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生物力学研究范文1
种植义齿是口腔科领域中发展最快，最令人兴奋的一个分支，已成为与高速涡轮牙机、全景X线机、高分子粘固材料并列的20世纪牙科发展的四项重大突破之一。一个成功的人工种植体应该和骨组织直接结合，形成良好的生物力学相容性，将咀嚼压力均匀分布到周围骨组织，应力过大或过小，都无益于种植牙周骨组织的重建，都将导致种植牙的失败。据此，本文特将人工种植牙的生物力学研究进展作一概述。
1 应力分布研究方法的发展
在20世纪70年代以前，生物力学研究和应力分布的检测多采用电测法和光弹法，电测法和光弹法属于实验应力分析法。电测法是实验应力分析方法中最基本的方法之一，它的灵敏度与精确度较高，可用于现场测定，用于各种复杂环境下测量多种力学参数，但电测法只能逐点测量物件表面的应变，且仅能获得应变片所在位置的应变平均值，不能直观得出构件应力分布的全貌，在环境条件恶劣时误差较大。光弹应力分析法具有直观性和全场性的优点，可用以分析各种形状的复杂构件和表面应力，也是口腔生物力学常采用的研究方法，但光弹法不能把材料力学和弹性理论联系起来，如不能计算出模型内任意处的应力值和位移值。自从1973年Theresher和Farah几乎同时将有限元法（finite element method，FEM）应用于口腔医学领域，FEM已成为一种有效的数学工具，在口腔生物力学研究中得到广泛应用。FEM具有以下优点：可以准确地表达复杂的几何形状；可以在同一模型上对不同性质的材料进行力学分析；可以进行复杂载荷条件下的应力分析；模型的转换较为简便；对应力的内部状态及其它力学性能定量测定的代表性好，同时FEM在应用中自身也不断得到完善，其中从二维到三维是FEM发展的一个飞跃。1976年Weinstein等应用二维FEM分析了多孔圆柱种植体界面的应力分布，将FEM引入了口腔种植领域，从此，有关种植义齿生物力学的研究进入了一个新的阶段。Meijer等［1］将二维有限元法和三维有限元法进行了比较，认为后者的模型相似性好，可客观反映被分析受力结构的信息，但是有限元法的单元在大小、形状、数目、载荷情况、假设条件与真实情况差异及边界条件等均影响结果。因此，为使结果更加真实可信，有限元法的研究手段不断完善，目前已从静态研究发展到动态研究，并有向非线性发展的趋势。
2 种植体材料对应力分布的影响
人工牙种植体的研究和应用已有30多年的历史，但迄今为止，只有少数几种材料的种植体为人们所接受，其中应用历史最长、也最广泛的是钛质种植体，金属钛具有良好的生物相容性，与骨组织形成紧密、牢固的结合，而且其弹性模量与骨很接近，与骨结合所形成的界面是动态的，在适当负荷的刺激下，种植体与骨的接触程度在一年后会从53％增加到74％［2］，所以说钛是一种理想的种植材料。Mailath（1989）等［3］用有限元法对种植体材料进行了研究得出结论，种植体材料的弹性模量至少为110，000N／mm2（1．1×10MPa）。Clelland（1991）等［4］用三维有限元法研究了Screwvent骨内种植体及支持组织应力分布情况，这种商业纯钛种植体最大应力区是在种植体的颈部，这些应力比商业纯钛的疲劳极限（259，90MPa）低18倍，骨内最大压力值（19．57MPa）是在颈部的舌侧区，而且Screwvent种植体近远中应力（最大为0．38MPa）比种植体颊、舌侧低得多。这一点和以前放射照片研究的骨吸收发生在种植体的近远中不同。为了更快的形成骨整合，人们还从种植体的表面涂层入手。尤其是羟基磷灰石喷涂（hydroxyapatite，HA）研究最多，但还是有很大争议，生物活性材料的涂层，可以改善与骨的结合方式，从生化角度上看，对种植牙长期成功是有益的，但从生物力学角度是否有明显的改善并不清楚［5］。Rieger（1989）进行了研究认为：骨结合界面与骨适应界面比较，从生物力学上看种植牙周围骨内的应力分布比较并没有明显的改善，这还有待于进一步研究。最近Meijer（1997）等［6，7］使用柔韧高分子生物材料（polyactiv，PL）即聚丁烯对二苯酸盐（酯）聚合物（polyethyleneoxide polybutylenete rephthalate（PEO：PBT）copolymer）和硬性HA穿龈种植体进行动物（狗）实验研究，从组织学上和临床方面作一比较，PL设有三种（一种密集型，两种多孔型）6个月加载，PL和HA种植体周围骨组织在第6周有骨吸收（高度失去1mm），第12周可见重建，18周后恢复到原来的水平，结果PL比HA引起密度上较少的降低。这个结果显示：柔韧种植材料更有利于应力向周围骨组织传导。临床方面PEO：PBT和陶瓷、生物玻璃、钛、和其他材料相比较，结果：PEO：PBT是一种柔韧材料，能降低穿龈种植体颈部应力峰值，致密型PL功能合适，运动性能与天然牙相近似，表现出最好的临床功能，也能减少种植体周围应力峰值。从组织学观察得出结论：柔韧的骨结合，种植体更能较好地把应力传导到周围骨组织，因此它可能是硬性种植体有前途的替代物。
3 种植体形态结构对应力分布的影响
成功的种植体不仅取决于种植体材料的生物学性质及手术技术，种植体的表面形态也十分重要。近年来，国外学者围绕着种植体以什么样的形态结构才具有最佳的生物力学相容性，作了大量的研究。关于口腔种植体宏观形态基本上认为以单个旋转对称为最佳，所以新近出现的或改良的种植体系列极少看到过去传统的锚状或翼状形态。对种植体表面微观形态，自70年代以来也是人们研究的热门，在这个问题上虽然还有不同看法，但有一点是比较一致的，即粗糙的种植体表面更利于新骨生长，形成更广泛骨种植体结合区。Mailath（1989）使用有限元法研究了骨内种植体形状与应力分布的关系得出结论，圆柱形种植体比圆锥形种植体更可取，因为它降低了应力在骨皮质上的峰值。Rieger（1990）等［8］应用二维有限元法，对6种种植牙（Branemark，CoreVent，Denar，Miter，Stryker和一种实验用种植牙—RBT411）进行定量分析，结果表明：所有6种种植牙都有根尖冲击应力的存在，Denar种植牙应力最大，Denar、Miter和Stryker种植牙可出现牙槽嵴部病理性骨吸收，Miter和实验用RBT411种植牙应力分布最好。Hurson（1994）［9］对3．25mm和3．8mm螺纹种植体进行了工程力学分析，阐述了螺纹设计原则，材料的强度，力学疲劳分析，提出了螺纹设计的标准。Binon（1996）［10］评价了六角形种植体（hexagonal implants）力学性质，与基台相连的抗扭强度及适合的装置，建议生产商应该提高种植体的耐受性、精确性、逼真性和坚固性。Arpinar（1996）等［11］用有限元法对两种硬性种植体设计进行研究，结果为：中空螺旋种植体（ITI1）在顶点区域产生高和应力集中，而实心螺旋种植体（ITI2）应力的分散转移要比中空好得多。1996年黄辉等［12］对螺纹顶角角度对柱状螺旋根管内种植体应力分布进行了研究，结果表明：螺纹顶角角度的改变，可以导致种植体在支持组织的应力分布水平的变化，螺纹顶角为60度的种植体应力分布较合理，为种植体设计、应用提供理论依据。
4 种植体的长度和直径对应力分布的影响
对于种植体长度和直径与种植体周围骨面应力反应的关系，目前国外研究报告的观点不一致。Mailath（1989）等［3］用有限元法对不同直径的种植体进行生物力学研究，结果发现大直径种植体产生有利的应力分布效果。Block（1990）［13］通过动物试验证明，种植体从骨中拉出力与其长度关系极大，而与其直径关系不大。Lum（1991）［14］发现骨界面应力主要集中于种植体颈部的牙槽嵴顶而非整个种植体周围，并据此推论使用短种植体可能对骨界面应力集中值影响不大。Lum（1992）［15］用工程统计学方法，分析了轴向力和水平力作用下种植体力的传导，结果发现，在轴向力作用下，仅仅长度为10mm，直径为4mm的种植体，能传导平均最大咬合力，支持骨受到张力在正常生理限度内。在水平力作用下长度大于12mm时，再增加长度对力的传导无显著差异。Meijer（1992）等［16］使用短种植体对其周围的应力无太大影响。邹敬才（1996）等[17］应用二维有限方法，对3mm，4mm，5mm三种不同直径的螺旋型种植体进行对比分析，结果表明：螺旋型种植体直径增加，对骨界面的总体应力分布规律影响不大，但随着直径的增加，对骨界面应力降低，种植体与骨界面的相对位移运动也相应减小，有利于骨界面的应力分布。提示临床尽可能选择直径稍粗的一些种植体。Tuncelli（1997）［18］等应用有限元法，比较了ITI中空圆柱两段式种植体不同直径（3．5mm，4．5mm，6mm）应力分布。结果发现：相对较大的直径种植体更有利于下颌后部区域（应力分布好）。张少锋（1997）等［19］用有限元法研究了种植体长度和直径对种植全口义齿应力的影响，得出结论：种植体周围骨界面应力的大小与种植体长度密切相关，呈负相关关系。种植体直径在临床常用范围内变化时，仅引起自身应力集中值的改变，而对种植全口义齿的其它结构和组织应力状况影响不大。
5 种植体上部结构的连接装置对应力分布的影响
人们为了去模仿天然牙牙周膜的缓冲作用，一些学者用一些具有粘弹性的材料如聚甲醛制成内动部件，连接种植体和附着体。McClumphy（1989）在种植牙上用聚甲醛材料设计了一个具有弹性的内连接体，并用钛制作一相同的内连接体作对照，用光弹应力分析法对两者进行了应力分布的对比研究，结果：在骨界面上应力分布两者没有显著差异。van rossen（1990）等［20］通过二维有限元法，对不同弹性连接体弹性模量和不同外形的内连接体在单个种植体上进行分析，结果：内弹性连接体弹性模量的改变对周围骨应力分布没有影响。Chapman（1990）等［21］设计一种内部减震器（shockabsor＿ber），把种植体与义齿相连接，用钛制作对比，结果：两者有显著性差别，可减少咬合力。elChkawi hG（1990）在种植体上部结构下面使用一层弹性材料，种植体不动，而上部结构可动，结果发现这种改进使应力和位移分布和天然牙相类似。Kraut（1993）等［23］设计了一种弹性内动连接系统，结果表明这套系统能吸收应力，减少达到种植体和周围骨的应力值。
生物力学研究范文2
研究对象:115名竞赛运动员,运动水平从二级到运动健将。
一、分析和讨论:
疲劳特征的发现可引导出下面的计算方法:这115名运动员具有一定的运动水平,他们在起跑后速度和技术指标有着密切的相互影响、相互补偿的关系,这样可得出一次方程式,然后填入终点跑速度值,得出可计算的指标数据。比较获得的指标数据和终点跑实际技术指标,就发现结果超出了一般跑的规律性,实际指标或多或少的符合运动员在非疲劳状态下的技术指标。(表1)
计算公式:PTOPM=-5.288+4.38V(+-5.62),R=0.75
PTOPM表示负面力的纵向被加数;V表示跑的速度;R表示相互关系系数。现在把各项距离的终点跑速度值放入公式内,就可得到计算的负面力。(表2)
比较计算值和实际情况看出,在400米跑中实际的力不符合终点跑的速度。超出的力已被展示出来(方程式评价规格误差=5.26)。这是由于疲劳的肌肉能够产生更多有实际意义的力.显然,就象用铁制起跑器测量200米和800米起跑一样,这样的方法能减少制动阶段力学结构中力的丢失,因为腿部力量做功发力大部分还是利用骨骼传递到踝关节。除了这些,这个方法还能帮助减少由于降低身体重心位于制动阶段造成速度的损失,但对蹬地阶段支撑腿收缩肌肉的能力还不能从根本上起到作用。可见,从正面的力和负面消极的力之间的联系可以得出下面的公式:Pot=1.801+1.288Ptopm.(±9.06),r:0.76。
Pot=正面积极力的纵向因素,把负面消极力的影响和400米终点跑实际指标放入公式中,可以得出:正面积极力应该等于34.1Bt/kg。事实上,真正的数值少于38%,等于21.2±7.2 Bt/kg。
从上面的情况得出,对于400米没有疲劳补偿阶段,跑的速度降低。疲劳肌肉低能力的收缩,在这种情况下不可避免的影响能力再生结构―必然加大后蹬能力,显然这种结构能有效的提高活动能力,它表现出与肌肉生物力学特性的联系―肌肉越坚硬有力,拉伸时间越短,就越能更多的利用聚集的机械力。在缩短制动阶段的高速度跑更有利于肌肉其他性能使用的再生结构的出现。这些结构的加强,能有效的提高肌肉弹性能力,如脚底的屈伸运动。相反,运动员在支撑落地阶段,当肌肉拉长的时间增大时,聚集的机械能力很大程度上分散到肌肉中去。
那么,400米跑在过大支撑阶段是否违背了依赖于肌肉的速度―拉伸条件呢?我们注意看实际情况:在终点跑中制动时间提高了38%,达到80+15mc,但计算和反映出来的数据相比较,他们之间不存在实质上的差别,符合等于0.073和0.080。计算公式为:
Ttopm=0.126-0.009V(±0.009),r=-0.83
Ttopm-制动时间。这样可以说明,制动时间符合终点跑的速度,并不是它违背了肌肉速度―拉伸条件。而真正造成终点跑的技术原因是肌肉的生物化学特点而不是动作技术的生物力学结构,在400米跑的最后阶段,根据生物化学的测量结果,由于大量的乳酸积累而造成对神经细胞积极功能性的抑制,大量的降低 ATF和KPF在血液中的含量,而增加ADF的含量。
因此,我们可以更多的了解到,在疲劳状态下支撑腿肌肉拉长和收缩的相互关系,摆在我们面前的许多重要的实际数据证明,提高局部肌肉的紧张强度与中距离跑的运动能力有着密切的关系。根据实验结果得出,局部肌肉性能的提高,可以根据生物力学特性,更多的利用弹性特点有效的延缓跑的速度在终点跑阶段的降落过程.
二、 研究结果:
1.在400米跑中出现的疲劳特征反映出违反了肌肉拉伸和收缩的相互关系。
2.证实提高局部肌肉的工作强度有利于在疲劳状态下跑的运动效果。
生物力学研究范文3
【关键词】 力学原理；垫球；分析；训练
1前言
20世纪末排球竞赛规则进行了重大修改，特别是每球得分制的实施，比赛时间相对缩短，比赛节奏明显加快，在高度紧张和激烈的对抗之中，运动员无论是身体还是精神从始至终处于高度的紧张状态，对运动员的技术、战术提出了更高的要求。排球比赛是运动员运动技术、战术、体能、心理等全方面的较量，运动员能够成功的发挥自己的实际水平，在比赛中有效的组织进攻，主要在于一传能够很好的处理每一个球，才能够避免失分，并且有效的组织起进攻，而且还能够激励队员的士气。在排球比赛中，垫球是主要用于接发球、接扣球、接拦回球以及防守和处理各种困难球的技术，是组织反攻的基础，争取少失分都具有重要意义。而且在扣球中，接扣球还能由被动为主动，稳定情绪，鼓舞士气，促进排球攻防平衡的重要手段。是每一个排球运动员必须熟练掌握的一项排球基本功。垫球过程中，应当遵循一定的生物力学原理，因为力的作用是相互的，作用力与反作用力必定成对出现，在垫球过程中如果不遵循力学规律，势必会导致将球垫飞或者下网的现象出现，影响自己的士气，甚至直接影响比赛成绩。本文采取了搜集资料和对照实验的方法仅对排球中垫球的基本技术发表自己的一点看法，文章仅供参考。
研究目的：阐述生物力学原理在排球垫球动作中占有很重要的地位，使运动员重视理论与实践相结合，以提高运动成绩。
研究方法：对比实验法 资料分析法
2 在比赛中上臂垫球基本姿势的生物力学分析
2.1比赛中垫大力量球的生物力学分析
在垫球的过程中，首先要做好基本的垫球准备动作，处理各种情况下的来球。根据力学作用力与反作用力的性质：两个物体之间的作用总是相互的，一个物体对另一个物体有力的作用,后一个物体一定同时对前一个物体有力的作用.物体间相互作用的这一对力,通常叫做作用力与反作用力.我们来球对上臂的力叫做作用力,上臂对球的作用力就叫反作用力.作用力和反作用力互为因果关系，没有先后，没有主次。说明来球的力有多大，它受到的反作用力也就有多大，对于力量大的球，只是单单的正面迎击，很容易垫飞出界或者下网，我们应当对来球进行力量、速度以及方向的分析，对大力量来球要适当的对其做一下缓冲，在技术动作上称之为卸力。下面对我校普通学习过排球的8名同学作如下实验：试验组经过处理卸力垫击大力量的球；对照组直接垫击大力量的球，每人垫击80次，得到的结果如（图A-1，2）所示：
对来球直接垫击的80个球：
对来球卸力处理的80个球
试验证明，对卸力处理的80个球的成功率明显的比对直接垫击的80个球的成功率大大的提高了。其原理可以表示为：作用力等于反作用力，但是经过处理后反作用力等于作用力减去缓冲力（缓冲力为正值）。这说明：无论在比赛过程中，还是在训练过程中，其技术动作都能够遵循某一力学规律，巧妙的运用力学原理处理技术上的问题，本身就是一个提高，将力学原理运用到实践中，就是技术的提高，而所谓的“球感”也可以说是运动员本人能够下意识的利用力学原理来处理实践中的问题了，这样就能更有效的控制球，将球垫到理想的位置，为进攻奠定良好的基础，也就是掌握了垫球的生物力学原理。
下面对排球垫球的技术动作进行生物力学分析：“在垫重球过程中，由于来球速度快，力量大，触球后球体的自身的反弹力也大。因此不但不能直接迎击来球，还应采取含胸收腹的动作，帮助手臂随球后撤并适当放松肌肉，以缓冲来球力量。同时，用手臂和手腕动作来控制垫球的方向和角度。击球的手型和部位，应根据来球的情况而作变动，当击球点稍高并靠近身体时，仍可用前臂垫球；当击球点底而距身体较远时，就要用曲肘翘腕的动作把球垫在手腕上部。” 垫球过程中的“含胸”、“收腹”、“手臂随球后撤”、等动作都是卸力动作，其目的和作用主要是用来缓冲大力来球的冲力，将球有效的控制住、组织进攻，能够有效的组织防守，是排球防守垫球的重要手段。
2.2比赛中垫中等力量球的生物力学分析
垫击中等力量球“准备姿势、击球点和手型与垫重球的手型基本相同，由于来球的力量稍微减弱，相对球速减慢，手臂迎击球的动作的速度要慢，手臂要放松，主要靠来球本身的反弹力将球垫起，击球时要蹬地、跟腰、提肩压腕、向前抬臂的动作击球的后下部。”通过对技术动作的分析我们可以得到以下结论：同垫击重球的动作以及击球方式来讲，垫击重球的“含胸”、“收腹”、“手臂随球后撤”卸力动作基本没有了，相反加上了“蹬地”、“跟腰”、“提肩压腕”、“向前抬臂”的击球动作，从力学的角度分析，中等力量的来球作用到手臂上的力相对于重球来讲已经减弱，因此垫击中等力量球时不用“卸力”动作基本上就能够垫到位了，甚至有时随着来球力量减弱反而要给来球一定的力量，以便将球顺利垫击到二传手中。其技术用力学表示：垫击球的力等于球的反作用力加上上臂对球的力，技术动作要领中的蹬地、跟腰、提肩压腕、向前抬臂都是给球力量的动作。这也充分证明了垫击球要根据来球力量的性质决定。力量稍大，给球的力量则应当相应减小；来球力量较小，给球的力量应当适当增大。
2.3比赛中垫击轻球的生物力学分析
垫击轻球的动作要领“当球飞到腹前约一臂距离时，两臂夹紧前伸，插入球下，同时配合蹬地、跟腰、提肩、顶肘、压腕、抬臂等全身协调动作迎向来球，身体重心随着击球动作向前上方移动。”同以上两种垫球方式比较，垫击轻球时“蹬地、跟腰、提肩、顶肘、压腕、抬臂”以及“身体重心随着击球动作向前上方移动”都是用力性质的动作，根据生物力学作用力与反作用力的性质分析：由于轻球的力量很小，速度很慢，如果只是靠其反弹力来击球，根据作用力等于反作用力很难将球垫高或者垫到相应的位置，因此要主动击球，给球适当的力量，这样球的出手力量等于球本身的反作用力加上手臂给球的作用力，就加大了球的出手力量，将球垫击到相应的位置。
3 比赛中双臂垫球方向的生物力学分析
在排球比赛中，会出现多种情况，因此在接发球时，除了集中力量加快自己的脚步移动，还要提前判断自己身边的情况，对于身体体侧的球就应当注意自己垫球的技术了，根据反弹力的性质：当力作用到某一物体上，随着力作用的角度不同，其反弹的角度也随之改变。体侧垫球的技术就是利用力的反弹性质来完成对球的有效控制的。所谓体侧垫球就是在体侧用双手击球，左垫球时，先以左脚前脚掌内侧蹬地，左脚向左跨一步，重心移至左脚，保持两膝弯曲，同时两臂向左侧伸出，左臂抬高于右臂，右肩微向下倾斜。击球时，用转体和收腹的动作，配合提肩抬臂在身体左侧稍前的位置接住来球，用两前臂垫击球的下部。右侧垫球动作相反。垫击体侧的球更要掌握好技术动作，以左侧垫球为例，体侧垫球时两臂向左侧伸出，左臂抬高于右臂，右肩微向下倾斜。这个技术动作要求运动员的手臂内侧要对准二传队员，当球作用到手臂时，由于反作用力球会按照一定的路线向固定的方位反弹回去，同时要注意判断来球的力量大小，利用“卸力”、“主动击球”等技术动作将球平稳的传到二传手中。“转体”和“收腹”是为了加大自己对球的有效控制，同时增加了对球的力量控制，而身体重心的移动是为了使自己保持身体平衡，同时为了让自己的脚下灵活，便于移动。
通过对技术动作的分析，充分说明了在垫球过程中，生物力学原理在排球垫球运动中每一个环节都能够运用得到，能够熟练的掌握好生物力学原理，将理论与实践充分的结合起来，在比赛中可能会更好的发挥一传的作用。
4.结语
本文简要论述了在各种情况下垫球时运用的生物力学原理，通过对技术动作的分析，充分说明了在垫球过程中，生物力学原理在排球垫球过程中每一个环节都能够运用得到，能够熟练的掌握好生物力学原理，将理论与实践结合起来，在现在激烈的比赛中更好的发挥一传的作用。从而减少失误，有效的组织进攻，鼓舞队员的士气，激励每一个球员奋发拼搏，提高获胜几率。
参考文献
生物力学研究范文4
【摘要】 ［目的］测试寰椎齿状突人工关节置换后寰枢椎的稳定性和功能。［方法］ 将10 例新鲜的成人头颈部标本制备成生物力学实验模型，对每一标本分别测定完整状态、减压术后、人工关节置换术后以及疲劳实验后4种状态下的运动范围、中性区和刚度。［结果］ 减压术后，在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转等方向较完整状态运动范围、中性区明显增大（P＜0.05），而刚度则显著减弱（P＜0.05）；人工关节置换术后及疲劳实验后与减压术后相比前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转的运动范围和中性区明显减小（P＜0.05），刚度显著增强（P＜0.05）；人工关节置换术后及疲劳实验后与完整状态相比前屈、后伸、左右侧屈的运动范围和中性区明显减小（P＜0.05），刚度显著增强（P＜0.05），与完整状态相比左右旋转的运动范围无显著差异（P＞0.05），中性区增大（P＜0.05），刚度减小（P＜0.05）。［结论］ 实验证实作者设计、制造出的人工寰椎齿状突关节在形态学和动力学两方面进行仿生，具有置放稳定、操作简便、不易造成副损伤以及低磨损等特点，对以往齿状突切除、脊髓减压后需要使用前路或（和）后路寰枢椎融合的患者，提供了另一种术式的选择。
【关键词】 颈椎； 口咽入路； 人工寰椎齿状突关节； 生物力学； 运动范围； 中性区； 疲劳实验； 刚度
Abstract：［Objective］ To investigate the stability and function of atlantoaxial segment after atlas odontoid process artificial joint replacement.［Method］Ten fresh adult human head and neck specimens were chosen for biomechanical models. The range of motion(ROM)， neutral zone(NZ) and stiffness under intact state， post-decompression， postreplacement surgery and post-fatigue were measured respectively.［Result］After decompression， ROM， NZ and stiffness in flexion， extension， right and left lateral bending， and right and left axial rotation increased significantly (P
Key words：cervical; transoral approach; artificial atlas odontoid joint; biomechanics; rang of motion; neutral zone; fatigue test; stiffness
1 材料和方法
1.1 实验材料 10具成年男性新鲜尸体头颈部标本(上方保留完整头部，下方保留至第7颈椎)，年龄（23～57岁），平均39岁，经大体观察及X线片证实无骨性异常，经双能X线吸收光度仪（QDR2000; Hologic， Waltham， MA)测量颈椎标本平均骨密度0.838 g/cm2（0.692–0.963），所有标本均取自西安交通大学解剖教研室新鲜尸体。
自行设计、制造的人工寰椎齿状突关节使用医用钛合金（Ti6Al4V）制成，由人工寰椎部件、人工枢椎部件和螺钉3 个部分组成。(1)寰椎部件包括由人工寰椎固定板及旋转轴套;(2)枢椎部件由固定板、突起、底座1、2和旋转轴构成;(3)螺钉:钛合金（Ti6Al4V）松质骨自攻螺钉直径3.5 mm，长度为13～22 mm。旋转轴套与旋转轴、底座2接触部位抛光成关节面光洁度（图1、2）。
1.2 实验方法 生物力学实验标本制备方法
完整标本制作方法：截取枕骨髁基底至第3颈椎节段，取材后颈椎标本用塑料袋密封保存于-20℃。检测前取出，于20℃常温下自然解冻，仔细剔除颈椎标本的肌肉组织，保留颈椎骨骼、韧带、关节囊及椎间盘的结构完整，制成完整状态的生物力学实验模型。
减压标本制作方法：用高速磨钻在寰椎前弓与侧块左右交界处仔细打磨。磨透后完整取出寰椎前弓，显露枢椎齿状突，用磨钻仔细打磨齿状突基底与椎体交界处，磨透后仔细切除附着在齿状突上的韧带，完整取出齿状突，显露硬脊膜。
安装人工寰椎齿状突关节方法：使人工寰椎齿状突关节位于减压后标本正中，适度纵向加压使寰椎假体与枢椎假体紧密结合，保持寰枕关节适度后伸位。置钉前先用克氏针钻孔，透视位置正确后测量克氏针长度，再拧入适宜长度螺钉。螺钉长度在不突破寰椎侧块和枢椎椎体后方皮质的前提下，尽可能选取较长的松质骨螺钉。寰椎固定螺钉与矢状面向外 10°夹角（与寰椎侧块长轴平行），与寰椎横截面保持平行。枢椎螺钉与矢状面向内10°夹角，与枢椎椎体横截面保持平行（图3、4）。
生物力学实验方法：对10具标本分别依次进行完整状态、减压标本、前路人工寰椎齿状突关节置换后、疲劳实验后4种状态下的运动范围、中性区和刚度进行测试。
脊柱三维运动测量结果由中性区（neutral zone，NZ）和运动范围（range of motion，ROM）2个参数来描述。枕骨髁基底（C0、C1、C2）和C3分别包埋于盛有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的特制金属模具中。标志物为1 cm×1 cm×1 cm空心塑料立方体，将6个标志物不共线固定于C0、C1、C2前方和侧方骨质内，便于激光扫描和计算机识别系统识别。非破坏方式下在脊柱三维运动机（精确度0.01 Nm）上进行测试，保证实验标本在屈曲、后伸、左右侧屈及左右旋转6个方向均能不受限制的自由活动，通过卡座上方的加载盘对实验标本进行加载，分相等3阶段对标本加载纯力偶矩直至1.5 Nm，每阶段内匀速加载，加载速度为5 mm /min，阶段间停留30 s，使标本产生前屈、后伸、左右侧屈运动，同样方法分3阶段对标本加载扭转矩直至1.5 Nm，加载速度为15° /min，使标本产生旋转运动。当载荷达到最大值后停留30 s，每次测试先进行3次加载/卸载循环，以减少颈椎的粘弹性，取第 4 次相应测量数值。由摄相机拍摄及三维激光扫描测量仪(RealScan USB Scanner 200， 3dimensional; Digital Corp.，Danbury ，CT，精确度为线位移0.01 mm ，角位移0.02°)扫描标本和标志物，测量寰枢椎节段的中性区和运动范围。
刚度测试：在MTS858生物材料试验机（精确度0.01 Nm）上进行标本的屈/伸、侧屈和旋转刚度测试，设置最大扭矩为1.0 Nm，速度为15° /min。
疲劳实验：在MTS858生物材料实验机上进行，所施加的疲劳载荷为1 Nm，疲劳频率为0.25 Hz，疲劳次数为旋转运动5 000次，屈/伸运动5 000次（表1～3）。
1.3 统计学处理 实验结果采用SPSS 13.0软件统计，计算完整状态、减压术后、人工关节置换术后以及疲劳实验后4种不同状态的三维运动范围、中性区及刚度的均数和标准差，用配对t检验进行统计分析比较。统计检验标准的显著性差异设在P＜0.05。
2 结 果
表1 1.5 Nm载荷下运动范围（ *表示与完整状态相比有显著性差异（P ＜ 0.05），表示与减压术后相比有显著性差异（P ＜0.05）。表2 1.5 Nm载荷下中枢区（NZ）*表示与完整状态相比有显著性差异（P ＜ 0.05），表示与减压术后相比有显著性差异（P ＜0.05）。表3 1.0 Nm载荷刚度测试结果*表示与完整状态相比有显著性差异（P ＜ 0.05），表示与减压术后相比有显著性差异（P ＜0.05）。
3 讨 论
在寰椎齿状突关节骨折、脱位不能整复且脊髓受压症状严重时，经口咽入路松解或减压是有效的治疗方法［1，2］。但齿状突切除减压后，无论进行寰枢椎前路或（和）后路融合术，颈部旋转功能将大部分丧失［3］，对术后患者正常的工作、生活带来诸多不便。完整状态下的寰枢椎其各种运动瞬时旋转轴位于寰椎齿状突关节部位，切除寰椎前弓及齿状突后，各种运动瞬时旋转轴将向两侧小关节突后移［4］。
失去寰椎齿状突关节限制的寰枢椎稳定性明显降低。实验证实减压术后，在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转等方向较完整状态运动范围、中性区明显增大（P＜0.05），刚度显著降低（P＜0.05）。人工寰椎齿状突关节中寰椎部件旋转轴套与枢椎部件旋转轴紧密配合，重建了寰椎齿状突关节的扣锁关系，使各种运动瞬时旋转轴重新位于寰椎齿状突关节部位。实验结果显示人工关节置换术后及疲劳实验后与完整状态相比前屈、后伸、左右侧屈运动范围和中性区明显减小（P＜0.05），刚度显著增强（P＜0.05），可能是因为人工关节枢椎旋转轴（直径4.0 mm）与寰椎旋转轴套（直径4.0 mm）紧密配合，限制了前屈、后伸及左右侧弯活动。但正常寰枢椎的屈伸和侧屈活动范围原本就十分有限，头颈部的屈伸和侧屈主要由寰枕关节和C2以下颈椎椎间关节（包括椎间盘及侧块关节）完成［5］，因此，人工寰椎齿状突关节置换术后前屈、后伸及左右侧弯运动范围的减少，对头颈部活动影响十分有限。
人工关节置换术后及疲劳实验后与完整状态相比左右旋转运动中性区增大（P＜0.05），刚度减小（P＜0.05），可能与减压后失去寰椎齿状突关节处翼状韧带、横韧带等结构有关，左右旋转运动范围与完整状态无显著差异（P＞0.05），因为防止过度旋转的装置限制超过45°的旋转，所以对运动范围的测量结果有部分影响。在刚度（最大载荷1.0 Nm）和中性区测试时实验标本左右旋转均未达到45°旋转，旋转限制装置未发挥作用，对测量结果无影响。生理状况下寰椎前弓限制寰椎向后移动，横韧带限制寰椎向前移动，翼状韧带是第二位限制前后移动的结构，寰枢韧带和关节囊是第三位的稳定因素。寰枢关节的解剖结构严格限制过度旋转，韧带结构也有限制作用。横韧带完好情况下，寰枢外侧关节双侧旋转脱位的度数是65°，横韧带断裂时，旋转45°即可出现脱位，单侧脱位可早于双侧脱位发生。翼状韧带也限制旋转运动，当向一侧旋转时，对侧的翼状韧带拉紧起限制作用［6，7］。由于人工寰椎齿状突关节置换术是在前路减压术的基础上进行的，丧失了前纵韧带、翼状韧带、齿突韧带和横韧带等的牵拉限制，而寰枢椎侧方及后部结构对旋转活动的限制十分有限。如果仅单纯仿生寰椎齿状突的车轴关节，而不加限制，将可能出现过度旋转以及由此产生寰枢外侧关节骨折、脱位，会对脊髓、椎动脉等邻近重要结构造成刺激或损伤。为此作者专门设计了防止过度旋转的限制装置 ，允许左右旋转各45°，达到正常生理活动度，又不会出现过度旋转。
同其他人工关节类似，人工寰椎齿状突关节置换术后，内植物及其与骨接触界面的磨损与疲劳是保证人工寰椎齿状突关节能否长期存放和正常活动的关键［8］。作者所做的疲劳实验显示：经5 000次屈伸和5 000次旋转疲劳试验，结果显示实验标本的运动范围、中性区和刚度无显著差异（P＞0.05）。人工寰椎齿状突关节面具有高光洁度，无磨损划痕，人工关节和固定螺钉无松动，证明人工寰椎齿状突关节具有一定的抗疲劳性能。作者的实验主要反映实验标本的即刻稳定性。虽然进行了疲劳实验，但由于疲劳次数远远少于正常人体生理需要量，人工寰椎齿状突关节是否能保持长期稳定，关节面是否能长期保持高光洁度、低磨损尚不知晓。因此，作者目前的研究只能提供一种新的术式和思路，人工寰椎齿状突关节尚需要进一步研究和改进才能满足临床需求，比如在寰椎固定板与寰椎侧块的接触面以及枢椎底座1、固定板与枢椎椎体接触面设计成成骨细胞容易附着、骨小梁容易长入的涂层；又比如在旋转轴套与旋转轴、底座2之间加入超高分子量材料或其他材料，进一步降低人工寰椎齿状突关节的磨损。
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生物力学研究范文5
摘 要： 采用艾立尔系统和三维DLT方法,对世界花样滑冰大奖赛上我国运动员及世界选手的跳 跃动作进行了定点三维测试，比较分析他们在完成跳跃动作的起跳和落地相关参数，结果发 现我国女运动员起跳时水平速度与国外优秀选手还有差距。起跳应积极蹬伸，形成好的小摆 臂，早收手臂。
关键词：花样滑冰；自由滑；跳跃动作；运动生物力学
中图分类号：G804.63 文献标识码：A 文章编 号：1007-3612(2009)03-0063-04
A Sport Biomechanical Study of Takingoff and Landing Movement in Jump of Figure Skating
JI Zhong qiu
GAO Yun , JIANG Guiping1
(1. College of Sports and Physical Education, Beijing Normal Un iversity, Beijing 100875, China;
2. Physical Education College, Northeas t Normal University, Changchun 130024, Jilin China)
Abstract: Through APSA system and threedimensional DLT, the paper conducts threedimens ional track point test on the movement of jump of Chinese figure skaters and oth er top skaters in the world at the ISU Grand Prix of Figure Skating. The skaters ' parameters of takingoff and landing are analyzed and compared. Compared to t he international top skaters, Chinese women skaters are behind in horizontal spe ed of takingoff. They should take off with active kick for concurrent performi ng of small dangling arms and early pulling arms.
Key words: figure skating; free skating; jump; sport biomechanics
花样滑冰（Figure skating ）是一项冰上运动技术与综合艺术表演相结合的，由运动员穿 着冰刀在冰面上伴随着音乐通过表演一系列的规定和自选动作而进行的一种冰上竞赛项目。 花样滑冰技术主要由四类动作组成：滑行[1]、旋转[2]、姿态和跳跃。其 中跳跃是所有动作 中难度最大且最具有代表性的动作。对跳跃转体动作主要是对抛跳[3]和跳跃动作 [4-5]进行研究。
在花样滑冰动作中，跳跃动作是最为重要的组成部分，起跳和落地完成的好坏直接 决定着比赛成绩的高低。我国的花样滑冰项目起步较晚，近年来通过向西方学习和自身努力 拼搏，使我国花样滑冰技术有了飞速的提高，在多方面都达到了国际一流水平。但相对于技 术动作的不断改进，相应的动作研究非常滞后，这将制约花样滑冰跳跃动作的进一步发展和 创造新的高难度动作。因此，从长远上讲，只有进一步的对跳跃动作起跳与落地技术进行研 究才能更加有利于进一步提高跳跃技术的稳定性，在此基础上进一步发展新难动作。
1 研究对象与方法
1.1 研究对象 中国杯世界花样滑冰大奖赛优秀运动员高松、张 民、科利木肯、史密斯、维拉申科。
1.2 研究方法
1.2.1 三维标定
由于冰场范围较大，因此本研究将拍摄的范围规定在约10 m×20 m的范围内。按左、中、右 依次用PEAK三维框架分别进行了标定。在解析时根据运动员的不同的运动范围而选用不同的标定框架，这样保证了标定的空间能够满足动作解析的需要。有 实验对该标定精度进行测量，精度误差不超过3%能够满足本研究的需要。
1.2.2 现场拍摄 比赛中，使用三台日本JVC GR-DVL9800sH摄像 机3台在比赛现场从冰场三面定点同步拍摄运动员跳跃动作技术的三维录像,拍摄频率为50Hz (图1)。
1.2.3 影像解析 对运动员技术动作录像都通过艾立尔软件处理 分析。根据前苏联扎齐奥尔 斯基（Zatsiorsky）模型[6]构造人体16个主要的模型参数，对整个跳跃动作过程 进行解析 。然后对数据进行DLT法处理，将二维数据转换为三维数据，用数值滤波法进行平滑,并计算 输出相关的数据资料。根据技术动作的数据资料结合花样滑冰跳跃动作基本原理进行分析研 究。
2 结果分析与讨论
2.1 重心参数分析
后外点冰跳是运动员采用最多的跳跃动作，其动作路线和身体起跳姿势最接近于自然旋转起 跳姿势，有利于产生旋转的动量矩。本研究选取5名运动员动作依次为： 四周跳加后外点 三周（高松），四周跳（科利木肯），后外点三周加后外点三周（史密斯），后外点四周跳 （张民），后外点三周跳（维拉申科）。
高松在起跳前，起跳蹬伸过程用了约0.22 s时间（开始起跳时刻0.0 s）在X和Y方向上分别 由4.27 m/s变为4.48 m/s和5.78 m/s减为0.44 m/s，水平方向合速度从7.18 m/s变为4.52 m /s。Z方向速度达到3.9 m/s，离冰后身体的腾起角度为40.8°。图2可以看出在缓冲蹬冰阶 段，高松水平速度变化幅度平缓，不存在明显的下降阶段。如果加大水平速度向垂直速度转 化的幅度和时间变化率，可以获得更大的向上速度。
科利木肯在完成后外点四周跳时，起跳蹬伸过程用了约0.12 s时间（开始起跳时刻0.16）； 水平速度在X和Y方向上分别由6.6 m/s变为4.44 m/s和3.66 m/s减为0.5 m/s，水平方向合速 度从7.55 m/s变为4.47 m/s。Z方向速度达到4 m/s，离冰后身体的腾起角度为41.8°（图3 ）。在缓冲蹬冰阶段，科利木肯水平速度变化幅度大，蹬冰过程用时较短，蹬冰效果较好。
起跳阶段，除高松外其他四人重心都存在负值，即重心有向下的速度。其中张民的重心向下 速度最大，达到-1.3 m/s，其他三人速度上升前速度都在零左右（高松曲线前段没有包括起 跳阶段）。高松离地速度最大，张民起跳时重心垂直速度变化最大；科利木肯、史密斯和维 拉申科的重心上升速度变化相似。离冰时未获得足够的向上速度，是导致科利木肯后外点四 周跳失败的原因。
落冰阶段，在落冰时刻五名运动员重心向下速度达到最大后，因缓冲作用都在减少。重心最 后保持了平衡的三名运动员速度曲线都有回到零速度左右，身体回到了正常滑行状态。高松 的缓冲时间较长，其曲线未能完全反映出其速度回到零速度的过程。张民和科利木肯重心垂 直速度在向零速度变化过程中出现再次的向下加速，说明重心此时已失去了平衡。
综上所述，完成四周蹬伸时稳定的支撑和迅速及时的起跳才起到最关键的作用，蹬伸动作最 好在0.2 s以内。离冰时水平合速度不能低于4.5 m/s，以保证获得足够的腾空飞行能量,达 到转体的角速度高松33.9 Rad/s;科利木肯36.9 Rad/s;张民35.9 Rad/s。
2.2 身体主要环节角度分析
2.2.1 起跳前缓冲末时刻
5名运动员都是左腿为点冰腿，右腿为摆动腿。缓冲末阶段人体重心仍在右腿上，因此右髋 和右膝的弯曲角度直接反映运动员身体下沉幅度。从表1中可以看出五名运动员右膝角度从8 1.7°到100.2°不等，平均值为90°，科利木肯和张民角度相对较大，高松较小；髋关节角 差异较小平均值为75.7°。
左髋和左膝角度可以反映起跳腿点冰前姿态。做四周跳的三名运动员膝关节角度相对较小， 平均值为143°，而史密斯和维拉申科的角度为161.2°。这说明点冰腿点冰前摆动时膝关节 角度不宜过大，缓冲末期在140°左右较为合适。左髋角度科利木肯较为偏低只有154°，说 明其此时点冰腿还没有完全打开。此时，五名运动员两臂都对称摆动状态，但水平较高的三 名运动员肩关节角度较小，开始较早进入收臂转体状态，肩角平均在55°左右。肘关节也有 同样的差异，水平较高的运动员肘关节的角度偏小。这和阿克谢尔跳缓冲末期具有相同的特 征，重心最低点时，身体应该预先进入转体点冰状态。
2.2.2 起跳瞬间
三名四周跳运动员的膝角都有进一步的打开，高松增加了20°，科利木肯增加了30°，膝角 的打开增强了点冰的力量。髋关节未见明显的变化，髋关节的相对固定有利于增强点冰效果 。右腿关节起跳时，膝髋关节都有较充分的打开，只有维拉申科打开角度偏小，分别只有15 0°和143°，摆动效果受到影响。张民的髋关节角度打开也不够，只有148.6°。加大打开 角度更有利于提高摆动效果和进入旋转状态。
五名运动员的两肩角仍都成对称姿态，左肩角度比右肩角度略小，这和身体左转有关。高松 肩角收的最紧，只有19°。较小的肩角说明双臂充分的收回体侧，有利于加大身体的旋转速 度。肘关节的角度有着同样的意义[7-8]，离冰后应该收肘及时进入旋转。维拉申 科明显的收肘过晚，影响了身体旋转速度。
起跳动作的目的是为了获得较长的腾空时间和旋转的角速度。运动员腾空时间：高松0.74 s ；科利木肯0.68 s；史密斯0.60 s；张民0.70 s；维拉申科0.60 s。在完成四动作中，高松 很好 的完成了四周，张民在转体中刚刚能转完四周，科利木肯没有完成四周动作，也证明了要完 成四周动作，一定要通过起跳达到腾空时间具有0.70 s以上的起跳实力，所以说起跳蹬冰腿 需要具有很大的蹬冰力量[9]，完成转体首先要注意身体在起跳瞬时减小身体绕纵 轴转动惯量，达到腾空时具有在动量矩不变的情况下，增加转动的角速度[10]。
2.2.3 落地瞬间
首先分析运动员落冰腿的姿势（表2），五名运动员都为右腿落冰。高松落地时的右腿关节 角度明显低于其他四名运动员。随后为了缓冲垂直方向上的速度，重心又有进一步的降低， 影响了动作的流畅性。其他四名运动员支撑腿膝关节平均为158.6°，髋关节164.83°。张 民落冰时，髋、膝关节角度都有所偏大，重心过高影响了平衡的把握，导致双腿落冰。落冰 时，身体的姿态是我国运动员需要重点改进的要点之一。
摆动腿此时仍处于和落冰腿的交叉，科利木肯和史密斯膝关节角度较低，而其他三名运动员 平均达到142.8°。髋关节高松和史密斯两人角度较低。两臂的肩关节角度开始有一定的打 开，仍然呈对称姿势。肘关节角度差异较大，高松和张民角度较大，两人落冰后马上开始要 停止旋转。而其他三人肘角度较小有利于身体弥补旋转不满的度数。
2.3 女子运动员起跳时人体重心在水平面投影点与支撑腿脚尖间的位移主要参数分析
该参数值是由人体重心在X轴、Y轴方向的合位移与支撑腿脚间在X轴、Y轴方向的合位移的差 值。该参数值反映运动员起跳蹬伸技术的好坏，影响垂直速度的获得以及水平速度有效的向 垂直速度的转化，差值越小越好。由表3得：运动员该参数值介于0.04～0.21 m，罗罗宾 逊该参数值最小，仅为0.044 m，方丹次之，巴瑟娃该参数值最大，值为0.207 m。由此，我 国运动员若加强腿部蹬伸力量，同时加强腿部向上的蹬伸力度，尽量缩小重心投影点与支撑 腿脚尖的位移，那么运动员在起跳时必表现为起跳用刃控制能力强、蹬冰利落、快速、有效 。
2.4 女子运动员缓冲时间、起跳时间、空停时间、落冰时间分析
缓冲是起跳前的准备阶段，没有良好的缓冲就不会有高质量的起跳。该阶段一般表现为重心 下降、滑腿深屈、双臂稳定摆动，要求缓冲动作要充分。由表4得：三周跳四名运动员的缓 冲时间介于0.30～0.36 s，两周跳巴瑟娃缓冲时间为0.28 s。罗宾逊缓冲时间长为0.36 s ，比我国两名运动员缓冲时间长0.04～0.06 s，而我国运动员缓冲时间相对较短。
起跳是难度最高、最关键的技术，该阶段要求蹬冰快速有力、用刃准确、双臂的摆动要在滑 行主方向上。运动员的起跳时间介于0.18s～0.22 s，罗宾逊起跳时间最长，值为0.22 s， 结合该名运动员缓冲时间最长（0.36 s），其起跳时间最长也在情理之中，其余四名运动员 多为0.2 s。
2.5 女子运动员起跳阶段滑腿蹬直时间、点冰腿撑跳时间、双臂摆动时间以及落冰缓冲 阶段足与臂展开时间分析
由表5得：运动员滑腿蹬直时间介于0.08～0.12 s，国外运动员该参数比我国运动员刘艳相 对较长；点冰腿撑跳时间介于0.04～0.06 s，绝大部分运动员点冰腿撑跳时间为0.04 s， 只有刘艳该参数为0.06 s，点冰腿在这么短时间内快速、有力地完成撑跳动作。双臂下摆时 间介于0.04～0.06 s，罗宾逊和刘艳该参数均为0.06 s，其余三名运动员均为0.04 s；双臂 上摆时间介于0.14～0.16 s，我国运动员刘艳两次该动作的参数均低于三名运动员0.02 s, 足与臂展开时间与落冰时间相一致，三周介于0.48～0.54 s，两周跳为0.32 s。
2.6 女子运动员人体运动的速度及各关节角度由表6得：女运动员要完成3周跳的动作要达到水平起跳速度3 m/s以上，助滑速度4.33 m/s 以 上，助滑末期（人体重心最低点）是起跳前的准备阶段，身体姿势的好坏直接影响跳跃的质 量。该时期运动员都是左腿为点冰腿，右腿为摆动腿，重心仍在右腿上，右髋和右膝的弯曲 角度直接反映运动员身体下沉幅度。
表7反映运动员的角度值，运动员右膝关节角度介于104°～140°，平均值为123°，右髋关 节角度介于95°～135°，平均值为112.4°，刘艳1该参数值最大，其余运动员相差不大。 左髋和左膝角可以反映点冰腿状态。左膝角介于125°～144°，平均值为136°，左髋角介 于157°～176°，平均值为165.5°，我国运动员方丹该参数值最大，其中左膝角为143.7° ，左髋角为175.1°。由此可以看出，运动员在缓冲末期点冰腿并未充分伸直达180°。双肩 的摆动近于对称，双肘关节角度有一定差异，我国运动员肩肘关节角度相对偏大，而国外运 动员相对较小，这为下一步起跳摆臂形成“小摆臂，早收臂”做好充分准备。运动员起跳要 做到快速收手臂,达到起跳时的转动角速度增加,及落地前手臂展开，减少转动的角速度[11]同时要提高起跳的水平速度来增加动作难度[12]及成功率[13-14］。
花样滑冰跳跃动作男子要完成单个四周的同时,也要能够做到接三周,再接三周的跳跃动作[ 15],女子的三周连跳动作正被优秀的运动员所采用。增加起跳的水平速度同时提高腾空 旋转的角速度，在落地时要圆滑的过渡到下一个滑行、起跳的动作。
3 结 论
1) 完成高质量的四周跳动作水平合速度在4.5 m/s以上，身体腾起角应在40°～45°之间。 我国女运动员要提高水平速度，增加起跳前的能量储备，为起跳腾空创造条件,从而达到腾 空0.70 s;空中转体超过33.9 Rad/s。
2) 在保持起跳稳定的情况下，尽量保持较高的水平速度，重心处于最低点的时刻，身体姿 势已经处于起跳状态。要小摆臂,收臂要充分。
3) 落冰时，膝关节应处于120°～140°之间，在旋转充分的情况下，摆动腿和双臂要开始 打开一定的角度，滑出较小的落冰弧线，为下一个滑行或起跳作准备。
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生物力学研究范文6
[关键词]A型肉毒毒素；额部皮肤软组织扩张；生物力学；应力-应变关系；应力松弛；蠕变
[中图分类号]R622 R332 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2012）02-0253-04
Study on biomechanical characteristics of using botulinum toxin A in forehead expanded flap
BAO Shi-wei1,LI Sen-kai2,HU Chun-hui3,LI Xiao-yang3
（1.Department of Plastic Surgery, Beijing Hospital,Beijing 100730, China;2.Plastic Surgery Hospital of CAMS;3.Beijing University of Technology）
Abstract: Objective Animal study is to investigate the biomechanics properties of using the botulinum toxin A to accelerate the expansion in forehead. Methods The bilateral chest and abdomen of every guinea pig was marked symmetrically in grid by tattoo. The botulinum toxin A was injected in cutaneous muscle of one side as the experimental group, the saline in other side as the control group. Implanted a 200ml expander beneath the cutaneous muscle on the bilateral chest and abdomen, and it was inflated 20ml each time, twice a week. After finished expansion, the specimens were obtained from the expanded flap and the capsule was resected. The stress-strain relationship, stress relaxation and creep of these specimens were tested by the material testing machine Instron4302. Results The viscoelasticity of the flap in the experimental group was better than the control group and similar to the unexpanded flap. In the same relaxation time,the flap in the experimental group was easy to relax than the control group. Keeping the same stress,the creep strain in the experimental group was less than the control group in the same period. Conclusion The botulinum toxin A can enhance the viscoelasticity of the expanded forehead flap,and make it similar to the unexpanded flap. It also can reduce the inflation resistance，accelerate the expansion,shorten the expansion period and enhance the area of expanded myocutaneous flap in forehead.
Key words:botulinum toxin A；expansion in forehead；biomechanics；stress-strain relationship；stress relaxation；creep
额部皮肤软组织扩张已在临床中被广泛应用，由于额部具有特殊的解剖结构，皮肤、皮下组织和额肌三层结合紧密，扩张器一般要置入到额肌下，实际上临床中常用的额部扩张皮瓣应该是一种扩张肌皮瓣[1]。笔者考虑到额部扩张时要包括额肌这一解剖特点，提出扩张器置入前使用A型肉毒毒素注射于额肌，利用其抑制突触前膜释放神经介质乙酸胆碱，阻断神经介质的传递，从而引起肌肉松弛性麻痹，肌张力减低，达到降低扩张阻力、缩短扩张时间的作用。为了进一步明确其辅助扩张效果，笔者进行了相关动物实验研究，利用皮肤生物力学特性与人相近的小型猪作为研究模型[2]，与北京工业大学机械工程与应用电子技术学院合作，采用便于临床应用的应力-应变关系、应力松弛和蠕变这三项生物力学特性进行研究，探讨A型肉毒毒素注射于额肌后，额部扩张皮瓣的生物力学特性的变化规律，为A型肉毒毒素辅助额部扩张器扩张在生物力学上寻找可靠证据，以更好的指导临床应用。
1 材料和方法
1.1 实验动物：实验动物选用中国农科院提供的白色实验小型猪4只，体重16～20，性别不限，标准饲料单笼喂养。
1.2 仪器及试剂：①A型肉毒毒素：兰州生物制品有限公司生产的衡力注射粉针（100U/支）；②扩张器：200ml长方形扩张器8枚（浙江余姚久盛硅橡胶制品厂）；③文身机、文刺针及红色文身颜料；④Stimuplex HNS 11神经刺激仪(德国Stockert GmbH公司)；⑤Instron4302万能材料试验机（制造商是英国Instron Ltd公司）；⑥实验用物：速眠新、氯胺酮、陆醒灵及利多卡因；⑦常规手术器械；⑧注射器、4-1/2头皮针、钢尺。
1.3 实验方法
1.3.1 麻醉
采用氯胺酮和速眠新按2:1或3:1混合后肌注全身麻醉，药物用量为首次肌注0.2ml/kg，手术时间每超过1.5h追加半量，术中使用1%的利多卡因行局部浸润麻醉。
1.3.2 文身：距背正中线相等的胸腹部两侧，用文身机作长方形网格样标记，大小为10×6,网格间距为2，长轴与猪脊柱垂直（即与猪皮肌纤维垂直），用红色颜料标记。
1.3.3 A型肉毒毒素注射：随机选取小型猪一侧胸腹部红色文身区（即扩张器拟植入区）注射A型肉毒毒素，对侧注射生理盐水作为对照组。利用神经刺激仪指示注射深度。A型肉毒毒素的用法为：用4ml生理盐水溶解100uA型肉毒毒素，浓度为2.5U/0.1ml，每点注射2.5U/0.1ml，总量60U。
1.3.4 扩张器植入：3天后行扩张器植入术，左右两侧均植入200ml长方形扩张器各一枚：在红色文身区头侧或尾侧切开皮肤，切口长约3cm，在皮肌下作钝性分离，分离腔隙至红色文身区边缘，切勿超过红色文身区，将扩张器植入皮肌下。分层缝合切口，术后肌注青霉素80万单位，用磺胺喂养3天，预防切口感染。
1.3.5扩张器注水：扩张器植入术后7天开始向扩张器内注水，每次扩张器固定注水量20ml（扩张器容量的10%）,注水总量达到扩张器额定容量200ml时完成扩张过程。
1.3.6 生物力学实验试件的切取：扩张器注水完成后7天，在每个扩张皮瓣中央上下两侧，平行于脊椎方向切取3条2×1全层扩张皮瓣，修剪掉包膜组织。即每只小型猪实验侧切取6个试件，对照侧切取6个试件，共12个试件。切取皮瓣的方向要与皮肌纤维的方向保持一致，并以其长轴方向进行生物力学检测，以消除因肌纤维方向而造成扩张皮瓣生物力学特性的各异所带来的偏差。
1.3.7 生物力学检测：与北京工业大学机械工程与应用电子技术学院合作，在Instron4302万能材料试验机上对皮瓣试件进行应力-应变、应力松弛和蠕变实验。实验在常温下进行，且用超声波加湿器保持一定的湿度。本实验采用的传感器为100N，变形由Instron4302万能材料试验机自动测量，所有的力学实验都经过预调处理过程。先对试件进行抗拉强度实验，然后根据强度实验的结果定出合理的应力水平，在同一应力水平下进行其它的生物力学实验。测定应力-应变时以相同的速度10mm/min拉伸试件，直到载荷达到约2.0MPa，然后以同样速度卸载，直到载荷为0，经过三次这样的加载和卸载处理后，可以看到加载和卸载时的应力-应变曲线的滞后环相对消失，曲线趋于稳定，此时的应力-应变为经过预调处理的结果，取实验的第4次结果，进行比较和计算。对应力松弛和蠕变也同样要经过预调，使其达到稳定状态。进行应力松弛实验时，本实验中设定加载速度为125mm/min，使试件突然受拉至某一应力水平约2.0MPa，并保持其伸长不变，应力将会逐渐减小，松弛时间为600s。进行蠕变实验时，加载速度为10mm/min，试件达到应力约为2.0MPa时，保持应力不变，试件将变形发生蠕变，本实验中蠕变时间为600s。
1.3.8 统计学处理：将A型肉毒毒素注射侧的扩张皮瓣试件与对照侧试件做对比，研究A型肉毒毒素注射后扩张皮瓣的生物力学特性的变化情况。所有数据均采用origin7.5进行拟和比较，得出其拟合参数，再进行t检验，来分析比较两种材料各个性能的差别。
2 结果
2.1 应力-应变：经过三次加载卸载处理后，曲线趋于稳定，此时实验的第4次结果应力-应变为经过预调处理的结果，记录此时试件上的拉力F和伸长量 L。因为扩张皮瓣为软组织，要按大变形计算，因此采用大变形的应力-应变关系。分别计算伸长比λ=。假定皮肤为不可压缩材料，采用Lagrange应力 和Green应变，其中lagrange应力为T=F/A0,Green应变ε=（λ2-1）/2，其中F为作用于试件上的拉力，A0为初始面积，L为试件伸长后长度，L0为试件的初始长度。
实验组和对照组的应力-应变曲线见图1。由图1的两组试件的应变通过函数 拟合所得的参数值见表1。
以上的应力应变曲线反映了扩张皮瓣在不同应力作用下组织的变形能力，是生物软组织粘弹性指标之一。同样的应力作用下，变形越大，表明其粘弹性越大。从图1中的曲线变化趋势可以看出在同一应力水平下实验组应变大，说明实验组皮瓣的粘弹性比对照组的好，更接近于未扩张皮瓣。经统计分析，二者之间有显著性差异（P
2.2 应力松弛：将试件突然施加一100N定力，使其有一定的伸长量，然后保持此伸长量不变，试件内相应的应力逐渐减小的过程，称为应力松弛。松弛实验也需要经过预调整，使其达到稳定状态。为了使不同的应力状态有统一的描述，将松弛曲线进行归一化处理，即把所有应力值除以最初应力值(t=0时的应力值)。图2为实验组和对照组的归一化应力松弛曲线G（t）。由图2的归一化松弛曲线通过函数 进行拟合比较所得的各参数值列于表2。
从以上应力松弛曲线图可以看出，在同一应力水平下，保持试件长度不变时，对照组的应力减小量小于实验组，也就是说，在同样的松弛时间内，实验组皮瓣比对照组更容易松弛。经统计分析，两试件的松弛量有显著性差异（P
由图中可以看出对照组的 曲线低于实验组的 曲线，蠕变和松弛同属于软组织粘弹性性质，但它们的力学特性由不同的表现和反映，参数Je可以用来反映试件的蠕变实验期终止时的J(t)值，Je反映了蠕变的程度。从图中可以看出，蠕变终止时，对照组的Je值最小。说明在相同的应力作用下，相同的时间内，对照组的蠕变量小，就是说实验组皮瓣的蠕变量要好于对照组。经统计分析，实验组的蠕变量和对照组的蠕变量有显著性差异（P
3 讨论
自1976年Radovan[3]设计出硅胶囊扩张器以来，额部软组织扩张已在临床中被广泛应用于头面部外伤、瘢痕、肿瘤及先天畸形等的治疗，对头面部器官的再造由于其具有皮肤色泽相近、就近转移、血运丰富等优点而被优先选用，额部皮肤扩张已成为部分或者全鼻再造的首选方法。但是，常规皮肤扩张术治疗周期长仍是目前困扰临床的突出问题。在额部，由于特殊的解剖层次，扩张器一般要置于额肌下，这就使得额部扩张器在注水扩张的过程中不仅要克服表面皮肤的阻力，而且要受到额肌的限制，使扩张器注水速度减慢，注水期延长。基于以上原因和额部的特殊解剖结构，笔者提出在额部扩张器置入前注射A型肉毒毒素于额肌，利用A型肉毒毒素抑制突触前膜释放神经介质乙酸胆碱，阻断神经介质的传递，从而引起额肌松弛性麻痹，使肌肉松弛，肌张力减低，达到降低扩张阻力、缩短扩张时间的作用。由此笔者进行了相关的动物实验及临床研究[4-5]。为了进一步明确其辅助扩张效果，为A型肉毒毒素辅助额部扩张器扩张在生物力学上寻找可靠证据，笔者与北京工业大学机械工程与应用电子技术学院合作，采用便于临床应用的应力-应变关系、应力松弛和蠕变这三项生物力学特性进行研究，探讨A型肉毒毒素注射于额肌后，额部扩张皮瓣的生物力学特性的变化规律，以更好的指导临床应用。
软组织力学是通过离体及活体的实验来研究生物材料的力学性能。近20年来，软组织力学研究被大量的应用于软组织扩张的基础研究，皮肤软组织经扩张器扩张后之所以能够延伸增加其面积，主要由其生物力学性质决定的，很多学者对皮肤扩张后的生物力学特性进行了研究，取得了肯定的研究结果[6-8]。
由于皮肤的力学性能在不同个体的同一部位存在差异，在同一个体的不同部位也存在差异，同一皮肤在不同方向上的性能不完全相同，任何部位的皮肤还会随年龄增长发生显著的变化[9]；而且由于要与皮肌一同扩张，皮肌的肌纤维方向不同，其力学性能也各不相同。因此，笔者采用对照实验的研究方法，即选用小型猪距脊柱两侧相同的胸腹部植入扩张器，标本切取时方向保持一致以避免因猪皮肤生物力学特性各向异性所产生的实验误差，并统一选取皮瓣平行于皮肌肌纤维方向进行生物力学检测，力求尽量消除可能引起对照差别的各种主要因素，使实验结果更加可靠。
皮肤软组织的应力-应变关系反映皮肤在不同应力的作用下组织变形的能力，是代表皮肤粘弹性的指标之一。它不服从虎克定律，应力随着应变的增加比虎克定律预计的要快得多，是非线性的关系，这是由皮肤的各向异性造成的[2]。在同样的应力作用下，变形越大，表明其粘弹性越强[10]。从实验结果看，注射A型肉毒毒素后，实验组扩张皮瓣的应变增大，其粘弹性增强，性质更接近于未扩张皮瓣。
皮肤的应力松弛特性是指在维持组织应变不变的情况下，应力随时间而下降的特性。皮肤经扩张后即产生组织的变形，面积增加，扩张器表面的张力（相当于初始应力）增大。以后随着时间的增加，皮肤逐渐变得松弛，应力逐渐下降，应力松弛特性的存在允许皮肤能进行下一次的注水。实验结果反应的注射A型肉毒毒素后皮瓣的应力松弛要优于对照组，表明在同样的松弛时间内,实验组比对照组松弛的更为充分，说明在相同的间隔时间下，实验组能耐受更大的注水量，或者能够在更短的间隔时间内进行下次注水。
蠕变则是指给予皮肤一定的应力，并保持不变，皮肤可随时间的增加而逐渐被拉长。Gibson[11]将蠕变分为机械性蠕变和生物学蠕变。后者伴有代谢的增加及组织增殖，故皮肤的扩张属于生物学蠕变。由于具有蠕变特性，所以皮肤在扩张器注水扩张时能被逐渐扩张。从实验结果看，实验组的蠕变性能大于对照组，说明在同样应力作用同样时间的情况下，实验组皮瓣较对照组蠕变速度快，蠕变量大，反应了在相同的注水张力下，注射A型肉毒毒素后可使皮瓣的机械蠕变更大，得到更多的扩张面积。
4 结论
应用实验动物对A型肉毒毒素注射于额肌后额部皮瓣的生物力学性能进行评价，可以得出结论：注射A型肉毒毒素后，可以使扩张皮瓣的粘弹性增强，更接近于未扩张皮瓣，扩张器注水量增加，注水间隔缩短，在相同注水量下扩张面积增加。这一结果与动物实验结果相互印证，为临床应用提供了可靠的理论基础。
[参考文献]
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