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生物力學研究范文1
種植義齒是口腔科領域中發展最快，最令人興奮的一個分支，已成為與高速渦輪牙機、全景X線機、高分子粘固材料并列的20世紀牙科發展的四項重大突破之一。一個成功的人工種植體應該和骨組織直接結合，形成良好的生物力學相容性，將咀嚼壓力均勻分布到周圍骨組織，應力過大或過小，都無益于種植牙周骨組織的重建，都將導致種植牙的失敗。據此，本文特將人工種植牙的生物力學研究進展作一概述。
1 應力分布研究方法的發展
在20世紀70年代以前，生物力學研究和應力分布的檢測多采用電測法和光彈法，電測法和光彈法屬于實驗應力分析法。電測法是實驗應力分析方法中最基本的方法之一，它的靈敏度與精確度較高，可用于現場測定，用于各種復雜環境下測量多種力學參數，但電測法只能逐點測量物件表面的應變，且僅能獲得應變片所在位置的應變平均值，不能直觀得出構件應力分布的全貌，在環境條件惡劣時誤差較大。光彈應力分析法具有直觀性和全場性的優點，可用以分析各種形狀的復雜構件和表面應力，也是口腔生物力學常采用的研究方法，但光彈法不能把材料力學和彈性理論聯系起來，如不能計算出模型內任意處的應力值和位移值。自從1973年Theresher和Farah幾乎同時將有限元法（finite element method，FEM）應用于口腔醫學領域，FEM已成為一種有效的數學工具，在口腔生物力學研究中得到廣泛應用。FEM具有以下優點：可以準確地表達復雜的幾何形狀；可以在同一模型上對不同性質的材料進行力學分析；可以進行復雜載荷條件下的應力分析；模型的轉換較為簡便；對應力的內部狀態及其它力學性能定量測定的代表性好，同時FEM在應用中自身也不斷得到完善，其中從二維到三維是FEM發展的一個飛躍。1976年Weinstein等應用二維FEM分析了多孔圓柱種植體界面的應力分布，將FEM引入了口腔種植領域，從此，有關種植義齒生物力學的研究進入了一個新的階段。Meijer等［1］將二維有限元法和三維有限元法進行了比較，認為后者的模型相似性好，可客觀反映被分析受力結構的信息，但是有限元法的單元在大小、形狀、數目、載荷情況、假設條件與真實情況差異及邊界條件等均影響結果。因此，為使結果更加真實可信，有限元法的研究手段不斷完善，目前已從靜態研究發展到動態研究，并有向非線性發展的趨勢。
2 種植體材料對應力分布的影響
人工牙種植體的研究和應用已有30多年的歷史，但迄今為止，只有少數幾種材料的種植體為人們所接受，其中應用歷史最長、也最廣泛的是鈦質種植體，金屬鈦具有良好的生物相容性，與骨組織形成緊密、牢固的結合，而且其彈性模量與骨很接近，與骨結合所形成的界面是動態的，在適當負荷的刺激下，種植體與骨的接觸程度在一年后會從53％增加到74％［2］，所以說鈦是一種理想的種植材料。Mailath（1989）等［3］用有限元法對種植體材料進行了研究得出結論，種植體材料的彈性模量至少為110，000N／mm2（1．1×10MPa）。Clelland（1991）等［4］用三維有限元法研究了Screwvent骨內種植體及支持組織應力分布情況，這種商業純鈦種植體最大應力區是在種植體的頸部，這些應力比商業純鈦的疲勞極限（259，90MPa）低18倍，骨內最大壓力值（19．57MPa）是在頸部的舌側區，而且Screwvent種植體近遠中應力（最大為0．38MPa）比種植體頰、舌側低得多。這一點和以前放射照片研究的骨吸收發生在種植體的近遠中不同。為了更快的形成骨整合，人們還從種植體的表面涂層入手。尤其是羥基磷灰石噴涂（hydroxyapatite，HA）研究最多，但還是有很大爭議，生物活性材料的涂層，可以改善與骨的結合方式，從生化角度上看，對種植牙長期成功是有益的，但從生物力學角度是否有明顯的改善并不清楚［5］。Rieger（1989）進行了研究認為：骨結合界面與骨適應界面比較，從生物力學上看種植牙周圍骨內的應力分布比較并沒有明顯的改善，這還有待于進一步研究。最近Meijer（1997）等［6，7］使用柔韌高分子生物材料（polyactiv，PL）即聚丁烯對二苯酸鹽（酯）聚合物（polyethyleneoxide polybutylenete rephthalate（PEO：PBT）copolymer）和硬性HA穿齦種植體進行動物（狗）實驗研究，從組織學上和臨床方面作一比較，PL設有三種（一種密集型，兩種多孔型）6個月加載，PL和HA種植體周圍骨組織在第6周有骨吸收（高度失去1mm），第12周可見重建，18周后恢復到原來的水平，結果PL比HA引起密度上較少的降低。這個結果顯示：柔韌種植材料更有利于應力向周圍骨組織傳導。臨床方面PEO：PBT和陶瓷、生物玻璃、鈦、和其他材料相比較，結果：PEO：PBT是一種柔韌材料，能降低穿齦種植體頸部應力峰值，致密型PL功能合適，運動性能與天然牙相近似，表現出最好的臨床功能，也能減少種植體周圍應力峰值。從組織學觀察得出結論：柔韌的骨結合，種植體更能較好地把應力傳導到周圍骨組織，因此它可能是硬性種植體有前途的替代物。
3 種植體形態結構對應力分布的影響
成功的種植體不僅取決于種植體材料的生物學性質及手術技術，種植體的表面形態也十分重要。近年來，國外學者圍繞著種植體以什么樣的形態結構才具有最佳的生物力學相容性，作了大量的研究。關于口腔種植體宏觀形態基本上認為以單個旋轉對稱為最佳，所以新近出現的或改良的種植體系列極少看到過去傳統的錨狀或翼狀形態。對種植體表面微觀形態，自70年代以來也是人們研究的熱門，在這個問題上雖然還有不同看法，但有一點是比較一致的，即粗糙的種植體表面更利于新骨生長，形成更廣泛骨種植體結合區。Mailath（1989）使用有限元法研究了骨內種植體形狀與應力分布的關系得出結論，圓柱形種植體比圓錐形種植體更可取，因為它降低了應力在骨皮質上的峰值。Rieger（1990）等［8］應用二維有限元法，對6種種植牙（Branemark，CoreVent，Denar，Miter，Stryker和一種實驗用種植牙—RBT411）進行定量分析，結果表明：所有6種種植牙都有根尖沖擊應力的存在，Denar種植牙應力最大，Denar、Miter和Stryker種植牙可出現牙槽嵴部病理性骨吸收，Miter和實驗用RBT411種植牙應力分布最好。Hurson（1994）［9］對3．25mm和3．8mm螺紋種植體進行了工程力學分析，闡述了螺紋設計原則，材料的強度，力學疲勞分析，提出了螺紋設計的標準。Binon（1996）［10］評價了六角形種植體（hexagonal implants）力學性質，與基臺相連的抗扭強度及適合的裝置，建議生產商應該提高種植體的耐受性、精確性、逼真性和堅固性。Arpinar（1996）等［11］用有限元法對兩種硬性種植體設計進行研究，結果為：中空螺旋種植體（ITI1）在頂點區域產生高和應力集中，而實心螺旋種植體（ITI2）應力的分散轉移要比中空好得多。1996年黃輝等［12］對螺紋頂角角度對柱狀螺旋根管內種植體應力分布進行了研究，結果表明：螺紋頂角角度的改變，可以導致種植體在支持組織的應力分布水平的變化，螺紋頂角為60度的種植體應力分布較合理，為種植體設計、應用提供理論依據。
4 種植體的長度和直徑對應力分布的影響
對于種植體長度和直徑與種植體周圍骨面應力反應的關系，目前國外研究報告的觀點不一致。Mailath（1989）等［3］用有限元法對不同直徑的種植體進行生物力學研究，結果發現大直徑種植體產生有利的應力分布效果。Block（1990）［13］通過動物試驗證明，種植體從骨中拉出力與其長度關系極大，而與其直徑關系不大。Lum（1991）［14］發現骨界面應力主要集中于種植體頸部的牙槽嵴頂而非整個種植體周圍，并據此推論使用短種植體可能對骨界面應力集中值影響不大。Lum（1992）［15］用工程統計學方法，分析了軸向力和水平力作用下種植體力的傳導，結果發現，在軸向力作用下，僅僅長度為10mm，直徑為4mm的種植體，能傳導平均最大咬合力，支持骨受到張力在正常生理限度內。在水平力作用下長度大于12mm時，再增加長度對力的傳導無顯著差異。Meijer（1992）等［16］使用短種植體對其周圍的應力無太大影響。鄒敬才（1996）等[17］應用二維有限方法，對3mm，4mm，5mm三種不同直徑的螺旋型種植體進行對比分析，結果表明：螺旋型種植體直徑增加，對骨界面的總體應力分布規律影響不大，但隨著直徑的增加，對骨界面應力降低，種植體與骨界面的相對位移運動也相應減小，有利于骨界面的應力分布。提示臨床盡可能選擇直徑稍粗的一些種植體。Tuncelli（1997）［18］等應用有限元法，比較了ITI中空圓柱兩段式種植體不同直徑（3．5mm，4．5mm，6mm）應力分布。結果發現：相對較大的直徑種植體更有利于下頜后部區域（應力分布好）。張少鋒（1997）等［19］用有限元法研究了種植體長度和直徑對種植全口義齒應力的影響，得出結論：種植體周圍骨界面應力的大小與種植體長度密切相關，呈負相關關系。種植體直徑在臨床常用范圍內變化時，僅引起自身應力集中值的改變，而對種植全口義齒的其它結構和組織應力狀況影響不大。
5 種植體上部結構的連接裝置對應力分布的影響
人們為了去模仿天然牙牙周膜的緩沖作用，一些學者用一些具有粘彈性的材料如聚甲醛制成內動部件，連接種植體和附著體。McClumphy（1989）在種植牙上用聚甲醛材料設計了一個具有彈性的內連接體，并用鈦制作一相同的內連接體作對照，用光彈應力分析法對兩者進行了應力分布的對比研究，結果：在骨界面上應力分布兩者沒有顯著差異。van rossen（1990）等［20］通過二維有限元法，對不同彈性連接體彈性模量和不同外形的內連接體在單個種植體上進行分析，結果：內彈性連接體彈性模量的改變對周圍骨應力分布沒有影響。Chapman（1990）等［21］設計一種內部減震器（shockabsor＿ber），把種植體與義齒相連接，用鈦制作對比，結果：兩者有顯著性差別，可減少咬合力。elChkawi hG（1990）在種植體上部結構下面使用一層彈性材料，種植體不動，而上部結構可動，結果發現這種改進使應力和位移分布和天然牙相類似。Kraut（1993）等［23］設計了一種彈性內動連接系統，結果表明這套系統能吸收應力，減少達到種植體和周圍骨的應力值。
生物力學研究范文2
研究對象:115名競賽運動員,運動水平從二級到運動健將。
一、分析和討論:
疲勞特征的發現可引導出下面的計算方法:這115名運動員具有一定的運動水平,他們在起跑后速度和技術指標有著密切的相互影響、相互補償的關系,這樣可得出一次方程式,然后填入終點跑速度值,得出可計算的指標數據。比較獲得的指標數據和終點跑實際技術指標,就發現結果超出了一般跑的規律性,實際指標或多或少的符合運動員在非疲勞狀態下的技術指標。(表1)
計算公式:PTOPM=-5.288+4.38V(+-5.62),R=0.75
PTOPM表示負面力的縱向被加數;V表示跑的速度;R表示相互關系系數?，F在把各項距離的終點跑速度值放入公式內,就可得到計算的負面力。(表2)
比較計算值和實際情況看出,在400米跑中實際的力不符合終點跑的速度。超出的力已被展示出來(方程式評價規格誤差=5.26)。這是由于疲勞的肌肉能夠產生更多有實際意義的力.顯然,就象用鐵制起跑器測量200米和800米起跑一樣,這樣的方法能減少制動階段力學結構中力的丟失,因為腿部力量做功發力大部分還是利用骨骼傳遞到踝關節。除了這些,這個方法還能幫助減少由于降低身體重心位于制動階段造成速度的損失,但對蹬地階段支撐腿收縮肌肉的能力還不能從根本上起到作用?？梢?從正面的力和負面消極的力之間的聯系可以得出下面的公式:Pot=1.801+1.288Ptopm.(±9.06),r:0.76。
Pot=正面積極力的縱向因素,把負面消極力的影響和400米終點跑實際指標放入公式中,可以得出:正面積極力應該等于34.1Bt/kg。事實上,真正的數值少于38%,等于21.2±7.2 Bt/kg。
從上面的情況得出,對于400米沒有疲勞補償階段,跑的速度降低。疲勞肌肉低能力的收縮,在這種情況下不可避免的影響能力再生結構―必然加大后蹬能力,顯然這種結構能有效的提高活動能力,它表現出與肌肉生物力學特性的聯系―肌肉越堅硬有力,拉伸時間越短,就越能更多的利用聚集的機械力。在縮短制動階段的高速度跑更有利于肌肉其他性能使用的再生結構的出現。這些結構的加強,能有效的提高肌肉彈性能力,如腳底的屈伸運動。相反,運動員在支撐落地階段,當肌肉拉長的時間增大時,聚集的機械能力很大程度上分散到肌肉中去。
那么,400米跑在過大支撐階段是否違背了依賴于肌肉的速度―拉伸條件呢?我們注意看實際情況:在終點跑中制動時間提高了38%,達到80+15mc,但計算和反映出來的數據相比較,他們之間不存在實質上的差別,符合等于0.073和0.080。計算公式為:
Ttopm=0.126-0.009V(±0.009),r=-0.83
Ttopm-制動時間。這樣可以說明,制動時間符合終點跑的速度,并不是它違背了肌肉速度―拉伸條件。而真正造成終點跑的技術原因是肌肉的生物化學特點而不是動作技術的生物力學結構,在400米跑的最后階段,根據生物化學的測量結果,由于大量的乳酸積累而造成對神經細胞積極功能性的抑制,大量的降低 ATF和KPF在血液中的含量,而增加ADF的含量。
因此,我們可以更多的了解到,在疲勞狀態下支撐腿肌肉拉長和收縮的相互關系,擺在我們面前的許多重要的實際數據證明,提高局部肌肉的緊張強度與中距離跑的運動能力有著密切的關系。根據實驗結果得出,局部肌肉性能的提高,可以根據生物力學特性,更多的利用彈性特點有效的延緩跑的速度在終點跑階段的降落過程.
二、 研究結果:
1.在400米跑中出現的疲勞特征反映出違反了肌肉拉伸和收縮的相互關系。
2.證實提高局部肌肉的工作強度有利于在疲勞狀態下跑的運動效果。
生物力學研究范文3
【關鍵詞】 力學原理；墊球；分析；訓練
1前言
20世紀末排球競賽規則進行了重大修改，特別是每球得分制的實施，比賽時間相對縮短，比賽節奏明顯加快，在高度緊張和激烈的對抗之中，運動員無論是身體還是精神從始至終處于高度的緊張狀態，對運動員的技術、戰術提出了更高的要求。排球比賽是運動員運動技術、戰術、體能、心理等全方面的較量，運動員能夠成功的發揮自己的實際水平，在比賽中有效的組織進攻，主要在于一傳能夠很好的處理每一個球，才能夠避免失分，并且有效的組織起進攻，而且還能夠激勵隊員的士氣。在排球比賽中，墊球是主要用于接發球、接扣球、接攔回球以及防守和處理各種困難球的技術，是組織反攻的基礎，爭取少失分都具有重要意義。而且在扣球中，接扣球還能由被動為主動，穩定情緒，鼓舞士氣，促進排球攻防平衡的重要手段。是每一個排球運動員必須熟練掌握的一項排球基本功。墊球過程中，應當遵循一定的生物力學原理，因為力的作用是相互的，作用力與反作用力必定成對出現，在墊球過程中如果不遵循力學規律，勢必會導致將球墊飛或者下網的現象出現，影響自己的士氣，甚至直接影響比賽成績。本文采取了搜集資料和對照實驗的方法僅對排球中墊球的基本技術發表自己的一點看法，文章僅供參考。
研究目的：闡述生物力學原理在排球墊球動作中占有很重要的地位，使運動員重視理論與實踐相結合，以提高運動成績。
研究方法：對比實驗法 資料分析法
2 在比賽中上臂墊球基本姿勢的生物力學分析
2.1比賽中墊大力量球的生物力學分析
在墊球的過程中，首先要做好基本的墊球準備動作，處理各種情況下的來球。根據力學作用力與反作用力的性質：兩個物體之間的作用總是相互的，一個物體對另一個物體有力的作用,后一個物體一定同時對前一個物體有力的作用.物體間相互作用的這一對力,通常叫做作用力與反作用力.我們來球對上臂的力叫做作用力,上臂對球的作用力就叫反作用力.作用力和反作用力互為因果關系，沒有先后，沒有主次。說明來球的力有多大，它受到的反作用力也就有多大，對于力量大的球，只是單單的正面迎擊，很容易墊飛出界或者下網，我們應當對來球進行力量、速度以及方向的分析，對大力量來球要適當的對其做一下緩沖，在技術動作上稱之為卸力。下面對我校普通學習過排球的8名同學作如下實驗：試驗組經過處理卸力墊擊大力量的球；對照組直接墊擊大力量的球，每人墊擊80次，得到的結果如（圖A-1，2）所示：
對來球直接墊擊的80個球：
對來球卸力處理的80個球
試驗證明，對卸力處理的80個球的成功率明顯的比對直接墊擊的80個球的成功率大大的提高了。其原理可以表示為：作用力等于反作用力，但是經過處理后反作用力等于作用力減去緩沖力（緩沖力為正值）。這說明：無論在比賽過程中，還是在訓練過程中，其技術動作都能夠遵循某一力學規律，巧妙的運用力學原理處理技術上的問題，本身就是一個提高，將力學原理運用到實踐中，就是技術的提高，而所謂的“球感”也可以說是運動員本人能夠下意識的利用力學原理來處理實踐中的問題了，這樣就能更有效的控制球，將球墊到理想的位置，為進攻奠定良好的基礎，也就是掌握了墊球的生物力學原理。
下面對排球墊球的技術動作進行生物力學分析：“在墊重球過程中，由于來球速度快，力量大，觸球后球體的自身的反彈力也大。因此不但不能直接迎擊來球，還應采取含胸收腹的動作，幫助手臂隨球后撤并適當放松肌肉，以緩沖來球力量。同時，用手臂和手腕動作來控制墊球的方向和角度。擊球的手型和部位，應根據來球的情況而作變動，當擊球點稍高并靠近身體時，仍可用前臂墊球；當擊球點底而距身體較遠時，就要用曲肘翹腕的動作把球墊在手腕上部?！?墊球過程中的“含胸”、“收腹”、“手臂隨球后撤”、等動作都是卸力動作，其目的和作用主要是用來緩沖大力來球的沖力，將球有效的控制住、組織進攻，能夠有效的組織防守，是排球防守墊球的重要手段。
2.2比賽中墊中等力量球的生物力學分析
墊擊中等力量球“準備姿勢、擊球點和手型與墊重球的手型基本相同，由于來球的力量稍微減弱，相對球速減慢，手臂迎擊球的動作的速度要慢，手臂要放松，主要靠來球本身的反彈力將球墊起，擊球時要蹬地、跟腰、提肩壓腕、向前抬臂的動作擊球的后下部?！蓖ㄟ^對技術動作的分析我們可以得到以下結論：同墊擊重球的動作以及擊球方式來講，墊擊重球的“含胸”、“收腹”、“手臂隨球后撤”卸力動作基本沒有了，相反加上了“蹬地”、“跟腰”、“提肩壓腕”、“向前抬臂”的擊球動作，從力學的角度分析，中等力量的來球作用到手臂上的力相對于重球來講已經減弱，因此墊擊中等力量球時不用“卸力”動作基本上就能夠墊到位了，甚至有時隨著來球力量減弱反而要給來球一定的力量，以便將球順利墊擊到二傳手中。其技術用力學表示：墊擊球的力等于球的反作用力加上上臂對球的力，技術動作要領中的蹬地、跟腰、提肩壓腕、向前抬臂都是給球力量的動作。這也充分證明了墊擊球要根據來球力量的性質決定。力量稍大，給球的力量則應當相應減??；來球力量較小，給球的力量應當適當增大。
2.3比賽中墊擊輕球的生物力學分析
墊擊輕球的動作要領“當球飛到腹前約一臂距離時，兩臂夾緊前伸，插入球下，同時配合蹬地、跟腰、提肩、頂肘、壓腕、抬臂等全身協調動作迎向來球，身體重心隨著擊球動作向前上方移動?！蓖陨蟽煞N墊球方式比較，墊擊輕球時“蹬地、跟腰、提肩、頂肘、壓腕、抬臂”以及“身體重心隨著擊球動作向前上方移動”都是用力性質的動作，根據生物力學作用力與反作用力的性質分析：由于輕球的力量很小，速度很慢，如果只是靠其反彈力來擊球，根據作用力等于反作用力很難將球墊高或者墊到相應的位置，因此要主動擊球，給球適當的力量，這樣球的出手力量等于球本身的反作用力加上手臂給球的作用力，就加大了球的出手力量，將球墊擊到相應的位置。
3 比賽中雙臂墊球方向的生物力學分析
在排球比賽中，會出現多種情況，因此在接發球時，除了集中力量加快自己的腳步移動，還要提前判斷自己身邊的情況，對于身體體側的球就應當注意自己墊球的技術了，根據反彈力的性質：當力作用到某一物體上，隨著力作用的角度不同，其反彈的角度也隨之改變。體側墊球的技術就是利用力的反彈性質來完成對球的有效控制的。所謂體側墊球就是在體側用雙手擊球，左墊球時，先以左腳前腳掌內側蹬地，左腳向左跨一步，重心移至左腳，保持兩膝彎曲，同時兩臂向左側伸出，左臂抬高于右臂，右肩微向下傾斜。擊球時，用轉體和收腹的動作，配合提肩抬臂在身體左側稍前的位置接住來球，用兩前臂墊擊球的下部。右側墊球動作相反。墊擊體側的球更要掌握好技術動作，以左側墊球為例，體側墊球時兩臂向左側伸出，左臂抬高于右臂，右肩微向下傾斜。這個技術動作要求運動員的手臂內側要對準二傳隊員，當球作用到手臂時，由于反作用力球會按照一定的路線向固定的方位反彈回去，同時要注意判斷來球的力量大小，利用“卸力”、“主動擊球”等技術動作將球平穩的傳到二傳手中?！稗D體”和“收腹”是為了加大自己對球的有效控制，同時增加了對球的力量控制，而身體重心的移動是為了使自己保持身體平衡，同時為了讓自己的腳下靈活，便于移動。
通過對技術動作的分析，充分說明了在墊球過程中，生物力學原理在排球墊球運動中每一個環節都能夠運用得到，能夠熟練的掌握好生物力學原理，將理論與實踐充分的結合起來，在比賽中可能會更好的發揮一傳的作用。
4.結語
本文簡要論述了在各種情況下墊球時運用的生物力學原理，通過對技術動作的分析，充分說明了在墊球過程中，生物力學原理在排球墊球過程中每一個環節都能夠運用得到，能夠熟練的掌握好生物力學原理，將理論與實踐結合起來，在現在激烈的比賽中更好的發揮一傳的作用。從而減少失誤，有效的組織進攻，鼓舞隊員的士氣，激勵每一個球員奮發拼搏，提高獲勝幾率。
參考文獻
生物力學研究范文4
【摘要】 ［目的］測試寰椎齒狀突人工關節置換后寰樞椎的穩定性和功能。［方法］ 將10 例新鮮的成人頭頸部標本制備成生物力學實驗模型，對每一標本分別測定完整狀態、減壓術后、人工關節置換術后以及疲勞實驗后4種狀態下的運動范圍、中性區和剛度。［結果］ 減壓術后，在前屈、后伸、左右側屈及左右旋轉等方向較完整狀態運動范圍、中性區明顯增大（P＜0.05），而剛度則顯著減弱（P＜0.05）；人工關節置換術后及疲勞實驗后與減壓術后相比前屈、后伸、左右側屈及左右旋轉的運動范圍和中性區明顯減?。≒＜0.05），剛度顯著增強（P＜0.05）；人工關節置換術后及疲勞實驗后與完整狀態相比前屈、后伸、左右側屈的運動范圍和中性區明顯減?。≒＜0.05），剛度顯著增強（P＜0.05），與完整狀態相比左右旋轉的運動范圍無顯著差異（P＞0.05），中性區增大（P＜0.05），剛度減?。≒＜0.05）。［結論］ 實驗證實作者設計、制造出的人工寰椎齒狀突關節在形態學和動力學兩方面進行仿生，具有置放穩定、操作簡便、不易造成副損傷以及低磨損等特點，對以往齒狀突切除、脊髓減壓后需要使用前路或（和）后路寰樞椎融合的患者，提供了另一種術式的選擇。
【關鍵詞】 頸椎； 口咽入路； 人工寰椎齒狀突關節； 生物力學； 運動范圍； 中性區； 疲勞實驗； 剛度
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 實驗材料 10具成年男性新鮮尸體頭頸部標本(上方保留完整頭部，下方保留至第7頸椎)，年齡（23～57歲），平均39歲，經大體觀察及X線片證實無骨性異常，經雙能X線吸收光度儀（QDR2000; Hologic， Waltham， MA)測量頸椎標本平均骨密度0.838 g/cm2（0.692–0.963），所有標本均取自西安交通大學解剖教研室新鮮尸體。
自行設計、制造的人工寰椎齒狀突關節使用醫用鈦合金（Ti6Al4V）制成，由人工寰椎部件、人工樞椎部件和螺釘3 個部分組成。(1)寰椎部件包括由人工寰椎固定板及旋轉軸套;(2)樞椎部件由固定板、突起、底座1、2和旋轉軸構成;(3)螺釘:鈦合金（Ti6Al4V）松質骨自攻螺釘直徑3.5 mm，長度為13～22 mm。旋轉軸套與旋轉軸、底座2接觸部位拋光成關節面光潔度（圖1、2）。
1.2 實驗方法 生物力學實驗標本制備方法
完整標本制作方法：截取枕骨髁基底至第3頸椎節段，取材后頸椎標本用塑料袋密封保存于-20℃。檢測前取出，于20℃常溫下自然解凍，仔細剔除頸椎標本的肌肉組織，保留頸椎骨骼、韌帶、關節囊及椎間盤的結構完整，制成完整狀態的生物力學實驗模型。
減壓標本制作方法：用高速磨鉆在寰椎前弓與側塊左右交界處仔細打磨。磨透后完整取出寰椎前弓，顯露樞椎齒狀突，用磨鉆仔細打磨齒狀突基底與椎體交界處，磨透后仔細切除附著在齒狀突上的韌帶，完整取出齒狀突，顯露硬脊膜。
安裝人工寰椎齒狀突關節方法：使人工寰椎齒狀突關節位于減壓后標本正中，適度縱向加壓使寰椎假體與樞椎假體緊密結合，保持寰枕關節適度后伸位。置釘前先用克氏針鉆孔，透視位置正確后測量克氏針長度，再擰入適宜長度螺釘。螺釘長度在不突破寰椎側塊和樞椎椎體后方皮質的前提下，盡可能選取較長的松質骨螺釘。寰椎固定螺釘與矢狀面向外 10°夾角（與寰椎側塊長軸平行），與寰椎橫截面保持平行。樞椎螺釘與矢狀面向內10°夾角，與樞椎椎體橫截面保持平行（圖3、4）。
生物力學實驗方法：對10具標本分別依次進行完整狀態、減壓標本、前路人工寰椎齒狀突關節置換后、疲勞實驗后4種狀態下的運動范圍、中性區和剛度進行測試。
脊柱三維運動測量結果由中性區（neutral zone，NZ）和運動范圍（range of motion，ROM）2個參數來描述。枕骨髁基底（C0、C1、C2）和C3分別包埋于盛有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的特制金屬模具中。標志物為1 cm×1 cm×1 cm空心塑料立方體，將6個標志物不共線固定于C0、C1、C2前方和側方骨質內，便于激光掃描和計算機識別系統識別。非破壞方式下在脊柱三維運動機（精確度0.01 Nm）上進行測試，保證實驗標本在屈曲、后伸、左右側屈及左右旋轉6個方向均能不受限制的自由活動，通過卡座上方的加載盤對實驗標本進行加載，分相等3階段對標本加載純力偶矩直至1.5 Nm，每階段內勻速加載，加載速度為5 mm /min，階段間停留30 s，使標本產生前屈、后伸、左右側屈運動，同樣方法分3階段對標本加載扭轉矩直至1.5 Nm，加載速度為15° /min，使標本產生旋轉運動。當載荷達到最大值后停留30 s，每次測試先進行3次加載/卸載循環，以減少頸椎的粘彈性，取第 4 次相應測量數值。由攝相機拍攝及三維激光掃描測量儀(RealScan USB Scanner 200， 3dimensional; Digital Corp.，Danbury ，CT，精確度為線位移0.01 mm ，角位移0.02°)掃描標本和標志物，測量寰樞椎節段的中性區和運動范圍。
剛度測試：在MTS858生物材料試驗機（精確度0.01 Nm）上進行標本的屈/伸、側屈和旋轉剛度測試，設置最大扭矩為1.0 Nm，速度為15° /min。
疲勞實驗：在MTS858生物材料實驗機上進行，所施加的疲勞載荷為1 Nm，疲勞頻率為0.25 Hz，疲勞次數為旋轉運動5 000次，屈/伸運動5 000次（表1～3）。
1.3 統計學處理 實驗結果采用SPSS 13.0軟件統計，計算完整狀態、減壓術后、人工關節置換術后以及疲勞實驗后4種不同狀態的三維運動范圍、中性區及剛度的均數和標準差，用配對t檢驗進行統計分析比較。統計檢驗標準的顯著性差異設在P＜0.05。
2 結 果
表1 1.5 Nm載荷下運動范圍（ *表示與完整狀態相比有顯著性差異（P ＜ 0.05），表示與減壓術后相比有顯著性差異（P ＜0.05）。表2 1.5 Nm載荷下中樞區（NZ）*表示與完整狀態相比有顯著性差異（P ＜ 0.05），表示與減壓術后相比有顯著性差異（P ＜0.05）。表3 1.0 Nm載荷剛度測試結果*表示與完整狀態相比有顯著性差異（P ＜ 0.05），表示與減壓術后相比有顯著性差異（P ＜0.05）。
3 討 論
在寰椎齒狀突關節骨折、脫位不能整復且脊髓受壓癥狀嚴重時，經口咽入路松解或減壓是有效的治療方法［1，2］。但齒狀突切除減壓后，無論進行寰樞椎前路或（和）后路融合術，頸部旋轉功能將大部分喪失［3］，對術后患者正常的工作、生活帶來諸多不便。完整狀態下的寰樞椎其各種運動瞬時旋轉軸位于寰椎齒狀突關節部位，切除寰椎前弓及齒狀突后，各種運動瞬時旋轉軸將向兩側小關節突后移［4］。
失去寰椎齒狀突關節限制的寰樞椎穩定性明顯降低。實驗證實減壓術后，在前屈、后伸、左右側屈及左右旋轉等方向較完整狀態運動范圍、中性區明顯增大（P＜0.05），剛度顯著降低（P＜0.05）。人工寰椎齒狀突關節中寰椎部件旋轉軸套與樞椎部件旋轉軸緊密配合，重建了寰椎齒狀突關節的扣鎖關系，使各種運動瞬時旋轉軸重新位于寰椎齒狀突關節部位。實驗結果顯示人工關節置換術后及疲勞實驗后與完整狀態相比前屈、后伸、左右側屈運動范圍和中性區明顯減?。≒＜0.05），剛度顯著增強（P＜0.05），可能是因為人工關節樞椎旋轉軸（直徑4.0 mm）與寰椎旋轉軸套（直徑4.0 mm）緊密配合，限制了前屈、后伸及左右側彎活動。但正常寰樞椎的屈伸和側屈活動范圍原本就十分有限，頭頸部的屈伸和側屈主要由寰枕關節和C2以下頸椎椎間關節（包括椎間盤及側塊關節）完成［5］，因此，人工寰椎齒狀突關節置換術后前屈、后伸及左右側彎運動范圍的減少，對頭頸部活動影響十分有限。
人工關節置換術后及疲勞實驗后與完整狀態相比左右旋轉運動中性區增大（P＜0.05），剛度減?。≒＜0.05），可能與減壓后失去寰椎齒狀突關節處翼狀韌帶、橫韌帶等結構有關，左右旋轉運動范圍與完整狀態無顯著差異（P＞0.05），因為防止過度旋轉的裝置限制超過45°的旋轉，所以對運動范圍的測量結果有部分影響。在剛度（最大載荷1.0 Nm）和中性區測試時實驗標本左右旋轉均未達到45°旋轉，旋轉限制裝置未發揮作用，對測量結果無影響。生理狀況下寰椎前弓限制寰椎向后移動，橫韌帶限制寰椎向前移動，翼狀韌帶是第二位限制前后移動的結構，寰樞韌帶和關節囊是第三位的穩定因素。寰樞關節的解剖結構嚴格限制過度旋轉，韌帶結構也有限制作用。橫韌帶完好情況下，寰樞外側關節雙側旋轉脫位的度數是65°，橫韌帶斷裂時，旋轉45°即可出現脫位，單側脫位可早于雙側脫位發生。翼狀韌帶也限制旋轉運動，當向一側旋轉時，對側的翼狀韌帶拉緊起限制作用［6，7］。由于人工寰椎齒狀突關節置換術是在前路減壓術的基礎上進行的，喪失了前縱韌帶、翼狀韌帶、齒突韌帶和橫韌帶等的牽拉限制，而寰樞椎側方及后部結構對旋轉活動的限制十分有限。如果僅單純仿生寰椎齒狀突的車軸關節，而不加限制，將可能出現過度旋轉以及由此產生寰樞外側關節骨折、脫位，會對脊髓、椎動脈等鄰近重要結構造成刺激或損傷。為此作者專門設計了防止過度旋轉的限制裝置 ，允許左右旋轉各45°，達到正常生理活動度，又不會出現過度旋轉。
同其他人工關節類似，人工寰椎齒狀突關節置換術后，內植物及其與骨接觸界面的磨損與疲勞是保證人工寰椎齒狀突關節能否長期存放和正?；顒拥年P鍵［8］。作者所做的疲勞實驗顯示：經5 000次屈伸和5 000次旋轉疲勞試驗，結果顯示實驗標本的運動范圍、中性區和剛度無顯著差異（P＞0.05）。人工寰椎齒狀突關節面具有高光潔度，無磨損劃痕，人工關節和固定螺釘無松動，證明人工寰椎齒狀突關節具有一定的抗疲勞性能。作者的實驗主要反映實驗標本的即刻穩定性。雖然進行了疲勞實驗，但由于疲勞次數遠遠少于正常人體生理需要量，人工寰椎齒狀突關節是否能保持長期穩定，關節面是否能長期保持高光潔度、低磨損尚不知曉。因此，作者目前的研究只能提供一種新的術式和思路，人工寰椎齒狀突關節尚需要進一步研究和改進才能滿足臨床需求，比如在寰椎固定板與寰椎側塊的接觸面以及樞椎底座1、固定板與樞椎椎體接觸面設計成成骨細胞容易附著、骨小梁容易長入的涂層；又比如在旋轉軸套與旋轉軸、底座2之間加入超高分子量材料或其他材料，進一步降低人工寰椎齒狀突關節的磨損。
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生物力學研究范文5
摘 要： 采用艾立爾系統和三維DLT方法,對世界花樣滑冰大獎賽上我國運動員及世界選手的跳 躍動作進行了定點三維測試，比較分析他們在完成跳躍動作的起跳和落地相關參數，結果發 現我國女運動員起跳時水平速度與國外優秀選手還有差距。起跳應積極蹬伸，形成好的小擺 臂，早收手臂。
關鍵詞：花樣滑冰；自由滑；跳躍動作；運動生物力學
中圖分類號：G804.63 文獻標識碼：A 文章編 號：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
花樣滑冰（Figure skating ）是一項冰上運動技術與綜合藝術表演相結合的，由運動員穿 著冰刀在冰面上伴隨著音樂通過表演一系列的規定和自選動作而進行的一種冰上競賽項目。 花樣滑冰技術主要由四類動作組成：滑行[1]、旋轉[2]、姿態和跳躍。其 中跳躍是所有動作 中難度最大且最具有代表性的動作。對跳躍轉體動作主要是對拋跳[3]和跳躍動作 [4-5]進行研究。
在花樣滑冰動作中，跳躍動作是最為重要的組成部分，起跳和落地完成的好壞直接 決定著比賽成績的高低。我國的花樣滑冰項目起步較晚，近年來通過向西方學習和自身努力 拼搏，使我國花樣滑冰技術有了飛速的提高，在多方面都達到了國際一流水平。但相對于技 術動作的不斷改進，相應的動作研究非常滯后，這將制約花樣滑冰跳躍動作的進一步發展和 創造新的高難度動作。因此，從長遠上講，只有進一步的對跳躍動作起跳與落地技術進行研 究才能更加有利于進一步提高跳躍技術的穩定性，在此基礎上進一步發展新難動作。
1 研究對象與方法
1.1 研究對象 中國杯世界花樣滑冰大獎賽優秀運動員高松、張 民、科利木肯、史密斯、維拉申科。
1.2 研究方法
1.2.1 三維標定
由于冰場范圍較大，因此本研究將拍攝的范圍規定在約10 m×20 m的范圍內。按左、中、右 依次用PEAK三維框架分別進行了標定。在解析時根據運動員的不同的運動范圍而選用不同的標定框架，這樣保證了標定的空間能夠滿足動作解析的需要。有 實驗對該標定精度進行測量，精度誤差不超過3%能夠滿足本研究的需要。
1.2.2 現場拍攝 比賽中，使用三臺日本JVC GR-DVL9800sH攝像 機3臺在比賽現場從冰場三面定點同步拍攝運動員跳躍動作技術的三維錄像,拍攝頻率為50Hz (圖1)。
1.2.3 影像解析 對運動員技術動作錄像都通過艾立爾軟件處理 分析。根據前蘇聯扎齊奧爾 斯基（Zatsiorsky）模型[6]構造人體16個主要的模型參數，對整個跳躍動作過程 進行解析 。然后對數據進行DLT法處理，將二維數據轉換為三維數據，用數值濾波法進行平滑,并計算 輸出相關的數據資料。根據技術動作的數據資料結合花樣滑冰跳躍動作基本原理進行分析研 究。
2 結果分析與討論
2.1 重心參數分析
后外點冰跳是運動員采用最多的跳躍動作，其動作路線和身體起跳姿勢最接近于自然旋轉起 跳姿勢，有利于產生旋轉的動量矩。本研究選取5名運動員動作依次為： 四周跳加后外點 三周（高松），四周跳（科利木肯），后外點三周加后外點三周（史密斯），后外點四周跳 （張民），后外點三周跳（維拉申科）。
高松在起跳前，起跳蹬伸過程用了約0.22 s時間（開始起跳時刻0.0 s）在X和Y方向上分別 由4.27 m/s變為4.48 m/s和5.78 m/s減為0.44 m/s，水平方向合速度從7.18 m/s變為4.52 m /s。Z方向速度達到3.9 m/s，離冰后身體的騰起角度為40.8°。圖2可以看出在緩沖蹬冰階 段，高松水平速度變化幅度平緩，不存在明顯的下降階段。如果加大水平速度向垂直速度轉 化的幅度和時間變化率，可以獲得更大的向上速度。
科利木肯在完成后外點四周跳時，起跳蹬伸過程用了約0.12 s時間（開始起跳時刻0.16）； 水平速度在X和Y方向上分別由6.6 m/s變為4.44 m/s和3.66 m/s減為0.5 m/s，水平方向合速 度從7.55 m/s變為4.47 m/s。Z方向速度達到4 m/s，離冰后身體的騰起角度為41.8°（圖3 ）。在緩沖蹬冰階段，科利木肯水平速度變化幅度大，蹬冰過程用時較短，蹬冰效果較好。
起跳階段，除高松外其他四人重心都存在負值，即重心有向下的速度。其中張民的重心向下 速度最大，達到-1.3 m/s，其他三人速度上升前速度都在零左右（高松曲線前段沒有包括起 跳階段）。高松離地速度最大，張民起跳時重心垂直速度變化最大；科利木肯、史密斯和維 拉申科的重心上升速度變化相似。離冰時未獲得足夠的向上速度，是導致科利木肯后外點四 周跳失敗的原因。
落冰階段，在落冰時刻五名運動員重心向下速度達到最大后，因緩沖作用都在減少。重心最 后保持了平衡的三名運動員速度曲線都有回到零速度左右，身體回到了正?；袪顟B。高松 的緩沖時間較長，其曲線未能完全反映出其速度回到零速度的過程。張民和科利木肯重心垂 直速度在向零速度變化過程中出現再次的向下加速，說明重心此時已失去了平衡。
綜上所述，完成四周蹬伸時穩定的支撐和迅速及時的起跳才起到最關鍵的作用，蹬伸動作最 好在0.2 s以內。離冰時水平合速度不能低于4.5 m/s，以保證獲得足夠的騰空飛行能量,達 到轉體的角速度高松33.9 Rad/s;科利木肯36.9 Rad/s;張民35.9 Rad/s。
2.2 身體主要環節角度分析
2.2.1 起跳前緩沖末時刻
5名運動員都是左腿為點冰腿，右腿為擺動腿。緩沖末階段人體重心仍在右腿上，因此右髖 和右膝的彎曲角度直接反映運動員身體下沉幅度。從表1中可以看出五名運動員右膝角度從8 1.7°到100.2°不等，平均值為90°，科利木肯和張民角度相對較大，高松較??；髖關節角 差異較小平均值為75.7°。
左髖和左膝角度可以反映起跳腿點冰前姿態。做四周跳的三名運動員膝關節角度相對較小， 平均值為143°，而史密斯和維拉申科的角度為161.2°。這說明點冰腿點冰前擺動時膝關節 角度不宜過大，緩沖末期在140°左右較為合適。左髖角度科利木肯較為偏低只有154°，說 明其此時點冰腿還沒有完全打開。此時，五名運動員兩臂都對稱擺動狀態，但水平較高的三 名運動員肩關節角度較小，開始較早進入收臂轉體狀態，肩角平均在55°左右。肘關節也有 同樣的差異，水平較高的運動員肘關節的角度偏小。這和阿克謝爾跳緩沖末期具有相同的特 征，重心最低點時，身體應該預先進入轉體點冰狀態。
2.2.2 起跳瞬間
三名四周跳運動員的膝角都有進一步的打開，高松增加了20°，科利木肯增加了30°，膝角 的打開增強了點冰的力量。髖關節未見明顯的變化，髖關節的相對固定有利于增強點冰效果 。右腿關節起跳時，膝髖關節都有較充分的打開，只有維拉申科打開角度偏小，分別只有15 0°和143°，擺動效果受到影響。張民的髖關節角度打開也不夠，只有148.6°。加大打開 角度更有利于提高擺動效果和進入旋轉狀態。
五名運動員的兩肩角仍都成對稱姿態，左肩角度比右肩角度略小，這和身體左轉有關。高松 肩角收的最緊，只有19°。較小的肩角說明雙臂充分的收回體側，有利于加大身體的旋轉速 度。肘關節的角度有著同樣的意義[7-8]，離冰后應該收肘及時進入旋轉。維拉申 科明顯的收肘過晚，影響了身體旋轉速度。
起跳動作的目的是為了獲得較長的騰空時間和旋轉的角速度。運動員騰空時間：高松0.74 s ；科利木肯0.68 s；史密斯0.60 s；張民0.70 s；維拉申科0.60 s。在完成四動作中，高松 很好 的完成了四周，張民在轉體中剛剛能轉完四周，科利木肯沒有完成四周動作，也證明了要完 成四周動作，一定要通過起跳達到騰空時間具有0.70 s以上的起跳實力，所以說起跳蹬冰腿 需要具有很大的蹬冰力量[9]，完成轉體首先要注意身體在起跳瞬時減小身體繞縱 軸轉動慣量，達到騰空時具有在動量矩不變的情況下，增加轉動的角速度[10]。
2.2.3 落地瞬間
首先分析運動員落冰腿的姿勢（表2），五名運動員都為右腿落冰。高松落地時的右腿關節 角度明顯低于其他四名運動員。隨后為了緩沖垂直方向上的速度，重心又有進一步的降低， 影響了動作的流暢性。其他四名運動員支撐腿膝關節平均為158.6°，髖關節164.83°。張 民落冰時，髖、膝關節角度都有所偏大，重心過高影響了平衡的把握，導致雙腿落冰。落冰 時，身體的姿態是我國運動員需要重點改進的要點之一。
擺動腿此時仍處于和落冰腿的交叉，科利木肯和史密斯膝關節角度較低，而其他三名運動員 平均達到142.8°。髖關節高松和史密斯兩人角度較低。兩臂的肩關節角度開始有一定的打 開，仍然呈對稱姿勢。肘關節角度差異較大，高松和張民角度較大，兩人落冰后馬上開始要 停止旋轉。而其他三人肘角度較小有利于身體彌補旋轉不滿的度數。
2.3 女子運動員起跳時人體重心在水平面投影點與支撐腿腳尖間的位移主要參數分析
該參數值是由人體重心在X軸、Y軸方向的合位移與支撐腿腳間在X軸、Y軸方向的合位移的差 值。該參數值反映運動員起跳蹬伸技術的好壞，影響垂直速度的獲得以及水平速度有效的向 垂直速度的轉化，差值越小越好。由表3得：運動員該參數值介于0.04～0.21 m，羅羅賓 遜該參數值最小，僅為0.044 m，方丹次之，巴瑟娃該參數值最大，值為0.207 m。由此，我 國運動員若加強腿部蹬伸力量，同時加強腿部向上的蹬伸力度，盡量縮小重心投影點與支撐 腿腳尖的位移，那么運動員在起跳時必表現為起跳用刃控制能力強、蹬冰利落、快速、有效 。
2.4 女子運動員緩沖時間、起跳時間、空停時間、落冰時間分析
緩沖是起跳前的準備階段，沒有良好的緩沖就不會有高質量的起跳。該階段一般表現為重心 下降、滑腿深屈、雙臂穩定擺動，要求緩沖動作要充分。由表4得：三周跳四名運動員的緩 沖時間介于0.30～0.36 s，兩周跳巴瑟娃緩沖時間為0.28 s。羅賓遜緩沖時間長為0.36 s ，比我國兩名運動員緩沖時間長0.04～0.06 s，而我國運動員緩沖時間相對較短。
起跳是難度最高、最關鍵的技術，該階段要求蹬冰快速有力、用刃準確、雙臂的擺動要在滑 行主方向上。運動員的起跳時間介于0.18s～0.22 s，羅賓遜起跳時間最長，值為0.22 s， 結合該名運動員緩沖時間最長（0.36 s），其起跳時間最長也在情理之中，其余四名運動員 多為0.2 s。
2.5 女子運動員起跳階段滑腿蹬直時間、點冰腿撐跳時間、雙臂擺動時間以及落冰緩沖 階段足與臂展開時間分析
由表5得：運動員滑腿蹬直時間介于0.08～0.12 s，國外運動員該參數比我國運動員劉艷相 對較長；點冰腿撐跳時間介于0.04～0.06 s，絕大部分運動員點冰腿撐跳時間為0.04 s， 只有劉艷該參數為0.06 s，點冰腿在這么短時間內快速、有力地完成撐跳動作。雙臂下擺時 間介于0.04～0.06 s，羅賓遜和劉艷該參數均為0.06 s，其余三名運動員均為0.04 s；雙臂 上擺時間介于0.14～0.16 s，我國運動員劉艷兩次該動作的參數均低于三名運動員0.02 s, 足與臂展開時間與落冰時間相一致，三周介于0.48～0.54 s，兩周跳為0.32 s。
2.6 女子運動員人體運動的速度及各關節角度由表6得：女運動員要完成3周跳的動作要達到水平起跳速度3 m/s以上，助滑速度4.33 m/s 以 上，助滑末期（人體重心最低點）是起跳前的準備階段，身體姿勢的好壞直接影響跳躍的質 量。該時期運動員都是左腿為點冰腿，右腿為擺動腿，重心仍在右腿上，右髖和右膝的彎曲 角度直接反映運動員身體下沉幅度。
表7反映運動員的角度值，運動員右膝關節角度介于104°～140°，平均值為123°，右髖關 節角度介于95°～135°，平均值為112.4°，劉艷1該參數值最大，其余運動員相差不大。 左髖和左膝角可以反映點冰腿狀態。左膝角介于125°～144°，平均值為136°，左髖角介 于157°～176°，平均值為165.5°，我國運動員方丹該參數值最大，其中左膝角為143.7° ，左髖角為175.1°。由此可以看出，運動員在緩沖末期點冰腿并未充分伸直達180°。雙肩 的擺動近于對稱，雙肘關節角度有一定差異，我國運動員肩肘關節角度相對偏大，而國外運 動員相對較小，這為下一步起跳擺臂形成“小擺臂，早收臂”做好充分準備。運動員起跳要 做到快速收手臂,達到起跳時的轉動角速度增加,及落地前手臂展開，減少轉動的角速度[11]同時要提高起跳的水平速度來增加動作難度[12]及成功率[13-14］。
花樣滑冰跳躍動作男子要完成單個四周的同時,也要能夠做到接三周,再接三周的跳躍動作[ 15],女子的三周連跳動作正被優秀的運動員所采用。增加起跳的水平速度同時提高騰空 旋轉的角速度，在落地時要圓滑的過渡到下一個滑行、起跳的動作。
3 結 論
1) 完成高質量的四周跳動作水平合速度在4.5 m/s以上，身體騰起角應在40°～45°之間。 我國女運動員要提高水平速度，增加起跳前的能量儲備，為起跳騰空創造條件,從而達到騰 空0.70 s;空中轉體超過33.9 Rad/s。
2) 在保持起跳穩定的情況下，盡量保持較高的水平速度，重心處于最低點的時刻，身體姿 勢已經處于起跳狀態。要小擺臂,收臂要充分。
3) 落冰時，膝關節應處于120°～140°之間，在旋轉充分的情況下，擺動腿和雙臂要開始 打開一定的角度，滑出較小的落冰弧線，為下一個滑行或起跳作準備。
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生物力學研究范文6
[關鍵詞]A型肉毒毒素；額部皮膚軟組織擴張；生物力學；應力-應變關系；應力松弛；蠕變
[中圖分類號]R622 R332 [文獻標識碼]A [文章編號]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
額部皮膚軟組織擴張已在臨床中被廣泛應用，由于額部具有特殊的解剖結構，皮膚、皮下組織和額肌三層結合緊密，擴張器一般要置入到額肌下，實際上臨床中常用的額部擴張皮瓣應該是一種擴張肌皮瓣[1]。筆者考慮到額部擴張時要包括額肌這一解剖特點，提出擴張器置入前使用A型肉毒毒素注射于額肌，利用其抑制突觸前膜釋放神經介質乙酸膽堿，阻斷神經介質的傳遞，從而引起肌肉松弛性麻痹，肌張力減低，達到降低擴張阻力、縮短擴張時間的作用。為了進一步明確其輔助擴張效果，筆者進行了相關動物實驗研究，利用皮膚生物力學特性與人相近的小型豬作為研究模型[2]，與北京工業大學機械工程與應用電子技術學院合作，采用便于臨床應用的應力-應變關系、應力松弛和蠕變這三項生物力學特性進行研究，探討A型肉毒毒素注射于額肌后，額部擴張皮瓣的生物力學特性的變化規律，為A型肉毒毒素輔助額部擴張器擴張在生物力學上尋找可靠證據，以更好的指導臨床應用。
1 材料和方法
1.1 實驗動物：實驗動物選用中國農科院提供的白色實驗小型豬4只，體重16～20，性別不限，標準飼料單籠喂養。
1.2 儀器及試劑：①A型肉毒毒素：蘭州生物制品有限公司生產的衡力注射粉針（100U/支）；②擴張器：200ml長方形擴張器8枚（浙江余姚久盛硅橡膠制品廠）；③文身機、文刺針及紅色文身顏料；④Stimuplex HNS 11神經刺激儀(德國Stockert GmbH公司)；⑤Instron4302萬能材料試驗機（制造商是英國Instron Ltd公司）；⑥實驗用物：速眠新、氯胺酮、陸醒靈及利多卡因；⑦常規手術器械；⑧注射器、4-1/2頭皮針、鋼尺。
1.3 實驗方法
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，藥物用量為首次肌注0.2ml/kg，手術時間每超過1.5h追加半量，術中使用1%的利多卡因行局部浸潤麻醉。
1.3.2 文身：距背正中線相等的胸腹部兩側，用文身機作長方形網格樣標記，大小為10×6,網格間距為2，長軸與豬脊柱垂直（即與豬皮肌纖維垂直），用紅色顏料標記。
1.3.3 A型肉毒毒素注射：隨機選取小型豬一側胸腹部紅色文身區（即擴張器擬植入區）注射A型肉毒毒素，對側注射生理鹽水作為對照組。利用神經刺激儀指示注射深度。A型肉毒毒素的用法為：用4ml生理鹽水溶解100uA型肉毒毒素，濃度為2.5U/0.1ml，每點注射2.5U/0.1ml，總量60U。
1.3.4 擴張器植入：3天后行擴張器植入術，左右兩側均植入200ml長方形擴張器各一枚：在紅色文身區頭側或尾側切開皮膚，切口長約3cm，在皮肌下作鈍性分離，分離腔隙至紅色文身區邊緣，切勿超過紅色文身區，將擴張器植入皮肌下。分層縫合切口，術后肌注青霉素80萬單位，用磺胺喂養3天，預防切口感染。
1.3.5擴張器注水：擴張器植入術后7天開始向擴張器內注水，每次擴張器固定注水量20ml（擴張器容量的10%）,注水總量達到擴張器額定容量200ml時完成擴張過程。
1.3.6 生物力學實驗試件的切?。簲U張器注水完成后7天，在每個擴張皮瓣中央上下兩側，平行于脊椎方向切取3條2×1全層擴張皮瓣，修剪掉包膜組織。即每只小型豬實驗側切取6個試件，對照側切取6個試件，共12個試件。切取皮瓣的方向要與皮肌纖維的方向保持一致，并以其長軸方向進行生物力學檢測，以消除因肌纖維方向而造成擴張皮瓣生物力學特性的各異所帶來的偏差。
1.3.7 生物力學檢測：與北京工業大學機械工程與應用電子技術學院合作，在Instron4302萬能材料試驗機上對皮瓣試件進行應力-應變、應力松弛和蠕變實驗。實驗在常溫下進行，且用超聲波加濕器保持一定的濕度。本實驗采用的傳感器為100N，變形由Instron4302萬能材料試驗機自動測量，所有的力學實驗都經過預調處理過程。先對試件進行抗拉強度實驗，然后根據強度實驗的結果定出合理的應力水平，在同一應力水平下進行其它的生物力學實驗。測定應力-應變時以相同的速度10mm/min拉伸試件，直到載荷達到約2.0MPa，然后以同樣速度卸載，直到載荷為0，經過三次這樣的加載和卸載處理后，可以看到加載和卸載時的應力-應變曲線的滯后環相對消失，曲線趨于穩定，此時的應力-應變為經過預調處理的結果，取實驗的第4次結果，進行比較和計算。對應力松弛和蠕變也同樣要經過預調，使其達到穩定狀態。進行應力松弛實驗時，本實驗中設定加載速度為125mm/min，使試件突然受拉至某一應力水平約2.0MPa，并保持其伸長不變，應力將會逐漸減小，松弛時間為600s。進行蠕變實驗時，加載速度為10mm/min，試件達到應力約為2.0MPa時，保持應力不變，試件將變形發生蠕變，本實驗中蠕變時間為600s。
1.3.8 統計學處理：將A型肉毒毒素注射側的擴張皮瓣試件與對照側試件做對比，研究A型肉毒毒素注射后擴張皮瓣的生物力學特性的變化情況。所有數據均采用origin7.5進行擬和比較，得出其擬合參數，再進行t檢驗，來分析比較兩種材料各個性能的差別。
2 結果
2.1 應力-應變：經過三次加載卸載處理后，曲線趨于穩定，此時實驗的第4次結果應力-應變為經過預調處理的結果，記錄此時試件上的拉力F和伸長量 L。因為擴張皮瓣為軟組織，要按大變形計算，因此采用大變形的應力-應變關系。分別計算伸長比λ=。假定皮膚為不可壓縮材料，采用Lagrange應力 和Green應變，其中lagrange應力為T=F/A0,Green應變ε=（λ2-1）/2，其中F為作用于試件上的拉力，A0為初始面積，L為試件伸長后長度，L0為試件的初始長度。
實驗組和對照組的應力-應變曲線見圖1。由圖1的兩組試件的應變通過函數 擬合所得的參數值見表1。
以上的應力應變曲線反映了擴張皮瓣在不同應力作用下組織的變形能力，是生物軟組織粘彈性指標之一。同樣的應力作用下，變形越大，表明其粘彈性越大。從圖1中的曲線變化趨勢可以看出在同一應力水平下實驗組應變大，說明實驗組皮瓣的粘彈性比對照組的好，更接近于未擴張皮瓣。經統計分析，二者之間有顯著性差異（P
2.2 應力松弛：將試件突然施加一100N定力，使其有一定的伸長量，然后保持此伸長量不變，試件內相應的應力逐漸減小的過程，稱為應力松弛。松弛實驗也需要經過預調整，使其達到穩定狀態。為了使不同的應力狀態有統一的描述，將松弛曲線進行歸一化處理，即把所有應力值除以最初應力值(t=0時的應力值)。圖2為實驗組和對照組的歸一化應力松弛曲線G（t）。由圖2的歸一化松弛曲線通過函數 進行擬合比較所得的各參數值列于表2。
從以上應力松弛曲線圖可以看出，在同一應力水平下，保持試件長度不變時，對照組的應力減小量小于實驗組，也就是說，在同樣的松弛時間內，實驗組皮瓣比對照組更容易松弛。經統計分析，兩試件的松弛量有顯著性差異（P
由圖中可以看出對照組的 曲線低于實驗組的 曲線，蠕變和松弛同屬于軟組織粘彈性性質，但它們的力學特性由不同的表現和反映，參數Je可以用來反映試件的蠕變實驗期終止時的J(t)值，Je反映了蠕變的程度。從圖中可以看出，蠕變終止時，對照組的Je值最小。說明在相同的應力作用下，相同的時間內，對照組的蠕變量小，就是說實驗組皮瓣的蠕變量要好于對照組。經統計分析，實驗組的蠕變量和對照組的蠕變量有顯著性差異（P
3 討論
自1976年Radovan[3]設計出硅膠囊擴張器以來，額部軟組織擴張已在臨床中被廣泛應用于頭面部外傷、瘢痕、腫瘤及先天畸形等的治療，對頭面部器官的再造由于其具有皮膚色澤相近、就近轉移、血運豐富等優點而被優先選用，額部皮膚擴張已成為部分或者全鼻再造的首選方法。但是，常規皮膚擴張術治療周期長仍是目前困擾臨床的突出問題。在額部，由于特殊的解剖層次，擴張器一般要置于額肌下，這就使得額部擴張器在注水擴張的過程中不僅要克服表面皮膚的阻力，而且要受到額肌的限制，使擴張器注水速度減慢，注水期延長?；谝陨显蚝皖~部的特殊解剖結構，筆者提出在額部擴張器置入前注射A型肉毒毒素于額肌，利用A型肉毒毒素抑制突觸前膜釋放神經介質乙酸膽堿，阻斷神經介質的傳遞，從而引起額肌松弛性麻痹，使肌肉松弛，肌張力減低，達到降低擴張阻力、縮短擴張時間的作用。由此筆者進行了相關的動物實驗及臨床研究[4-5]。為了進一步明確其輔助擴張效果，為A型肉毒毒素輔助額部擴張器擴張在生物力學上尋找可靠證據，筆者與北京工業大學機械工程與應用電子技術學院合作，采用便于臨床應用的應力-應變關系、應力松弛和蠕變這三項生物力學特性進行研究，探討A型肉毒毒素注射于額肌后，額部擴張皮瓣的生物力學特性的變化規律，以更好的指導臨床應用。
軟組織力學是通過離體及活體的實驗來研究生物材料的力學性能。近20年來，軟組織力學研究被大量的應用于軟組織擴張的基礎研究，皮膚軟組織經擴張器擴張后之所以能夠延伸增加其面積，主要由其生物力學性質決定的，很多學者對皮膚擴張后的生物力學特性進行了研究，取得了肯定的研究結果[6-8]。
由于皮膚的力學性能在不同個體的同一部位存在差異，在同一個體的不同部位也存在差異，同一皮膚在不同方向上的性能不完全相同，任何部位的皮膚還會隨年齡增長發生顯著的變化[9]；而且由于要與皮肌一同擴張，皮肌的肌纖維方向不同，其力學性能也各不相同。因此，筆者采用對照實驗的研究方法，即選用小型豬距脊柱兩側相同的胸腹部植入擴張器，標本切取時方向保持一致以避免因豬皮膚生物力學特性各向異性所產生的實驗誤差，并統一選取皮瓣平行于皮肌肌纖維方向進行生物力學檢測，力求盡量消除可能引起對照差別的各種主要因素，使實驗結果更加可靠。
皮膚軟組織的應力-應變關系反映皮膚在不同應力的作用下組織變形的能力，是代表皮膚粘彈性的指標之一。它不服從虎克定律，應力隨著應變的增加比虎克定律預計的要快得多，是非線性的關系，這是由皮膚的各向異性造成的[2]。在同樣的應力作用下，變形越大，表明其粘彈性越強[10]。從實驗結果看，注射A型肉毒毒素后，實驗組擴張皮瓣的應變增大，其粘彈性增強，性質更接近于未擴張皮瓣。
皮膚的應力松弛特性是指在維持組織應變不變的情況下，應力隨時間而下降的特性。皮膚經擴張后即產生組織的變形，面積增加，擴張器表面的張力（相當于初始應力）增大。以后隨著時間的增加，皮膚逐漸變得松弛，應力逐漸下降，應力松弛特性的存在允許皮膚能進行下一次的注水。實驗結果反應的注射A型肉毒毒素后皮瓣的應力松弛要優于對照組，表明在同樣的松弛時間內,實驗組比對照組松弛的更為充分，說明在相同的間隔時間下，實驗組能耐受更大的注水量，或者能夠在更短的間隔時間內進行下次注水。
蠕變則是指給予皮膚一定的應力，并保持不變，皮膚可隨時間的增加而逐漸被拉長。Gibson[11]將蠕變分為機械性蠕變和生物學蠕變。后者伴有代謝的增加及組織增殖，故皮膚的擴張屬于生物學蠕變。由于具有蠕變特性，所以皮膚在擴張器注水擴張時能被逐漸擴張。從實驗結果看，實驗組的蠕變性能大于對照組，說明在同樣應力作用同樣時間的情況下，實驗組皮瓣較對照組蠕變速度快，蠕變量大，反應了在相同的注水張力下，注射A型肉毒毒素后可使皮瓣的機械蠕變更大，得到更多的擴張面積。
4 結論
應用實驗動物對A型肉毒毒素注射于額肌后額部皮瓣的生物力學性能進行評價，可以得出結論：注射A型肉毒毒素后，可以使擴張皮瓣的粘彈性增強，更接近于未擴張皮瓣，擴張器注水量增加，注水間隔縮短，在相同注水量下擴張面積增加。這一結果與動物實驗結果相互印證，為臨床應用提供了可靠的理論基礎。
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