不同方向、不同角度寻求变异，探索多种解决方案或解决问题的新途径的思维方式。发散思维的主要特征表现为流畅性、变通性和独特性。

二、发散思维方法的训练

发散思维的方法有很多，如多向思维、逆向思维、侧向思维等。下面着重讨论如何就上述三种方法对学生展开训练。

1.多向思维

所谓多向思维就是指针对同一条件，从不同的方向和角度去思考、寻求解决问题的各种方法和途径。为了培养与训练学生的多向思维能力，我们可以从两个方面进行考虑。

首先，要在物理问题的问法与提法上下工夫。一个物理问题的结构对于学生的物理思维和解答程序具有引导作用，换句话说，就是提问的方式，决定着思考的方式和回答的内容[2]。对同一问题，采用不同方式提问，效果截然不同。例如，关于如何使用天平测量物体的质量，可以这样提问：用天平怎样测量物体的质量？这种思路狭窄的提问方式，意味着只能有一个标准答案。而如果这样提问：你能想出多少种测量物体质量的方法？这种思路发散的提问方式，决定了答案的开放性和多样性，以及对学生思维引导的有效性和促进作用。

其次，要在问题本身的设计上广开思路。比如可以设计一些一题多解、一题多问、条件多余需选择或条件不足需假设的问题，甚至可以通过答案不清待确定的开放性、不完善的习题，来培养学生多角度、多侧面、用不同方法思考和解决问题的习惯，以便于沟通知识之间的内在联系。

【案例】围绕初中物理概念“压强”的教与学，利用身边随处可见的实验资源，能设计出哪些演示实验或学生分组实验？

根据控制变量法的原则，应围绕控制物体“受力面积和压力”两个变量来考察“压力的作用效果”，从而进行实验材料的选择。根据本课题要求，我们把实验设计重点确定为寻找生活中具有“同一物体各端面积不同”结构特点的物品或器具上。为此，首先把实验材料分为文具、服饰（包括鞋）、日常用品、常见工具、人体结构（或肤觉的利用）和其他类别，然后启发学生通过发散思维，尽可能多地列举身边方便获取的每一类可供利用的资源。

本课题中，基本符合要求的实验材料有：（1）文具类：一头削尖的铅笔、中性笔或笔芯、文具盒、笔筒、长方形橡皮、墨水瓶、书籍等；（2）服饰类（包括鞋）：冰鞋、旱冰鞋、高跟鞋与平底鞋等；（3）日常用品：板凳、桌子、椅子、肥皂、图钉、勺子、杯子、筷子、两端粗细不均的各类瓶子等；（4）常见工具：钉子、刀具、螺丝刀、锥子、斧头、铲子等；（5）人体结构（或肤觉的利用）：脚与膝盖、指肚与指甲、手指与手掌、站立与趴下等；（6）其他类：砖块、硬纸盒等，或者利用木材、泡沫板等材料自制一些具有“同一物体各端面积不同”结构特点的物品。同时，为了突出压力作用效果，便于学生观察和体验，加深学生对“压强”概念的理解，还需要选择以下实验材料对实验效果进行放大：细沙、海绵、泡沫板、橡皮泥等。最后，要求学生自选上述材料设计多种实验方案并进行探究学习。

2.逆向思维

思维方向有“顺向”和“逆向”之分。顺向思维指的是按人们一般的思维习惯从正面、表面或明显的、易于接受的方向进行思维。逆向思维则相反，它是从事物的反面，从一般思维习惯的反方向来思考和分析问题。在物理实验教学中，培养和训练学生逆向思维的方法通常有：

（1）利用典型实验，训练和培养学生的逆向思维习惯

科学史上运用逆向思维进行发明创造的例子不胜枚举。例如电磁感应定律的提出，就是法拉第依靠逆向思维，借助奥斯特的电流磁效应实验得到启示：既然电能够生磁，磁能否生电？历经10年探索，设计了各种实验，他终于发现了电磁感应现象，揭示了电磁的本质。从物质到反物质，从粒子到反粒子等许多近现代物理成果的发明或发现也都巧妙地运用了逆向思维的方法。这些经典案例告诉我们，如果教师能充分挖掘教材中这些成功的实验对学生进行启发引导、强化和训练，不仅有助于开发和训练学生的逆向思维能力，形成良好的思维品质，同时也可培养学生形成辩证唯物主义世界观。

（2）执果索因，教给学生逆向思维的方法

教学实践中发现，大多数学生喜欢从正面思考问题，即由原因推导出结果。但对某些较为复杂的物理问题，顺向思维的解决方法往往比较烦琐。这时，如果我们能倒过来想想，即巧妙运用逆向思维，往往会化难为易，化繁为简。为此，教师在教学过程中应当有意识地增强逆向思维的训练力度来挖掘学生的思考潜能。比如进行变式教学：改变已知与未知的关系，或把问题倒过来，构成执果索因的逆向性命题。在物理学中，需要逆向思考的问题很多。其中，光学与电学中的“黑箱”问题，需要利用反证法证明的问题等，都是可以采用逆向思维来解决的典型问题。

生物力学实验方法范文3

【关键词】 椎体；生物力学；横截面积；扫描法

目前，应用生物力学指标对骨骼的相关性能进行描述是十分有效的研究方法之一，在运动医学及骨质疏松症领域进展较快，特别是在动物实验中，直接通过对动物骨标本进行生物力学相关指标测试，观测相关指标的变化，即可得出机体骨骼性能变化的情况。骨生物力学检测指标中，极限强度、破断强度及结构刚度均由相关检测数据计算得出，而这其中，横截面积是极为重要的数据，通过一定的方法计算出骨骼受力部位的横截面积就显得非常关键了［1］。

通过观察实验动物(如大鼠)股骨的生物力学性能指标的变化可以推断其皮质骨性能的改变，推断松质骨性能变化通常则是观察其腰椎生物力学指标的变化。目前，椎体横截面积的计算方法是根据阿基米德定理通过椎体的浮力计算所得，此方法技术成熟，应用最为广泛，已经得到普遍公认［2，3］。

具体测试过程为：首先用游标卡尺测量出椎体的高度(H)；用分析天平称取椎体湿重(G1)，再应用分析天平称取椎体浸没在蒸馏水的重量(G2)，求两重量之差(G1-G2)即可得椎体在蒸馏水中所受浮力(F)，水的密度(ρ)与重力加速度(g)的乘积再除椎体在蒸馏水中所受浮力(F)，数学公式表述为F/ρg，即可得到椎体体积(V)；最后求椎体体积(V)与椎体高度(H)，数学公式表述为V/H，即得到椎体的横截面积。总的数学计算公式可写为： (G1-G2)/ ρg H从上述计算椎体横截面积的描述中我们不难看出其中的计算过程比较麻烦，由于实验中称取椎体浸没在蒸馏水中的重量一般均应用精确度较高的分析天平，而分析天平在测量时要求较高，如干燥、空气流动较小等，在应用分析天平称取椎体浸没在蒸馏水中的重量的实际操作中就显得过于复杂，而且因为干扰因素相对多，也可能造成误差相对较大。而在动物实验中，应用最广泛的大鼠椎体的体积小、重量轻，这样的小标本在具体操作中显得很不方便。另外，椎体生物力学实验中，实验前椎体标本需要作一定处理，目前通常的处理方法是处死动物后取出腰椎，剪除椎体上下椎间盘、棘突及附件，并用细砂纸打磨成上下平面平行且与纵轴垂直的三棱柱［4］。正是因为这样的打磨手段，然后通过浮力的方法检测，这样不可避免地会产生与方法不够严密相关的误差。因为椎体外层较薄的皮质骨在打磨中受损甚至完全去除，这样在将其浸没水中测量计算其体积时，水将会进入与外界相通的松质骨间隙中，造成计算所得体积值比真实值偏小，这样就会造成最终计算所得到的椎体横截面积偏小。因此我们认为此方法不仅有操作上不方便的缺陷，而且造成的误差可能会较大。

正是基于上述考虑，我们对传统方法进行了一些改进，设计了一种便于操作的计算椎体横截面积方法，我们将之称为“扫描法”。具体操作方法如下［5］：将磨制好的椎体竖直置于扫描仪上，经扫描后存储BMP图像。分别扫描椎体上下两底面。然后采用Photoshop7．0图形软件处理系统对其进行分析处理，所得结果再经SP专用软件分析计算上下两底面面积，两底面面积求平均值即为椎体横切面积。扫描后通过电脑处理直接求出椎体横截面积。

“扫描法” 在椎体生物力学实验中计算其横截面积相对目前常用的传统方法不仅具有着操作方便的优点，而且此方法是通过扫描，然后通过图像直接计算得出结果，这样就避免了操作过程中可能产生较大误差的步骤。

“扫描法”在计算椎体横截面积中有着传统方法所不能及的优点，不仅简化了相关科研实验的步骤，大大提高工作效率，而且可以最大程度减少误差，提高实验的准确程度。所以我们认为此方法可以在相关研究中推广应用。

参考文献

1 陈孟诗，赖胜祥，李良，等.大鼠的骨生物力学指标选取及测试.生物医学工程学杂志,2001，18(4)：547-551.

2 孟和，顾志华.骨伤科生物力学.人民卫生出版社,1991.

3 崔伟，刘成林.动物骨生物力学指标的选择及计算方法.中国骨质疏松杂志,1998，4(1):90-92.

4 宋永伟，刘彦卿,等.中药骨必康对去卵巢大鼠骨矿含量、骨密度及其生物力学影响的实验研究.中医正骨,2001，13(6):5-7.

生物力学实验方法范文4

【关键词】初中物理 问题 意识 创新 能力 素质 教育

新课程标准强调教师的主导地位，大力提倡导学，就是强调对学生问题意识的培养。初中物理是小学科学的延伸和提高，是自然科学的新起点，而且物理是一门以观察和实验为基础的学科，对于培养学生的问题意识有得天独厚的优势。

一、创设课堂情境，营造宽松学习氛围

任何学科的教学，要想创造最佳的教学效果，都离不开好的课堂环境，对于内容比较抽象、枯燥的物理课来说，创设一个生动形象的教学情境尤显重要。课堂情境的创设者是教师，一堂课上得好与坏，与教师所采取的教学步骤、方法以及创设的课堂情境有很大的联系。在创设教学情境中，教师首先要根据学生求知、求动、求趣、求异、求新的心理特点，精心组织和设计课堂讲授内容，把课本知识和生活实际联系起来，创设出引人入胜、妙趣横生的情境。这样就容易激发学生的学习兴趣，形成宽松和谐的课堂氛围，使学生很快地理解和掌握物理知识，且牢固记忆。

如讲“平面镜成像”一节中，笔者演示了一个“猜牌”小魔术，学生的求知得渴望一下子被调动起来，在揭示魔术的秘密是“平面镜”后，学生立刻对平面镜成像很感兴趣，于是很愿意去探究平面镜成像的规律， 并能取得了较好实验效果。

二、融洽师生关系，鼓励学生敢于提问

处于青春期的初中生内心迫切希望得到别人的肯定和鼓励，耻于在众人面前出丑，怕没把握答错问题招致教师和学生的奚落和耻笑，这就导致了初中课堂上学生不愿甚至害怕课上发言。教师应该了解初中学生的心理特点，爱护和尊重学生，多和他们接触，建立融洽的师生关系，使学生乐于和教师交流。在课堂教学中，要想办法消除学生的紧张和焦虑，创设放松、愉悦的氛围，对于胆怯不敢发言的学生多给予鼓励，对于基础差的学生降低问题的难度，预留更多的思考时间，另外可以给学生更多的自由争论的时间，用教师的鼓励和同学的善意鼓励更多的学生敢于质疑和提问。

如，在《电阻》一课的教学中，学习了铜是电的良导体后，有学生低声问为什么他家的铜丝不导电，引起大家一片笑声。此时我平息了学生的笑闹，引导他们对于不同的意见要用事实根据来说话，不能进行奚落和嘲笑。然后，让学生证明这个学生所带的铜丝为什么不导电，最终找到原因是铜丝的表面有层透明的油漆，起到绝缘的作用。并且要及时的给予这个提问同学以鼓励，告诉人家“今天知识的获得是人胆提问的同学带来的全班学生都要向这个同学学习。”这样既解释了学生的疑惑，又尊重了学生的不同意见，保护了学生的自尊心和提出问题的勇气。

三、培养质疑能力，调动学生探究兴趣

仅仅敢问远远不够，关键是要有问题可问，尤其是能问出有价值的问题。现在的学生，习惯了应试教育“师问生答”式的教学，再加上知识、能力的准备不足。特别是反思能力与发现矛盾的能力尚处在发展初期，对问题往往不能问到关键之处。为此教师还应注意对学生进行质疑方法的指导，使学生“会问”。

首先，可从生产、生活实践中去发现问题，比如学习摩擦力后，展示生活中所用的自行车、老虎钳等用具，让他们观察思考，引导他们提出“哪些地方应用了摩擦，哪些地方防止了摩擦，如果没有摩擦，我们的世界会怎样”等等问题。其次，由于物理学是一门综合性很强、应用性很强的学科。初中物理涉及到声学、光学、力学、热学、电学五大板快，在生活应用中这五大板块知识交错穿插、相互联系，而应用中又与地理、生物、化学、数学、语文等知识有关联。

因此在物理课堂上应教会学生打开思路、大胆创新、多方面思考、学会提问。如在初步学了电能这一知识点后，我向学生展示了用电热水壶加热水的场景，让学生就电热水壶的结构和使用过程的具体情况，提出若干个与物理有关的问题，所提问题可以涉及力学、热学、电学等各个部分，并针对所提的问题做出简答。再次，从教材内容本身的不明确之处、 “矛盾”之处寻找问题。有很多探究活动只给予了探究过程，并没有结论，此时就可充分利用这一点，让学生大胆的去设想。在物理教学中经常性地通过此类开放性问题的探究，不仅能充分调动学生的探究兴趣，启发学生积极思维，更有效培养学生观察问题、发现问题和提出问题的能力，而且强化了学生的问题意识，使之更深刻地掌握所学的物理知识。

四、紧密联系生活，培养学生创新能力

物理知识来源于生活，又服务于生活或生产，尤其是初中物理所涉及到的知识，大多都能在生活中找到直观的现象。教师在教学中要多采用学生身边熟悉的素材，让学生从自己的生活经历和观察中去探究和认识物理现象和规律。将学生熟悉的日常生活引入课堂，容易引起学生的情感共鸣，激发学生学习物理的兴趣，另一方面可以激发学生的思维，让学生悉心观察发现问题，在充满困惑和矛盾的好奇中，寻求问题的解决方法，探究物理知识和规律。同时，教师要努力改变传统课堂让学生带着问题来，解决了问题完成教学任务的状况。每次课堂教学要给学生留有一定的余地，在课堂末尾也要注意创设情境帮助学生产生问题，让学生课下思考、探究和讨论，这是强化学生问题意识，提高其自主学习能力的有效手段。如在做完“平面镜成像”的实验后，在课堂末尾，让学生提出几个在实验中发现的问题。学生

的问题自然五花八门，教师要从中选择具有物理和实际意义的问题，引导学生课下进行思考和探究，并在第二节课上进行讨论。

如“探究平面镜成像规律为什么要利用玻璃片当平面镜？还有没有其他确定虚像位置的方法”等等。教师还要随时引导学生注意社会上和现代技术及生活中出现的新现象和新事物，不断发现和提出具有物理意义的问题，并利用所学的物理知识去解决这些问题，逐步培养自身的创新精神和实践能力。

总之，“学起于思，思源于疑”，在教学活动中，老师要引导学生发现问题、讨论问题、思考问题、解决问题，然后在此基础上再提出问题，从而进入一个不断发现问题、解决问题的良性循环，使学生养成良好的问题习惯，不断提高他们自主学习、自主探索的能力，从而提高其综合素质的全面发展.

参考文献

[1]方学胜.浅谈初中物理教学中学生问题意识的培养[J]，科学大众，2010

生物力学实验方法范文5

【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 Emodulus 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 Emodulus and BMD with DEXA of bones in femoral head，and universal compression machine respectively；measure the static bone histomorphometry parameters with computercontrolled image analysis system；test the correlation between BMD and Emodulus，BMD and static bone histomorphometry parameters statistically.Results BMD could reflect Emodulus and static bone histomorphometry parameters very well.Conclusion BMD can reflect Emodulus 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(freeending 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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生物力学实验方法范文6

【摘要】 目的 对比研究新型点接触锁定加压接骨板(PCLCP)和动力加压接骨板(DCP)固定老年骨质疏松性粉碎性股骨骨折的生物力学特性。方法 选取12对老年骨质疏松性尸体股骨制成横断骨折，骨折间隙为1cm，模拟粉碎性骨折模型。每对随机选取一根用PCLCP固定，另一根用DCP固定。进行前后四点弯曲、轴向压缩及扭转实验，得到相应的弯曲、压缩和扭转刚度。结果 PCLCP固定骨质疏松性粉碎性股骨干骨折后的弯曲刚度强于DCP的83.3%、压缩刚度强于DCP的76.5%及扭转刚度强于DCP的18.7%，前两者具有显著统计学差异(P

【关键词】 股骨骨折;接骨板;骨质疏松;生物力学

【Abstract】 Objective To compare the biomechanical comparison of a new point contact locking compression plate(PCLCP) and the dynamical compression plate(DCP) in an osteoporotic comminuted femoral fracture model.Methods Twelve pairs of aged cadaveric osteoporotic femurs with transverse fracture and 1cmwidth fracture interspace were created to simulate comminuted fracture and fixed with PCLCP or DCP respectively.Then the anteroposterior four point bending，axial compression and torsion tests were conducted to determine the bending，compression and torsion stiffness of the PCLCP and DCP.Results Compared with the DCP，the bending，compression and torsion stiffness of PCLCP were higher，showing significant differences in the bending and compression tests.Conclusion The new PCLCP has advantage of higher bending and compression stiffness when used to fix the osteoporotic comminuted femoral fracture.

【Key words】femoral fracture;bone plate;point contact;osteoporosis;biomechanics

对于股骨干骨折，20世纪70年代以前多数学者主张保守治疗，但畸形愈合、膝关节强直和创伤性关节炎等并发症很高，为降低这些并发症，设计了钢板和髓内钉等各种内固定物。但是对于节段性骨缺损、骨质疏松性骨折、粉碎性骨折，由于骨质量降低，螺钉的把持力降低，导致内固定的稳定性降低[1-2]。因此针对这种骨质量降低的长骨干骨折，许多新方法和新的内固定设计出现，并且取得较好的临床效果，如更长的接骨板、Schuli锁定螺钉、锁定加压接骨板、骨水泥和复合髓内接骨板等等[3-5]。我们在以往研制的点接触动力加压接骨板[6](point contactdynamic compression plate，PCDCP)基础上，研制出一种新型点接触锁定加压接骨板(point contactlocking compression plate，PCLCP)，结合点接触、动力加压和锁定功能于一体[7]，动力加压孔将对粉碎性骨块起到良好的加压复位作用，锁定孔将对骨质疏松性骨皮质起到更强的固定作用。本组部分实验利用骨质疏松性尸体股骨制作粉碎性骨折模型，对比研究PCLCP和DCP固定骨质疏松性粉碎性股骨干骨折的生物力学特性。

材料与方法

1 实验用材料

1.1 PCLCP接骨板 PCLCP在接骨板螺孔两侧有凸台状结构，高1.5mm，底面长与螺孔直径相同，顶面为点状。螺钉帽与接骨板螺孔可行锁定，全长128mm，宽16mm，厚4.5mm。对称分布6个锁定螺钉孔和中间2个动力加压孔，螺钉为4.5mm标准锁定及加压皮质骨螺钉。PCLCP结合锁定、加压与点接触功能于一体。实验用接骨板、螺钉均为医用316L不锈钢制成，具有良好生物学相容性。(国家发明专利号：200510057114.0)

1.2 DCP接骨板 江苏省常州市康辉医疗器械有限公司采购，均为8孔医用316L不锈钢制造，螺钉为4.5mm加压螺钉。

2 实验方法

2.1 试件制备和分组 12对老年尸体(平均年龄72岁)股骨由重庆医科大学解剖教研室提供，于-20℃冰柜保存。对12对股骨利用美国Norland公司的双能X线机进行扫描，测定骨密度值(BMD)，选取8 对密度值符合骨折疏松标准骨的标本。每对标本随机选取一根用8孔PCLCP固定，作为PCLCP组;另一根用8孔DCP固定，作为DCP组。PCLCP不预弯，DCP预弯，用4.5mm皮质骨螺钉中立位将接骨板固定于股骨张力侧，其中PCLCP和DCP全部固定两端8 枚螺钉，锁定螺钉均与接骨板螺孔呈锁定固定。选取每个标本的中点用线锯锯断，做成1cm间隙，模拟粉碎性骨折模型(见图1)。固定骨折后的测试标本置于日本岛津万能力学测试机上，分别进行前后四点弯曲;置于美国MTS880材料试验机上进行轴向压缩实验;置于RGT5AT微机控制电子万能试验机上进行扭转实验。

2.2 生物力学测试 两组标本进行前后四点弯曲实验，标本置于前后位置下加载，两加载点间距15cm，两支点间距离30cm。接骨板固定侧位于张力侧，采用最大500N的载荷保护下，5mm/s匀速弯曲加载，在弹性变化范围进行弯曲实验。同步记录试件内应变值与弯曲挠度的关系，换算为加载力和固定试件的抗弯刚度。试件在四点弯曲过程中未破坏。

图1 PCLCP接骨板与DCP接骨板固定股骨干骨折实物图

两组标本进行轴向压缩实验，每个标本两端用牙托粉包埋固定成圆柱形，置于材料试验机下轴向压缩加载，接骨板固定于张力侧，采用最大1000N的载荷保护下，5mm/s匀速加载，在弹性变化范围进行轴向压缩实验。同步记录试件内应力值与弯曲挠度的关系，换算为加载力和固定试件的抗压刚度。试件在轴向压缩过程中未破坏。

两组标本进行扭转实验，每个标本两端用牙托粉包埋固定成圆柱形，后置于测试机下加载。接骨板固定于张力侧，采用最大50Nm的扭矩载荷保护下。5degrees/s匀速扭转加载，在弹性变化范围同步记录试件内扭矩与扭转角度的关系，换算为固定试件的抗扭刚度。

3 统计分析

实验结果用以±s表示，采用SPSS13.0统计软件包进行配对t检验分析，P

结 果

1 骨密度值比较

PCLCP组股骨颈区域平均骨密度值为(0.59±0.11)g/cm2;DCP组股骨颈区域平均骨密度值为(0.60±0.10)g/cm2。每个标本的BMD值均小于成年股骨骨峰量值的2个标准差以上，符合骨质疏松的诊断标准。两组BMD对比无明显统计学差异(P>0.1)，因此两组股骨标本具有可比性 (图2)。

图2 PCLCP组与DCP组骨密度值对比直条图

2 前后四点弯曲

在保持前后加载、最大载荷500N下，试件在弹性变化范围内，固定标本卸载后无残余畸形。据加载与变形关系，绘出前后四点弯曲试验载荷与挠度曲线图，计算出每个试件的前后四点弯曲抗弯刚度，比较PCLCP组和DCP组前后四点弯曲的平均抗弯刚度，PCLCP组的前后四点弯曲平均抗弯刚度高出DCP组83%，两者差异具有统计学意义(P

3 轴向压缩实验

在保持前后加载、最大载荷1000N下，试件在弹性变化范围内，固定标本卸载后无残余畸形。据加载与变形关系，绘出轴向压缩实验载荷与挠度曲线图，计算出每个试件的轴向抗弯刚度，比较PCLCP组和DCP组轴向压缩的平均抗弯刚度。PCLCP组的平均轴向压缩抗弯刚度高出DCP组77%，统计学分析两者差异显著(P

4 扭转实验

在保持最大扭矩50Nm下，试件扭转直至断裂。据加载与变形关系，绘出扭矩与角度曲线图，计算出每个试件的抗扭刚度，比较PCLCP组和DCP组扭转实验的平均抗扭刚度。PCLCP组的平均抗扭刚度高出DCP组18%，统计学分析两者差异无统计学意义(P>0.05)(见表1)。表1 PCLCP和DCP接骨板固定股骨干骨折的生物力学比较

讨 论

股骨干骨折临床常见，其正确治疗需要了解股骨干的解剖、生物力学及创伤机制，并根据骨折类型选择合适的固定方法[8]。以前的牵引和支具外固定可以得到可接受的临床效果，但是比内固定效果差。现今，股骨干骨折的治疗主要是髓内针、接骨板内固定和外固定架治疗。接骨板内固定的优势在于能够达到骨折解剖复位和坚强固定[9-10]。

传统的DCP接骨板被广泛应用于股骨干骨折的内固定。DCP板上的螺钉加压孔有一倾斜角度，当螺钉拧紧时，板上加压孔允许螺钉在纵向滑行，导致股骨相对板移动，使得断端间产生加压。这种设计开创了骨折坚强内固定板时代，结果导致以缺少骨皮质骨痂形成为特点的骨愈合模型。Xu等[11]通过尸体股骨完整骨及截骨后分别以等厚钢板固定，作模拟负重下的电测应力分析。结果表明等厚钢板不符合等强度原理，中间两螺孔间受力明显大于边缘部。截骨面在双肢站立时主要承受压应力，加载至体重2倍时，压应力明显大于完整骨。单肢站立时承受弯应力，截骨面压应力小于完整骨。应力遮挡和骨结构改变可通过钢板优化设计和肢体正常负重克服。

Ellis等[12]研究发现，在存在缝隙的粉碎性骨折模型中，螺钉尽量放置在接近骨折位点处才能最小化DCP板所受的应力。在没有缝隙的解剖复位的骨折模型中，间距宽的螺钉或者是远离骨折位点的螺钉才能最小化DCP所受的应力。DCP的优点是能够降低骨不连发生率，稳定的固定和不需要外限制器，允许邻近关节的早期运动。但是DCP还有一定的缺陷，包括延迟愈合，显微镜下可以检测到微小的骨折缝隙的持续存在，导致骨板去除后应力提高和板下的皮质骨丢失。Kessler等[13]的研究显示，在平均20.1个月后去除接骨板后仍然有再次骨折发生，28个再次骨折端的组织学检查确认骨折发生在缺少骨桥形成的位点。

随着交通事故的增多和社会人口老龄化，粉碎性骨折和骨质疏松性骨折将越来越多。在过去十年中，对于老年性皮质变薄的骨质疏松性粉碎性骨折，许多技术被用于探求其最佳的固定机制，包括骨水泥的应用、羟钉的应用、螺钉成角固定、锁定螺栓和各种锁定接骨板系统[14-16]。另外，Bottlang等[17]通过生物力学对比研究认为，在锁定接骨板末端改用加压螺钉能够减少接骨板末端的应力集中，增加固定结构的抗弯力量，更适合假体周围骨折这类股骨长骨干的骨折疏松性骨折。

由于合成股骨比尸体股骨标本的强度更高[18]，因此在本研究中，我们利用老年性骨质疏松性股骨作为标本，制作1cm间隙模拟粉碎性股骨干骨折的临床实际情况，对比研究PCLCP接骨板和DCP接骨板固定骨质疏松性尸体股骨干骨折模型的生物力学特性。研究发现PCLCP接骨板稳定性能明显强于DCP接骨板。在前后四点弯曲加载下，PCLCP接骨板的抗弯强度高出DCP接骨板83%;在轴向压缩加载下，PCLCP接骨板的抗压强度高出DCP接骨板77%;在扭转加载下，PCLCP接骨板的抗扭转强度高出DCP接骨板18%。在扭转加载下，PCLCP接骨板固定试件断裂同时发生在远端多个螺钉或是股骨的两端。其原因是由于锁定接骨板的螺钉均锁定在接骨板上，整体提高了螺钉的把持力[3，19]。

总之，本部分实验表明，在骨质疏松性粉碎性股骨干骨折模型中，PCLCP接骨板的生物力学特性明显优于DCP接骨板，能够提供更加稳定的生物力学性能，为下一步动物实验和临床应用提供了生物力学依据。

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