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生物力學分析方法范文1
關鍵詞：高中物理；學習障礙；克服方法
高中生要想學好物理，必須在起初階段克服對物理學習的障礙。但是相對于初中物理課程，高中物理知識難度高、跨度大，很容易使學生產生無法克服的學習障礙。那么，如何才能克服學習障礙呢？首先要分析形成學習障礙的原因，從而針對這些原因尋找有效的解決方法。
一、高中物理學習障礙的成因分析
1.高中物理學習障礙形成的客觀原因。高中物理知識相對于初中物理知識，是有很大變化的，高中物理知識與初中物理知識關聯性不強、跨度大、抽象難懂，這是造成學生學習障礙的重要因素之一。初中物理學習主要是以觀察和實驗為基礎的教學，內容是力學、熱學、聲學和光學等物理基礎知識，都是比較具體化的知識內容。高中物理知識是觀察實驗與抽象思維相結合的教學內容，由于知識的抽象化以及學生的思維邏輯能力不強，造成了學生無法理解高中物理知識。所以，對于剛接觸高中物理知識的學生來說，往往會存在理解上的障礙，使學生無法有效地學習物理知識。
2.學生的心理原因。剛接觸高中物理知識，學生會潛意識地受初中物理學習方法的影響，用初中物理學習方法來理解高中物理知識。初中物理知識內容少，知識結構簡單，學生只要熟練掌握和運用概念和公式就可以學好物理知識。而高中物理知識的內容多，知識結構復雜，課堂的密度相對較高，各部分知識之間存在關聯。因此學生采用初中的學習方法是很難適應高中物理知識學習的，所以在高中物理學習中，學生往往會不知道該從何學起，也不知道應該重點學習什么，從而使學生對物理學習產生厭惡，造成物理學習的心理障礙。
3.高中物理教材原因。高中物理知識都是相對比較抽象化的內容，需要學生具有良好的抽象思維和想像力。在觀察實驗的時候，要求學生要積極思考，要有很好的觀察能力，在很短的時間內把握實驗現象的特征，從中分析出現象的實質和核心內容。這就要求學生要有極強的發現和探索問題以及分析問題的能力。而剛接觸高中物理知識的學生是缺乏這種能力的。
二、克服高中物理學習障礙的有效方法
1.高中物理學習要循序漸進，促進學生知識結構的穩步形成。對物理學習存在障礙的學生，老師不可以操之過急，學生也不要自暴自棄。老師要幫助學生利用已有的初中物理知識作為高中物理知識學習的臺階，通過學生已有的知識建立新的認知結構，用新方法和知識來替代原有的思維方式和認知結構。
2.激發學生的學習興趣。只有使學生對高中物理知識產生學習興趣，才能使學生產生學習動力，學生的物理課堂學習效果才會有所提高。因此，提高學生學習興趣是高中物理課堂教學的必要手段，可以讓學生多到實驗室自己探究物理規律，閱讀與物理有關的物理歷史和物理故事，來提高學生的興趣。
3.培養學生養成良好的物理學習習慣。要克服物理學習障礙，就必須養成良好的學習習慣。學生要在課下多做功課，在課堂開始前做好預習工作，把教材內容閱讀幾遍，基本熟悉掌握，并把不能理解的內容做標注；課堂中要針對自己不能理解的內容認真聽講，并認真做筆記；課下要做好復習工作，不理解的地方可以詢問同學或老師，從而把知識點理解透徹，這樣才能有效地學好物理。
4.老師要給予學生正確的指導和心理疏導。對于剛接觸高中物理知識的學生來說，不該有太高的要求，對知識的學習不能要求學生一次到位。要根據學生的實際學習情況，制定相應教學方案，適當放慢教學速度，使學生能夠熟練地掌握物理知識。同時要積極疏導學生的心理壓力，告訴學生學習障礙誰都會有，不能操之過急，可以以自身的經驗來告訴學生如何克服學習障礙，減輕學生的心理壓力。教學安排中，要注重練習題的難度控制，由淺而深地給學生合理安排練習任務，這樣學生才能增強學習自信心，思維邏輯能力也會在循序漸進的過程中得到有效的培養。
5.給予學生積極的鼓勵和客觀的評價。老師在批改作業的時候要客觀評價，這樣會有利于激發學生的學習動力?？陀^評價是對學生的學習態度的肯定和認可，可以有效地激發學生的自信心和上進心。在對學生評價時，除了公正評價外，要給予鼓勵和批評。老師的客觀評價會對學生的心理產生影響，久而久之，學生就能在學習中接受老師的批評，并建立自我鼓勵的機制，使學生在潛移默化中克服物理學習障礙。
生物力學分析方法范文2
關鍵詞：運動生物力學理論 學校體操教學 學生能力 教學質量
運動生物力學是研究體育運動技術力學規律的科學，它通過對學校體操各單項運動技術的生物力學分析，提出必要的理論數據，建立標準運動技術的模式，使教練員和運動員明確什么樣的動作是正確的運動技術，什么樣的動作是錯誤的運動技術。教練員明確了運動技術的原理，便可通過一定的手段對運動員進行技術診斷，找出技術改進措施，尋求最佳運動技術，以提高訓練的科學性。體操技術動作常常是在反正常姿態下完成的，有較強的時空感，完成動作的時間短，學生學習有一定的難度。對體操動作進行正確的技術分析，能幫助教師更深入地理解教材，合理地安排教材內容和運用教學方法，幫助學生正確地理解動作，建立準確的動作概念，加速動作技能的形成，提高學生分析和解決問題的能力，為今后從事教學工作打下良好的基礎。
根據運動學和動力學特征將體操動作分門別類，使教學安排科學化。人認知的遷移規律表明，學習者對一些新運動技能的掌握往往受到早先形成的運動技術定勢的影響。這種影響表現為正、負兩方面，正遷移能促進新技能的形成和發展，而負遷移干擾新技能的形成和發展。體操教師只有對技術動作力學分析，并歸納出各項體操動作力學特征的相同點和不同處，才能在教學中正確地運用遷移規律。筆者在體操教學中依據動作的力學特征，把教材分成幾個板塊進行教學。例如，技巧中的前滾翻、魚躍前滾翻，縱箱中的前滾翻，雙杠中的分腿坐前滾翻成分腿坐等等，均屬前滾翻類動作，作為一個動作板塊;雙杠中的掛臂撐屈伸上和杠端跳起經屈體懸垂擺動屈伸上，單杠中的經直角懸垂擺動屈伸上，動作特征相同，也歸為一個動作板塊，等等。這樣，按動作板塊安排教學，教師運用同結構教學法，能起到學生學一個會一串的作用，學生會產生學了前一個動作對后一個動作有躍躍一試的念頭和欲望，達到提高學生學習體操動作的興趣和主動性。同時，由于動作結構相同，學生也容易建立動作的時空感，掌握正確的用力時機，大大地縮短了學習動作的時間?？傊?，對體操技術動作進行生物力學分析，掌握其力學特征，都可為體操教師選擇教學方法、合理地安排教學內容提供科學的依據，有利于學生理解并掌握技術動作。
體操教師運用生物力學原理分析體操技術動作，能幫助學生區分正確動作與錯誤動作，明確動作完成程序，使動作規范化。在體操教學中，筆者常常發現學生自認為已掌握了動作，其實所完成的動作是錯誤的或已改變了動作性質。及時幫助學生分析錯誤動作的根源并糾正錯誤是掌握正確技術動作的關鍵。教師運用運動生物力學分析正確動作和錯誤動作的區別所在，能強化學生對正確動作的理解，明白動作為什么要這樣做，從而及時糾正自己錯誤動作。例如，技巧項目的頭手翻動作，人體重心位置的控制是決定該動作能否順利完成和動作質量高低的關鍵所在。不少學生往往對此技術關鍵沒引起充分的認識，因而練習過程不是重心沒有移出便開始伸髖，就是重心前移過多而完成不了動作。教師對人體重心未移出、移出適中和移出過多等3種情況所產生的運動力學結果進行分析，學生明白了道理，練習中就會有意識地控制自身重心位置。同時根據自己完成的情況，判斷自己錯誤動作所在，從而有效地糾正錯誤，建立正確的動作概念，并達到規范化。
提高學生保護與幫助的能力。教師對體操技術動作的生物力學分析，向學生講明動作動力學和運動學特征，學生領會了該動作的力學原理，對動作有了正確的認識，在此基礎上，再指導互相保護與幫助的方法，學生便很容易接受，就能對動作不同類型采用不同的方法，在最需要助力或阻力時給予施力;動作在何處最容易出危險，應站在何處進行保護與幫助。這樣，通過一定時間的練習，學生就能較熟練地掌握保護與幫助的方法，從而有效地提高學生保護與幫助的能力;提高學生分析和解決問題的能力。教師在指導分析技術動作的基礎上，選擇一些較簡單的動作讓學生獨立思考分析，掌握運用生物力學原理分析動作的方法，既學會了動作，又掌握了技術動作方法，從而達到提高分析問題、解決問題的能力。
總之，體操技術教學廣泛地運用生物力學原理對技術動作進行分析，能加速學生對技術動作的理解，加速技術動作的完成，提高學生的能力，使教學科學化。
參考文獻
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生物力學分析方法范文3
【摘要】 目的 研究股骨頭松質骨彈性模量、骨密度及骨小梁形態及結構的相關性，以期用體外測定骨密度早期預測股骨頭壞死后塌陷。方法 取股骨頭承重區松質骨，測量其彈性模量、骨密度值，應用圖像分析系統測量組織形態學分析指標，進行相關回歸分析，分析骨密度與彈性模量及組織形態學指標之間的相關性及相關關系。結果 松質骨骨密度與彈性模量之間呈二次曲線相關關系；骨密度與組織形態學分析指標之間有很好的相關性。結論 應用骨密度能較好的反映股骨頭生物力學性能及松質骨細微結構，理論上可以應用于股骨頭壞死后塌陷的預測。
【關鍵詞】 骨密度；彈性模量；組織形態學；股骨頭缺血性壞死
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
成人缺血性股骨頭壞死(avascular necrosis of the femoral head，ANFH)是骨科常見疾病。股骨頭壞死后塌陷是導致髖關節功能受限或喪失從而致殘的主要原因［1］。如能早期預測股骨頭壞死后塌陷并予以適當處理，則有可能預防股骨頭塌陷的發生［2，3］。
本實驗測量股骨頭松質骨骨密度(bone mineral density，BMD)、彈性模量及組織形態學參數，研究BMD與骨彈性模量及組織形態學分析指標之間的相關性及相關系數，以BMD反映股骨頭的生物力學性質及骨小梁形態。通過體外動態測定股骨頭松質骨BMD，間接反映股骨頭的生物力學性質及骨小梁形態及結構的變化趨勢，為臨床早期預測股骨頭壞死后塌陷的研究提供理論依據。
1 一般資料
28 例股骨頭缺血性壞死、髖關節骨關節病或新鮮股骨頸骨折，需行全髖關節置換術者作為研究對象，其中男17 例，女11 例；年齡32～76 歲，平均(63.1±8.3) 歲。無甲狀腺或甲狀旁腺機能亢進或減退、肝腎疾病等。
2 實驗方法
2.1 取材 在全髖關節置換手術中取出股骨頭后，立即用環鉆在股骨頭承重區沿力線方向經股骨頭中心鉆取松質骨，以鋒利手術刀將兩端切成平行并與縱軸垂直，標本長度約為(25±0.5) mm，再用細砂紙將兩端仔細打磨平整。精確測量直徑及長度后儲存于－70℃低溫冰箱中備用［4］。整個標本采取及制作過程在2 h內完成。
2.2 方法
2.2.1 彈性模量測定 將股骨頭標本從低溫冰箱中取出后，置于22～25℃室溫中約3 h進行復溫。應用萬能壓力測試機進行非損傷加載。加載速率為0.002 m/s，最大載荷為0.15 kN，最大變形為7％，變形測量精度為0.005 mm，載荷測量精度為1 N［5］。每份標本測量3次，取第3次測量值。每次測量前后及間歇期均將標本浸泡于室溫生理鹽水中。計算彈性模量。彈性模量計算公式為：E＝(F/S)×(L/ΔL)［6］，各數據均采用國際單位制(E為彈性模量，ΔL為標本變形值，F為載荷，S為標本截面面積)。
2.2.2 骨密度值測定 彈性模量測定后，雙能X線骨密度儀進行骨密度值測定。將標本直立放置于檢查床上，沿標本縱軸進行掃描，單位為g/cm2。骨密度測定前后將標本浸泡于生理鹽水中。
2.2.3 骨組織形態學分析 標本進行手工磨片后酸性復紅染色，應用半自動圖像數字化分析儀，放大10倍下進行組織形態學測量，每一標本連續測量8～10個視野，分析下列6個靜態參數：松質骨體積(trabecular bone volume，TBV)，單位mm2內骨小梁體積占松質骨體積的百分數；平均骨小梁密度(mean trabecular plate density，MTPD)，單位mm2內骨小梁個數(個/mm2)；平均骨小梁間距或彌散度(mean trabecular plate separation，MTPS)，相鄰兩個骨小梁之間的距離(μm)；平均骨小梁厚度(mean trabecular plate thickness，MTPT)，骨小梁本身的平均厚度(μm)；骨小梁間連接點數(intertra becular node，IBN)形成網狀的骨小梁在單位面積內交叉連接點個數(個/mm2)；骨小梁末端數(freeending trabecular，FET)，單位面積內骨小梁游離殘端個數(個/mm2)［7］。
2.2.4 實驗數據處理 應用統計分析軟件包SPSS10.0進行統計學分析，分析骨密度值與彈性模量以及骨密度值與組織形態學分析各指標之間的相關性及相關關系。
3 結
果
3.1 測量結果 彈性模量及骨密度測定結果見表1。應用半自動圖像數字分析儀，放大10倍下進行組織形態學測量，每一標本連續測量8～10個視野，各靜態參數測定結果見表2。表1 彈性模量及骨密度測定結果表2 骨組織形態學分析結果
3.2 相關回歸分析 本實驗統計學分析后發現，松質骨骨密度與彈性模量兩組數據之間呈二次曲線相關關系，回歸方程為Y＝315.30－1327.33X＋1523.07X2，相關系數為0.782(P＜0.001)。
本實驗結果顯示，股骨頭松質骨的骨密度與組織形態學分析指標之間也有很好的相關性。骨密度與松質骨體積之間呈現直線相關關系，回歸方程為：Y＝4.18＋29.35X，相關系數為0.860(P＜0.001)；骨密度與平均骨小梁密度之間呈現直線相關關系，回歸方程為：Y＝0.26＋1.89X，相關系數為0.779(P＜0.001)；骨密度與平均骨小梁間距之間呈現直線負相關關系，回歸方程為：Y＝1520.30－1222.40X，相關系數為0.783(P＜0.001)；骨密度與平均骨小梁厚度之間呈現直線相關關系，回歸方程為：Y＝－20.33＋318.72X，相關系數為0.763(P＜0.001)；骨密度與骨小梁間連接點數之間呈現直線相關關系，回歸方程為：Y＝6.40＋82.58X，相關系數為0.702(P＜0.001)；骨密度與骨小梁末端數之間為直線負相關關系，回歸方程為：Y＝91.43－72.13X，相關系數為0.741(P＜0.001)。
結果表明股骨頭松質骨骨密度能夠很好地反映股骨頭松質骨的生物力學性質及骨小梁形態及結構的變化趨勢。
3.3 骨密度的相對安全范圍 結合骨密度－彈性模量回歸曲線、骨密度－組織形態學分析指標回歸曲線以及鏡下觀察結果，綜合評估后發現，當骨密度在0.5～0.7 g/mm2之間時，股骨頭松質骨的生物力學性能相對較好，在正常的負重條件下可以認為這是一個相對安全的骨密度范圍，發生塌陷的風險較小。
4 討
論
4.1 骨密度與彈性模量的相關性 有許多國內外學者對彈性模量與骨密度之間的相關關系做了大量研究，因為試驗條件、試驗方法及試驗對象不同，得到的結論亦不相同，但都發現兩者之間相關性很強［8～10］。
本實驗結果說明，股骨頭松質骨骨密度與彈性模量之間有很好的相關性，通過測得的松質骨骨密度值，可以根據兩者之間的相關關系式計算出彈性模量值。但是當骨密度值高于正常時，即出現增生硬化時，彈性模量和骨密度值并不遵循此相關關系式，而是彈性模量迅速下降。
4.2 骨密度與組織形態學分析指標的相關性 本實驗結果顯示，組織形態學分析指標和骨密度之間為線性相關關系，骨密度測量可以很好的反映松質骨的細微結構。
結果表明，通過骨密度可以計算出組織形態學的各項參數，從另外一個角度可以反映出股骨頭的生物力學性能。
4.3 不同骨密度范圍塌陷風險的大小 結合骨密度－彈性模量回歸曲線、骨密度－組織形態學分析指標回歸曲線以及鏡下觀察結果，綜合評估后發現，在骨密度大于0.7 g/mm2或小于0.5 g/mm2時，股骨頭松質骨的生物力學性能很差；而當骨密度在0.5～0.7 g/mm2之間時，股骨頭松質骨的生物力學性能相對較好。
對于股骨頭壞死高危人群或已確診為早期股骨頭壞死但尚未發生塌陷的患者，動態觀察其股骨頭松質骨的骨密度變化，如骨密度小于0.5 g/mm2或大于0.7 g/mm2，或骨密度連續呈下降趨勢，理論上可以認為發生股骨頭塌陷的風險相對較大。
4.4 以骨密度早期預測股骨頭壞死后塌陷的可行性及優越性 以骨密度預測股骨頭壞死后塌陷的風險性，具有以下優點：a)骨密度測量對影響骨代謝因素非常敏感［11］，可以更早的發現骨代謝的變化，并且可以直接通過動態觀察骨密度評估股骨頭生物力學性能變化趨勢，對股骨頭塌陷的風險進行判斷；b)可以通過骨密度評估股骨頭松質骨組織形態學指標，將股骨頭生物力學性質與顯微結構結合來判斷股骨頭塌陷風險，更為全面［12，13］；c)本方法為體外測量，符合無創原則，方法簡便易行，且較X線片的預測更為準確，直接反映股骨頭的生物力學狀態，較其他方法更為可靠。
由上所述，通過本實驗獲得如下結論：a)股骨頭承重區松質骨骨密度與彈性模量呈現二次相關關系，相關系數為0.782(P＜0.001)；b)股骨頭承重區松質骨骨密度與組織形態學靜態分析指標之間呈現直線相關或直線負相關關系，相關系數均＞0.700；c)應用骨密度能較好的反映股骨頭生物力學性能及松質骨細微結構，理論上可以應用于股骨頭壞死后塌陷的預測。可以將0.5 g/cm2＜BMD＜0.7 g/cm2作為骨密度的相對安全范圍，當骨密度在此范圍外時，應考慮有塌陷的危險；d)本實驗方法經拓展后亦可應用于骨質疏松患者其他長骨骨折預測的研究。
參考文獻
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生物力學分析方法范文4
【關鍵詞】 腰椎 生理學 終板 生物力學
0引言
椎體由中央的松質骨和外周的皮質骨組成，終板是位于其上、下面的皮質外層結構，中央較薄，周圍增厚隆起，形成一環狀骨突. 在前路椎間減壓植骨融合的手術中，保留椎體終板能夠有效防止植骨塊的塌陷，減少后突畸形維持椎間高度，進行椎體和椎間盤切除后通常要在椎體間植入結構性支撐物，如自體骨、同種異體骨、椎間融合器或活動式椎間盤等，這些植入物都是用來維持脊柱前柱結構的生物力學功能，但是臨床上經常會出現植入物沉陷到一個或兩個椎體的終板內［1］，植入物沉陷可以導致潛在的疼痛，脊柱融合節段的失穩從而造成手術的失?。?］，為防止植入物的下沉，作為植入物與椎體間界面的終板要有足夠的強度來承受局部的最大載荷［3］，我們分析人體腰椎不同節段終板表面不同位點的生物力學強度分布規律，為椎間置入物的放置位置、改進椎間融合器的設計及相關臨床手術操作提供指導.
1材料和方法
1.1材料6具新鮮尸體的腰椎標本30椎（L1-L5），經腰椎X線攝像確定椎體完好，無骨質疏松及退行性變. 剔除周圍軟組織及椎體后側附件，分離各節段，去除椎間盤及軟骨終板，顯露骨性終板. 標本置于-20℃冰箱冷凍保存，試驗前于室溫下解凍. 為保證各點的測試有可比性，在每個終板表面上均建立坐標系. 以椎體的正中矢狀徑作為縱軸，縱軸的中點為原點O，過原點做縱軸的垂直線定為橫軸，用微米游標卡尺精確測量縱軸、橫軸的長度，用油性筆分別在縱軸、橫軸上標注出5等分點、7等分點，分別過各等分點做縱軸和橫軸的垂線，分別得到了4條橫線，6條縱線，橫線分別命名為a， b， c，d，縱線分別命名為1， 2， 3， 4， 5， 6. 橫線與縱線的交點共24個點即為測試點（圖1）. 壓縮加載試驗時并未發現因測試點之間距離太小造成相鄰測試點終板破壞而影響試驗結果.
圖1腰椎終板表面生物力學測試的坐標系（橫線與縱線的交點即為測試點） （略）
1.2方法利用858 mini bionixⅡ材料測試系統（MTS公司、明尼阿波尼斯，美國）對腰椎終板表面各點進行壓縮測試，用固定夾具高6 cm，直徑10 cm，四周以螺栓固定椎體，固定接觸面覆以3 mm厚的膠皮以保護椎體，用直徑1.5 mm的半球形壓頭以12 mm/min的速度垂直于終板表面在每個測試點進行連續壓縮加載試驗，計算機記錄壓縮力位移曲線，在最大壓縮力(最大破壞載荷)下降5%后停止加載，于實驗機上讀取最大壓縮力數值.
統計學處理：測試結果用x±s表示，應用SPSS13.0統計軟件對數據進行統計學分析，采用析因分析對最大壓縮力的分布規律進行統計分析，終板的橫線和縱線作為兩個因素，分析椎體節段間最大壓縮力的差異時將椎體節段作為第三個因素，分析椎體上下終板之間的差異時應用配對t檢驗進行統計學分析，顯著性水平設為雙側α=0.05，對節段、橫線、縱線之間的最大壓縮力進行SNK檢驗，顯著性水平設為雙側α=0.05.
2結果
2.1腰椎節段間最大壓縮力的分布規律對腰椎各節段上終板平面進行析因分析，發現L1-L3與L4-L5 上終板平面最大壓縮力差異具有統計學意義（P＜0.05，圖2A），對腰椎各節段下終板平面進行析因分析，發現L1-L2與L3-L5下終板平面最大壓縮力的差異具有統計學意義（P＜0.05，圖2B），腰椎終板平面最大壓縮力由上到下有逐漸增大的趨勢.
A：上終板平面； B：下終板平面.
圖2腰椎各節段最大壓縮力平均值（略）
2.2腰椎終板平面最大壓縮力分布規律對腰椎上終板平面各組分進行析因分析，發現L1-L5腰椎上終板平面橫線a與其余各線差異具有統計學意義（P＜0.05），縱線1， 6與其余各線差異具有統計學意義（P＜0.05，圖3A）. 對腰椎下終板平面各組分進行析因分析，發現L1-L5下終板平面橫線a與其余各線差異具有統計學意義（P＜0.05），縱線3， 4線與其余各線差異具有統計學意義（P＜0.05，圖3B）. 通過以上的統計學分析可發現腰椎終板平面外周部的最大抗壓力大于中央部，由前向后腰椎終板平面最大抗壓力有逐漸增大的趨勢，腰椎終板的最大抗壓力部位應位于終板的后外側部.
轉貼于
A：上平面； B：下平面.
圖3腰椎終板橫點平面最大壓縮力分布（略）
2.3腰椎各節段上、下終板平面最大壓縮力的比較分別對腰椎標本各節段上、下終板平面最大壓縮力進行配對t檢驗分析，結果顯示L3-L5上、下終板的最大壓縮力差異均有統計學意義（P＜0.05），余椎體差異無統計學意義（表1）.
表1腰椎各節段上、下終板平面最大壓縮力（略）
3討論
終板是位于椎體上下面的皮質外層結構. 椎體終板在臨床上有著極為重要的意義，椎體的松質骨強度很小，椎間植骨融合時，保留終板非常重要，能有效增加椎體的抗壓強度，防止植骨塊沉陷，同時還可以減少后突畸形，維持椎間高度. 因而研究終板的生物力學特性對于指導臨床手術操作以及改進手術器械的設計具有十分重要的意義. Oxland等［4］認為椎體終板能夠將壓力平衡分布于其下的松質骨上，從而使椎體的抗壓強度增大，如果將終板去除，椎體最大抗壓力會下降33%，但這只是將椎體作為一個整體進行垂直壓縮，因而無法了解椎體終板表面的生物力學強度. Grant等［5］的研究中選取了65個完整的終板平面（L3-S1），每個終板平面確定了27個測試點，用直徑3 mm的半球形壓頭以0.2 mm/s的速度對終板表面垂直下壓，通過最大壓縮力位移曲線確定最大抗壓強度，最后得出結論椎體的后外側部的生物力學強度大于中央部，終板中央部是強度最弱區. Lowe等［6］認為椎體前柱結構的完整在脊柱重建中起著十分重要的作用，而植入物的沉陷現象不僅與椎體終板表面局部區域生物力學性質有關而且與植入物的形狀、構造、術中是否保留終板有關，他們通過對尸體胸腰椎標本（T1-L5）分成3組，前兩組用不同構造的壓入物在終板表面進行生物力學測試，最后一組進行保留與不保留椎體終板的生物力學實驗，通過統計學分析后得出結論終板的后外側區是最能抵抗植入物沉陷的部位，而中央區則是沉陷最易發生的部位，大直徑的實心的植入物不易發生沉陷，而中空結構的植入物較易發生沉陷，認為這與中空結構更易傳導壓力有關，同時又指出部分保留終板更有優勢，因為這樣既可以提供足夠的生物力學強度，又有利于血管的長入以利融合. Kumar 等［7］用2維的有限元模型結合4種常用的融合器樣式分析了脊椎融合相鄰節段終板表面應力分布規律，最后得出結論融合器與終板表面的接觸面積越大產生的應力越小，要提高手術的成功率應盡可能的使植入物對終板平面的應力接近生理模式. Labrom 等［8］的研究中分別將鈦網融合器置于腰骶椎標本（L3-S1）終板平面的不同位置進行壓縮試驗，統計學分析實驗數據后得出結論：終板后外側區比中央區具有更大的生物力學強度. 我們采用了Grant的實驗方法，在每個終板表面直接建立坐標系，避免了因椎體不規則及大小不同對測試點選擇的影響，實驗更具可比性，總共設置了4條橫線，6條縱線，共24個測試點. 采用的半球形壓頭直徑為1.5 mm，速度為12 mm/min，這樣即可避免了過快造成骨破壞又可以防止過慢造成骨蠕變的情況發生. 采用直徑1.5 mm的半球形壓頭提高了實驗的靈敏性，同時還可以有效防止壓頭落入血管襻，在試驗中未發現點與點之間互相干擾影響實驗結果的情況. 本研究結果進一步證實了腰椎終板的生物力學強度外周部大于中央部，同時發現腰椎終板平面生物力學強度由前向后有增大的趨勢，因而在設計椎間融合器時或進行自體骨移植手術時可將植入物盡量靠近椎體后方放置，但勿超出椎體后緣以免壓迫脊髓. 同時研究還表明下腰椎上終板的生物力學強度小于下終板，因而在進行腰椎前路融合術時尤其要警惕上終板平面植入物沉陷的發生，可以考慮將椎間融合器設計為楔形，這樣可以增大融合器與終板的接觸以增加界面固定力同時也可以減小對終板的損傷以降低術后沉陷的發生.
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生物力學分析方法范文5
關鍵詞：后掃腿；身體質量；轉動慣量
后掃腿是一個旋轉性的動作，其重心底，掃轉快，停的穩，動作技術環節復雜。在教學中學生對該動作難以掌握，常見的主要錯誤如下：上體右轉和左腳尖內扣速度慢，難以掃滿一周：掃轉時未全蹲，重心過高，上體過分前傾，難以維持身體平衡。
分析其原因，主要是學生對動作技術原理理解不夠，不能積極主動地掌握技術要領，而在教學中教師往往只講動作做法，強調動作技術規格要求，忽視了其原理分析，以致學生在學習中知其然而不知其所以然。另外，由于教學教法上的不足等因素，影響了教學效果。為此，本文運用運動生物力學原理對后掃腿的幾個動作環節逐一分析，并與教學教法相結合，對該動作進行探討。
一、研究對象和方法
1.研究對象
南師大體育系95級武術專業學員和部分校武術隊隊員及武協會員。
2.研究方法
教學分組實驗法、數理統計法。
動作錯誤統計表：（A代表95級武術專業學員，B代表校武術隊隊員及武協會員）
根據上面的統計可以看出，在教學中存在的主要錯誤是不能掃轉一周、失去平衡和未全蹲，它們分別占專業學員的93.3%和校隊及武協隊員的92.5%。
二、難以掃滿一周的動力學分析及教學建議
1.常見的錯誤
擰腰扣腳速度慢，雙手扶地時未插入右腿下方；右腿掃轉前重心沒有及時移至左腳前掌和轉體縮胯的程度不夠；左腿屈膝折疊不緊，未全蹲。
2.運動生物力學分析
（1）身體質量的分布與轉動慣量
大家知道：轉動慣量的大小決定改變物體旋轉狀態的難易程度，轉動慣量越大，物體的轉動狀態越難改變，轉動慣量越小，越易改變物體的轉動狀態。根據I=mr2。雖然人體的總質量不會發生改變，但肢體對轉軸分布狀態的改變，即旋轉半徑r的改變使人體的轉動慣量具有可變性。
后掃腿時，左腳尖內扣提踵，由左弓步變成左腳前掌支撐的右仆步并收腹、立腰、縮胯，重心迅速移向左腿，使肢體的質量分布盡量向左腿的轉動軸集中，從而使轉動慣量變小，人體容易旋轉。而有些學生在做后掃腿時，往往沒按上述動作要領來做，致使身體質量分布遠離轉軸，r較大，故動作難以完成。
（2）動量矩守恒與轉動
后掃腿動作的部分技術要領與動量矩守恒定律也有密切關系。我們知道：當物體所受外力矩為零時，物體動量矩保持不變，即M=0時，I1ω1-I2ω2=0，這就是動量矩守恒定律。
后掃腿時，雙手扶地靠近右膝下方，一是便于上體向右旋轉和輔維持身體平衡；二是推撐有力，使身體質量分布更靠近轉軸，使轉動慣量變小，從而使角速度ω增大，有利于人體快速掃轉一周，反之不利于人體的掃轉。所以有些學生認為手扶地位置無關緊要的想法是錯誤的。
另外，右腿掃至擊點時，為了動作的表現和技擊的需要而放胯，但一過擊點，立即收胯甚至右腿微屈來減小旋轉半徑r，致使轉動慣量I變小，ω增大旋轉加快，當掃轉一周時迅速伸胯展體成左弓步，轉動半徑r就會猛然增大，轉動慣量I增大，同時角速度ω快速減小，也就容易定住身形，達到后掃腿快掃突停的要求。而初學者往往在停止動作時低頭弓腰右腿屈，不但影響了動作的美感，更影響了動作的完成。
（3）轉動與摩擦
掃轉除了與上述因素相關外，還與掃腿時摩擦力的大小有直接關系。根據f=μN。若身體重心不能完全落在左腿上，則另一部分重力必然由右腿承擔，右腿的支撐力變大，則正壓力N變大，f相應變大。另外，若μ變大，則f也變大，而μ值的大小決定于接觸面的物性。壓強以及滑動速度的大小。μ隨速度的增大而減小，隨壓強的增大而增大但都不成算術比例。同樣的正壓力接觸面積越大壓強越小，μ也就越小，從而滑動摩擦力f也越小。接觸面光滑平整和接觸面較大，則μ值較小，f也較小。所以要求動作一開始要把身體重心盡量移向左腿，以減小右腿的壓力。在掃轉過程中，右腳掌僅保持與地面的輕微摩擦，以確保掃轉的速度不受影響?；瑒幽Σ亮越大越不利于轉動，故掃轉將一周時，應快速把重心移至兩腿之間，且全腳掌用力踏實地面，增大摩擦力，達到迅速止動的目的。
（4）教學建議
①在教學中，教師應言簡意賅地向學生講清以上運動生物力學原理。從嚴從細抓好每個動作技術環節及規格要求。②練習時，可讓學生先做手不扶地高姿勢的掃轉練習，強調掃轉時重心迅速移到左腿上，上體保持正直，上體控制平衡，待技術基本熟練后，逐漸降低重心到左腿全蹲。③強調雙手扶地時應扶在右膝下方的動作要求，并讓學生體會雙手扶地位置不同的動作差別。④定向教學。為了克服一些學生在手扶地時習慣性低頭弓腰，造成上體過分前傾的錯誤，教師可讓學生右轉扶地時定點平視某一目標，以保持體正立腰。⑤讓學生在不同性質的地面上練習。先選擇在平滑的地面上練習，然后再到較粗糙的水泥地或地毯上進行。
三、失去平衡與未全蹲的生物力學分析與教學建議
1.常見錯誤
未全蹲，身體重心在兩腿之間，掃轉時產生的摩擦力太大，易失去平衡。
2.運動生物力學分析
（1）重心高低與穩定
后掃腿要求大小腿疊緊，支撐腳前腳掌著地為軸，雙手輔助扶地。而有些學生練習時，往往只是半蹲，造成重心太高，上體向右前方過分前傾，由于慣性而使重力作用線向支撐面邊線靠近或落在其外，導致失去平衡。
大家知道，當人體處于下支撐狀態時，在相同條件下，重心越高，支撐面越小，穩定角越小，重心作用線越靠近支撐面邊線或在其外，穩定性越差，越難以維持平衡。反之，穩定性越強。后掃腿時，半蹲就會出現上述不利于維持身體平衡的條件，導致動作失敗。
（2）摩擦力與平衡
如果右腳掃踢時與地面的摩擦力過大，就會造成掃踢無力速度慢，動作技術不到位、上快下慢不協調等不良后果而失去身體平衡。摩擦力分析如上所述。
（3）教學建議
①教學中把轉體與全蹲作為重點環節來抓，讓學生由左弓步雙推掌開始，然后快速右轉扶地，立腰收胯成右仆步，左腳前掌內扣撐地，強調全蹲。②讓學生反復體會全蹲與掃轉動作的連貫性與協調性，以防動作脫節。開始時要求學生掃轉半周即可，然后大半周，逐步完成一周。③完整動作練習。全蹲與擰腰發力協調配合，右腿掃踢快速有力，擊點清晰，快速制動，穩定平衡。整個動作協調連貫，一氣呵成。
參考文獻：
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生物力學分析方法范文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、強直性脊柱炎、Scheuermanns病、老年性脊柱后凸、脊柱結核椎體破壞、椎體腫瘤、軟骨發育不全等〔1、2〕，除了脊柱本身的因素外，胸腰段后凸畸形可由腹部腫瘤引起〔3〕。脊柱曲度正常時，身體重力線應通過各節段生理彎曲的交界處。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損傷平面以上軀體的重心更趨前移，必將進一步加重后凸畸形〔4〕。隨著我國進入老齡化社會，胸腰段后凸畸形的患者不斷增多，胸腰段后凸畸形常出現局部不穩定，脊柱支撐功能喪失，從而引發腰痛，且多并發上腰椎的失穩及加速腰椎間盤退變，從而給患者造成極大的痛苦，有些患者通過保守治療無效，常需要手術治療，給患者家庭和社會造成了巨大的負擔。下面筆者就目前國內外胸腰段后凸畸形影響腰椎諸節段矢狀面穩定性的研究情況進行綜述。
1 脊柱胸腰段及腰骶椎的解剖及生物力學特點
胸腰椎移行部與腰椎及腰骶椎相比其形態和生物力學特性大不相同。該部位是后凸的胸椎與前凸的腰椎的移行區，生理弧度變直，這一區域恰好位于活動度較小、穩定性較強的胸椎與活動度較大、穩定性相對較差的腰椎之間；T11、12肋骨為浮肋，抵止在相應的椎體上而不是椎體間，不參與垂直載荷；從T10～12L1關節突關節的關節面的傾斜則發生很大變化，即左右旋轉和左右側屈的ROM大大降低，而前后屈曲ROM較胸椎明顯增大；正常情況下，該部脊柱前方的垂直載荷分擔率遠遠大于后方。在T11及T12胸椎，上關節突表現為胸椎上關節突的形態特征，而下關節突的形態特征卻與腰椎相近，其前、后方無胸肋關節和肋橫突關節的加強，且僅與一個椎體相關節，這些均構成了胸腰椎容易損傷的解剖學基礎〔5〕。因此，脊柱的壓縮性或爆裂性骨折常發生在胸腰段，從而造成胸腰段后凸畸形。從胸腰椎至腰骶椎，前后屈曲ROM逐漸增大，腰骶椎髂腰韌帶的存在使該部位的運動和穩定性與L4、5以上有所不同〔6〕。
Abumi等〔7〕通過人尸體腰椎節段的破壞模型證實，棘上韌帶、棘間韌帶損傷甚至雙側關節突關節內側半部分切除難以造成腰椎失穩，而單側或雙側關節突關節完全切除則可導致椎間旋轉和屈曲的失穩。椎間孔部的減壓易導致關節突間（峽部）的分離。單側時由于有椎弓的存在，兩側關節突關節還可發揮其功能。
2 目前利用動物脊柱標本進行的生物力學研究
王新偉等〔8〕利用出生1周以內的小牛胸腰椎新鮮標本，研究了小牛胸腰椎前路模型中的相關解剖，并與人體相關數據進行比較，發現：與人體相比，小牛脊柱椎體及椎間盤更接近圓柱狀，椎間盤高度占脊柱高度的比例更大。又進行了生物力學實驗，測試屈曲、伸展及側屈狀態下的載荷-應變、載荷-位移關系、最大載荷時的應力強度及屈曲、伸展、側屈及扭轉狀態下的軸向剛度，最后進行極限力學性能測試。發現出生1周內的小牛胸腰椎標本在人生理載荷范圍內，呈線形變化，與人體一致。
王向陽等〔9〕收集12具新鮮豬T10～L4節段胸腰椎脊柱標本，制造不同程度前中柱骨折模型，分為2組，分別安放椎弓根螺釘內固定器和內固定加前路植骨重建，每種狀態依次在CMT4104多功能力學試驗機上進行軸向壓縮和前屈壓縮測試，分別計算每組的完整標本、骨折內固定標本和植骨內固定標本的軸向壓縮剛度和前屈壓縮剛度。發現：胸腰椎前中柱骨折后經椎弓根螺釘系統固定不能使其恢復至原來的力學性能，椎體骨折累及范圍越大，固定后力學性能越差；前中柱重建是減少后路內固定器械承載的關鍵。
周有禮等〔10〕利用羊的整條脊柱標本，對胸腰椎爆裂骨折后的局部載荷進行了研究。發現：在胸腰椎結合區域有較大的應變值表示該區域局部所承受的力量較大，在實驗上脊柱承受牽引時，在胸腰椎接合之區域會承受較大的拉力。
3 利用在體動物模型進行的研究
Oda等〔11〕利用在體羊脊柱腰段后凸畸形模型，研究脊柱損傷和后凸畸形對相鄰運動節段的影響，他們將活體羊分為對照組、L3～5原位融合組及L3～5Cobbs角為30°的后凸畸形融合組，進行了影像學、生物力學及組織學的研究分析，結果證實：脊柱后凸畸形導致頭側鄰近節段的后方韌帶復合結構的前凸性攣縮；L2椎板在屈伸活動下所承受的應力在后凸畸形組更為明顯，提示更多的載荷轉移向后柱；后凸畸形組鄰近的頭側關節突關節有明顯的退變性骨關節病改變，鄰近的尾側關節突關節亦有輕微的退變性骨關節病改變，而在原位融合組退變輕微。
Nielsen LW等〔12〕利用幼年豬制作了Scheuermanns病的脊柱后凸畸形模型，利用病理學、放射影像學、血液生化等方法進行研究，發現豬的Scheuermanns病胸腰段后凸畸形模型，與人Scheuermanns病導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，進行了一項在體實驗，他將羊的胸腰段至下腰椎用椎弓根釘和聚乙烯繩在后面進行拴系，不融合，進行了13個月的觀察后，處死羊，取其脊柱進行生物力學研究，發現模型矢狀面上的非融合調整，能有效地減少椎體楔形變的程度，此方法可能成為治療青少年Scheuermanns病的一種可行辦法。
4 利用人的尸體新鮮脊柱標本進行的研究
Birnbaum等〔14〕利用11具新鮮尸體軀干標本（含胸廓），制造了胸椎后凸畸形模型，對前路松解前、后的矢狀面矯形效果進行了解剖學及生物力學研究，結果發現：單純前路松解（開放或經胸腔鏡輔助）矯形效果良好，且能有效地改善矢狀面平衡。
趙必增等〔15〕利用新鮮尸體胸腰椎標本，探討了椎體成形強化后對鄰近椎間盤、椎體的力學影響，發現強化椎體后，對鄰近椎體造成的應力集中很小，而對鄰近椎間盤有一定的影響。
5 利用三維有限元分析進行胸腰段后突畸形研究
有限元素法（FEM）是一個求偏微分方程式的數值方法。隨著個人計算機功能的完善，有限元素法的使用也越來越簡單，在醫用生物力學方面應用更是越來越普遍〔16〕。
Liebschner MA等〔17〕對19例人的尸體胸腰段椎體標本進行CT掃描，建立三維有限元模型，進行有限元分析；同時對標本實體進行解剖學測量以及生物力學試驗分析，最后將二者測得的數據進行對比研究，進行統計學分析，發現：用恒定0.35層厚和457 MPa有效模量，結合CT重建的椎體幾何模型與骨小梁特性，進行椎體外殼的建模，能精確的預測整個椎體的生物力學特性。
程立明等〔18〕就胸腰段后突畸形對相鄰椎間盤力學影響進行了三維有限元分析研究。他們選取結構正常的脊柱作為實驗材料，通過CT掃描獲取脊柱的二維圖像，然后進行三維重建，轉化為有限元模型（FEM），利用Free Form成形軟件構建胸椎后凸畸形模型，分別對正常結構和胸椎后凸的脊柱有限元模型進行載荷試驗，分別比較椎間盤和小關節應力分布情況，總結出以下結論：脊柱胸腰段后凸畸形改變了相應椎間盤的載荷應力應變分布，這可能加快椎間盤退變及使后方纖維環易受損破壞。
6 利用影像學進行的臨床研究
Seel EH等〔19〕使用Oxford Cobbometer對椎體骨折導致胸腰段后凸畸形的Cobbs角進行測量，發現與傳統的測量方法相比，其測量的結果更簡便、準確、可行。
吉立新等〔20〕收集12例具備胸腰椎和腰骶椎正側位X線片的胸腰段后凸畸形病例，與20例正常對照組進行相應比較，進行分析研究。發現患病組平均腰椎前凸角度與正常對照組相比有極顯著性差異?；疾〗M單節段腰椎前凸角度以上腰椎變化更為明顯。從而認為：胸腰段的后凸畸形，使病損平面以上軀體的重心更趨前移，增加了致畸負荷，必將進一步加重后凸畸形。為維持直立下軀干重心的平衡，就需要調整頭、頸、胸和腰部的曲度甚至髖部和膝部的位置使重心后移，其中最主要是通過腰椎的前凸加大來實現這一目的。腰段所發生的代償性改變比腰骶段更為明顯，而腰段的代償性改變又更多地集中在上腰椎，而且椎體的后滑移也發生在上腰椎，表明胸腰段后凸畸形對上腰椎有更大的影響。
陳仲強等〔21〕測量14例后凸畸形截骨手術治療前后的胸腰段后凸角和腰椎的前凸角以及椎體滑移情況，對所得結果與正常組進行對比分析。發現：胸腰段后凸畸形可導致腰椎過度前凸及椎體向后方滑移，尤其在上腰椎更為明顯，可能是引發腰背疼痛的重要原因之一：矯正胸腰段后凸畸形可減小腰椎的過度前凸和椎體滑移傾向，可明顯減輕患者的腰背疼痛；前后方聯合截骨更安全，矯正后凸畸形效果更好。
7 問題與展望
綜上所述，對于胸腰段后凸畸形，國內外學者從解剖、動物標本模型、在體模型、人尸體標本模型、有限元分析模型及影像學臨床等不同角度出發，進行了生物力學及其他方面的研究。研究更多的是解剖、標本模型、有限元分析及影像學方面。解剖學屬于形態學范疇，研究歷史較長；動物標本易于取材，但與人的生物力學特性還是有差異的；相對實驗分析而言，有限元分析的優點在于它對分析參數控制的絕對性和簡易性，及完整多樣的結果數據?，F階段有限元素分析，必須要配合恰當的實驗數據或臨床現象比對，結合有經驗的臨床及力學人員，有限元素分析才能發揮它最大的功效。而由于受各方面條件的限制，在體動物生物力學模型與人新鮮尸體生物力學模型的研究，國內外報道的很少，尤其是利用人新鮮尸體對胸腰段后凸畸形影響腰椎諸節段矢狀面穩定性進行生物力學的研究，目前國內外尚是一個空白，這方面還有很大的研究空間。 【參考文獻】
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