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肌肉的生物力學特性范文1
摘要 根據籃球球運動專項力學特點，結合運動生物力學研究的現狀、發展趨勢、以及籃球運動教學發展的實際需求，對運動生物力學在籃球運動教學中應用和發展趨勢進行分析。希望運動生物力學與籃球運動的特點緊密結合，更好地為籃球教學提供幫助。
關鍵詞 運動生物力學 籃球運動 教學 應用分析
近年來，籃球運動受NBA和CBA的影響，很受學生的歡迎，大家都愿意參與這種集體帶有趣味的運動?？稍诮虒W中可以看到一些學生由于身體的先天條件，動作做起來比較難受，不合理。怎樣幫助每個孩子都能掌握這門技術。我想通過運動生物力學的原理去分析學生的特點，通過分析給他們制定不同的水準，不能集體都按統一的標準，這樣會使學生感到籃球運動的艱難，我們降低難度就是要使不同的學生體驗到成功的樂趣，因材施教使學生在快樂中學習。如何做到這些，我們就要借助于科技的力量和手段，更加全面地、深刻地認識籃球運動的規律。更好的在教學中利用為學生服務。
一、運動生物力學在籃球運動中的應用領域分析
從運動生物力學角度來看，籃球運動要求人體上下肢的協調配合，很好的應用人的手部動作去接球，做蹬地加速的動作，如何在這個過程中做到合理就必須了解學生的生理結構，肌肉力量的相互作用。什么角度的運動適合此階段性的學習。用多大力能滿足他們的可接受的力量范圍，針對不同的學生應該采用不同的方法手段加強學生的學習，切不可讓學生做過多大于自己身體不能做的力量訓練。幫助他們在自己合理的技術動作內做到自己最適合的動作。對于動作的要求不可統一要求，要區別對待，這樣一方面可以鼓勵學生很好的練習；另一方面要使學生不斷進取不至于傷害學生的自尊心。在場地器材方面要對學生認真講解。使他們真正認識到自己的力是如何傳導的，如何在正確的用力前提下做到做好的自己。
二、運動生物力學研究方法在籃球運動中的應用分析
（一）運動生物力學研究方法分類
按研究方法劃分，運動生物力學應用在籃球運動中的研究大體可分為兩類：一是力學理論研究方法，二是實驗研究方法。兩者相輔相成，相互統一，應當緊密結合，才能使運動生物力學更好地在運動實踐中應用[1]。這就要求在實踐當中很好的將二者緊密結合共同應用到學科領域當中。
（二）運動生物力學的力學理論研究方法在籃球運動項目中的應用分析
該研究方法因為是通過模擬手段對人體運動仿真，一般包括五個步驟：1.確定運動特征，建立目標函數；2.選擇模型確定剛體的自由度；3.建立動力學模型；4.實測已知數據并求解；5.根據求解結果解釋運動規律，這一步驟是將求得的數學規律化為體育運動語言對運動技術進行合理的指導[ 2]。根據此研究方法，可以對籃球中許多問題進行研究。如對于籃球運動中學生的傷病的研究，有助于對學生在籃球運動中的損傷認識和預防?？梢岳昧W理論研究的方法對關節力和力矩進行推算。這實際上是為人體的運動給予科學化得定量，通過科學實驗找出人體運動的范圍和幅度，為更好的人類發掘自身的潛能和動作的量化提供參考依據。
（三）運動生物力學的實驗研究方法在籃球運動中的應用分析
由于動力學研究方法與運動學測試在籃球運動項目中運用的較少，所用到的生物力學儀器不多。因此運動生物力學的實驗研究方法在籃球運動項目中有極大的發展空間。
1.常用的生物力學儀器將在籃球項目中的廣泛應用
許多已經在其他專項中運用較為廣泛的生物力學儀器在籃球運動項目中尚未廣泛使用。比如，肌電儀，腳墊受力分析鞋墊。腳墊受力分析可以反映地面對人體的反作用力。運動員投球的力最終是通過人體蹬地面，同時地面給人體的反作用力而實的。通過在運動員的鞋子里放上受力分析鞋墊，可以得出在移動過程中，腳底壓力的分布圖，可以為籃球運動員鞋子的設計提供參數。通過肌電儀可對完成某動作所參與的肌肉活動的強度和時間進行描述，確定主要的參與肌群。這樣學生就可以很清楚地知道完成某動作的肌肉用力順序是什么，哪些是主動肌，哪些是被動肌，可為力量訓練提供參考。
2.多機同步測試的研究
多機同步測試研究是運動生物力學研究的發展趨勢。對于籃球這項精密的運動，以往的研究多是從一維的視角來進行的，對籃球運動的生物力學的研究應朝著多維的研究視角發展。比如，將攝像系統和測力臺系統同步的測試方法，綜合運動學和動力學的數據對籃球運動進行更加深入、全面的研究與分析。
3.開發籃球專項化、反饋快速化的運動技術測試儀器
近年來隨著其他運動項目運動學、動力學、測試儀器的質量、功能、效率不斷提高，某些運動項目專用的測試儀器不斷出現。其它專項的研究可為籃球專項化的測試儀器提供借鑒。隨著科學技術的迅速發展，加速度傳感器的體積和質量都可以做到非常小，精度可以達到很高，此儀器可以實時監控籃球鞋的速度、加速度和角速度，并可據此推算籃球鞋不同部位的受力情況，以及腳蹬地的初速度。而對籃球鞋運動情況的所做的研究較少。如果這些設想可以實現的話，將豐富這方面的研究可以防止運動者教學腳部的受傷的情況。為更好的教學服務提供保障。防止學生在運動中受傷的概率。
（四）力學理論研究方法和實驗研究方法緊密結合
理論力學理論研究方法和實驗研究的方法緊密結合對籃球運動進行運動生物力學的研究，將有助于從不同層面和角度更好的認識籃球運動規律，進而可使運動生物力學更好地為籃球實踐服務，是運動生物力學在籃球運動中應用的發展趨勢。力學理論研究方法必須輔之實驗和經驗，才能使它在實際應用方面的作用得以發揮，力學理論方法與實驗測試方法兩者應當緊密結合。前者提供了運動普遍規律，對分析有理論指導意義，后者是理論研究與實際是具體應用的橋梁，能使研究更好地為運動實際服務。實驗方法和力學理論研究共同發展、相輔相成，使運動生物力學學科漸趨深入完善。
三、結束語
籃球運動教學的動作技術診斷，力學研究，學生肌肉、骨骼力學特性的研究，將有助于籃球專項測試儀器的開發，籃球運動員損傷機理和預防的研究等領域需要利用運動生物力學在籃球專項中進行全方位的研究。這樣有助于在實際中解決一些教學中的學生容易受傷的難題，將生物力學的有關原理服務于學生的課堂，用科學的方法指導學生籃球訓練與比賽，更好的預防學生在不同情況下的運動損失與治療。
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肌肉的生物力學特性范文2
1一體化仿真平臺總體方案
1．1平臺概述為開展長期太空飛行環境下航天員作業能力變化規律分析，本文建立了航天員空間操作人因分析一體化仿真平臺。該平臺通過將一個具有物理人體測量特性的虛擬人與可計算的認知模型及生物力學模型聯系在一起［7］，用虛擬人代替真實航天員，對航天員完成特定太空操作任務的腦力負荷、生物力學操作和任務績效進行預測和分析。虛擬人作為人的與系統進行交互，構成人及操作環境的集成，實現人在回路外的計算機仿真(HOOTL)，其目的是取代耗時的被試實驗而對任務和系統設計進行早期快速評估。由于人在回路外的仿真實驗中用模型代替人，降低了人的危險，大大的提高了實驗分析的效率，縮短了研究周期，節省了研究經費。
1．2平臺體系架構航天員空間操作人因分析一體化仿真平臺整體分為三層，用戶界面層提供整個平臺的綜合調度和管理，用于任務參數和資源輸入、模型參數配置及下層功能的調度;功能實現層包括認知仿真、生物力學分析、績效分析、三維可視化，多模型融合通信和數據庫管理系統，主要用于認知決策過程仿真、人體生物力學仿真、工作負荷預測、績效分析和任務過程可視化。底層平臺硬件層通過集群系統為平臺提供高性能計算能力，用于骨應力等有限元分析計算。其系統結構如圖1所示。整個平臺軟件系統主要包括平臺調度管理軟件、認知仿真軟件、生物力學仿真軟件、績效分析軟件、三維可視化軟件、多模型融合通信和數據庫接口軟件。調度管理系統軟件是平臺主調度界面，用于任務參數和資源輸入、模型參數配置及下層功能平臺的選擇和調用。認知仿真軟件實現認知思維過程的仿真。生物力學分析軟件完成操作作業中人的生物力學特性仿真。績效分析軟件的功能是將完成具體任務的作業績效采用圖形、曲線、圖表等多樣的可視化方式表示出來，并對績效仿真結果進行評價和分析。三維可視化軟件將載入作業任務三維場景，根據任務流程實時可視化表現任務過程。網絡通訊接口軟件實現平臺上各個模塊間的數據共享和網絡通訊。數據庫軟件用于記錄仿真執行時生成的數據，支持配置數據表、添加、修改、刪除、查詢、瀏覽等數據處理功能。航天員空間操作人因分析一體化仿真平臺將代替真實航天員，組成人在回路外的仿真系統，開展太空操作航天員認知決策和作業能力預測與分析試驗性研究。
1．3平臺工作流程平臺運行時的仿真流程如圖2所示。通過平臺調度管理軟件進行仿真任務的任務參數及仿真模型參數的初始化配置，并控制各個軟件的仿真進程。認知仿真軟件和生物力學仿真軟件根據初始化參數進行模型計算，實時結果數據用于績效分析軟件的在線分析與監視，需要大運算量的后期處理數據將存儲在平臺仿真數據庫中用于績效分析軟件的離線分析處理，同時這兩個軟件將通過驅動指令控制作業任務三維可視化軟件對整個任務的過程進行三維可視化的顯示。
2平臺主要部分實現
2．1平臺調度管理軟件平臺調度管理軟件是人機交互主調度界面，用于對平臺其他軟件的調度、監視和管理。提供作業任務描述和模型參數輸入功能，用戶可以選擇任務類型進入任務描述界面，對任務參數，如對接起點位置、路徑、時間等進行選擇，對認知、績效等模型參數進行配置。任務配置界面見圖3。平臺調度管理軟件具有任務仿真、模型修改、數據管理和仿真回放4個功能模塊，任務仿真模塊實現對作業任務的創建、配置、執行、修改和刪除。模型修改模塊實現人的特性參數配置、認知模型配置、生物力學模型配置和系統參數配置。數據管理模塊實現每次任務仿真結果數據的瀏覽、導出及刪除等管理功能。仿真回放可依據已記錄在數據庫中任務仿真結果實現任務過程的仿真回放。為增強平臺的易用性，平臺調度管理軟件以人的特性為中心組織仿真的配置和參數的設置，將與人相關的認知參數和生物力學參數組織至每個人的個體數據結構中，將認知模型和生物力學模型中與人無關的通用模型參數或系統數據另外組織起來，在每次仿真調度開始時只需要簡單設置是任務的初始參數和執行任務的虛擬人。為了實現整個平臺的開放性，通過軟件設計方法，實現了軟件界面的動態生成，像仿真任務調度，任務初始化參數設置，仿真模型參數修改等軟件界面都是由XML配置文件生成，當界面需要增加新的參數時，只需修改界面配置文件，就可以實現軟件界面的更新，而不必重新修改和編譯軟件代碼。
2．2認知仿真軟件平臺采用了Cao等［8］提出的ACTR-QN認知體系架構建立了人腦手控交會對接認知模型。ACTR-QN認知體系結構由感知、認知和動作3個子網絡組成。感知子網絡包括視覺和聽覺模塊;認知子網絡包括產生式模塊、說明性知識模塊、目標模塊和各類緩沖器，產生式模塊與緩沖器進行信息交互，實現模塊間行為的調節和信息的處理;動作子網絡包括手動模塊和語言輸出模塊［9］。ACTR-QN認知建模就是將人的認知行為過程映射到ACTR-QN認知結構體系的各個模塊，實現人腦的認知行為過程仿真，一個個認知行為任務在QN-ACTR系統中循環執行，最終模擬完成整個認知行為。平臺在基于離散事件仿真工具軟件MicroSaintSharp(MSS)上構建了ACTR-QN認知網絡圖。認知結構包括視覺、聽覺、中央處理、記憶與運動組塊等，在各模塊中融合太空操作認知規律的仿真過程，通過觀察各認知模塊的運行狀態，實現認知過程的可視化。
2．3生物力學仿真軟件生物力學仿真軟件通過新鮮尸體骨力學性能測試實驗結果、CT掃描圖像數據、骨密度測試數據以及長期臥床試驗肌肉體積、肌電、最大肌力等測量數據，結合數學模型、數值模型與計算機軟件開發技術，建立包含骨肌系統運動學動力學仿真分析模塊、航天員典型動作的運動學動力學參數數據庫模塊、操作能力變化的預測模塊、骨骼肌肉應力分析和骨折風險預測模塊等，實現航天員長期在軌飛行肌肉骨骼工作能力變化規律的預測。
2．4融合通信系統融合通信系統根據平臺各模型間對數據的交換方式，支持同步集成和異步集成兩種方式。同步集成采用實時局域網網絡通信，實現上采用UDP組播通信，完成仿真參數配置、仿真流程控制、關鍵仿真數據及結果的實時交換及作業任務三維動畫驅動等功能;異步集成采用數據庫方式，使用Oracle11g數據庫，局域網絡連接方式，完成仿真輸入參數和仿真計算結果統一的管理和存儲，提供數據回放功能，支持仿真數據的離線績效顯示與分析。網絡接口軟件針對異構模型的并發處理特點，研究多模型交互融合系統的實時集成機制，開發了基于多通道組播的實時數據通信模塊，該模塊將平臺軟件之間的數據交換分為三層:應用層、數據層、通信層。應用層為上層軟件及模型，它只需依據數據名稱訪問和更新數據，不用關心數據的來源及復雜交換過程，數據層建立了數據池表及管理模塊，負責數據的建立、交換和維護;通信層只用負責在多個通道上傳送數據。通過XML可對模型之間數據交換的通道、數據報文、數據分組、數據名稱進行任意配置。即平臺中要增加一個新軟件、模型，或者模型生成一組新的數據，只要在配置中進行修改，整個平臺的上層軟件就都可以得到和訪問這些新加數據。
2．5負荷績效分析軟件平臺的負荷與績效數據來源于3個部分:外部模擬器系統、認知仿真軟件和生物力學仿真軟件［10］。平臺在MSS的Network下構建了ACTR-QN認知網絡圖［11］，通過對認知仿真過程中各組塊資源時間占有率的計算，實現對感知、認知和動作作業負荷預測，在仿真過程中通過對組塊工作狀態的顯示，實現認知占有率的實時顯示。而生物力學分析軟件仿真產生的運動學、動力學、肌肉力與骨應力等指標用于生物力學績效的分析。任務負荷績效分析預測軟件對這些仿真結果數據通過在線或離線的方式進行可視化分析，提供柱狀圖、折線圖、表格及動畫等多種形式實現績效預測結果的可視化，并通過對比負荷與績效指標，實現操作人員的個性化評價。
2．6三維可視化軟件通過對作業任務場景的三維建模工作，建立航天員、空間實驗室、軌道艙及返回艙等作業人物及環境模型，基于OGRE開源引擎開發了作業任務三維可視化軟件，構建并加載虛擬航天員和虛擬工作場景模型，實現航天員手控交會對接、開艙門和搬生物等作業的三維圖形可視化表現，而作業過程則由認知仿真軟件和生物力學仿真軟件實時驅動。
3實驗與驗證
3．1實驗設計本文選用太空飛行中人控交會對接任務作為用例［12］，該任務是一個典型的認知仿真任務。在人控交會對接任務中，航天員通過圖形、數字和靶標圖像等測量信息判斷追蹤飛行器與目標飛行器的相對位置、姿態等運動情況，并通過操作控制手柄，控制追蹤飛行器完成與目標飛行器的對接。目標航天器靶標圖像信息是航天員進行手控交會對接最主要的觀察信息，即通過電視攝像機將目標飛行器對接口下方的十字形靶標的圖案顯示在屏幕上，航天員據此信息確定追蹤飛行器與目標飛行器的相對位置和相對姿態，通過操縱手柄對追蹤飛行器進行姿態控制和平移控制，直至對接成功。試驗的框架如圖4所示，一體化平臺中的平臺調度管理軟件、認知仿真軟件和作業任務三維可視化等軟件與真實的便攜式手控交會對接模擬器連接起來，用開發的MSS插件實現認知模型對模擬器電視圖像的信息感知，并開發了控制手柄模擬程序，實現認知模型對模擬器手柄的控制，平臺模擬一個虛擬的航天員，進行人在回路外的手控交會對接任務。根據前面對ACTR-QN體系的描述，建立了手控交會對接認知行為模型，在模型中，手控交會對接任務是在不斷完成基本任務后而得以實現，這些基本任務包括觀測、決策和控制［13］。觀測任務是通過視覺模塊連續感知外部信息，通過視覺緩沖把收集信息送入產生式模塊;在產生式模塊中，經過查詢與過程性知識匹配的信息則觸發一條產生式;決策任務則通過觀測到的信息，查詢得到匹配并通過目標模塊的目標內容，觸發一條或多條產生式，將執行結果送入運動緩沖，通過操作模塊執行完成決策下達的任務。三類任務在QN-ACTR認知中央加工處理器中按順序執行，形成認知與行為過程的反復循環。
3．2實驗結果及分析任務過程三維可視化軟件運行時界面如圖5所示，構建并加載虛擬航天員和虛擬工作場景模型，實現航天員手控交會對接作業過程的三維圖形可視化表現，其中航天員手部操作動作與ACT-QN中動作模塊的輸出同步。認知仿真軟件運行時的界面見圖6，在仿真中通過對ACT-QN各個模塊的實時閃爍，觀察認知模塊的運行狀態，實現認知過程的可視化。在本文中通過任務完成時間、燃料消耗、位置和姿態等指標實現任務績效預測。實驗中基于ACTR-QN模型成功在訓練用模擬器上完成了兩軸控制的手控交會對接任務，能在各種初始條件下實現兩飛行器的成功對接。圖7是實驗中平臺軟件模擬的虛擬人與真實操作人員控制實現兩飛行器在20m距離對接過程的Y軸和Z軸偏差對比，其中虛線是平臺軟件控制的對接過程偏差曲線，實線是操作人員的實際操控曲線，通過對比可以看出，基于軟件模型的對接策略及認知仿真實現了與人基本一致的控制曲線及變化趨勢。本實驗針對太空飛行中人控交會對接任務進行了平臺的認知仿真試驗驗證，平臺與真實訓練模擬器的交互、對接任務的完成情況及認知仿真結果的分析都達到了預期的目標。通過實驗證明了平臺設計時基于離散事件仿真工具軟件上構建的ACTR-QN認知模型在運行效率、可擴展性和可視化能力都具有優勢，完全可實現與航天訓練用模擬器系統的實時協同仿真。實驗過程中融合通信系統配置靈活、簡便，在單機及聯網等各種情況實現了平臺各軟件間的數據交換需求，沒出現任務通信問題，穩定可靠，具有較強的多模型、多系統交互支撐能力。作業任務的三維可視化可實時直觀的監視任務進程，并可在前期用于認知模型中任務策略的調試和改進。任務仿真的結果數據分析也表明平臺通過認知仿真軟件的認知模型模擬的虛擬航天員可實現了與真實操作人員基本一致的控制曲線及變化趨勢，進一步證實了所建立平臺的實用性和有效性。
4結論
肌肉的生物力學特性范文3
[關鍵詞] 阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征； 三維有限元； 生物力學
[中圖分類號] R 318.01 [文獻標志碼] A [doi] 10.7518/hxkq.2013.02.009
阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（obstructive sleep apnea hypopnea syndrome，OSAHS）是具有發病率高、并發癥多、猝死率高、常被患者忽略治療等特點的疾病[1]。下頜前伸矯治器作為阻鼾器的一種
類型，是治療OSAHS患者的有效手段[2]，而下頜前伸定位是口腔矯治器治療OSAHS的核心問題之一。對于下頜前伸與上氣道相關結構間的關系及適宜前伸量存在較多爭議[3]，采用有限元方法對此方面的生物
力學研究，至今鮮見報道。本研究通過建立OSAHS上氣道及周圍結構的有限元模型，并對整體模型進行下頜逐步前伸加載，觀察上氣道舌咽部形態和生物力學的改變和特征。尋找下頜前伸與舌咽部之間的關系，為口腔矯治器治療OSAHS提供理論依據。
1 材料和方法
1.1 OSAHS患者上氣道及周圍結構三維有限元模型
的建立
1.1.1 CT數據獲取 選取1名經夜間多導睡眠儀監測并確診為OSAHS[4]的男性志愿者，經下頜前伸矯治器治療有效并自愿停用治療3個月，排除了其他導致上氣道阻塞的各種解剖或病理因素。經16排螺旋CT機（GE/Lightspeed）進行掃描，患者取仰臥位，使平面垂直向下，掃描線與平面平行進行連續掃描，掃描范圍為甲狀軟骨至眼眶下緣；掃描條件：120 kV，230 mA，層厚0.625 mm，層間距0 mm，得到218張CT圖像，以DICOM格式刻錄存盤。
1.1.2 建模方法 將CT掃描所獲得DICOM格式數據文件導入Mimics 10.0軟件中，經過閾值分割、區域生長、空洞填補與3D計算等操作，生成組織三維面模型。進一步的光滑化處理后在Mimics 10.0的Remesh模塊中網格劃分，生成了以-remesh命名的模型，用Iges格式另存即可。運用同樣的方法分別重建出下頜骨、舌骨、氣道的三維實體模型（圖1）。
在Mimics 10.0中生成的模型以Iges格式導入反求軟件Imageware 10.0中對點云數據進行處理，通過降噪、去除突出點等工作后，在該軟件中對點云數據逐層進行B樣條曲線擬合，Loft曲面生成，保證模型具有較高的幾何相似性；將幾何特征以Iges格式保存，并導入Ansys 8.0軟件以生成體模型（圖2）。由于本研究所關注的軟組織（頦舌骨肌、下頜舌骨肌、頦舌肌
及舌體等）分別建模有困難，因此對軟組織的建模采
取如下簡化方法：作為一個整體進行建模，與氣道接觸處的肌肉邊緣由氣道的邊緣重合，舌體的邊緣由下頜骨的邊緣確定，這一過程主要在Ansys中根據CT圖像和解剖結構直接生成。
體模型的網格劃分采用自動與手動相結合的方式，單元類型采用10節點的Solid92四面體單元；材料特性采用Mimics軟件自動賦值與文獻數據[5]相結合的方式（表1），生成上氣道三維有限元模型（圖3）。
為了簡化分析計算與建模方便，在模型的構建中進行了如下假設與簡化：1）將下頜骨模型全部作為皮質骨進行建模，未對其中的松質骨建模；2）將連接下頜骨和舌骨之間的肌肉作為整體建模，沒有對骨膜進行建模，只是在模型中對肌肉與骨的連接部分進行了共面處理，在今后的分析計算中也會帶來誤差；3）設定模型中各材料和組織為連續、均質和各同向性的線彈性材料。
1.2 整體模型的下頜骨前伸加載分析
1.2.1 對模型進行相關力學相似性的驗證 驗證條件：牙尖交錯位，限制下頜角和髁突、喙突的剛性位移。在側切牙、前磨牙和磨牙上分別加載60、150、300 N的力，驗證結果為3條應力軌跡線與經典文獻一致[6]，說明建立的模型具有非常高的力學相似性，模型有效。
1.2.2 約束條件 設定上氣道后壁不動，舌骨-肌肉-下頜骨連接為一整體、均質彈性體；將肌肉末端、舌骨內側與相應上氣道進行連接。對下頜骨的髁突、喙突限制所有自由度，下頜角肌肉附著處限制x、z方向位移，不限制下頜前伸。
1.2.3 加載 參照文獻[3]，設定前伸量的范圍為2～
8 mm；加載時在前牙列上模擬佩戴矯治器后施加前伸的位移量，分別從原始位加載下頜平移前伸2、4、6、8 mm，依次定義為工況一、工況二、工況三、工況四。在模型的上氣道表面分別選取會厭尖橫截面的橫徑和矢狀徑[7]為觀察指標，位移數值增加記錄為
正值，減小記錄為負值，觀察下頜骨不同前伸量相應形態位移和應力變化。
2 結果
通過對三維有限元模型中的下頜骨模型加載發現上氣道舌咽部平面發生改變，在工況一、二、三、四作用下，舌咽部會厭尖橫截面橫徑數值變化明顯增加，最大增加到0.70 mm；舌咽部會厭尖橫截面矢狀徑隨加載順序呈減小趨勢，其最大減小到0.15 mm（表2）。
在綜合位移圖中可見，氣道舌咽會厭尖截面積也隨著下頜前伸量呈逐漸增加趨勢。加載模型后，主應力分布位置未發生明顯改變，主要集中于上氣道前壁區肌肉牽拉處，但應力值隨著前伸距離增加不斷增加，S1主應力從最初的0.33 MPa增至1.33 MPa（表2，圖4～5）。
3 討論
3.1 利用Mimics 10.0、Imageware 10.0和Ansys 8.0軟
件構建三維有限元模型的特點
上氣道的生物力學和形態學研究成為研究OSAHS的重要方面，以往對上氣道軟組織結構的建模多未涉及氣道與下頜骨等周圍結構[7-8]或使用軟件單一[9-10]。本研究利用Mimics 10.0、Imageware 10.0和Ansys 8.0軟件構建上氣道及周圍結構三維有限元模型，利用軟件的各自特點和優勢，不僅減少了工作量，而且保證了模型的準確性和質量，同時為后期分析計算結果提供了保證。利用Imageware軟件和Ansys軟件的處理可保證模型的光順與原點云數據的高擬合度，對于其上的頦孔等解剖結構未進行簡化，為后續的加載和肌肉力附著點提供了準確的依據。根據CT圖片的具置在Ansys中進行肌肉簡化模型的生成，因此模型具有非常高的幾何相似性。再在Mimics軟件中自動賦值給骨和肌肉，實現了較準確地模擬模型中力學的基礎。然后對建立模型進行力學相似性驗證，說明建立的模型有很高的力學相似性，建模有效。
3.2 下頜前伸對OSAHS上氣道舌咽部三維有限元模
型的加載分析
以往對上氣道的模型加載分析，研究的重點都集中在對上氣道內氣流壓力的變化引起上氣道形態改變[11]和手術治療方面[8]，而對于下頜前伸與上氣道形態的加載分析沒有涉及?；诖?，本實驗通過模擬下頜前伸矯治器治療OSAHS的機理，通過對已建立OSAHS上氣道有限元模型加載，使下頜逐步前伸，觀察和分析舌咽部的生物力學和形態學改變，主要表現為下頜前伸后，咽部肌肉趨于繃緊狀態，上氣道體積增加并糾正咽部松弛和塌陷，依據本實驗結果，在工況一、二、三、四下，橫徑明顯增加，在舌咽部矢狀徑隨加載呈減小趨勢，可能是由于本研究中采取下頜骨平移方式加載，下頜垂直方向上打開不明顯所致。加載發現；氣道舌咽會厭尖截面也隨著下頜前伸過程呈逐漸增加趨勢，最大截面出現在工況四作用下，可能說明在下頜骨平移前伸時，相對于矢狀徑，橫徑對上氣道打開作用更為明顯。4種工況下應力分布位置未發生明顯改變，主應力主要集中于上氣道前壁區肌肉牽拉處，但隨著前伸距離的增加，應力值不斷增加，S1主應力從最初的0.33 MPa增至1.33 MPa。
本研究中，隨著加載距離的增加，上氣道舌咽部形態發生改變，表現為舌咽部橫徑和橫截面增加，有利于消除OSAHS患者該段的狹窄和阻塞，打開上氣道，達到治療OSAHS的作用。實驗過程中發現：隨著下頜前伸距離增加，其應力區的應力更為集中，故使用下頜前伸治療OSAHS時，建議初次前伸距離不宜過大，最好根據需要逐步增加，盡可能在最大減少患者不適感的情況下獲得療效。
有限元分析作為一種生物力學的模擬研究方法，其結果的準確性依賴于建模的質量、分析中邊界條件與加載設置等[12]。而上氣道作為一種軟組織多而
解剖復雜的肌性管道，其中肌肉運動對氣道影響也至關重要，但目前由于各方面條件限制，達到完全真實的模擬也存在很多困難。本研究根據解剖位置直接生成肌肉等結果，模型簡化和加載方式的單一可能會造成結果計算中產生誤差，希望隨著研究深入，在后續中加以改進，使三維有限元在OSAHS研究中發揮更大的作用。
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肌肉的生物力學特性范文4
【摘要】 目的 觀察中藥復方對尾部懸吊模擬失重大鼠骨密度(BMD)、骨生物力學強度及組織形態計量學的影響。方法 50只Wistar大鼠按隨機區組實驗設計法分成正常對照組、模型組及懸吊中藥低劑量組、中劑量組、高劑量組，每組10只，實驗周期21 d。實驗結束后，取右側股骨和第4腰椎，用雙能X線骨密度儀測量股骨、腰椎BMD；三點彎曲實驗法及腰椎壓縮實驗法分別測定股骨和腰椎生物力學指標；取第3腰椎，制作不脫鈣切片測量骨形態計量學指標。結果 與正常對照組相比，模型組大鼠股骨、腰椎BMD明顯降低(P＜0.05)，股骨最大載荷、彈性載荷、最大撓度、彈性撓度明顯降低(P＜0.05)；腰椎最大載荷、彈性載荷明顯降低(P＜0.05)；腰椎骨小梁體積百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁礦化率明顯降低(P＜0.05)。與模型組相比，中藥中劑量組可明顯增加模擬失重大鼠股骨BMD和腰椎最大載荷、彈性載荷和腰椎骨小梁體積百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁礦化率(P＜0.05)。結論 中藥復方能促進骨的形成和礦化過程，增加BMD以及增強骨力學強度，從而達到防治骨丟失的作用。
【關鍵詞】 中藥；模擬失重；骨密度；骨生物力學；骨組織形態計量學
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
失重性骨丟失是長期航天飛行中最危險的因素之一，因而探討和尋求有效的對抗失重骨丟失的有效措施一直是航天醫學界的難題，但至今仍無切實有效的防護措施。我們將中醫藥理論應用于航天醫學研究，研制了以滋補肝腎、健脾益氣、活血化瘀、強筋健骨等治法為依據組成的中藥復方，并利用尾部懸吊模擬失重動物模型，對其藥理、藥效和機理進行了全面系統的研究。本實驗是該方對骨代謝影響系列研究的一個組成部分，重點探討該方對模擬失重大鼠骨密度(BMD)、骨生物力學強度及組織形態計量學的影響，為研究中醫藥對抗模擬失重骨丟失措施及探討中藥對抗模擬失重骨丟失機理的研究奠定基礎。
1 實驗材料
1.1 動物
Wistar大鼠，雄性，體重(150±10)g，北京維通利華公司提供，合格證號：SCXK(京)2002-0003。適應環境7 d后進行實驗。
1.2 藥物
中藥復方由刺五加、黃芪、當歸、補骨脂等藥按一定比例組成。全部藥材經北京中醫藥大學中藥教研室鑒定，按傳統工藝煎煮，制成1 g原藥材/mL濃度的口服液。
1.3 試劑
甲基丙烯酸甲酯(批號20061010)，北京益利精細化學品有限公司；鄰苯二甲酸二丁酯(批號040401)，北京化學試劑公司；過氧化苯甲酰(批號20040610)，北京金龍化學試劑有限公司。
1.4 儀器
雙能X線骨密度儀，美國LUNAR公司；WD-1型電子萬能試驗機，長春第二試驗機廠；WDW-5型微機控制電子萬能試驗機，長春市朝陽試驗儀器有限公司；Reicheit-Jung 2040切片機，德國。
2 實驗方法
2.1 尾部懸吊模型的建立
采用陳氏等[1]改進的鼠尾懸吊法。將大鼠在懸吊籠中尾部懸吊，后肢離地，使軀干與地面成300°角，前肢著地可以自由活動。
2.2 分組及給藥
Wistar大鼠按隨機區組實驗設計法分成正常對照組(K組)、模型組(M組)及懸吊中藥低劑量組(D組)、中劑量組(Z組)、高劑量組(X組)共5組，每組10只，均用懸吊籠單籠飼養，實驗周期21 d。造模前7 d懸吊中藥3個劑量組給予中藥復方(10 mL/kg)灌胃，K組、M組給予蒸餾水灌胃(10 mL/kg)，每日灌胃1次。第8日灌胃1 h后，M組與懸吊中藥3個劑量組尾部懸吊，K組大鼠籠中自由活動。繼續每日灌胃1次，每周稱重1次，按重量調整給藥劑量，連續灌胃14 d。
2.3 標本處理及檢測
2.3.1 大鼠股骨、腰椎骨密度的測定
實驗第21日處死大鼠，取右側股骨和第4腰椎骨，去凈附著結締組織，分別用生理鹽水紗布包裹后即刻保存于-70 ℃冰箱中，并盡快進行BMD測定。測定前取出上述樣本，室溫下復溫，然后將各樣本分別置于有機玻璃板上，固定位置，以全長的1/2交界處為測量點，應用雙能X線骨密度儀作骨橫越掃描，熒光屏顯示測量圖像，自動打印測量結果。
2.3.2 股骨、腰椎生物力學的測定
實驗前取出冰箱保存的大鼠股骨，室溫下復溫，進行三點彎曲試驗，跨距20 mm，加載速度2 mm/min，同時記錄載荷-變形曲線；第4腰椎體進行壓縮試驗，加載速度為2 mm/min，同時記錄載荷-變形曲線，2組樣本均計算最大載荷和彈性載荷、最大撓度和彈性撓度。
2.3.3 腰椎組織形態計量學的測定
在實驗動物處死前14、3 d分別皮下注射鹽酸四環素30 mg/kg。大鼠處死后，迅速取出第3腰椎。剔凈骨周圍肌肉及軟組織，用生理鹽水擦洗干凈，置于10%福爾馬林中固定24 h，然后制作5 μm和10 μm的縱向不脫鈣骨切片。5 μm切片用二甲苯溶掉樹脂后，梯度乙醇至水，甲苯胺藍染色；10 μm切片直接用于熒光觀察。主要參數包括：骨小梁體積百分比、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、骨小梁礦化率。
3 統計學方法
所測定指標均采用x±s表示，BMD和生物力學指標使用SPSS12.0統計軟件中的方差分析(ANOVA)進行檢驗，骨組織形態劑量學使用Student-Newman方法進行檢驗，P＜0.05表示差異有統計學意義。
4 結果
(見表1～表3)表1 中藥復方對模擬失重大鼠腰椎骨組織形態計量學的影響(略)注：與K組比較，#P＜0.05；與M組比較，*P＜0.05；與Z組比較，ΔP＜0.05(下同)表2 中藥復方對模擬失重大鼠股骨、腰椎BMD的影響((x±s，g/cm2)表3 中藥復方對模擬失重大鼠股骨、腰椎最大載荷、最大撓度、彈性載荷、彈性撓度的影響(x±s)
5 討論
我們的前期動物實驗研究表明，尾部懸吊后大鼠出現了明顯骨代謝異常，而在本實驗中模型組大鼠股骨、腰椎BMD以及最大載荷、彈性載荷均顯著減少，這與國內外的相關報道一致[2-3]，說明應用尾部懸吊大鼠的模型是成功的。
BMD是反映骨皮質厚度、骨小梁結構和骨量的重要指標，也是間接評價骨丟失程度的指標之一。本實驗中，與正常對照組比較，模型組大鼠股骨、腰椎BMD明顯降低，中藥中劑量組可明顯增加股骨BMD。說明尾部懸吊模擬失重時，后肢去負荷后肌肉萎縮、骨應力刺激消失、骨骼血液供應不足等引起大鼠承重骨骨礦鹽大量丟失，給與中藥干預后有可能增加骨骼血液供應以及刺激成骨細胞活性或抑制破骨細胞活性而促進大鼠的骨礦鹽沉積，促進骨的礦化，增強BMD。但中藥復方對股骨和腰椎BMD的藥效有差異，可能與藥物劑量、給藥時間以及作用途徑有關。
由于單純骨礦鹽含量測定不能表現骨結構和材料特征的變化，因此結合骨力學指標測定可以更全面評價骨質量，反映骨骼抗骨折能力。最大載荷和彈性載荷反映骨結構力學特性，他們的變化反映骨小梁質量、結構連續性和皮質厚度的改變[4]。撓度是骨骼柔韌性指標，其數值的大小與骨基質膠原蛋白含量高低有關。對于受試骨骼來說，單獨考慮撓度并不能說明受試骨骼的質量，應根據具體的情況來綜合分析。失重及模擬失重下骨骼力學特性(如硬度、強度、柔韌性、彈性及扭轉力)皆有下降，尤其是扭轉力的下降最為顯著。Cosmos飛行發現大鼠股骨和脊柱的力學性能下降[5]。馬氏等[6]于尾吊大鼠模型模擬失重90 d后測量長骨的生物力學性能發現，股骨的強度、硬度、剛度各項參數均較對照顯著下降。在本實驗中，模型組大鼠股骨、腰椎力學強度均降低，中藥中劑量組可明顯增加腰椎最大載荷和彈性載荷。提示中藥復方通過增加BMD，增強骨力學強度而有效防止骨折發生，而對最大撓度和彈性撓度沒有顯著影響，可能與中藥復方對骨基質膠原蛋白含量影響不明顯有關。
在本實驗中，中藥復方中劑量組比低劑量組和高劑量組更明顯增加BMD和骨力學強度，因此，我們選擇中藥復方中劑量組，從骨組織形態計量學方面進一步考察了該方的療效。骨組織形態計量學是新近發展起來的一種骨組織定量研究方法，它將骨組織切片中二維圖像展示的骨組織形態轉化為數量資料，從而得出較多的定量結構信息，可從組織和細胞水平了解骨結構的變化情況。而骨組織的力學特征不僅決定于骨質的密度，還與骨小梁的微觀結構有著非常密切的關系。目前有關骨形態及結構的研究證明，失重狀態下骨結構的變化包括骨小梁變薄、數目減少、成骨細胞的數目和活動減少等[7]。本實驗結果表明，模型組大鼠骨小梁結構及其形態發生明顯改變，骨小梁明顯變細，骨小梁體積百分比、骨小梁形成表面百分比、活性生成表面百分比、骨小梁礦化率明顯降低，部分骨小梁中斷而逐漸被吸收，骨小梁之間的距離變寬，骨小梁的連接遭到破壞，失去原來的三維網架結構，導致松質骨的整體力學強度下降。提示模擬失重可抑制大鼠松質骨類骨質的形成和礦化，對骨吸收影響不大，表明模擬失重使骨形成減少而導致骨的丟失。經中藥治療后，骨小梁數目增加、變粗、間隙減小，骨小梁體積百分比和形成表面百分比及礦化率等明顯增加，表明中藥復方能明顯的促進模擬失重大鼠類骨質的形成和礦化，改善骨的顯微結構，從而增加了骨量和提高了骨的強度。
綜上，中藥復方可以有效改善失重性骨丟失，有效促進骨的形成和礦化過程，增加BMD以及增強骨力學強度，從而達到防治骨丟失的作用。表明該中藥復方對防治失重性骨丟失方面具有一定的應用意義，有待于細胞水平和分子水平的深入研究。
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肌肉的生物力學特性范文5
關鍵詞 推拿 力學 構建 研究 方法 教學
1、《推拿力學》教材建設的意義
推拿是一門古老的中醫外治技術，經過幾千年的臨床實踐，其療效和使用價值勿庸置疑。在我國高等中醫院校的推拿專業課程設置里，主要有《推拿功法學》、《推拿手法學》和《推拿治療學》三門，綜觀三門課程的知識內容，基本上都是對古人經驗的總結和整理，內容雖然豐富，但仍然屬于經驗醫學。中醫藥現代化是時展的必然趨勢，作為中醫學有機組成部分的推拿學也必然要跟隨時展的步伐。充實和更新學科知識內容，特別是運用現代物理力學原理、手段和方法研究古老推拿學所產生的、具有現代科學內涵的新的知識內容，將是推拿學向前發展和走向現代化的堅實步伐，將為本學科的發展注入新的活力。不僅如此，將力學的定性定量研究思維引入以經驗為主的推拿醫學，將為手法的作用實質和量化規范性操作提供堅實的理論基礎。構建一本好的《推拿力學》教材，以此為基礎進行教學實踐探索，學生在繼承學習傳統經典推拿知識的同時，運用現代力學的原理對這些知識進行新的認識和思考，以及在教學過程中探索新的人才培養模式，培養大量高層次的人才，這對本學科的發展具有不可低估的深遠意義。
2 理論準備
在探索將傳統推拿經驗醫學知識進行現代詮釋的理論準備過程中，我們尋找過很多的方法和路徑，比如動物實驗、臨床醫技手段和解剖學原理等，但這些路徑和方法，要么對本學科問題的解決顯得點點滴滴不夠全面，要么不能切中要害解決不了根本問題。手法的最大特點在于“手法作用于人體，以力為作用特征[1]”，手法的運用過程其實質就是一個力的運用過程，傳統手法醫術要與現代科學相結合，從力的研究入手是一個最佳切入點。因此，可以把“力”的概念作為運用現代科學思維方式研究手法醫學的橋梁和紐帶。
3 《推拿力學》的教材構建
教材的主要知識內容是運用借鑒現代物理學中力學的研究方法，通過對手法、功法和治療的力學分析，剖析手法對人體的作用方式和作用實質，介紹手法的力學基礎、力學特性、力學作用原理、動力學效應、生物力學效應等，現將主要內容介紹如下。
緒論部分主要闡述推拿力學的基本概念、源流、編寫目的、意義、學習方法、臨床運用價值、學科研究發展方向等。
在手法的力學基礎章節里，闡述與手法醫學密切相關的力學概念，例如剛體、力、力矩、笛卡爾坐標系、平衡、平移、位移、旋轉、自由度、運動學、載荷、阻力和時間等，并結合本學科的特點，介紹這些概念的臨床應用及意義。力學分析的一些基本要術，比如力的大小、方向、作用點、時間、長度等，與之相關的還有向量、質量、速度、加速度、頻率和固有頻率等等；動力型位移、靜力型位移、張力型位移、生理性載荷、病理性載荷、功能性載荷、組織結構力學、剪切力、拉伸力和壓縮力；定義舉例；耦合運動；三維空間上的螺旋軸；物理力學分析方法、力學計算公式，與本學科相結合的臨床應用及其意義。
在手法的力學和生物力學特性章節里，運用借鑒現代物理學對力學的研究方法，來分析主要手法的力學特性，畫出主要手法的力學分析圖[2、3]，給出力臂、力矩、作用點、動力等力學作用因素，對某些手法(如一指禪推法、按法等)給出其力學計算公式，從物理學角度來量化手法的作用量(治療量)，為合理科學的手法操作打下基礎。結合人體的生物力學特性，描述和預測在手法外力作用時，人體靜態和動態力學結構的發生、發展和變化，以及皮膚、皮下組織、血管、神經、肌肉、韌帶、淋巴等組織結構所產生的收縮、舒張、酸、脹、麻、熱等生物學效應。
在推拿力學的研究方法章節中，主要介紹以下幾種研究方法，一是離體研究方法，二是在體研究方法，三是數學模型研究方法，四是骨性模型研究方法?；镜膶嶒炇侄?，編寫三種，分別是強度實驗、穩定實驗和疲勞實驗。推拿力學主要實驗指標。
手法的力學作用原理和動力學效應。通過對手法力學特性的分析，運用力學理論來闡明手法對人體的作用方式和作用途經，分析手法中的主要作用因素、次要作用因素和無效作用因素，為提高手法的操作效率打下基礎。從物理學角度，結合手法的作用點、力的大小、方向、幅度和頻率等因素，闡明各個手法作用力作用于物體時所產生的動力學效應，例如：沖量效應、熱效益、動量效應、位移效應等。本部分分為三個章節編寫，一是手法的動作結構、運動學和運動學規律；二是六大類24個基本手法的力學結構、力學原理，畫出力學變化圖，探討手法的合理性；三是手法運動生物力學實驗，包括手法運動生物力學的研究方法、實驗儀器及其應用、手法力學信息測錄系統和信息計算機處理系統。
在功法力學部分，主要研究了易經筋十二個功法和少林內功中站襠勢、馬襠勢、弓箭襠勢、跨襠勢、并襠勢、大襠勢、懸襠勢、坐襠勢、低襠勢、磨襠勢、亮襠勢、前推八匹馬、倒拉九頭牛、霸王舉鼎、風擺荷葉的力學模型及其基本結構，重點描述每一個動作結構的力學原理，對人體整體結構的影響，對人體局部肌肉、骨骼和關節的影響，從力學角度分析探討動作原理、力學根據，對重點鍛煉部位畫出力學分析圖，給出力學計算公式，探討功法鍛煉的合理性。
在治療學部分，主要從手法的力學效應上進行編寫，選擇了頸椎病和腰椎間盤突出癥兩個疾病，根據每個疾病的生理特性和病理改變，與手法的力學原理相結合，遵照循證醫學的觀點，有理有據地分析手法運用的根據，從力學原理提出疾病的治療處方，提出每個疾病手法治療的作用點、力的大小、力的方向、力的作用時間、頻率高低和振幅大小等因素的參考值。
在附篇部分還介紹了手法治療與臨床應用研究，主要探討手法對局部組織器官和人體系統的作用。
4 教學實踐
教學實踐的目標是通過《推拿力學》的教學活動，使學生從根本上擺脫沿襲了幾千年的“就手法而學習手法”模仿式學習，打破“經驗教學”的舊框架，培養學生運用現代科學的研究手段和思維方式來對古老的手法醫學做出全新的認識和理解。教學實踐的目的是對教材內容進行實踐檢驗，探索其科學性、正確性和有效性，為進一步修正提高打下基礎。教學實踐活動分以下步驟進行。
在編寫教學計劃和實施方案的基礎上，選擇我校2004級針灸推拿專業五年制和七年制兩個班進行教學實踐，以王國才主編的“十一五”國家級規劃教材《推拿手法學》為主干教材，在學習該教材的同時，講授《推拿力學》的相關知識內容，總共54學時。在教學過程中，我們邀請了本校和外校各兩名專家共聽取了8學時的課，課后專家均以書面評價形式對本教材和教學過程予以了較高評價，并對進一步完善和修改提出了寶貴意見。設計了學生問卷調查表，以“A、該教材很有價值對教學具有積極的促進作用”、“B、該教材價值一般對教學促進作用不太大”和“c、該教材使用價值不大對教學沒有促進作用”三個問題供學生以不記名方式自由選擇，兩個班共211人，回收211份調查表，選擇“A”的學生206名，占總數的97．6％，選擇“B”的學生5名，占總數的2．4％，無選擇“C”的學生。
5 認識與體會
力學貫穿了整個推拿醫學的始終，雖然本教材還不夠成熟，甚至有很多錯漏之處，但這畢竟是一種學科的創新之舉，是一種有益的嘗試，特別是對本學科的現代化提供了一種啟迪和思路，應該代表了本學科的發展方向。就目前而言，臨床上手法操作十分混亂，各施各法，沒有統一的規范和標準，手法的量效關系也一直不能夠確定和量化，本教材的編寫和完善，將為解決長期制約本學科向前發展的根本性問題帶來希望。
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肌肉的生物力學特性范文6
【摘要】 [目的]比較頸椎前路靜力性、動力性釘板系統在頸椎前路單椎間減壓植骨融合中的生物力學，為臨床應用提供生物力學依據。[方法]采用6具小牛頸椎標本，測定其正常頸椎C4、5節段的活動范圍(ROM) ，而后在C4、5節段制作單椎間減壓植骨融合模型后隨機分為3組，分別采用Orion、Codman、Window鋼板、螺釘固定，分別測定脊柱在前屈、后伸、旋轉、側屈運動時的穩定性并與正常標本比較。[結果]單椎間減壓植骨融合后，無論采用哪種鋼板固定，其術后ROM值除側屈時稍大外均比正常頸椎要小，在前屈時最為明顯(P< 0.05);后伸時Orion固定最接近正常標本(P> 0.05)，而Codman、Window與正常標本相比有較大差異(P< 0.05);旋轉側屈時3 種鋼板與正常頸椎均無顯著性差異(P> 0.05);3 種鋼板之間無顯著性差異(P> 0.05) 。[結論]在頸椎前路單椎間減壓植骨融合中，頸前路靜力性、動力性釘板系統均能維持頸椎的穩定性。本試驗支持動力性釘板系統在頸椎前路單椎間減壓植骨融合中應用。
【關鍵詞】 頸椎; 生物力學; 內固定
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
頸椎前路靜力性鋼板被廣泛地應用于椎間盤或椎體切除后重建，但有學者認為堅強固定會產生應力遮擋，減少了植骨塊的載荷而影響融合效果。而頸椎前路動力性鋼板固定可使植骨塊與植骨床之間緊密接觸，植骨塊得到充分的載荷刺激，可以提高融合率[1]，因此臨床應用逐漸得到重視。但鋼板動力化是否會影響到術后頸椎的穩定性，不同設計的鋼板間又有何差異，文獻報道較少。本研究對三種不同設計鋼板固定臨床常見的頸椎前路單椎間減壓植骨融合的穩定性進行生物力學比較，為臨床合理選用內固定提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 實驗材料
采用6具小牛新鮮頸椎標本(由上海光明乳業集團南匯區特約屠宰場提供)，通過大體解剖及X線攝片排除病理標本，剔除全部肌肉，保持韌帶、關節囊、椎間盤及骨性結構的完整，標本用雙層塑料袋密封，在-30°低溫冰箱保存10～15 d，在實驗前將逐級解凍。三種鋼板為Orion由美敦力·樞法模公司提供、Codman由北京Link公司、Window由北京奧斯比利克公司提供。測試儀器為上海大學生物力學工程研究所三維空間坐標系統儀。
1.2 標本的制備
在頸椎標本上、下兩端C2～7椎體分加澆注相互平行的骨水泥(自凝牙托粉)平臺，平行度小于10°，以便于對標本進行加載測試。而后將C4、5椎間盤切除，去除上下終板軟骨，用大小適宜的三面皮質髂骨塊植入，相當臨床上單椎間隙減壓植骨融合模型。頸椎標本按如下順序依次行： Orion鋼板、Codman鋼板、Window鋼板固定，于C4、5椎體中上部進針，螺釘角度分別向頭、尾側成角15°，制成相應內固定模型。
1.3 實驗方法
1.3.1 測試順序：(1)完整模型;(2)Orion鋼板固定模型;(3)Codman鋼板固定模型;(4)Window鋼板固定模型。
1.3.2 力學模型及生物力學測試
頸椎的力學測試模型主要是正確模擬人體頸椎運動的規律性能及頸椎力學性質的變化，載荷及力學重心的確定。對頸椎的受力狀態與人相似，施加載荷為150 N為宜，以保證處于生理狀態下標本可重復加載，不會導致頸椎標本破壞或失穩。對頸椎的加載方式采用滾珠對準力學重心點以準靜態速度1.4 mm/min液壓平穩分級加載。測試過程中先行預載以去除頸椎骨的蠕變、松馳等時間效應的影響，然后模擬人體頸椎三維運動(圖1)，產生前屈、后伸、左右側屈的運動，通過高精度數顯光柵測微儀(KG-101型，精度0.01%)測量頸椎C4、5椎體的位移;旋轉試驗則將測試相應節段左、右旋轉至6°，通過YJ-14連續數字式應變儀測量施于頸椎的扭矩。測量數據經計算機處理換算成角位移的變化。測量過程中對標本予以生理鹽水噴霧，以保持標本濕潤新鮮狀態。
圖1 頸椎不同運動方式示意圖
1.3.3 數據分析和統計學處理
本實驗對標本各種運動狀態的三維穩定性進行測量，所有數據處理用SPSS 11.5處理。計算頸椎的不同運動狀態時不同內固定下的運動范圍。采用重復測量方差分析LSD法進行統計學比較，比較不同內固定方法下的ROM的差異。比較時顯著性差異設定在(P
2 結果
所有數據處理用SPSS 11.5處理。計算頸椎的不同運動狀態時不同內固定下的運動范圍。采用重復測量方差分析LSD法進行統計學比較，比較不同內固定方法下的ROM的差異。比較時顯著性差異設定在(P
試驗過程中未出現頸椎標本破壞或內固定失敗等。就本試驗中的頸椎前路單椎間減壓植骨融合模型而言，盡管采用前路鋼板固定，也未能完全恢復到正常標本的剛度。試驗數據經統計分析，結果參照表1。
在前屈狀態:3 種鋼板固定后的ROM值均比正常頸椎組小，統計分析有顯著差異(P< 0.05) ，均較正常標本更穩定。其中以Codman 的穩定性最好。
后伸狀態: Orion固定后的ROM值最接近正常頸椎，統計分析無顯著差異(P> 0.05)。而Codman和Window 固定后的ROM值均比正常頸椎組小(P< 0.05) ，Codman比Window 的穩定性更好。
側屈狀態:3 種鋼板的ROM 比正常頸椎組稍大，但無顯著差異(P>0.05) ，說明能達到穩定性要求。
旋轉狀態：結果與前屈狀態時類似。3種鋼板固定后的ROM值均比正常頸椎組小，但無顯著差異(P> 0.05) 。其中Codman 的穩定性最好。但在前屈、后伸、側屈、旋轉狀態下3種鋼板固定后穩定性均無顯著差異意義(P> 0.05) 。
3 討論
頸前路單椎間減壓植骨融合是臨床治療頸椎間盤突出癥或頸椎病的常用術式，前路鋼板內固定的使用明顯減少了植骨塊脫出、塌陷及后凸畸形等并發癥[2]，但植骨塊融合率仍未理想，文獻報告的單間隙融合中假關節發生率最高達到12%[3]。有學者[4]認為這跟先前使用較為廣泛的傳統靜力性頸椎前路鋼板的堅強固定產生應力遮擋，減少植骨塊的載荷有關。而頸椎前路動力性鋼板固定可使植骨塊與植骨床之間緊密接觸，植骨塊得到充分的載荷刺激，可以提高融合率，因此臨床應用逐漸得到重視。
目前臨床應用的前路鋼板基本都是單皮質螺釘固定的帶鎖鋼板，也稱限制性鋼板。根據鎖定機制的不同， Haid將之分為完全限制性和半限制性2個亞類。前者指鎖定后螺釘與鋼板交界處沒有活動，例如CSLP，Orion鋼板等。后者又稱動力性鋼板，可進一步細分為轉動和平移2類，屬于轉動類的有Codman、Zephir等，螺釘與鋼板界面間角度可變，以此增加植骨塊承載;平移類如ABC、DOC、Window、Premier等，除了螺釘角度可變外，更允許螺釘軸向下沉，形成動力性加壓而使植骨塊與植骨床之間緊密接觸，同時減少對植骨塊應力遮擋。本研究選用了臨床應用較廣泛的Orion，Windows，Codman三種有代表性的不同設計的鋼板(圖3)。Orion鋼板上下兩端的螺釘孔各向頭尾端成固定的15°角和向內聚6°角，通過成角的張力增加固定的穩定性，為典型的靜力固定。Codman鋼板則允許螺釘在螺孔內有一定的轉動范圍，以此增加植骨塊所受的應力載荷，為轉動類的動力固定;Window鋼板中央有間斷長方形窗式槽，供螺釘置于任何符合頸椎生量曲度和角度的合適位置，螺釘擰入后，和螺孔間具有動力加壓功能，為平移類的動力固定。
圖2三種不同設計鋼板
試驗結果表明，三種鋼板除在側屈時ROM比正常大(但與正常無顯著差異外)，其余狀態時ROM均比正常小，其中前屈與正常相比有顯著差異(P0.05)。測試結果與俞杭平[5]的實驗結果類似。但對于實驗結果之間有一些差異，作者認為和我們采取的標本可能有一定關系，小牛的頸椎C4、5節段生理運動范圍比人的頸椎活動運動范圍小。因此可能低估頸前路鋼板的作用。
頸椎單椎間減壓植骨塊融合相當于一個骨折的愈合過程， AO認為復位后堅強固定是骨折愈合的必須條件，但本試驗結果表明，頸椎單椎間減壓植骨融合后，無論采用哪種鋼板固定，其術后ROM值除側屈時比正常稍大外(但差異無顯著意義)，在前屈、后伸、旋轉運動時均比正常頸椎要小，均能提供高于正常頸椎的穩定性，說明鋼板固定后植骨塊融合擁有良好的愈合環境。尤其作為動力化固定的Codman和Window兩種鋼板完全能提供植骨塊融合必須的穩定性，但從既往的生物力學研究看，動力性鋼板由于特有的力學特點使植骨塊所受的應力增加及植骨部位的微動，可促進骨愈合，減少骨愈合的時間。Reidy等[6]也認為動力性加壓能提高植骨塊的載荷，從生物力學上看更支持動力性鋼板在單純前柱不穩定中應用。
由于是生物力學研究沒有涉及到肌肉組織的穩定作用和機體的協調作用，因此不完全代表臨床應用的實際情況，而只提示某一種內固定器械比另外一種器械的生物力學特性強。此外，由于新鮮人尸體標本獲取較困難，特別是可能牽涉的倫理問題，本試驗中選擇了新鮮小牛標本作為研究對象。Wilke等認為使用小牛脊柱標本在比較各內固定系統性能，尤其是脊柱椎間活動度方面，反映出的相關趨勢與人體標本是一致的。
總體而言，在頸前路單椎間減壓植骨融合固定中，不管是靜力性還是動力性固定均能有效維持脊柱的穩定性，但從Codman 和Window 等動力性固定的載荷特點看，動力性鋼板固定的應力遮擋效應小，有利于植骨塊融合，因此在單椎間減壓融合中選用Codman 和Window 相比較而言有一些優點，這提示我們在治療時盡可能選擇動力性固定。
參考文獻
[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] 徐建偉，賈連順，陳德玉，等.頸椎前路椎體次全切除鈦網植骨早期塌陷的探討[J].中國矯形外科雜志，2002，13：1267-1269.
