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生物力學實驗方法范文1
物理學是一門以實驗為基礎的學科，物理實驗是物理課程與教學的重要組成部分，是發現物理規律，驗證物理定律，幫助學生理解物理知識和過程的重要手段。應把物理實驗提高到與科學內容同等重要的地位。下面結合幾例談談個人對學生實驗能力考查方法的一些認識。
一、拓展教材實驗，考查學生分析改進實驗方案的能力
示例：在測量大氣壓的實驗中，某同學將玻璃板放在桌子上，用吸盤貼在玻璃板上面，用彈簧測力計將吸盤緩慢向上拉，直到吸盤脫離板面。問：某同學做實驗時發現彈簧測力計的量程都太小，不能測出吸盤脫離板面時的拉力，請你選擇其他器材與這只彈簧測力計組合，測出吸盤脫離板時的拉力，要求寫出用到的器材和方法。
反思：題中實驗源于教材，是《大氣壓》內容教學的一個重點。教材所提供的實驗方案是一種極為理想的情況，然而在實際操作中會因吸盤面積較大，而彈簧測力計的量程太小無法測出拉力，給實驗增添了一定難度。如何改進實驗方案？這是對學生綜合運用所學物理知識解決實際問題的能力的考驗，更為激發學生創新意識提供了良好的契機，是完成教學目標的精髓。
二、由單一重實驗基礎知識向重視實驗知識與技能、過程與方法的全面考查轉化
示例：小明想驗證“用滾動代替滑動能減小摩擦”的正確性，利用以下一些器材：質量相等帶鉤的木塊A和木塊B、彈簧測力計、砝碼、棉布、圓柱體鉛筆若干來進行實驗探究，以完成以下填空：
實驗步驟：把木塊A放在水平桌面上，用彈簧測力計___拉動木塊，記下彈簧測力計的示數F1，根據___知識，可知F1的大小等于木塊受到的摩擦力；把____放在水平桌面，將___放在其上方，用步驟一的方法拉動木塊，記下彈簧測力計的示數F2。
實驗分析：當滿足____的條件時，上述結論是正確的。
反思：研究影響滑動摩擦力大小的因素是教材中一個重點實驗，本題在該實驗基礎上進行拓展──驗證用滾動代替滑動能減小摩擦的正確性。題中僅以五個填空全面考查了學生對實驗原理的理解、實驗器材的選擇、實驗方案設計及實驗結論分析等內容，是知識與技能、過程與方法的全面兼顧。
三、運用科學原理評估分析實驗方案
示例：為了探究并聯電路中干路的電流與支路的電流有什么關系，小明同學選擇的實驗器材是：3節干電池串聯作電源、兩個標為2.5V字樣的小燈炮、一只電流表、一個開關、導線若干。他的實驗設想是：首先將實驗器材連成圖所示的電路，然后用電流表選擇恰當的量程分別測出A、B、C三點的電流，分析這一次測量中三點電流的數據，就得出干路與支路的電流的關系。請你分析說明小明同學這一實驗方案中存在哪些不足，并提出相應的改進意見。
反思：探究并聯電路中干路電流與支路電流關系是學生親手做過的一個實驗，試題巧妙設置易被學生忽視的幾個不合理因素，以評估方式考查學生對實驗的理解程度。實驗評估是對學生能力的較高要求，它要求學生對實驗有一個整體上把握，如實驗原理、器材、步驟、結論分析等，同時它也要求學生透徹理解實驗的每個細節，如器材優化、步驟順序、物理學方法等。
四、巧設實驗故障，考查學生靈活運用物理儀器排除簡單實驗故障的能力
示例：在測定小燈泡額定功率的實驗中，所用小燈泡上標有“3.8V”的字樣，它的電阻約10R。小剛合理地連接好電路，閉合開關，無論怎樣調節滑動變阻器，燈泡都不亮，于是小剛提出以下猜想：A、可能是燈絲斷了；B、可能是小燈泡短路；C、可能是變阻器開路。
究竟哪個猜想正確，可根據電流表和電壓表的示數進行判斷（電流表、電壓表均無故障）。下表給出了電流表、電壓表可能出現的幾種情況，請判斷每種情況下哪個猜想是正確的，并把其序號填寫在對應的空格里。
反思：在電學實驗中，燈泡不亮、電流表和電壓表的示數異常是經常遇到的情況，然而不少學生對類似情況表現出束手無策，其主要原因不外乎有三個方面：一是學生動手實驗技能差，不敢動手甚至不會動手；二是對實驗儀器的作用和性能認識不夠，不能正確使用測量器材進行測量；三是對實驗涉及相關的物理學知識掌握比較欠缺，動手操作只是胡亂應付，不知其所然。排除簡單實驗故障是學生綜合實驗能力的表現，加強這方面內容考查有助于學生掌握基本實驗儀器的使用，培養動手能力。
五、聯系生活實例進行探究，全面考查學生實驗能力的綜合運用
示例：冬天，小星新買了一雙尼龍襪和一雙棉襪，他發現穿棉襪比穿尼龍襪暖和，那么棉襪與尼龍襪相比，主要是什么物理特性不相同呢？
1.請你做出猜想。
生物力學實驗方法范文2
一、發散思維的概念和特征
發散思維作為創造性思維的核心成分，其在教學中的地位舉足輕重。所謂發散思維，又稱為求異思維，是指在思維過程中能夠根據已有的信息，打破常規，從不同方向、不同角度尋求變異，探索多種解決方案或解決問題的新途徑的思維方式。發散思維的主要特征表現為流暢性、變通性和獨特性。
二、發散思維方法的訓練
發散思維的方法有很多，如多向思維、逆向思維、側向思維等。下面著重討論如何就上述三種方法對學生展開訓練。
1.多向思維
所謂多向思維就是指針對同一條件，從不同的方向和角度去思考、尋求解決問題的各種方法和途徑。為了培養與訓練學生的多向思維能力，我們可以從兩個方面進行考慮。
首先，要在物理問題的問法與提法上下工夫。一個物理問題的結構對于學生的物理思維和解答程序具有引導作用，換句話說，就是提問的方式，決定著思考的方式和回答的內容[2]。對同一問題，采用不同方式提問，效果截然不同。例如，關于如何使用天平測量物體的質量，可以這樣提問：用天平怎樣測量物體的質量？這種思路狹窄的提問方式，意味著只能有一個標準答案。而如果這樣提問：你能想出多少種測量物體質量的方法？這種思路發散的提問方式，決定了答案的開放性和多樣性，以及對學生思維引導的有效性和促進作用。
其次，要在問題本身的設計上廣開思路。比如可以設計一些一題多解、一題多問、條件多余需選擇或條件不足需假設的問題，甚至可以通過答案不清待確定的開放性、不完善的習題，來培養學生多角度、多側面、用不同方法思考和解決問題的習慣，以便于溝通知識之間的內在聯系。
【案例】圍繞初中物理概念“壓強”的教與學，利用身邊隨處可見的實驗資源，能設計出哪些演示實驗或學生分組實驗？
根據控制變量法的原則，應圍繞控制物體“受力面積和壓力”兩個變量來考察“壓力的作用效果”，從而進行實驗材料的選擇。根據本課題要求，我們把實驗設計重點確定為尋找生活中具有“同一物體各端面積不同”結構特點的物品或器具上。為此，首先把實驗材料分為文具、服飾（包括鞋）、日常用品、常見工具、人體結構（或膚覺的利用）和其他類別，然后啟發學生通過發散思維，盡可能多地列舉身邊方便獲取的每一類可供利用的資源。
本課題中，基本符合要求的實驗材料有：（1）文具類：一頭削尖的鉛筆、中性筆或筆芯、文具盒、筆筒、長方形橡皮、墨水瓶、書籍等；（2）服飾類（包括鞋）：冰鞋、旱冰鞋、高跟鞋與平底鞋等；（3）日常用品：板凳、桌子、椅子、肥皂、圖釘、勺子、杯子、筷子、兩端粗細不均的各類瓶子等；（4）常見工具：釘子、刀具、螺絲刀、錐子、斧頭、鏟子等；（5）人體結構（或膚覺的利用）：腳與膝蓋、指肚與指甲、手指與手掌、站立與趴下等；（6）其他類：磚塊、硬紙盒等，或者利用木材、泡沫板等材料自制一些具有“同一物體各端面積不同”結構特點的物品。同時，為了突出壓力作用效果，便于學生觀察和體驗，加深學生對“壓強”概念的理解，還需要選擇以下實驗材料對實驗效果進行放大：細沙、海綿、泡沫板、橡皮泥等。最后，要求學生自選上述材料設計多種實驗方案并進行探究學習。
2.逆向思維
思維方向有“順向”和“逆向”之分。順向思維指的是按人們一般的思維習慣從正面、表面或明顯的、易于接受的方向進行思維。逆向思維則相反，它是從事物的反面，從一般思維習慣的反方向來思考和分析問題。在物理實驗教學中，培養和訓練學生逆向思維的方法通常有：
（1）利用典型實驗，訓練和培養學生的逆向思維習慣
科學史上運用逆向思維進行發明創造的例子不勝枚舉。例如電磁感應定律的提出，就是法拉第依靠逆向思維，借助奧斯特的電流磁效應實驗得到啟示：既然電能夠生磁，磁能否生電？歷經10年探索，設計了各種實驗，他終于發現了電磁感應現象，揭示了電磁的本質。從物質到反物質，從粒子到反粒子等許多近現代物理成果的發明或發現也都巧妙地運用了逆向思維的方法。這些經典案例告訴我們，如果教師能充分挖掘教材中這些成功的實驗對學生進行啟發引導、強化和訓練，不僅有助于開發和訓練學生的逆向思維能力，形成良好的思維品質，同時也可培養學生形成辯證唯物主義世界觀。
（2）執果索因，教給學生逆向思維的方法
教學實踐中發現，大多數學生喜歡從正面思考問題，即由原因推導出結果。但對某些較為復雜的物理問題，順向思維的解決方法往往比較煩瑣。這時，如果我們能倒過來想想，即巧妙運用逆向思維，往往會化難為易，化繁為簡。為此，教師在教學過程中應當有意識地增強逆向思維的訓練力度來挖掘學生的思考潛能。比如進行變式教學：改變已知與未知的關系，或把問題倒過來，構成執果索因的逆向性命題。在物理學中，需要逆向思考的問題很多。其中，光學與電學中的“黑箱”問題，需要利用反證法證明的問題等，都是可以采用逆向思維來解決的典型問題。
生物力學實驗方法范文3
【關鍵詞】 椎體；生物力學；橫截面積；掃描法
目前，應用生物力學指標對骨骼的相關性能進行描述是十分有效的研究方法之一，在運動醫學及骨質疏松癥領域進展較快，特別是在動物實驗中，直接通過對動物骨標本進行生物力學相關指標測試，觀測相關指標的變化，即可得出機體骨骼性能變化的情況。骨生物力學檢測指標中，極限強度、破斷強度及結構剛度均由相關檢測數據計算得出，而這其中，橫截面積是極為重要的數據，通過一定的方法計算出骨骼受力部位的橫截面積就顯得非常關鍵了［1］。
通過觀察實驗動物(如大鼠)股骨的生物力學性能指標的變化可以推斷其皮質骨性能的改變，推斷松質骨性能變化通常則是觀察其腰椎生物力學指標的變化。目前，椎體橫截面積的計算方法是根據阿基米德定理通過椎體的浮力計算所得，此方法技術成熟，應用最為廣泛，已經得到普遍公認［2，3］。
具體測試過程為：首先用游標卡尺測量出椎體的高度(H)；用分析天平稱取椎體濕重(G1)，再應用分析天平稱取椎體浸沒在蒸餾水的重量(G2)，求兩重量之差(G1-G2)即可得椎體在蒸餾水中所受浮力(F)，水的密度(ρ)與重力加速度(g)的乘積再除椎體在蒸餾水中所受浮力(F)，數學公式表述為F/ρg，即可得到椎體體積(V)；最后求椎體體積(V)與椎體高度(H)，數學公式表述為V/H，即得到椎體的橫截面積?？偟臄祵W計算公式可寫為： (G1-G2)/ ρg H從上述計算椎體橫截面積的描述中我們不難看出其中的計算過程比較麻煩，由于實驗中稱取椎體浸沒在蒸餾水中的重量一般均應用精確度較高的分析天平，而分析天平在測量時要求較高，如干燥、空氣流動較小等，在應用分析天平稱取椎體浸沒在蒸餾水中的重量的實際操作中就顯得過于復雜，而且因為干擾因素相對多，也可能造成誤差相對較大。而在動物實驗中，應用最廣泛的大鼠椎體的體積小、重量輕，這樣的小標本在具體操作中顯得很不方便。另外，椎體生物力學實驗中，實驗前椎體標本需要作一定處理，目前通常的處理方法是處死動物后取出腰椎，剪除椎體上下椎間盤、棘突及附件，并用細砂紙打磨成上下平面平行且與縱軸垂直的三棱柱［4］。正是因為這樣的打磨手段，然后通過浮力的方法檢測，這樣不可避免地會產生與方法不夠嚴密相關的誤差。因為椎體外層較薄的皮質骨在打磨中受損甚至完全去除，這樣在將其浸沒水中測量計算其體積時，水將會進入與外界相通的松質骨間隙中，造成計算所得體積值比真實值偏小，這樣就會造成最終計算所得到的椎體橫截面積偏小。因此我們認為此方法不僅有操作上不方便的缺陷，而且造成的誤差可能會較大。
正是基于上述考慮，我們對傳統方法進行了一些改進，設計了一種便于操作的計算椎體橫截面積方法，我們將之稱為“掃描法”。具體操作方法如下［5］：將磨制好的椎體豎直置于掃描儀上，經掃描后存儲BMP圖像。分別掃描椎體上下兩底面。然后采用Photoshop7．0圖形軟件處理系統對其進行分析處理，所得結果再經SP專用軟件分析計算上下兩底面面積，兩底面面積求平均值即為椎體橫切面積。掃描后通過電腦處理直接求出椎體橫截面積。
“掃描法” 在椎體生物力學實驗中計算其橫截面積相對目前常用的傳統方法不僅具有著操作方便的優點，而且此方法是通過掃描，然后通過圖像直接計算得出結果，這樣就避免了操作過程中可能產生較大誤差的步驟。
“掃描法”在計算椎體橫截面積中有著傳統方法所不能及的優點，不僅簡化了相關科研實驗的步驟，大大提高工作效率，而且可以最大程度減少誤差，提高實驗的準確程度。所以我們認為此方法可以在相關研究中推廣應用。
參考文獻
1 陳孟詩，賴勝祥，李良，等.大鼠的骨生物力學指標選取及測試.生物醫學工程學雜志,2001，18(4)：547-551.
2 孟和，顧志華.骨傷科生物力學.人民衛生出版社,1991.
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生物力學實驗方法范文4
【關鍵詞】初中物理 問題 意識 創新 能力 素質 教育
新課程標準強調教師的主導地位，大力提倡導學，就是強調對學生問題意識的培養。初中物理是小學科學的延伸和提高，是自然科學的新起點，而且物理是一門以觀察和實驗為基礎的學科，對于培養學生的問題意識有得天獨厚的優勢。
一、創設課堂情境，營造寬松學習氛圍
任何學科的教學，要想創造最佳的教學效果，都離不開好的課堂環境，對于內容比較抽象、枯燥的物理課來說，創設一個生動形象的教學情境尤顯重要。課堂情境的創設者是教師，一堂課上得好與壞，與教師所采取的教學步驟、方法以及創設的課堂情境有很大的聯系。在創設教學情境中，教師首先要根據學生求知、求動、求趣、求異、求新的心理特點，精心組織和設計課堂講授內容，把課本知識和生活實際聯系起來，創設出引人入勝、妙趣橫生的情境。這樣就容易激發學生的學習興趣，形成寬松和諧的課堂氛圍，使學生很快地理解和掌握物理知識，且牢固記憶。
如講“平面鏡成像”一節中，筆者演示了一個“猜牌”小魔術，學生的求知得渴望一下子被調動起來，在揭示魔術的秘密是“平面鏡”后，學生立刻對平面鏡成像很感興趣，于是很愿意去探究平面鏡成像的規律， 并能取得了較好實驗效果。
二、融洽師生關系，鼓勵學生敢于提問
處于青春期的初中生內心迫切希望得到別人的肯定和鼓勵，恥于在眾人面前出丑，怕沒把握答錯問題招致教師和學生的奚落和恥笑，這就導致了初中課堂上學生不愿甚至害怕課上發言。教師應該了解初中學生的心理特點，愛護和尊重學生，多和他們接觸，建立融洽的師生關系，使學生樂于和教師交流。在課堂教學中，要想辦法消除學生的緊張和焦慮，創設放松、愉悅的氛圍，對于膽怯不敢發言的學生多給予鼓勵，對于基礎差的學生降低問題的難度，預留更多的思考時間，另外可以給學生更多的自由爭論的時間，用教師的鼓勵和同學的善意鼓勵更多的學生敢于質疑和提問。
如，在《電阻》一課的教學中，學習了銅是電的良導體后，有學生低聲問為什么他家的銅絲不導電，引起大家一片笑聲。此時我平息了學生的笑鬧，引導他們對于不同的意見要用事實根據來說話，不能進行奚落和嘲笑。然后，讓學生證明這個學生所帶的銅絲為什么不導電，最終找到原因是銅絲的表面有層透明的油漆，起到絕緣的作用。并且要及時的給予這個提問同學以鼓勵，告訴人家“今天知識的獲得是人膽提問的同學帶來的全班學生都要向這個同學學習?！边@樣既解釋了學生的疑惑，又尊重了學生的不同意見，保護了學生的自尊心和提出問題的勇氣。
三、培養質疑能力，調動學生探究興趣
僅僅敢問遠遠不夠，關鍵是要有問題可問，尤其是能問出有價值的問題。現在的學生，習慣了應試教育“師問生答”式的教學，再加上知識、能力的準備不足。特別是反思能力與發現矛盾的能力尚處在發展初期，對問題往往不能問到關鍵之處。為此教師還應注意對學生進行質疑方法的指導，使學生“會問”。
首先，可從生產、生活實踐中去發現問題，比如學習摩擦力后，展示生活中所用的自行車、老虎鉗等用具，讓他們觀察思考，引導他們提出“哪些地方應用了摩擦，哪些地方防止了摩擦，如果沒有摩擦，我們的世界會怎樣”等等問題。其次，由于物理學是一門綜合性很強、應用性很強的學科。初中物理涉及到聲學、光學、力學、熱學、電學五大板快，在生活應用中這五大板塊知識交錯穿插、相互聯系，而應用中又與地理、生物、化學、數學、語文等知識有關聯。
因此在物理課堂上應教會學生打開思路、大膽創新、多方面思考、學會提問。如在初步學了電能這一知識點后，我向學生展示了用電熱水壺加熱水的場景，讓學生就電熱水壺的結構和使用過程的具體情況，提出若干個與物理有關的問題，所提問題可以涉及力學、熱學、電學等各個部分，并針對所提的問題做出簡答。再次，從教材內容本身的不明確之處、 “矛盾”之處尋找問題。有很多探究活動只給予了探究過程，并沒有結論，此時就可充分利用這一點，讓學生大膽的去設想。在物理教學中經常性地通過此類開放性問題的探究，不僅能充分調動學生的探究興趣，啟發學生積極思維，更有效培養學生觀察問題、發現問題和提出問題的能力，而且強化了學生的問題意識，使之更深刻地掌握所學的物理知識。
四、緊密聯系生活，培養學生創新能力
物理知識來源于生活，又服務于生活或生產，尤其是初中物理所涉及到的知識，大多都能在生活中找到直觀的現象。教師在教學中要多采用學生身邊熟悉的素材，讓學生從自己的生活經歷和觀察中去探究和認識物理現象和規律。將學生熟悉的日常生活引入課堂，容易引起學生的情感共鳴，激發學生學習物理的興趣，另一方面可以激發學生的思維，讓學生悉心觀察發現問題，在充滿困惑和矛盾的好奇中，尋求問題的解決方法，探究物理知識和規律。同時，教師要努力改變傳統課堂讓學生帶著問題來，解決了問題完成教學任務的狀況。每次課堂教學要給學生留有一定的余地，在課堂末尾也要注意創設情境幫助學生產生問題，讓學生課下思考、探究和討論，這是強化學生問題意識，提高其自主學習能力的有效手段。如在做完“平面鏡成像”的實驗后，在課堂末尾，讓學生提出幾個在實驗中發現的問題。學生
的問題自然五花八門，教師要從中選擇具有物理和實際意義的問題，引導學生課下進行思考和探究，并在第二節課上進行討論。
如“探究平面鏡成像規律為什么要利用玻璃片當平面鏡？還有沒有其他確定虛像位置的方法”等等。教師還要隨時引導學生注意社會上和現代技術及生活中出現的新現象和新事物，不斷發現和提出具有物理意義的問題，并利用所學的物理知識去解決這些問題，逐步培養自身的創新精神和實踐能力。
總之，“學起于思，思源于疑”，在教學活動中，老師要引導學生發現問題、討論問題、思考問題、解決問題，然后在此基礎上再提出問題，從而進入一個不斷發現問題、解決問題的良性循環，使學生養成良好的問題習慣，不斷提高他們自主學習、自主探索的能力，從而提高其綜合素質的全面發展.
參考文獻
[1]方學勝.淺談初中物理教學中學生問題意識的培養[J]，科學大眾，2010
生物力學實驗方法范文5
【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?？梢詫?.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。
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生物力學實驗方法范文6
【摘要】 目的 對比研究新型點接觸鎖定加壓接骨板(PCLCP)和動力加壓接骨板(DCP)固定老年骨質疏松性粉碎性股骨骨折的生物力學特性。方法 選取12對老年骨質疏松性尸體股骨制成橫斷骨折，骨折間隙為1cm，模擬粉碎性骨折模型。每對隨機選取一根用PCLCP固定，另一根用DCP固定。進行前后四點彎曲、軸向壓縮及扭轉實驗，得到相應的彎曲、壓縮和扭轉剛度。結果 PCLCP固定骨質疏松性粉碎性股骨干骨折后的彎曲剛度強于DCP的83.3%、壓縮剛度強于DCP的76.5%及扭轉剛度強于DCP的18.7%，前兩者具有顯著統計學差異(P
【關鍵詞】 股骨骨折;接骨板;骨質疏松;生物力學
【Abstract】 Objective To compare the biomechanical comparison of a new point contact locking compression plate(PCLCP) 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 1cmwidth fracture interspace were created to simulate comminuted fracture and fixed with PCLCP 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 PCLCP and DCP.Results Compared with the DCP，the bending，compression and torsion stiffness of PCLCP were higher，showing significant differences in the bending and compression tests.Conclusion The new PCLCP 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
對于股骨干骨折，20世紀70年代以前多數學者主張保守治療，但畸形愈合、膝關節強直和創傷性關節炎等并發癥很高，為降低這些并發癥，設計了鋼板和髓內釘等各種內固定物。但是對于節段性骨缺損、骨質疏松性骨折、粉碎性骨折，由于骨質量降低，螺釘的把持力降低，導致內固定的穩定性降低[1-2]。因此針對這種骨質量降低的長骨干骨折，許多新方法和新的內固定設計出現，并且取得較好的臨床效果，如更長的接骨板、Schuli鎖定螺釘、鎖定加壓接骨板、骨水泥和復合髓內接骨板等等[3-5]。我們在以往研制的點接觸動力加壓接骨板[6](point contactdynamic compression plate，PCDCP)基礎上，研制出一種新型點接觸鎖定加壓接骨板(point contactlocking compression plate，PCLCP)，結合點接觸、動力加壓和鎖定功能于一體[7]，動力加壓孔將對粉碎性骨塊起到良好的加壓復位作用，鎖定孔將對骨質疏松性骨皮質起到更強的固定作用。本組部分實驗利用骨質疏松性尸體股骨制作粉碎性骨折模型，對比研究PCLCP和DCP固定骨質疏松性粉碎性股骨干骨折的生物力學特性。
材料與方法
1 實驗用材料
1.1 PCLCP接骨板 PCLCP在接骨板螺孔兩側有凸臺狀結構，高1.5mm，底面長與螺孔直徑相同，頂面為點狀。螺釘帽與接骨板螺孔可行鎖定，全長128mm，寬16mm，厚4.5mm。對稱分布6個鎖定螺釘孔和中間2個動力加壓孔，螺釘為4.5mm標準鎖定及加壓皮質骨螺釘。PCLCP結合鎖定、加壓與點接觸功能于一體。實驗用接骨板、螺釘均為醫用316L不銹鋼制成，具有良好生物學相容性。(國家發明專利號：200510057114.0)
1.2 DCP接骨板 江蘇省常州市康輝醫療器械有限公司采購，均為8孔醫用316L不銹鋼制造，螺釘為4.5mm加壓螺釘。
2 實驗方法
2.1 試件制備和分組 12對老年尸體(平均年齡72歲)股骨由重慶醫科大學解剖教研室提供，于-20℃冰柜保存。對12對股骨利用美國Norland公司的雙能X線機進行掃描，測定骨密度值(BMD)，選取8 對密度值符合骨折疏松標準骨的標本。每對標本隨機選取一根用8孔PCLCP固定，作為PCLCP組;另一根用8孔DCP固定，作為DCP組。PCLCP不預彎，DCP預彎，用4.5mm皮質骨螺釘中立位將接骨板固定于股骨張力側，其中PCLCP和DCP全部固定兩端8 枚螺釘，鎖定螺釘均與接骨板螺孔呈鎖定固定。選取每個標本的中點用線鋸鋸斷，做成1cm間隙，模擬粉碎性骨折模型(見圖1)。固定骨折后的測試標本置于日本島津萬能力學測試機上，分別進行前后四點彎曲;置于美國MTS880材料試驗機上進行軸向壓縮實驗;置于RGT5AT微機控制電子萬能試驗機上進行扭轉實驗。
2.2 生物力學測試 兩組標本進行前后四點彎曲實驗，標本置于前后位置下加載，兩加載點間距15cm，兩支點間距離30cm。接骨板固定側位于張力側，采用最大500N的載荷保護下，5mm/s勻速彎曲加載，在彈性變化范圍進行彎曲實驗。同步記錄試件內應變值與彎曲撓度的關系，換算為加載力和固定試件的抗彎剛度。試件在四點彎曲過程中未破壞。
圖1 PCLCP接骨板與DCP接骨板固定股骨干骨折實物圖
兩組標本進行軸向壓縮實驗，每個標本兩端用牙托粉包埋固定成圓柱形，置于材料試驗機下軸向壓縮加載，接骨板固定于張力側，采用最大1000N的載荷保護下，5mm/s勻速加載，在彈性變化范圍進行軸向壓縮實驗。同步記錄試件內應力值與彎曲撓度的關系，換算為加載力和固定試件的抗壓剛度。試件在軸向壓縮過程中未破壞。
兩組標本進行扭轉實驗，每個標本兩端用牙托粉包埋固定成圓柱形，后置于測試機下加載。接骨板固定于張力側，采用最大50Nm的扭矩載荷保護下。5degrees/s勻速扭轉加載，在彈性變化范圍同步記錄試件內扭矩與扭轉角度的關系，換算為固定試件的抗扭剛度。
3 統計分析
實驗結果用以±s表示，采用SPSS13.0統計軟件包進行配對t檢驗分析，P
結 果
1 骨密度值比較
PCLCP組股骨頸區域平均骨密度值為(0.59±0.11)g/cm2;DCP組股骨頸區域平均骨密度值為(0.60±0.10)g/cm2。每個標本的BMD值均小于成年股骨骨峰量值的2個標準差以上，符合骨質疏松的診斷標準。兩組BMD對比無明顯統計學差異(P>0.1)，因此兩組股骨標本具有可比性 (圖2)。
圖2 PCLCP組與DCP組骨密度值對比直條圖
2 前后四點彎曲
在保持前后加載、最大載荷500N下，試件在彈性變化范圍內，固定標本卸載后無殘余畸形。據加載與變形關系，繪出前后四點彎曲試驗載荷與撓度曲線圖，計算出每個試件的前后四點彎曲抗彎剛度，比較PCLCP組和DCP組前后四點彎曲的平均抗彎剛度，PCLCP組的前后四點彎曲平均抗彎剛度高出DCP組83%，兩者差異具有統計學意義(P
3 軸向壓縮實驗
在保持前后加載、最大載荷1000N下，試件在彈性變化范圍內，固定標本卸載后無殘余畸形。據加載與變形關系，繪出軸向壓縮實驗載荷與撓度曲線圖，計算出每個試件的軸向抗彎剛度，比較PCLCP組和DCP組軸向壓縮的平均抗彎剛度。PCLCP組的平均軸向壓縮抗彎剛度高出DCP組77%，統計學分析兩者差異顯著(P
4 扭轉實驗
在保持最大扭矩50Nm下，試件扭轉直至斷裂。據加載與變形關系，繪出扭矩與角度曲線圖，計算出每個試件的抗扭剛度，比較PCLCP組和DCP組扭轉實驗的平均抗扭剛度。PCLCP組的平均抗扭剛度高出DCP組18%，統計學分析兩者差異無統計學意義(P>0.05)(見表1)。表1 PCLCP和DCP接骨板固定股骨干骨折的生物力學比較
討 論
股骨干骨折臨床常見，其正確治療需要了解股骨干的解剖、生物力學及創傷機制，并根據骨折類型選擇合適的固定方法[8]。以前的牽引和支具外固定可以得到可接受的臨床效果，但是比內固定效果差?，F今，股骨干骨折的治療主要是髓內針、接骨板內固定和外固定架治療。接骨板內固定的優勢在于能夠達到骨折解剖復位和堅強固定[9-10]。
傳統的DCP接骨板被廣泛應用于股骨干骨折的內固定。DCP板上的螺釘加壓孔有一傾斜角度，當螺釘擰緊時，板上加壓孔允許螺釘在縱向滑行，導致股骨相對板移動，使得斷端間產生加壓。這種設計開創了骨折堅強內固定板時代，結果導致以缺少骨皮質骨痂形成為特點的骨愈合模型。Xu等[11]通過尸體股骨完整骨及截骨后分別以等厚鋼板固定，作模擬負重下的電測應力分析。結果表明等厚鋼板不符合等強度原理，中間兩螺孔間受力明顯大于邊緣部。截骨面在雙肢站立時主要承受壓應力，加載至體重2倍時，壓應力明顯大于完整骨。單肢站立時承受彎應力，截骨面壓應力小于完整骨。應力遮擋和骨結構改變可通過鋼板優化設計和肢體正常負重克服。
Ellis等[12]研究發現，在存在縫隙的粉碎性骨折模型中，螺釘盡量放置在接近骨折位點處才能最小化DCP板所受的應力。在沒有縫隙的解剖復位的骨折模型中，間距寬的螺釘或者是遠離骨折位點的螺釘才能最小化DCP所受的應力。DCP的優點是能夠降低骨不連發生率，穩定的固定和不需要外限制器，允許鄰近關節的早期運動。但是DCP還有一定的缺陷，包括延遲愈合，顯微鏡下可以檢測到微小的骨折縫隙的持續存在，導致骨板去除后應力提高和板下的皮質骨丟失。Kessler等[13]的研究顯示，在平均20.1個月后去除接骨板后仍然有再次骨折發生，28個再次骨折端的組織學檢查確認骨折發生在缺少骨橋形成的位點。
隨著交通事故的增多和社會人口老齡化，粉碎性骨折和骨質疏松性骨折將越來越多。在過去十年中，對于老年性皮質變薄的骨質疏松性粉碎性骨折，許多技術被用于探求其最佳的固定機制，包括骨水泥的應用、羥釘的應用、螺釘成角固定、鎖定螺栓和各種鎖定接骨板系統[14-16]。另外，Bottlang等[17]通過生物力學對比研究認為，在鎖定接骨板末端改用加壓螺釘能夠減少接骨板末端的應力集中，增加固定結構的抗彎力量，更適合假體周圍骨折這類股骨長骨干的骨折疏松性骨折。
由于合成股骨比尸體股骨標本的強度更高[18]，因此在本研究中，我們利用老年性骨質疏松性股骨作為標本，制作1cm間隙模擬粉碎性股骨干骨折的臨床實際情況，對比研究PCLCP接骨板和DCP接骨板固定骨質疏松性尸體股骨干骨折模型的生物力學特性。研究發現PCLCP接骨板穩定性能明顯強于DCP接骨板。在前后四點彎曲加載下，PCLCP接骨板的抗彎強度高出DCP接骨板83%;在軸向壓縮加載下，PCLCP接骨板的抗壓強度高出DCP接骨板77%;在扭轉加載下，PCLCP接骨板的抗扭轉強度高出DCP接骨板18%。在扭轉加載下，PCLCP接骨板固定試件斷裂同時發生在遠端多個螺釘或是股骨的兩端。其原因是由于鎖定接骨板的螺釘均鎖定在接骨板上，整體提高了螺釘的把持力[3，19]。
總之，本部分實驗表明，在骨質疏松性粉碎性股骨干骨折模型中，PCLCP接骨板的生物力學特性明顯優于DCP接骨板，能夠提供更加穩定的生物力學性能，為下一步動物實驗和臨床應用提供了生物力學依據。
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