導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

九年制義務(wù)教育生物教材的最大特點(diǎn)之一就是增加了大量的實(shí)驗(yàn)，其目的在于加強(qiáng)生物學(xué)料的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的觀(guān)察能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

所謂實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Πㄒ韵聨讉€(gè)方面：①操作能力：熟練使用顯微鏡、解剖器、安裝實(shí)驗(yàn)裝置、自行設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)步驟、采集制作植物、動(dòng)物標(biāo)本；②獲得知識(shí)的能力：即在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)聆聽(tīng)、觀(guān)察、閱讀、質(zhì)疑、記錄分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等途徑獲得知識(shí)的能力；③整理分析能力：通過(guò)表解、圖釋記錄實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析整理，找出實(shí)驗(yàn)成敗原因，并能解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告；④解決問(wèn)題能力：學(xué)生應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的知識(shí)尋求解答問(wèn)題的能力。那么我們應(yīng)該如何培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰δ?？在生物?shí)驗(yàn)教學(xué)中，我首先根據(jù)學(xué)生不同的年齡特征和心理特征，采取以下不同的組織形式，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

一、模擬實(shí)驗(yàn)

剛進(jìn)中學(xué)的初一學(xué)生好奇心強(qiáng)、好動(dòng)，他們做實(shí)驗(yàn)時(shí)，注意力分散在實(shí)驗(yàn)儀器及用品上，不注意聽(tīng)講、看老師的示范，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不認(rèn)真操作，觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不細(xì)致。此時(shí)。我一般采取模擬方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如《顯微鏡的作用》一課，先講解顯微鏡的結(jié)構(gòu)和作用，操作顯微鏡邊講要點(diǎn)、邊做示范，學(xué)生邊模仿操作。這樣模仿操作完顯微鏡后，再讓學(xué)生獨(dú)自操作一兩遍，經(jīng)過(guò)幾次這樣的訓(xùn)練后，學(xué)生就基本上學(xué)會(huì)了顯微鏡了。模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的好處是有利于培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真、細(xì)致、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，規(guī)范學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作。

二、分段實(shí)驗(yàn)

在模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再以分段實(shí)驗(yàn)的方式訓(xùn)練學(xué)生。如在《用顯微鏡觀(guān)察植物的細(xì)胞》一課，把實(shí)驗(yàn)分為制作并觀(guān)察洋蔥表皮細(xì)胞、制作并觀(guān)察番茄果肉細(xì)胞、觀(guān)察葉表皮永久裝片三個(gè)階段。每個(gè)階段實(shí)驗(yàn)過(guò)程是老師先講實(shí)驗(yàn)操作的要領(lǐng)、做示范，然后學(xué)生再獨(dú)立操作、觀(guān)察。學(xué)生操作觀(guān)察時(shí)老師巡回輔導(dǎo)，一個(gè)階段完成后在進(jìn)行下一個(gè)階段。各個(gè)階段完成后，老師以問(wèn)答的方式讓學(xué)生說(shuō)出觀(guān)察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：洋蔥表皮細(xì)胞近似長(zhǎng)方體，番茄果肉細(xì)胞近似球體，葉表皮細(xì)胞形態(tài)不規(guī)則，但它們都有細(xì)胞壁、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核。老師再補(bǔ)充說(shuō)明，植物細(xì)胞都有細(xì)胞膜，但由于它太薄，而且緊貼細(xì)胞壁，用光學(xué)顯微鏡是不易觀(guān)察到的，最后引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論，植物都是由細(xì)胞結(jié)構(gòu)成的，不同的細(xì)胞形態(tài)不同，但它們都有相同的結(jié)構(gòu)——細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核。分段實(shí)驗(yàn)不僅給學(xué)生提供獨(dú)自操作的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立操作能力，而且在教師的引導(dǎo)下，使學(xué)生逐漸學(xué)會(huì)觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、收集實(shí)驗(yàn)資料，歸納總結(jié)得出結(jié)論，從而主動(dòng)獲得知識(shí)。

三、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)一段時(shí)期分段實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練后，學(xué)生可以在老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立操作實(shí)驗(yàn)。方法是實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，認(rèn)真熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、方法、步驟、實(shí)驗(yàn)所需的藥品、材料。教師提出實(shí)驗(yàn)要求，講清要點(diǎn)，然后再讓學(xué)生獨(dú)立操作。教師在操作過(guò)程中巡回指導(dǎo)，若發(fā)現(xiàn)帶共性的問(wèn)題，要讓全班停下來(lái)，統(tǒng)一糾正后再繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，最后總結(jié)實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這樣就進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的能力。通過(guò)以上的組織訓(xùn)練后，學(xué)生能比較熟練地使用顯微鏡；能用解剖器解刨小動(dòng)物；學(xué)會(huì)植物標(biāo)本和昆蟲(chóng)標(biāo)本的采集、制作、初步具備了獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的能力。

四、開(kāi)展課外活動(dòng)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>

篇2

【關(guān)鍵詞】物理學(xué)史科研方法 滲透

從物理學(xué)的發(fā)展歷史來(lái)看，隨著物理學(xué)研究?jī)?nèi)容的變化，物理學(xué)的研究方法也在變化著，并不斷得到豐富和提高。在古代，人們主要是靠不充分的觀(guān)察和簡(jiǎn)單的推理，直覺(jué)地、籠統(tǒng)地去把握物理現(xiàn)象的一般特性。隨著近代自然科學(xué)的興起，觀(guān)察方法就從以自然觀(guān)察為主發(fā)展為以?xún)x器觀(guān)測(cè)為主?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)方法相結(jié)合，使精確的、定量的物理學(xué)研究有了很快的發(fā)展。整理事實(shí)材料的需要，也促進(jìn)了分析、歸納和演繹等邏輯方法的發(fā)展。這一時(shí)期科學(xué)方法的發(fā)展，使物理學(xué)作為一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)的特點(diǎn)顯著地呈現(xiàn)出來(lái)。

物理學(xué)家們的科學(xué)研究方法很多，在教學(xué)中我們可以向?qū)W生滲透以下幾種：

一、觀(guān)察

物理學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，概念的建立和物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)往往離不開(kāi)對(duì)自然現(xiàn)象的觀(guān)察。所以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)觀(guān)察、勤于觀(guān)察的習(xí)慣，對(duì)物理課的學(xué)習(xí)肯定會(huì)有較大的幫助。物理學(xué)史中許多重要發(fā)明、發(fā)現(xiàn)同樣是科學(xué)家善于觀(guān)察的結(jié)果。比如意大利物理學(xué)家伽利略，1853年在比薩教堂注意到一盞懸燈的擺動(dòng)受到啟發(fā)，用線(xiàn)懸銅球模擬單擺實(shí)驗(yàn)，確證了微小擺動(dòng)的等時(shí)性和擺長(zhǎng)對(duì)周期的影響；德國(guó)物理學(xué)家倫琴在進(jìn)行陰極射線(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，注意到放在射線(xiàn)管附近氰亞鉑酸鋇的小屏上發(fā)出微光，從而發(fā)現(xiàn)了X射線(xiàn)（倫琴射線(xiàn)）。這些事例都說(shuō)明觀(guān)察的重要性。培養(yǎng)學(xué)生觀(guān)察能力和觀(guān)察習(xí)慣，可以起到鞏固消化、加深理解的作用。

二、實(shí)驗(yàn)

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為本的科學(xué)，物理理論來(lái)源于實(shí)驗(yàn)，并且還必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，可以說(shuō)沒(méi)有實(shí)驗(yàn)就沒(méi)有物理學(xué)。比如富蘭克林的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)，在風(fēng)雨交加的情況下，利用風(fēng)箏將大氣中的電收集到萊頓瓶中使其充電，證明了“閃電和靜電的同一性”；比如光的顏色問(wèn)題，從亞里士多德到迪卡爾都認(rèn)為“白光是純潔的、均勻的，是光的本質(zhì)”，而色光只是光的變種，但是他們都沒(méi)有像牛頓那樣做過(guò)認(rèn)真的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，大約在1666年牛頓用棱鏡進(jìn)行光的色散實(shí)驗(yàn)，終于得出“白光是由各種折射程度不同的彩色光組成的非均勻混合體”的科學(xué)結(jié)論。

三、類(lèi)比

類(lèi)比是根據(jù)兩個(gè)事物在某些方面的相同、相似推論它們?cè)谄渌矫嬉部赡芟嗤嗨?。比如荷蘭物理學(xué)家惠更斯，就是用類(lèi)比的方法根據(jù)光也像聲波那樣能發(fā)生反射、折射，而提出光是一種波動(dòng)的假說(shuō)的，從而為光的波動(dòng)理論奠定了基礎(chǔ)；法國(guó)物理學(xué)家德布羅意用類(lèi)比的方法根據(jù)光的波粒二象性而推論微觀(guān)粒子也具有波動(dòng)性，提出了物質(zhì)波的概念；庫(kù)侖就是從牛頓的萬(wàn)有引力定律中得到啟發(fā)，把電荷之間的作用力類(lèi)比萬(wàn)有引力，推論電力也像萬(wàn)有引力一樣服從平方反比定律，從而發(fā)現(xiàn)了庫(kù)侖定律。如果沒(méi)有類(lèi)比的方法，單靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累不知到何年何月，才能得到嚴(yán)格的庫(kù)侖定律的表達(dá)式。類(lèi)比推理是科學(xué)研究中行之有效的方法之一，在物理教學(xué)中可以啟迪學(xué)生思維，尋找思維途徑。當(dāng)然，類(lèi)比推理的結(jié)論要經(jīng)過(guò)實(shí)踐的檢驗(yàn)，這里不再贅述。

四、假說(shuō)

物理學(xué)中的發(fā)現(xiàn)往往先建立在假說(shuō)的基礎(chǔ)上，再經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)或者實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最后證實(shí)。麥克斯韋在物理學(xué)中的最大貢獻(xiàn)是建立了統(tǒng)一的經(jīng)典電磁場(chǎng)理論和光的電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在。而這種理論預(yù)見(jiàn)后來(lái)得到了充分的實(shí)驗(yàn)證實(shí)（赫茲實(shí)驗(yàn)）。假設(shè)推理在物理教學(xué)中經(jīng)常應(yīng)用的方法，如靜電場(chǎng)中電場(chǎng)線(xiàn)，等勢(shì)面是否相交，還有建立在假說(shuō)基礎(chǔ)上的一些理想實(shí)驗(yàn)等。

五、模型

中學(xué)物理教學(xué)中涉及到大量的建立模型的研究方法，其主要目的是忽略次要因素，抓住主要矛盾，便于發(fā)掘事物的內(nèi)在規(guī)律從而使抽象的假說(shuō)的理論形象化，便于思考問(wèn)題。物理學(xué)史中涉及的模型是很多的。

力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)、單擺、彈簧振子、光滑平面、完全彈性碰撞……

熱學(xué)中的理想氣體、平衡態(tài)絕熱過(guò)程……

電學(xué)中的電荷、無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)、電力線(xiàn)、磁力線(xiàn)、純電容和電感電路……

原子物理學(xué)中的原子“核式結(jié)構(gòu)”、玻爾模型、基本粒子的各種模型……

在物理學(xué)史上，一些物理模型的提出、修正、完善和被新的模型所取代的過(guò)程，就是人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然能力不斷提高的過(guò)程。

物理學(xué)的思想和方法是在物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中，在物理學(xué)家長(zhǎng)期的科學(xué)實(shí)踐中，逐步摸索、積累、形成和發(fā)展起來(lái)的，是人類(lèi)智慧的結(jié)晶。它已經(jīng)滲透到許多學(xué)科的研究中去，成為現(xiàn)代科學(xué)研究和處理問(wèn)題的重要思想和方法。學(xué)生了解和掌握這些思想和方法，對(duì)于今后從事任何研究和工作，對(duì)于解決和處理各種問(wèn)題，都是很有用的，是終生受益的。

【參考文獻(xiàn)】

篇3

演示實(shí)驗(yàn)

多數(shù)演示實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單效果明顯，但也有部分實(shí)驗(yàn)按傳統(tǒng)的操作方法進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)效果較差，達(dá)不到預(yù)期目的，對(duì)于此類(lèi)實(shí)驗(yàn)，教師必須努力創(chuàng)造條件，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，增加實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度，便于學(xué)生觀(guān)察。例如“磁場(chǎng)和磁感應(yīng)線(xiàn)”在中學(xué)物理中是2個(gè)非常抽象的概念，要讓學(xué)生建立起這2個(gè)概念，必須借助實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是將一塊磁鐵放在玻璃板上，在其上均勻撒些細(xì)鐵屑，然后輕敲玻璃板，再由教師手托玻璃板繞教室一周，讓學(xué)生在玻璃板下面直接觀(guān)察細(xì)鐵屑的排列情況。這樣既浪費(fèi)時(shí)間，同時(shí)也不便于觀(guān)察。如果把玻璃板放在投影儀上，利用投影將細(xì)鐵屑排列情況反映在大屏幕上，效果會(huì)非常好，既節(jié)省時(shí)間又增加實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)性，便于學(xué)生觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。對(duì)于部分演示實(shí)驗(yàn)，也可以轉(zhuǎn)化為探究性實(shí)驗(yàn)。例如關(guān)于“浮力的測(cè)量”這一實(shí)驗(yàn)，在課標(biāo)中為演示實(shí)驗(yàn)。教師完全可以讓學(xué)生自己動(dòng)手，利用所給器材測(cè)出浮力大小，既鍛煉學(xué)生的探究能力，又讓學(xué)生在解決問(wèn)題的探究過(guò)程中獲得成功的喜悅。

分組實(shí)驗(yàn)

分組實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的重要手段，學(xué)生通過(guò)親自實(shí)驗(yàn)，熟練掌握操作技能，鞏固和驗(yàn)證他們所學(xué)的理論知識(shí)。因此，教師要認(rèn)真組織好每一次的分組實(shí)驗(yàn)，做到目的明確、要求具體、指導(dǎo)到位。例如“在長(zhǎng)度測(cè)量中”要求學(xué)生掌握刻度尺的“六字”規(guī)則，即：1選、2觀(guān)、3放、4看、5讀、6記。這樣就可以比較準(zhǔn)確測(cè)量物體的長(zhǎng)度。為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，也可以把有些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)，如驗(yàn)證阿基米德原理的實(shí)驗(yàn)。具體做法：讓學(xué)生選實(shí)驗(yàn)儀器，根據(jù)自己猜想分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究浮力大小與物體密度、液體密度、物體浸在液體中的體積的關(guān)系；然后組織學(xué)生分析、討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)得出阿基米德原理的內(nèi)容。這樣既調(diào)動(dòng)每一個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，又能培養(yǎng)他們自我發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

家庭實(shí)驗(yàn)

對(duì)于教材中安排的家庭實(shí)驗(yàn)，教師要鼓勵(lì)學(xué)生積極參與、獨(dú)立思考、自籌器材、大膽嘗試，創(chuàng)造性地運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，完成家庭小實(shí)驗(yàn)。但教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生對(duì)此實(shí)驗(yàn)都有畏難情緒，缺乏應(yīng)有的自信而不愿意去嘗試。為此，筆者有意向?qū)W生介紹牛頓、錢(qián)學(xué)森等中外科學(xué)家的事跡，幫助他們樹(shù)立信心，激發(fā)他們的欲望。如在學(xué)習(xí)“牛頓第一定律”的過(guò)程中，筆者抓住時(shí)機(jī)，適當(dāng)?shù)叵驅(qū)W生介紹牛頓這位人類(lèi)科學(xué)史上的“奇人”，告訴他們牛頓中學(xué)時(shí)代學(xué)習(xí)成績(jī)并不出眾，只是愛(ài)好讀書(shū)，對(duì)自然現(xiàn)象有好奇心，喜歡別出心裁地做些小發(fā)明、小實(shí)驗(yàn)，自己動(dòng)手制造各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備。為了制造望遠(yuǎn)鏡，他自己設(shè)計(jì)研磨拋光機(jī)，實(shí)驗(yàn)各種研磨材料，終于在公元1668年制成第一架反射望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)。通過(guò)介紹科學(xué)家的事跡，大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，很多學(xué)生都自愿參與其中。同時(shí)，教師還要利用一定的時(shí)間對(duì)學(xué)生的創(chuàng)作成果進(jìn)行交流和評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生向更高層次發(fā)展，對(duì)學(xué)生都極具誘惑力。

篇4

一、生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生思維方法存在的問(wèn)題

目前中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)中，教師對(duì)學(xué)生思維方法的培養(yǎng)上存在一些問(wèn)題。一方面，教師給予學(xué)生過(guò)多過(guò)細(xì)的指導(dǎo)，學(xué)生缺少探索、自由發(fā)展的情境，不利于發(fā)展學(xué)生的探究能力，更不利于學(xué)生應(yīng)對(duì)當(dāng)今的高考模式；另一方面，學(xué)生不能使知識(shí)成為解決實(shí)際問(wèn)題的思維方法。在實(shí)驗(yàn)課上，常常反映出理論歸理論，不能有效地把所學(xué)的理論彼此聯(lián)系，靈活地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)，不能使知識(shí)成為一種動(dòng)態(tài)的知識(shí)。鑒于以上出現(xiàn)的問(wèn)題，我們每一個(gè)高中生物教師都應(yīng)該轉(zhuǎn)變思路，重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的思維方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

二、生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生思維方法與探究能力的培養(yǎng)

1.重視經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的思維方法。大多數(shù)的生物概念、原理和規(guī)律都是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的。我們應(yīng)仔細(xì)分析書(shū)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，比如演示實(shí)驗(yàn)（滲透作用實(shí)驗(yàn)裝置）、模擬實(shí)驗(yàn)（基因的分離定律）、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)）、雜交實(shí)驗(yàn)（孟德?tīng)柾愣闺s交實(shí)驗(yàn)）、探究實(shí)驗(yàn)（生長(zhǎng)素發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)）等，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的技巧、科學(xué)的研究方法（觀(guān)察實(shí)驗(yàn)——提出問(wèn)題——作出假設(shè)——反復(fù)實(shí)驗(yàn)——驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)——形成規(guī)律）。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和持之以恒的科學(xué)精神，有助于培養(yǎng)學(xué)生建立科學(xué)實(shí)驗(yàn)的思維方法。例如“孟德?tīng)柕幕蚍蛛x定律研究”成功的原因在于：實(shí)驗(yàn)材料選擇適當(dāng)；有科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)程序（假說(shuō)—演繹法）；有科學(xué)的研究方法（先研究1對(duì)相對(duì)性狀，再研究多對(duì)相對(duì)性狀）及統(tǒng)計(jì)方法（觀(guān)察子代性狀分離現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)每一種子代數(shù)目）等。

2.開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生邊動(dòng)手邊領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。課本中的實(shí)驗(yàn)和其他知識(shí)點(diǎn)一樣是基礎(chǔ)知識(shí)、基本能力的載體，在最近幾年的生物高考題中也有意識(shí)地強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。因此，在高三復(fù)習(xí)中，我們應(yīng)盡量讓學(xué)生親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，將《考試說(shuō)明》中所列的實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、方法和操作步驟等方面進(jìn)行綜合分析，掌握相關(guān)的操作方法和技能，并能綜合運(yùn)用其解決問(wèn)題。

例如，2011年江蘇高考第10題（題目略）。本題考查的是書(shū)本實(shí)驗(yàn)的綜合，涉及用顯微鏡觀(guān)察多種多樣的細(xì)胞、檢測(cè)生物組織中的脂肪、觀(guān)察植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原。這道題的關(guān)鍵在于把握題干中的“直接”二字。在光鏡下可看到的對(duì)象有較大的如液泡；本身有顏色的，如葉綠體；或者經(jīng)特殊染色的，如染色體、線(xiàn)粒體、脂肪。B項(xiàng)中的花生子葉和C項(xiàng)中的線(xiàn)粒體因未作染色，所以不可見(jiàn)；D項(xiàng)中的紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞內(nèi)體積相對(duì)較大的紫色液泡，占據(jù)了很大的視野，因而也不易觀(guān)察到細(xì)胞核。要想能正確地解答此類(lèi)題，教師要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)教材中的基本實(shí)驗(yàn)有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，嘗試從實(shí)驗(yàn)情境的角度來(lái)分析確認(rèn)相關(guān)描述的準(zhǔn)確性。如果我們?cè)谄綍r(shí)的教學(xué)中讓學(xué)生親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，那學(xué)生的解題能力就會(huì)大大提高。正如一位專(zhuān)家所講：“不做學(xué)生不知，老師也未必知?！?/p>

3.借助實(shí)驗(yàn)思維進(jìn)行試題分析，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力。在平時(shí)的教學(xué)中，我們引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行題目分析時(shí)，一方面要讓學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)思維，排除干擾信息，提高解決問(wèn)題的能力；另一方面讓學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)思維，依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，提高表達(dá)能力及歸納、比較、推理等邏輯思維能力。

例如，2011年江蘇高考第31題（題目略）。本題中對(duì)怎么操作交代得很清楚，為什么要這樣操作，還要注意什么問(wèn)題，則需要考生在本題的情境下作出仔細(xì)的分析和推理，學(xué)生只有具備較強(qiáng)的思維能力，才能很好地解答本題。2011年江蘇卷28、30、31三大題均為實(shí)驗(yàn)分析題，有各自的情境，提供信息的渠道豐富，問(wèn)題的角度也有所不同，但都很強(qiáng)烈地傳遞了一個(gè)信號(hào)——重視生物實(shí)驗(yàn)思維分析，重視學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的考查。因此，我們?cè)谄綍r(shí)的教學(xué)中一定要充分意識(shí)到實(shí)驗(yàn)題的重要性，訓(xùn)練學(xué)生解答實(shí)驗(yàn)題的思維能力。

篇5

關(guān)鍵詞：膨脹教學(xué)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；思考能力

軟組織力學(xué)特性是生物力學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容，對(duì)于解釋疾病的發(fā)生發(fā)展具有重要的作用，不同組織（包括正常組織和病理組織）的力學(xué)特性不同，其臨床表現(xiàn)也不同?？梢?jiàn)，了解軟組織的力學(xué)特性對(duì)于醫(yī)生深入認(rèn)識(shí)疾病具有重要的意義。而對(duì)于我校生物力學(xué)課程的授課對(duì)象一醫(yī)學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生而言，使他們了解力學(xué)特性的相關(guān)知識(shí)和方法就顯得非常必要。

目前，軟組織力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)方法主要包括拉伸實(shí)驗(yàn)和整體膨脹實(shí)驗(yàn)，拉伸實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)軟組織的條狀試件進(jìn)行單軸或雙軸拉伸，利用實(shí)驗(yàn)機(jī)記錄軸向或雙方向的載荷位移數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得材料的力學(xué)特性。拉伸實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、所用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，數(shù)據(jù)處理方便等，但對(duì)于具有特定性狀的軟組織而言，通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)無(wú)法獲得準(zhǔn)確的力學(xué)響應(yīng)，整體膨脹實(shí)驗(yàn)則可以在不破壞軟組織形狀的基礎(chǔ)上，模擬生物體在體時(shí)的生理狀態(tài)，通過(guò)對(duì)整體軟組織進(jìn)行加壓，進(jìn)而獲得軟組織形變隨壓強(qiáng)的變化規(guī)律。

可見(jiàn)，對(duì)于具有特性形狀的軟組織材料，通過(guò)整體膨脹實(shí)驗(yàn)獲得的力學(xué)響應(yīng)更符合生理實(shí)際，獲得的力學(xué)特性更準(zhǔn)確，該方法是目前研究軟組織力學(xué)特性的重要實(shí)驗(yàn)方法。對(duì)于生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)而言，讓學(xué)生了解生物力學(xué)領(lǐng)域的重要研究方法是重要的教學(xué)任務(wù)，雖然整體膨脹實(shí)驗(yàn)在相關(guān)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐工作中很少見(jiàn)到，但是考慮到我校生物力學(xué)課程的授課對(duì)象為醫(yī)學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生，因此，開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)需要的整體膨脹實(shí)驗(yàn)非常必要。

1.整體膨脹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

整體膨脹實(shí)驗(yàn)是在不破壞軟組織整體形狀的情況下，對(duì)整體軟組織進(jìn)行加壓，同時(shí)記錄軟組織內(nèi)壓和變形的信息，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，獲得軟組織的力學(xué)響應(yīng)。整體膨脹實(shí)驗(yàn)的主要研究對(duì)象是管狀組織（主要包括血管）和類(lèi)球缺狀組織（角膜、鞏膜、虹膜）。通過(guò)對(duì)血管等管狀材料進(jìn)行整體膨脹實(shí)驗(yàn)，可以獲得血管直徑隨血管內(nèi)壓的變化規(guī)律；而對(duì)于類(lèi)球缺狀材料，則可以得到頂點(diǎn)位移隨眼內(nèi)壓的變化或面積變化隨眼內(nèi)壓的變化。實(shí)際中，我們以管狀材料（兔腹主動(dòng)脈）整體膨脹實(shí)驗(yàn)為例，在已有工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和搭建了整體膨脹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，規(guī)范了實(shí)驗(yàn)操作流程，統(tǒng)一了圖像和數(shù)據(jù)處理等流程，獲得了管狀材料的力學(xué)響應(yīng)和材料特性。

1.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 管狀材料的整體膨脹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括加壓裝置和軟組織形變圖像采集和錄系統(tǒng)。具體的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1，加壓裝置為微量注射泵，通過(guò)傳感器和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)記錄加壓過(guò)程中的壓力變化；軟組織形變圖像采集和記錄系統(tǒng)主要包括顯微鏡、CCD和計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)加壓裝置對(duì)管狀材料進(jìn)行加壓，同時(shí)采集和記錄軟組織的變形信息。

1.2實(shí)驗(yàn)操作步驟 采用過(guò)量麻醉劑將新西蘭兔處死，開(kāi)腹分離腹主動(dòng)脈，取出試件并置于生理鹽水中備用。測(cè)量并記錄血管壁厚、直徑和長(zhǎng)度。

將試件兩端固定于夾具，將試件置于生理鹽水浴內(nèi)。連接設(shè)備，將壓力傳感器調(diào)零。調(diào)整試件位置，使CCD拍攝效果最佳。

對(duì)血管試件進(jìn)行預(yù)調(diào)，通過(guò)微量注射泵向血管內(nèi)注射生理鹽水，當(dāng)血管內(nèi)壓達(dá)到100 mmHg時(shí)停止注射，并卸載，當(dāng)血管內(nèi)壓達(dá)到0 mmHg時(shí)完成一次預(yù)調(diào)。預(yù)調(diào)三次后，進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。

篇6

關(guān)鍵詞：有限元 醫(yī)學(xué) 仿真實(shí)驗(yàn)

Research of experimental of medical's Finite Element Analysis（FEA） simulation

Niu Xiaodong， Lu Lirong

Shanxi Changzhi medical college， Changzhi， 046000， China

Abstract： It will solve many complex problems if apply FEA to medical research， and these problems are difficult to solve but need to be solved in the physics of medical applications. So that it can provides theoretical guidance and scientific foundation for medical research and clinical treatment. Have the experimental course of medical’s FEA simulation， medical colleges have a very important significance for student’s study， teacher’s teaching and research， cooperation of college and affiliated hospitals.

Key words： FEA； medical； experimental of simulation

有限元分析是一種廣泛應(yīng)用于工程科學(xué)技術(shù)的數(shù)學(xué)物理方法，用于模擬并解決各種工程力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等物理場(chǎng)問(wèn)題。1956年Turner等人提出有限元（Finite Element，F(xiàn)E）的概念。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過(guò)對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿(mǎn)足工程精度的近似結(jié)果替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到越來(lái)越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車(chē)到航天飛機(jī)大多數(shù)設(shè)計(jì)制造已離不開(kāi)有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車(chē)、土木建筑、電子電器、國(guó)防軍工、生物醫(yī)學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

1 醫(yī)學(xué)有限元國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

有限元方法最早應(yīng)用于骨科研究，開(kāi)始于脊柱生物力學(xué)[1]。幾十年來(lái)其在解決生物力學(xué)問(wèn)題上得到了廣泛應(yīng)用，尤其近年來(lái)，隨著數(shù)字及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有限元法本身已不再是相對(duì)獨(dú)立地研究生物力學(xué)性質(zhì)，它越來(lái)越多地與各種動(dòng)力學(xué)模型、參數(shù)優(yōu)化選擇、臨床放射學(xué)與實(shí)物測(cè)量、有機(jī)化學(xué)、組織學(xué)與免疫組化等方法巧妙結(jié)合，使結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，成為生物力學(xué)研究中的一種重要工具。有限元方法在醫(yī)學(xué)上的研究主要包括以下四個(gè)方面。

1.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立，直接影響有限元仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度、計(jì)算機(jī)計(jì)算過(guò)程、計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短，且模型建立的優(yōu)劣與建模人員的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)和有限元知識(shí)分不開(kāi)?，F(xiàn)有研究的模型包括：人眼[2]、牙齒及矯正器[3]、脊柱[4]、顱腦骨骼[5]、胃[6]等人體骨骼及器官的三維有限元模型。

1.2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真

A.Pandolfi，F(xiàn).Manganiello對(duì)所建立的人眼角膜模型進(jìn)行了力學(xué)分析[7]。Tammy L HD等對(duì)建立的脛股關(guān)節(jié)三維有限元模型分析了骨骼變形對(duì)關(guān)節(jié)面接觸行為的影響以及約束關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)對(duì)接觸應(yīng)力的影響等[8]。

脊柱生物力學(xué)仿真是有限元法在生物力學(xué)中研究最早、分析最多、臨床上應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。杜東鵬等則對(duì)腰椎間盤(pán)膨隆的力學(xué)機(jī)制與腰椎疲勞骨折分別進(jìn)行了探討[9]。

頭顱及顳下關(guān)節(jié)也是有限元在生物力學(xué)中研究的重點(diǎn)。呂長(zhǎng)生等對(duì)建立的足部骨組織模型進(jìn)行有限元分析，為運(yùn)動(dòng)損傷或運(yùn)動(dòng)鞋的評(píng)價(jià)等提供了依據(jù)[10]。王芳等建立并驗(yàn)證中國(guó)人全頸椎有限元模型，用于揮鞭樣損傷分析[11]。米那瓦爾?阿不都熱依木采用有限元方法，對(duì)頜面外科手術(shù)術(shù)后的顏面軟組織形態(tài)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)[12]。

1.3 醫(yī)療器械的力學(xué)性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

牙科是有限元法在臨床應(yīng)用中的一大領(lǐng)域，相應(yīng)的各種牙科固定器材得以研制開(kāi)發(fā)，這些器材的力學(xué)性能又是研制過(guò)程中重點(diǎn)解決的問(wèn)題。蔡玉惠等研究了RPA卡環(huán)在游離端義齒應(yīng)用中支持組織的應(yīng)力分布狀況，對(duì)RPA卡環(huán)的臨床應(yīng)用具有力學(xué)上的指導(dǎo)作用[9]。

在內(nèi)固定鋼板方面，張美超等從臨床應(yīng)用出發(fā)，利用有限元法對(duì)頸前路蝶型鋼板進(jìn)行生物力學(xué)模擬分析，得到了與其一致的易斷裂部位預(yù)測(cè)[9]。

在人工關(guān)節(jié)方面，Heegaard JH等建立了髕骨的計(jì)算模型，并且模擬了在人工膝關(guān)節(jié)中去掉股骨假體對(duì)髕骨活動(dòng)的影響[13]。王永書(shū)等對(duì)患者胸腰椎爆裂性骨折節(jié)段（T12～L2）部位利用有限元進(jìn)行手術(shù)模擬，均與標(biāo)本模型及術(shù)后CT掃描基本相符[14]。

1.4 血流動(dòng)力學(xué)CFD應(yīng)用

Tarbell JM用FIDAP和Fluent軟件進(jìn)行了血管壁中組織液流動(dòng)的數(shù)值研究[15]。喬愛(ài)科等利用有限元分析方法得出冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)中對(duì)稱(chēng)雙路搭橋比單路搭橋具有更合理的血流動(dòng)力學(xué)，可以避免動(dòng)脈粥樣硬化的危險(xiǎn)性血流動(dòng)力學(xué)因素，從而減少手術(shù)再狹窄的發(fā)生[16]。楊金有應(yīng)用CFD計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行人體主動(dòng)脈內(nèi)血流數(shù)值模擬分析，為闡明血管疾病的發(fā)病機(jī)理提供理論依據(jù)[17]。姚偉用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent計(jì)算人體小腿骨間膜組織間隙中蛋白質(zhì)非均勻分布情況下組織液流動(dòng)[18]。

2 醫(yī)學(xué)有限元仿真實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)上述醫(yī)學(xué)有限元研究可得醫(yī)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)的方法主要分為四步：（1）通過(guò)螺旋CT技術(shù)，采集大量的樣本圖像。運(yùn)用現(xiàn)有醫(yī)用物理實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)對(duì)樣本圖像進(jìn)行建模處理，并進(jìn)行相關(guān)的有限元分析。（2）通過(guò)查閱相關(guān)國(guó)內(nèi)外資料，針對(duì)所需建立模型的生理、物理等參數(shù)特性，在幾種常用圖像處理軟件（Mimcs，Proe等）中選取較為合理準(zhǔn)確的有限元建模軟件。（3）在常用有限元分析軟件（ANSYS，F(xiàn)luent等）中選取較為合理準(zhǔn)確的軟件對(duì)模型進(jìn)行有限元分析。（4）將有限元分析結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析有限元模型的準(zhǔn)確性。

3 有限元法在醫(yī)學(xué)研究中的優(yōu)勢(shì)

有限元法在醫(yī)學(xué)研究中具有四個(gè)方面的突出優(yōu)勢(shì)：（1）可根據(jù)需要產(chǎn)生各種各樣的標(biāo)本，對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件仿真，模擬拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等各種力學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以在不同實(shí)驗(yàn)條件下模擬任意部位變形、應(yīng)力/應(yīng)變分布、內(nèi)部能量變化、極限破壞分析等情況。（2）標(biāo)本也可以進(jìn)行修正以模擬任何病理狀態(tài)。同一個(gè)標(biāo)本在虛擬計(jì)算中可進(jìn)行無(wú)數(shù)次加載或組合而不會(huì)被損壞。（3）其結(jié)果不受實(shí)驗(yàn)條件的影響，也排除了實(shí)驗(yàn)條件造成的誤差，而且可以重復(fù)計(jì)算，節(jié)約成本。（4）利用有限元法進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、費(fèi)用少、可模擬復(fù)雜條件、力學(xué)性能測(cè)試全面及可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

4 醫(yī)學(xué)院校開(kāi)展醫(yī)學(xué)有限元仿真實(shí)驗(yàn)的意義

在醫(yī)學(xué)院校開(kāi)展醫(yī)學(xué)有限元仿真實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生將相關(guān)醫(yī)學(xué)、物理、生物等課程的知識(shí)綜合應(yīng)用于仿真實(shí)驗(yàn)中，給生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供更為廣闊的范圍，使研究具有更高的水平；激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和熱情，使學(xué)生在自主科研創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證、研究。同時(shí)，開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)要求教師不僅需要對(duì)本專(zhuān)業(yè)知識(shí)做到“了如指掌”，而且需要教師具有仿真實(shí)驗(yàn)相關(guān)的醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等非本專(zhuān)業(yè)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，還要求教師必須掌握螺旋CT掃描技術(shù)，Mimics，ANSYS等建模、仿真軟件的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。這些知識(shí)對(duì)于教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研水平的提高具有十分重要而深遠(yuǎn)的意義。在開(kāi)展醫(yī)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建設(shè)醫(yī)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室，不僅可以為學(xué)生提供畢業(yè)實(shí)習(xí)條件，加強(qiáng)實(shí)習(xí)基地建設(shè)，而且與醫(yī)院相關(guān)科室進(jìn)行合作，可以在生物力學(xué)基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)手術(shù)中、長(zhǎng)期效果，對(duì)醫(yī)生手術(shù)具有較為科學(xué)的指導(dǎo)，加強(qiáng)了學(xué)校與醫(yī)院的合作。

5 結(jié)束語(yǔ)

建立醫(yī)學(xué)有限元實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：（1）醫(yī)用有限元模型快速準(zhǔn)確的建立。模型的快速準(zhǔn)確建立可以減少仿真實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間、降低費(fèi)用、增加仿真的準(zhǔn)確性和可信性。（2）建立通用的有限元模型庫(kù)，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此需要在具體實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中逐步探索和積累。

將工程有限元分析同醫(yī)學(xué)結(jié)合開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課，屬于多學(xué)科之間的交叉領(lǐng)域，不僅可以提高學(xué)生對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)與學(xué)習(xí)深造的競(jìng)爭(zhēng)力，而且可以加強(qiáng)多學(xué)科教師的教學(xué)和科研合作，提高教師的教學(xué)科研水平。同時(shí)提高相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的利用率，為學(xué)生自主開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供平臺(tái)，加強(qiáng)學(xué)校和附屬醫(yī)院的教學(xué)科研合作，為醫(yī)學(xué)院校提供更為廣闊的教學(xué)和科學(xué)研究領(lǐng)域。

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篇7

【摘要】

目的：觀(guān)察大鼠急性脊髓損傷后大劑量甲基強(qiáng)的松龍（methylprednisolone，MP）沖擊療法對(duì)大鼠骨密度及生物力學(xué)的影響。方法: 46只成年健康SD大鼠隨機(jī)分為對(duì)照組、模型組、治療組等3組。按改良Allen's法建立大鼠急性脊髓損傷模型。治療組傷后 30min 經(jīng)腹膜腔注入MP30mg／kg，以后每小時(shí)注入 MP5.4mg／kg，維持24h；模型組應(yīng)用生理鹽水替代 MP，處理方法同治療組。觀(guān)察模型組與治療組大鼠在傷后1、3和6個(gè)月 BBB 運(yùn)動(dòng)功能評(píng)分、各組L4椎體、股骨不同部位骨密度及生物力學(xué)參數(shù)的變化。結(jié)果: 術(shù)后各時(shí)間點(diǎn)模型組與治療組BBB 評(píng)分總體呈增高趨勢(shì)，治療組在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)BBB 神經(jīng)行為學(xué)評(píng)分均優(yōu)于模型組（P

【關(guān)鍵詞】 急性脊髓損傷；甲基強(qiáng)的松龍；骨質(zhì)疏松；骨密度；生物力學(xué)

［ABSTRACT］ Objective: To investigate the effect of high dose MP on bone density and biomechanics changes after acute spinal cord injury（ASCI）．Methods: A total of 46 adult rats were randomly pided into three groups， namely， the control group (CG)， the model group (MG)， and the experimental group (EG). After anesthesia， T8 vertebrae plate resection were performed to rats in both CG and EG with spinal cords injury by Allen method. Thirty minutes after ASCI， the subjects in experimental group received MP injection through intraperitoneal with dosage of 30 mg/kg. Then a dosage of 5.4 mg/kg of MP was given through intraperitoneal injection every hour in 24 hours. The subjects in the model group received normal saline instead of MP with the same method. A detection of both Basso， Beattie and Bresnahan (BBB) locomotor rating scaling， bone density and biomechanics was performed to the L4 vertebral body and the femur of rats 1， 3 and 6 months following operation， respectively. Results: BBB scale: after operation， the scale of groups MG and EG was increased over time; group EG was significantly higher than group MG from 1， 3， 6 month (P< 0.05， P

［KEY WORDS］ Acute spinal cord injury；MP；Osteoporosis；Bone density；Biomechanics

急性脊髓損傷（acute spinal cord injury，ASCI）是一種嚴(yán)重的損傷，其病死率、致殘率很高。傷后大劑量甲基強(qiáng)的松龍（methylprednisolone，MP）沖擊是目前急性脊髓損傷公認(rèn)治療方法，它的作用機(jī)制復(fù)雜。甲基強(qiáng)的松龍?jiān)缙诳梢燥@著增加神經(jīng)系統(tǒng)興奮性，改善脊髓血流量，減輕組織損傷［1，2］，但其遠(yuǎn)期對(duì)患者的影響不明確。筆者以通過(guò)改良Allen’s法［3］建立大鼠脊髓損傷動(dòng)物模型，研究大鼠脊髓損傷MP治療前、后骨密度及生物力學(xué)改變情況，推測(cè)大劑量 MP 治療對(duì)患者遠(yuǎn)期療效的影響。

1 材料和方法

1.1 材料

46只雌性 SD 大鼠，體質(zhì)量（250±10）g；4％多聚甲醛 PBS（磷酸緩沖液）固定液；甲基強(qiáng)的松龍注射用粉劑（法瑪西亞普強(qiáng)有限公司）；DPXL型雙能 X 射線(xiàn)骨密度儀（美國(guó)Lunar 公司）；858 Mini Bionix 型生物材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)（美國(guó)MTS公司）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 分組與造模

46只雌性SD大鼠隨機(jī)等分為對(duì)照組（control group，CG）6只，模型組(model group，MG)20只，治療組（experimental group，EG）20只。造模：將大鼠腹腔麻醉后，常規(guī)消毒，以T8棘突中心作長(zhǎng)約3cm切口，暴露硬脊膜，采用改良Allen’s裝置制備脊髓急性打擊傷動(dòng)物模型，損傷力度為10g×2.5cm。模型制作成功判定標(biāo)準(zhǔn)：打擊后損傷處脊髓出血、水腫，大鼠出現(xiàn)擺尾反射，雙下肢及軀體回縮樣撲動(dòng)，麻醉清醒后雙下肢呈弛緩性癱瘓。治療組傷后30min 腹膜腔注入MP30mg/kg， 以后每小時(shí)注入MP5.4mg/kg，連續(xù)注射24h。 模型組以生理鹽水替代MP，按治療組同樣方法給藥。致傷后每日按壓大鼠膀胱促進(jìn)排尿，定時(shí)喂食。

1.2.2 神經(jīng)行為學(xué)評(píng)分

評(píng)分觀(guān)察者為非本試驗(yàn)組員。在損傷后1、3、6個(gè)月參照 BBB(basso beattie bresnahan locomotor rating scale，BBB) 神經(jīng)行為學(xué)評(píng)分法［4］綜合評(píng)定MG組和EG 組的功能。最小值為 0 分，表示神經(jīng)行為功能完全喪失；最大值為 21 分，表示行為功能完全正常。

1.2.3 骨密度及生物力學(xué)檢測(cè)

分別于術(shù)后1、3、6個(gè)月，在麻醉狀態(tài)下對(duì)各組大鼠用雙能X射線(xiàn)骨密度儀的小動(dòng)物測(cè)量軟件測(cè)定右股骨、腰4椎體的骨密度。術(shù)后6個(gè)月處死大鼠后取各組大鼠的右側(cè)股骨及腰4椎體，去除表面附著軟組織，用生理鹽水浸濕的紗布包裹后置于20℃冰箱保存。力學(xué)檢測(cè)前室溫解凍標(biāo)本，使用生物材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行股骨3點(diǎn)彎曲和腰椎結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。股骨3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)跨距2mm，加載速度為2mm/min，腰椎結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)加載速度為1mm/min，勻速加載直至標(biāo)本斷裂。每個(gè)樣本放置在儀器上的位置及方向保持一致。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用 SPSS 12.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)量數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間比較采用t檢驗(yàn)，P

2 結(jié)果

2.1 動(dòng)物一般情況

模型組和治療組造模后，大鼠雙側(cè)下肢癱瘓，模型組及治療組各有5只在造模1個(gè)月內(nèi)死亡，模型組有1只在第60天死亡，故均未列入統(tǒng)計(jì)。

2.2 大鼠神經(jīng)行為學(xué)評(píng)分

治療組在1、3、6個(gè)月 BBB 神經(jīng)行為學(xué)評(píng)分均優(yōu)于模型組，兩組相比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P< 0.05，P < 0.01)，見(jiàn)表1。 表1 各組大鼠脊髓損傷后后肢功能 BBB 評(píng)分 （略）

2.3 各組骨密度測(cè)定

術(shù)后1、3、6個(gè)月，模型組及治療組大鼠右側(cè)股骨、第4腰椎骨密度明顯下降，與對(duì)照組相比差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P< 0.05，P

2.4 各組大鼠股骨3點(diǎn)彎曲和腰椎結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)定

術(shù)后6個(gè)月，模型組及治療組大鼠右側(cè)股骨、第4腰椎骨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均顯著降低，與對(duì)照組相比有極顯著性差異(P

3 討論

海南醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào) Vol.16 No.7 Jul.2010ASCI是一種嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷。目前臨床治療急性脊髓損傷均按全美急性脊髓損傷隨機(jī)受控臨床試驗(yàn)的方案進(jìn)行治療。糖皮質(zhì)激素藥物MP是目前臨床上用于干預(yù)性治療急性脊髓損傷的首選藥物，其防止繼發(fā)性脊髓損傷的作用機(jī)制可能與抑制脂類(lèi)過(guò)氧化有關(guān)物，中和氧自由基，防止神經(jīng)細(xì)胞的凋亡，促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)蘇［1，57］。文獻(xiàn)報(bào)道［8］大部分患者都能耐受大劑量MP沖擊治療，部分患者治療時(shí)短時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)激素應(yīng)用的不良反應(yīng)，但其對(duì)患者的遠(yuǎn)期影響還有待進(jìn)一步研究。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)脊髓損傷后模型組與治療組神經(jīng)行為學(xué)評(píng)分、骨密度及生物力學(xué)的測(cè)定，對(duì)2組骨大鼠骨質(zhì)疏松的差異進(jìn)行分析，了解ASCI早期大劑量應(yīng)用甲基強(qiáng)的松龍對(duì)患者的遠(yuǎn)期影響。

本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模型組大鼠神經(jīng)功能受損后隨著時(shí)間延長(zhǎng)有所恢復(fù)，但比治療組差，大劑量MP可以提高運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)恢復(fù)，特別是不完全脊髓損傷患者，這也與目前臨床應(yīng)用結(jié)果相一致［9，10］。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)造模后1、3、6個(gè)月，模型組及治療組的骨密度明顯下降，這與國(guó)內(nèi)外研究相同［1113］。實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)造模6個(gè)月后，治療組股骨及腰椎的骨密度要低于模型組，具有顯著性差異，這說(shuō)明大劑量MP遠(yuǎn)期有可能會(huì)加快骨質(zhì)疏松的進(jìn)程。

骨生物力學(xué)反映骨對(duì)抗外力作用的強(qiáng)度，集中體現(xiàn)了骨的材料特性和結(jié)構(gòu)特性，骨質(zhì)疏松時(shí)由于骨量減少與骨結(jié)構(gòu)的改變，直接影響骨的生物力學(xué)性能，使骨強(qiáng)度降低［14］，增加骨折的危險(xiǎn)性。因此，測(cè)定骨的生物力學(xué)性能的變化是評(píng)價(jià)骨質(zhì)疏松癥的一個(gè)重要和特殊的指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)術(shù)后6個(gè)月，模型組右側(cè)股骨的3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、第4腰椎壓碎試驗(yàn)結(jié)果要優(yōu)于治療組，說(shuō)明大劑量MP對(duì)大鼠遠(yuǎn)期骨的生物力學(xué)有影響。

以上結(jié)果表明，早期大劑量MP治療ASCI對(duì)于阻止或減少脊髓繼發(fā)損傷，保留脊髓殘存功能，提高患者生存質(zhì)量有重要意義，是治療急性脊髓損傷的一項(xiàng)有效措施，值得進(jìn)一步的深入研究和應(yīng)用。但大劑量MP治療過(guò)程中，有可能加重骨量丟失，加速患者骨質(zhì)疏松的進(jìn)程，應(yīng)建議患者盡量早期進(jìn)行各種功能鍛煉，配合預(yù)防骨質(zhì)疏松藥物的長(zhǎng)期應(yīng)用，這樣才能提高沖擊療法的安全性和有效性。

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篇8

關(guān)鍵詞：排球；跨步墊球；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

一、前言

排球跨步墊球及以其為基礎(chǔ)的各種低姿勢(shì)墊球是排球比賽過(guò)程中使用頻率較高的墊球技術(shù)動(dòng)作，它又是各種低姿墊球動(dòng)作的基礎(chǔ)。現(xiàn)代排球教材中，缺乏對(duì)其技術(shù)動(dòng)作科學(xué)化的描寫(xiě)和分析，導(dǎo)致在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中，教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，教學(xué)效果也不理想。因此，本文采用三維高速攝影解析技術(shù)對(duì)跨步墊球技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，旨在探尋跨步墊球技術(shù)的動(dòng)作結(jié)構(gòu)特征，豐富和完善排球技術(shù)教學(xué)和教材理論，給動(dòng)作技術(shù)教學(xué)、訓(xùn)練、評(píng)價(jià)、診斷提供客觀(guān)的理論依據(jù)。

二、研究對(duì)象與方法

1.研究對(duì)象

研究對(duì)象為湖南師范大學(xué)男子排球隊(duì)的3名和湖南師范大學(xué)女子排球隊(duì)的1名主力運(yùn)動(dòng)員。研究?jī)?nèi)容為排球跨步墊球技術(shù)。

2.研究方法

本課題的研究方法主要采用實(shí)驗(yàn)法，運(yùn)用三維高清攝像解析系統(tǒng)對(duì)優(yōu)秀排球運(yùn)動(dòng)員的排球跨步墊球技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究。

（1）文獻(xiàn)資料法

查閱了中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)里近二十年來(lái)關(guān)于排球墊球技術(shù)及運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)相關(guān)研究的文獻(xiàn)資料、相關(guān)論文和著作中對(duì)排球技術(shù)的研究情況和生物力學(xué)的研究進(jìn)展并形成了文獻(xiàn)綜述，為本研究打下了扎實(shí)的研究基礎(chǔ)。

（2）專(zhuān)家訪(fǎng)談法

咨詢(xún)有關(guān)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究專(zhuān)家和教師，向其請(qǐng)教以往寫(xiě)作過(guò)的論文中所涉及的實(shí)驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理和分析等方面的問(wèn)題。

（3）實(shí)驗(yàn)法

采用三維高清攝影圖像解析技術(shù)，對(duì)技術(shù)動(dòng)作的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析。

（4）數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

數(shù)據(jù)利用QToolS軟件和Excel軟件對(duì)獲得的數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。

3.測(cè)試程序

模擬比賽情況，受試者進(jìn)行充分準(zhǔn)備活動(dòng)后，按實(shí)驗(yàn)要求，在專(zhuān)家的指導(dǎo)下讓四名受試運(yùn)動(dòng)員在測(cè)試范圍內(nèi)作跨步墊球動(dòng)作，每名測(cè)試對(duì)象完成兩次跨步墊球，按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拍攝（以右側(cè)跨步動(dòng)作為例）。由現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)家選定效果較好、技術(shù)較規(guī)范的兩名運(yùn)動(dòng)員的跨步墊球動(dòng)作作為分析對(duì)象，然后計(jì)算數(shù)據(jù)的平均值。

4.測(cè)試方法

采用三維定點(diǎn)攝像的方法，用兩部高清攝影機(jī)，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象的跨步墊球技術(shù)進(jìn)行三維定點(diǎn)拍攝，運(yùn)用相應(yīng)的解析系統(tǒng)對(duì)其動(dòng)作技術(shù)進(jìn)行解析，得出測(cè)試指標(biāo)參數(shù)。一部置于運(yùn)動(dòng)員的右側(cè)，一部置于運(yùn)動(dòng)員的前方，兩部攝像機(jī)主光軸約成 90度，拍攝頻率為50Hz。高清錄像拍攝，頻率25幀/秒，經(jīng)奇偶場(chǎng)分離后頻率相當(dāng)于50場(chǎng)/秒。采用2臺(tái)sony FX-2000E高清攝像機(jī)拍攝視頻。

標(biāo)定框架采用國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所的PEAK輻射式三維標(biāo)定框架，標(biāo)定精度高。選擇被分析的動(dòng)作時(shí)，選擇的整個(gè)動(dòng)作位于框架標(biāo)定范圍內(nèi)。

使用SIMI motion視頻解析系統(tǒng)對(duì)技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行解析，采用扎齊奧爾斯基人體模型，人體模型取系統(tǒng)軟件自帶的人體模型，分析數(shù)據(jù)包括身體重心、軀干、各關(guān)節(jié)點(diǎn)位移速度、以及各關(guān)節(jié)和軀干的角度和各時(shí)段的時(shí)間等數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)采用數(shù)字化濾波法進(jìn)行平滑處理，截?cái)囝l率為10，用EXCEL 2000對(duì)視訊系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，并編輯公式計(jì)算人體基本平面方程系數(shù)以及關(guān)節(jié)點(diǎn)在各個(gè)平面的投影坐標(biāo)，再用Q-Tools計(jì)算關(guān)節(jié)角度。用Origin7.0做三維坐標(biāo)圖。對(duì)解析出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析與研究，并做參數(shù)間的相關(guān)分析，運(yùn)用相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)描述動(dòng)作過(guò)程，建立整個(gè)動(dòng)作結(jié)構(gòu)相關(guān)環(huán)節(jié)間夾角、角速度、角加速度、速度、身體重心等量化指標(biāo)和參數(shù)，揭示動(dòng)作過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)和規(guī)律。

三、動(dòng)作階段的劃分

動(dòng)作階段劃分是研究技術(shù)動(dòng)作的重要環(huán)節(jié)。排球運(yùn)動(dòng)員跨步墊球技術(shù)是由準(zhǔn)備姿勢(shì)、跨步、墊球、隨后動(dòng)作四個(gè)環(huán)節(jié)組成，而對(duì)擊球效果起決定作用的是跨步和墊球兩個(gè)環(huán)節(jié)。為了確定動(dòng)作結(jié)構(gòu)和時(shí)相劃分方便，本文首先確定了不同動(dòng)作階段的臨界點(diǎn)，它可表征各動(dòng)作階段基本力學(xué)特征與動(dòng)作質(zhì)量。我們依照排球跨步墊球動(dòng)作的順序把跨步墊球動(dòng)作分為：跨步階段（1.4s-3.3s）、擊球階段（3.3s-4.1s）、隨后階段（4.1s-5.2s）。

四、研究結(jié)果與分析

1.排球跨步墊球技術(shù)下肢各環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

（1）膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)

膝關(guān)節(jié)的角度特征如下：

從圖1中可以看出左、右膝關(guān)節(jié)角在0～2.64s時(shí)段的變化趨勢(shì)并不相同。2.64s時(shí)刻為跨步腳剛著地的時(shí)刻。右膝關(guān)節(jié)角變化曲線(xiàn)在該階段有一個(gè)明顯的先下降后上升的過(guò)程，而左膝關(guān)節(jié)則是一個(gè)逐步下降的過(guò)程。右膝關(guān)節(jié)在跨步階段要向前跨出一步完成跨步動(dòng)作，在跨步過(guò)程中右膝關(guān)節(jié)先屈曲后伸展。在跨步階段身體重心落在左腳上，此時(shí)左腳起著支撐整個(gè)身體的作用，并保持重心穩(wěn)定性，因此左膝關(guān)節(jié)角在跨步階段變化很小。在2.64s后，左、右膝關(guān)節(jié)的變化趨勢(shì)完全相同，當(dāng)跨步腳著地后，左、右膝關(guān)節(jié)開(kāi)始同時(shí)屈曲，降低身體重心。到擊球前屈曲值達(dá)到最大，身體重心此時(shí)處于最低，隨后雙腳蹬地，同時(shí)雙臂上擺擊球。

跨步墊球技術(shù)在跨步階段膝關(guān)節(jié)有一個(gè)屈膝重心下降的動(dòng)作，這個(gè)動(dòng)作是跨步墊球技術(shù)的重要組成部分，目的是通過(guò)拉伸膝關(guān)節(jié)蹬伸主動(dòng)收縮肌群，增大肌肉收縮初長(zhǎng)度儲(chǔ)備彈性勢(shì)能，同時(shí)增加墊球時(shí)的墊球距離，為后繼膝關(guān)節(jié)蹬伸動(dòng)作做好準(zhǔn)備。而且在判斷來(lái)球的方向和速度后通過(guò)跨步動(dòng)作還能及時(shí)調(diào)整擊球的最佳時(shí)機(jī)和部位。在跨步墊球技術(shù)中左膝最大屈曲角度為60.6°。右膝最大屈曲角度為59.89°。下肢屈膝身體重心下降的動(dòng)作幅度太大或太小都不能產(chǎn)生最佳的蹬伸效果，不利于整個(gè)墊球動(dòng)作的完成。如果膝關(guān)節(jié)屈曲幅度過(guò)大，就會(huì)造成膝關(guān)節(jié)伸肌群過(guò)大的對(duì)抗負(fù)荷，進(jìn)而影響膝關(guān)節(jié)的伸展速度及軀干和上肢各環(huán)節(jié)的整體配合。反之，膝關(guān)節(jié)屈曲幅度過(guò)小，又不能充分拉長(zhǎng)伸膝主動(dòng)收縮肌群，影響主動(dòng)收縮前彈性勢(shì)能的儲(chǔ)備，進(jìn)而影響到蹬伸效果?？绮綁|球技術(shù)下肢的蹬伸動(dòng)作主要是使髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生向上的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)下肢的蹬伸帶動(dòng)手臂向上擺動(dòng)，保證擊球時(shí)動(dòng)作的穩(wěn)定性。由于不同運(yùn)動(dòng)員的身材和身體素質(zhì)的不同，因此不同的運(yùn)動(dòng)員最佳膝關(guān)節(jié)的屈曲角度和身體的下蹲深度也不相同。合理的膝關(guān)節(jié)屈曲角度有助于運(yùn)動(dòng)員發(fā)揮最佳技術(shù)動(dòng)作。

（2）踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)

由圖2可知：從跨步開(kāi)始，右踝關(guān)節(jié)角度不斷增大，而左踝關(guān)節(jié)角度不斷減小，這是由于跨步開(kāi)始時(shí)，身體以左腳為支撐，右腳向前方跨出一步，隨后身體重心下移，直至跨步結(jié)束。由于右腳向前跨步，右踝關(guān)節(jié)與左踝關(guān)節(jié)正好相反，不斷增大，直至跨步后右腳腳跟與地面接觸時(shí)增至最大。

2.排球跨步墊球技術(shù)動(dòng)作整體分析

排球跨步墊球合理的動(dòng)作節(jié)奏應(yīng)該是身體自下位關(guān)節(jié)至上位關(guān)節(jié)的速度依次遞增。各運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)的遞增量越大，說(shuō)明動(dòng)作的動(dòng)量傳遞效果越好?？绮綁|球技術(shù)動(dòng)作的跨步階段，單腳向前跨出一步，同時(shí)身體重心下移，軀干稍向前傾，雙手手臂伸直下壓，為后繼擊球動(dòng)作調(diào)整好擊球的時(shí)機(jī)和方位，同時(shí)儲(chǔ)備了彈性勢(shì)能，增加了肌肉收縮做功距離。擊球動(dòng)作階段，通過(guò)下肢蹬伸、軀干和上肢各運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)的依次加速與制動(dòng)，將速度傳遞至手臂，手臂通過(guò)從來(lái)球的下部向上抬，以達(dá)到最佳的擊球速度，將球平穩(wěn)而有力地?fù)舫?。擊球時(shí)身體主要環(huán)節(jié)的活動(dòng)順序?yàn)橄エD髖―肩―肘和手腕。從完整技術(shù)動(dòng)作上看，跨步墊球是在拉長(zhǎng)相關(guān)主動(dòng)收縮肌的條件下，首先由下肢肌肉主動(dòng)收縮用力，然后是上肢各環(huán)節(jié)肌肉群的收縮用力，這種動(dòng)作時(shí)序符合墊球技術(shù)動(dòng)作力學(xué)原理。合理的技術(shù)動(dòng)作能充分發(fā)揮軀干肌肉和下肢肌肉的爆發(fā)加速作用，不要過(guò)多地單純依靠上肢運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)加速，這樣才能使上肢肌肉有較大的能量?jī)?chǔ)備，同時(shí)保證動(dòng)作的穩(wěn)定。在擊球動(dòng)作階段上肢肌肉感覺(jué)敏銳，控制手臂的方位和調(diào)控?fù)羟驎r(shí)間，并保證擊球最佳的擊球點(diǎn)和擊球時(shí)機(jī)。因此應(yīng)加強(qiáng)下肢的蹬伸力量，并在擊球時(shí)加強(qiáng)下肢的蹬伸作用，從技術(shù)上保證下肢和軀干肌肉合理的爆發(fā)加速功能，為上肢各環(huán)節(jié)的依次加速提供運(yùn)動(dòng)初速度。

五、結(jié)論

1.跨步墊球技術(shù)動(dòng)作結(jié)構(gòu)的分類(lèi)

本研究對(duì)排球跨步墊球技術(shù)的嘗試性劃分是對(duì)目前排球跨步墊球技術(shù)劃分理論的大膽嘗試。筆者根據(jù)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)中關(guān)于技術(shù)動(dòng)作的階段劃分原理，根據(jù)動(dòng)作結(jié)構(gòu)與動(dòng)作任務(wù)的不同，把排球跨步墊球術(shù)分為跨步階段、擊球階段和擊球后的隨后階段。

2.跨步墊球技術(shù)下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

左膝最大屈曲角度為60.6°，左膝最大蹬伸角度為159.5°，左膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)幅度為98.9°。右膝最大屈曲角度為59.89°，右膝最大蹬伸角度為119.8°，右膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)幅度為59.1°。膝關(guān)節(jié)屈曲幅度過(guò)大，就會(huì)造成膝關(guān)節(jié)伸肌群過(guò)大的對(duì)抗負(fù)荷，進(jìn)而影響膝關(guān)節(jié)的伸展速度及軀干和上肢各環(huán)節(jié)的整體配合。反之，膝關(guān)節(jié)屈曲幅度過(guò)小又不能充分拉長(zhǎng)伸膝主動(dòng)收縮肌群，影響主動(dòng)收縮前彈性勢(shì)能的儲(chǔ)備，進(jìn)而影響到蹬伸效果。

六、結(jié)語(yǔ)

跨步墊球技術(shù)在比賽中與其他墊球技術(shù)相比應(yīng)用廣泛，技術(shù)結(jié)構(gòu)較為合理。采用跨步，身體重心位于兩支撐腳之間，支撐比較穩(wěn)定。跨步墊球有利于肌肉用力的控制，也就可以較好地控制來(lái)球。

今后應(yīng)結(jié)合三維動(dòng)力學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步的其他同類(lèi)研究，通過(guò)同步裝置，對(duì)跨步墊球進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的同步分析，只有這樣才能更全面地分析跨步墊球的技術(shù)特征和內(nèi)在規(guī)律。

對(duì)于排球運(yùn)動(dòng)的技術(shù)原理等課題還有待于我們?nèi)ド钊胙芯?，揭示其科學(xué)的本質(zhì)和內(nèi)在的規(guī)律、科學(xué)化發(fā)展，這樣才可以更好地使排球運(yùn)動(dòng)得以更廣泛的普及和更科學(xué)化的發(fā)展。

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篇9

【摘要】 ［目的］評(píng)價(jià)硫酸鈣骨水泥椎體成形術(shù)的生物力學(xué)性能并探討用于胸腰椎爆裂骨折的可行性。［方法］16具新鮮小牛胸腰椎標(biāo)本分為4組，每組4具，A、B、C 3組（實(shí)驗(yàn)組）標(biāo)本在制成爆裂骨折模型后分別實(shí)施3種骨水泥（CSC、CPC、PMMA）椎體成形術(shù)，D組為無(wú)骨折對(duì)照組。測(cè)量爆裂骨折前、后、復(fù)位后及椎體成形術(shù)后的椎體前緣高度；測(cè)量達(dá)到完全填充時(shí)的3種骨水泥的注射量；生物力學(xué)檢測(cè)比較4組標(biāo)本間的極限抗壓強(qiáng)度及剛度差別。［結(jié)果］(1)實(shí)驗(yàn)組12具標(biāo)本均形成胸腰椎爆裂骨折模型，平均撞擊能量為66.2 J；(2)CSC、CPC、PMMA的注射量分別為：4.4 ml±0.8 ml、3.7 ml±0.7 ml、4.0 ml±0.6 ml，組間無(wú)差別（P>0.05）；(3)3種骨水泥均能有效充填爆裂骨折椎體復(fù)位后遺留的骨缺損，顯著恢復(fù)傷椎高度（P

【關(guān)鍵詞】 硫酸鈣骨水泥； 爆裂骨折； 生物力學(xué)； 椎體成形術(shù)

Abstract：［Objective］To evaluate the biomechanical performance of vertebroplasty using calcium sulfate cement for thoracolumbar burst fractures.［Method］Sixteen bovine thoracolumbar spines (T11～L1) were into pided 4 groups(A， B， C and D).After burstfracture model was created ，12 vertebral bodies in group A，B，C were augmented with calcium sulfate cement (CSC)， calcium phosphate cement (CPC) and polymethacrylate (PMMA) bone cement respectively. Each anterior vertebral body (VB) height was measured with a caliper at 4 time points: intact conditions (HInt)， postfracture (HFr)， postreduction (HRe) and postvertebroplasty (HVP).The vertebroplasty treatment consisted of inserting a biopsy needle bipedicularly into each VB， and filling the void with different bone cements. The filling volume of 3 different bone cements also was measured. Each VB was compressed at 0.5mm/s using a hinged plating system on a materials testing machine to 50% of the postvertebroplasty height to determine strength and stiffness. Difference was checked for significance (P0.05).The average filling volume of bone cement in 3 groups was 4.35 ml (CSC)，3.72 ml (CPC) and 3.95 ml (PMMA) respectively， and there was not statistically significant either (P>0.05). Vertebroplasty with PMMA completely restored strength (116%) and stiffness (105%) of VBs. Augmented with CSC or CPC only partly recovered vertebral strength and stiffness. However， significantly greater strength restoration was got with CSC (1 659 N) as compared with CPC (1 011 N，P0.05). ［Conclusion］ For a burstfracture calf spine， use of CSC for vertebroplasty yields similar vertebral stiffness as compared with PMMA or CPC. Although augmentation with CSC partly obtained strength of VBs， this treatment still can be applied in thoracolumbar burst fractures with other instrumental devices for its bioactivation.

Key words：calcium sulfate cement； burst fracture； biomechanics； vertebroplasty

胸腰椎爆裂骨折是臨床上常見(jiàn)的脊柱創(chuàng)傷。后路短節(jié)段椎弓根釘內(nèi)固定是常用的手術(shù)治療方法，但因?yàn)榇嬖谳^高的內(nèi)固定失敗率［1］，越來(lái)越引起關(guān)注。椎弓根釘結(jié)合椎體成形術(shù)為近來(lái)報(bào)道較多的一種手術(shù)方式，但椎體填充材料仍以普通骨水泥（polymethacrylate，PMMA）及自體松質(zhì)骨為主［2］，由于上述材料本身性質(zhì)的缺陷，手術(shù)安全性及術(shù)后療效難以保證。硫酸鈣骨水泥（calcium sulfate cement，CSC）是一種新型的骨移植材料，主要用于長(zhǎng)骨松質(zhì)骨區(qū)域骨缺損的填充，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)用于爆裂骨折的報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)在小牛胸腰椎爆裂骨折模型上分別實(shí)施CSC、磷酸鈣骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）、PMMA椎體成形術(shù)，比較3種骨水泥椎體成形術(shù)后的生物力學(xué)性能的差別，探討CSC椎體成形術(shù)的臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

收集16具新鮮雄性荷爾斯胎牛（體重32～41 kg，平均37 kg，均為出生后1～5 d內(nèi)宰殺）胸腰段（T11～L1）標(biāo)本，經(jīng)X線(xiàn)片排除先天性骨骼發(fā)育不良及畸形（圖1）。剔除肋骨及附著的肌肉組織，保留椎間韌帶及關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)完整，雙層塑料袋密封后置于－20℃冰箱內(nèi)，保存期15～45 d，平均24 d。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 胸腰椎爆裂骨折模型的制備 實(shí)驗(yàn)時(shí)將標(biāo)本取出，常溫（20℃）下解凍24 h。取其中12具標(biāo)本，使用游標(biāo)卡尺（精度：0.02 mm）測(cè)量T12椎體前緣高度，記為完整椎體高度（HInt）。以T12為中心，將T11、L1包埋于直徑9 ㎝、厚3 ㎝的環(huán)氧樹(shù)脂中，僅暴露中間椎體及其上下方椎間盤(pán)，保持上下兩底面相互平行，成角

采用Panjabi等［3］推薦的“自由落體逐級(jí)撞擊法”來(lái)制備爆裂骨折模型：將標(biāo)本置于高100 cm、直徑10 cm的垂直P(pán)VC管底部，質(zhì)量9.0 kg的鐵錘從初始高度為50 cm處自由下落撞擊標(biāo)本頂端，若T12完整無(wú)損，則以10 cm為一梯度逐級(jí)升高鐵錘高度以增大撞擊能量，直至T12發(fā)生爆裂骨折，撞擊時(shí)的能量可根據(jù)公式“E＝mgh”（其中m為鐵錘重量；g為重力加速度；h為撞擊高度，單位為m）算出。爆裂骨折產(chǎn)生后升高鐵錘，測(cè)量此時(shí)爆裂椎體前緣高度，記為骨折后高度（HFr）。

將標(biāo)本水平放置，牽拉兩端的混凝土圓柱，使爆裂椎體（T12）充分復(fù)位，再次測(cè)量骨折椎體前緣高度，記為復(fù)位后高度（HRe）。

1.2.2 椎體成形術(shù) 將12具爆裂骨折標(biāo)本隨機(jī)均分為A、B、C 3組，另4具完整標(biāo)本歸入D組，即對(duì)照組。使用脊椎穿刺針（美國(guó)Wright公司，針芯直徑3.2 mm，其尾部可與配套注射器連接），在C型臂X線(xiàn)機(jī)引導(dǎo)下，經(jīng)雙側(cè)椎弓根旁途徑穿刺至骨折椎體空腔處。骨水泥填充材料分別為：A組注射CSC(美國(guó)Wright醫(yī)療器械公司，MIIGX3系列)；B組為CPC（上海瑞邦生物材料有限公司）；C組為PMMA（天津市合成材料工業(yè)研究所）。當(dāng)感到阻力增大或骨水泥即將從骨折線(xiàn)縫隙滲出時(shí)則停止注射，骨水泥的使用量可從注射器上讀出。以濕毛巾包裹標(biāo)本，置于37℃培養(yǎng)箱中1 h后取出并測(cè)量此時(shí)椎體前緣高度，記為椎體成形術(shù)后高度（HPV）。

1.2.3 生物力學(xué)測(cè)試 切除16具標(biāo)本的T11、L1椎體及T12椎體連接的椎間盤(pán)組織，只保留T12椎體。將標(biāo)本水平放置在材料測(cè)試機(jī)（MTS880升級(jí)型，南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械院材料疲勞實(shí)驗(yàn)室）的夾具上。采用單椎體垂直恒速加載，預(yù)加載50 N，以消除標(biāo)本松弛或蠕變的影響，加載速度為0.5 mm/s，以100 Hz的頻率記錄載荷、位移數(shù)據(jù)。各標(biāo)本均加載至椎體高度（HPV）的50%［4］，行破壞性生物力學(xué)測(cè)試。根據(jù)各載荷-位移曲線(xiàn)上出現(xiàn)的拐點(diǎn)及曲線(xiàn)的斜率得出各組標(biāo)本的極限抗壓強(qiáng)度及剛度。

1.2.4 影像學(xué)觀(guān)察 對(duì)A、B、C 3組標(biāo)本行DR（美國(guó)GE公司：XR/d）攝片及CT（美國(guó)GE公司HiSpeed單排螺旋CT）掃描，以確保目標(biāo)椎體形成爆裂骨折（圖2）；椎體成形術(shù)后再次行DR攝片及CT掃描，以觀(guān)察3種骨水泥的灌注效果。

1.2.5 統(tǒng)計(jì)方法 使用SPSS 11.5軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示（±s），兩兩比較用非配對(duì)t檢驗(yàn)，組間比較采用單因素方差分析（oneway ANOVA）；P

2 結(jié) 果

2.1 撞擊能量與爆裂骨折模型的制備

因采用逐漸升高鐵錘高度來(lái)控制撞擊能量，提高了模型制備的成功率。本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)撞擊高度為0.5 m，各標(biāo)本均保持完整；撞擊高度為0.6 m，只有1具標(biāo)本形成爆裂骨折；當(dāng)高度升至0.7 、0.8 m時(shí)，形成爆裂骨折模型的標(biāo)本數(shù)目分別為4、7具。平均撞擊高度為0.75 m±0.07 m，平均撞擊能量為66.2 J±6.0 J。

2.2 椎體高度的測(cè)量結(jié)果

胸腰椎爆裂骨折后，傷椎高度丟失，且以椎體前緣高度丟失最為顯著，故本實(shí)驗(yàn)選取骨折前（HInt）、骨折后（HFr）、復(fù)位后（HRe）及椎體成形術(shù)后（HPV）的椎體前緣平均高度作為評(píng)價(jià)手法牽拉復(fù)位及椎體成形術(shù)復(fù)位效果的參考指標(biāo)，具體結(jié)果詳見(jiàn)表1。 表1 椎體前緣高度比較注：A、B、C 3組中HFr分別與HInt、HRe、HPV行非配對(duì)t檢驗(yàn)，P0.05，組間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2.3 椎體成形術(shù)

CSC、CPC、PMMA注射量分別為：4.4 ml±0.8 ml、3.7 ml±0.7 ml、4.0 ml±0.6 ml，組間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.42）；椎體成形術(shù)前、后各組標(biāo)本的影像學(xué)觀(guān)察（圖3）發(fā)現(xiàn)，在上述注射量下，3種骨水泥均能有效充填傷椎，恢復(fù)椎體外形，重建椎體。

2.4 生物力學(xué)測(cè)試結(jié)果

16具標(biāo)本均加載至原椎體高度（HPV）的50%，由于采用破壞性試驗(yàn)方式，加載后的椎體均出現(xiàn)不可逆性變形。根據(jù)測(cè)試儀器所記錄的不同時(shí)間點(diǎn)的載荷、位移值，使用GraphPadPrism 2.01軟件繪制各組椎體的載荷-位移曲線(xiàn)，各曲線(xiàn)上的拐點(diǎn)即為極限抗壓強(qiáng)度值（圖4）；計(jì)算300 N至椎體極限抗壓強(qiáng)度值50%之間段載荷-位移曲線(xiàn)上各點(diǎn)的斜率，平均后得出的4組受測(cè)椎體的剛度、極限抗壓強(qiáng)度及剛度結(jié)果見(jiàn)表2。表2 椎體極限抗壓強(qiáng)度及剛度 注：極限抗壓強(qiáng)度與剛度數(shù)據(jù)間采用非配對(duì)t檢驗(yàn)，*P、＃P、P>0.05，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義

圖1 小牛胸腰椎（T11～L1） 圖2 T12爆裂骨折復(fù)位后X線(xiàn)正側(cè)位片 圖2a 正位 圖2b 側(cè)位。手法復(fù)位后傷椎(T12)內(nèi)部出現(xiàn)明顯的骨缺損區(qū) 圖3 CSC、CPC、PMMA椎體成形術(shù)后的DR攝片及CT掃描結(jié)果 CSC椎體成形術(shù)后DR攝片（3a）示骨水泥的填充效果滿(mǎn)意，椎體外形恢復(fù)，CT掃描（3b）示椎體內(nèi)骨缺損充填滿(mǎn)意且椎管內(nèi)無(wú)明顯滲漏；CPC椎體成形術(shù)后DR攝片 （3c）示骨水泥的填充效果尚可，CT掃描（3d）示椎體內(nèi)存在少量骨缺損區(qū)；（3e）PMMA椎體成形術(shù)后DR攝片示骨水泥的填充效果良好，但椎體后緣有較多骨水泥漏出，CT掃描（3f）亦提示椎管內(nèi)有滲漏。圖4 4組標(biāo)本的典型載荷位移曲線(xiàn) 箭頭所指為各曲線(xiàn)的拐點(diǎn)，即為椎體極限抗壓強(qiáng)度（A、B、C、D分別為CSC組、CPC組PMMA組及無(wú)骨折對(duì)照組標(biāo)本）

3 討 論

3.1 椎體成形術(shù)應(yīng)用于爆裂骨折的理論依據(jù)

對(duì)胸腰椎爆裂骨折的影像學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：椎弓根釘復(fù)位后，在爆裂椎體的內(nèi)部，特別是椎弓根層面的前部（前柱區(qū)）依然存在骨缺損，其體積約為椎體大小的1/4［5］，形成所謂“蛋殼椎”、“空心椎”。在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)小牛T12爆裂骨折前、后的CT掃描結(jié)果也證實(shí)了上述現(xiàn)象。研究表明，前柱完整與否將決定脊柱矢狀面塌陷及后凸畸形的發(fā)生率［6］。胸腰椎爆裂骨折實(shí)施后路短節(jié)段內(nèi)固定術(shù)后，由于傷椎內(nèi)部骨缺損區(qū)的持續(xù)存在，其內(nèi)部新生骨量不足或被纖維結(jié)締組織填充，椎體力學(xué)強(qiáng)度下降，導(dǎo)致脊柱前柱失去支撐作用，內(nèi)固定物長(zhǎng)期過(guò)度負(fù)載，易發(fā)生松動(dòng)甚至折斷，造成局部后凸畸形復(fù)現(xiàn)。臨床上使用較多的橫突間植骨由于遠(yuǎn)離力學(xué)軸線(xiàn)，易被吸收，即便形成骨橋，仍然難以消除椎體間的微動(dòng)，因此不能有效防止斷釘?shù)陌l(fā)生。松質(zhì)骨成形術(shù)因受椎弓根周徑的限制，植骨量少且難以到達(dá)骨缺損區(qū)，已被證明基本無(wú)效。

椎體成形術(shù)的椎體增強(qiáng)作用正是通過(guò)向傷椎骨缺損區(qū)內(nèi)植入醫(yī)用骨水泥，恢復(fù)傷椎的力學(xué)性能，從而減輕內(nèi)植物的應(yīng)力負(fù)荷，以減少術(shù)后并發(fā)癥。在椎弓根釘充分復(fù)位后，直視下實(shí)施椎體成形術(shù)，不僅大大降低了操作難度，而且椎體壓縮性區(qū)域被充分拉開(kāi)后能保證骨水泥對(duì)骨缺損區(qū)的有效填充（圖3），同橫突間植骨相比，它對(duì)脊柱運(yùn)動(dòng)節(jié)段無(wú)干擾，為后期脊柱在矢狀面序列的重建及穩(wěn)定創(chuàng)造了條件。

3.2 椎體成形術(shù)治療胸腰椎爆裂骨折現(xiàn)狀及存在的不足

目前，用于椎體成形術(shù)的人工骨替代材料多為PMMA和CPC，二者均具有良好的生物力學(xué)性能［7］。Cho等［8］在使用椎弓根釘內(nèi)固定治療胸腰椎爆裂骨折時(shí)輔以PMMA椎體成形術(shù)，術(shù)后療效顯著提高，隨訪(fǎng)2.5年，患者的脊柱后凸角度僅有微弱丟失，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)固定物松動(dòng)、斷裂。Oner等［9］將CPC椎體成形術(shù)應(yīng)用于胸腰椎爆裂骨折，亦取得良好的術(shù)后療效。然而，上述兩種材料均存在較大的自身缺陷：PMMA生物相容性差，永不降解，傷椎始終無(wú)法骨性愈合，加之其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于椎體骨質(zhì)，易導(dǎo)致鄰椎繼發(fā)骨折［10］，因此對(duì)于中青年胸腰椎爆裂骨折患者并不適合；CPC雖可生物降解，但速度十分緩慢，術(shù)中一旦漏入椎管，將會(huì)長(zhǎng)期壓迫脊髓或神經(jīng)，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

3.3 CSC椎體成形術(shù)的臨床應(yīng)用價(jià)值

CSC（CaSO4·1/2H2O）經(jīng)由CaSO4·2H2O高壓加熱處理而成，組織相容性好、可顯影、具備成骨誘導(dǎo)性、13周左右生物降解［11］，臨床已用于填充松質(zhì)骨（如橈骨遠(yuǎn)端、脛骨平臺(tái)等）部位的骨缺損。Perry等［12］的體外研究表明，新鮮脊柱壓縮性骨折模型上實(shí)施CSC椎體成形術(shù)后，能完全恢復(fù)椎體的強(qiáng)度（108%）及部分剛度（46%）。但上述結(jié)果是在壓縮性骨折的模型上測(cè)得的，同爆裂骨折模型相比后者能更直觀(guān)的檢測(cè)出骨水泥材料的力學(xué)性能。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)構(gòu)建小牛胸腰椎爆裂骨折模型，為模擬椎弓根釘?shù)膹?fù)位效果，在手法充分復(fù)位的基礎(chǔ)上實(shí)施椎體成形術(shù)。通過(guò)測(cè)量椎體高度發(fā)現(xiàn)，CSC注射后快速硬化，能為椎體提供即刻的支撐強(qiáng)度，維持術(shù)后椎體的高度（19.09 mm/19.22 mm，99%），與PMMA、CPC并無(wú)差別。

為研究椎體成形術(shù)后抗御損傷的能力，實(shí)驗(yàn)主要檢測(cè)椎體的極限抗壓強(qiáng)度和剛度這兩項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，以評(píng)估CSC的生物力學(xué)性能。結(jié)果表明：經(jīng)CSC椎體成形術(shù)后椎體的極限抗壓強(qiáng)度（1 659N）小于PMMA（2 821 N），為正常椎體（2 439N）68.0%（t=2.85，P=0.029），但高于CPC（1 011 N）（t=6.19，P0.05）。

作者認(rèn)為，與采用新鮮人體標(biāo)本測(cè)得的力學(xué)參數(shù)比較，小牛脊柱的某些參數(shù)要小于前者［13］，但采用新生小牛脊柱標(biāo)本，能夠最大程度的保證樣本的均一性，避免人體標(biāo)本可能出現(xiàn)的因年齡、性別、體質(zhì)等差異對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響及可能形成的誤差。此外，本實(shí)驗(yàn)采用單椎體模型，行椎體上終板垂直恒速加載，為求測(cè)量準(zhǔn)確，力學(xué)實(shí)驗(yàn)前已將椎間盤(pán)及其它軟組織剔除，有助于更好地反映椎體的力學(xué)特點(diǎn)。

CSC椎體成形術(shù)后的椎體強(qiáng)度雖低于正常椎體，但若結(jié)合椎弓根釘?shù)绕渌鼉?nèi)固定方式則能極大的分擔(dān)內(nèi)固定物的應(yīng)力負(fù)荷，進(jìn)而降低其松動(dòng)、折斷的發(fā)生率。此外，一些學(xué)者認(rèn)為椎體成形術(shù)后較小的椎體剛度能夠減輕相鄰椎體的退行性變［9］，減少鄰椎骨折的發(fā)生，這一點(diǎn)與PMMA相比，具有極大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

綜上所述，CSC椎體成形術(shù)能夠重建椎體強(qiáng)度，恢復(fù)傷椎力學(xué)性能，輔助椎弓根釘用于治療胸腰椎爆裂骨折是安全可行的，但由于該材料可降解、吸收，能否取代PMMA而用作骨質(zhì)疏松病人的椎體壓縮性骨折，尚需在體實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究。

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篇10

【摘要】［目的］利用工程力學(xué)分析軟件CatiaV5，模擬在不同的肩關(guān)節(jié)功能位置上、間接沖擊暴力所致肱骨骨折的受傷力學(xué)機(jī)制和力學(xué)環(huán)境，為認(rèn)識(shí)和治療肱骨骨折提供生物力學(xué)依據(jù)。［方法］采用高分辨率的人體肩關(guān)節(jié)斷層解剖圖作為三維重建的數(shù)據(jù)源，選取自鎖骨頂端至肱骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面、共380層的斷層圖像，層厚1mm，按照點(diǎn)、線(xiàn)、面的建模方式，先建立人體肩關(guān)節(jié)的三維幾何模型，再予網(wǎng)格化，建立人體肩關(guān)節(jié)的三維有限元模型，利用該模型，模擬在12個(gè)不同的肩關(guān)節(jié)功能位置上（外展30°、45°、60°、90°、同時(shí)合并內(nèi)旋、中立、外旋）、肱骨受到分級(jí)加載的軸向沖擊載荷時(shí)的骨折位置以及瞬時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變狀況。［結(jié)果］根據(jù)肱骨在不同的功能位置上載荷－應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，載荷從0～250N時(shí)，呈線(xiàn)性變化，后為非線(xiàn)性期，卸載后，殘余骨變形；隨著載荷的增加，肱骨干的應(yīng)變隨之增加。當(dāng)肩關(guān)節(jié)的外展位置由90°逐漸變?yōu)?0°時(shí)，肱骨干上內(nèi)外側(cè)應(yīng)變逐漸增加，內(nèi)外旋45°時(shí)應(yīng)變比中立位時(shí)增加顯著；同時(shí)，肱骨干內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力不同，內(nèi)側(cè)應(yīng)力大，外側(cè)應(yīng)力小，內(nèi)外旋時(shí)，肱骨干的應(yīng)力增加更快、更大。［結(jié)論］在肩關(guān)節(jié)不同的功能位置上，三維有限元分析逼真地模擬出各自不同的肱骨應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)值及骨完整性受到破壞的三維圖像、骨折線(xiàn)的大體走向；肱骨骨折的三維有限元模擬和分析是研究與骨折相關(guān)的力學(xué)原理的非常有價(jià)值的方法。

【關(guān)鍵詞】間接暴力；肱骨骨折；三維有限元；模擬

Abstract：［Objective］Tosimulatethebiomechanicsmechanismandenvironmentofhumeralfracturecausedbyindirectimpactforceforthepurposeofbiomechanicsunderstandingandtreatmentofsuchfracture.［Method］Basedonthedatasource,whichwashighresolutionanatomicsliceimagesfromapproximalclavicletodistalhumerus,1mmthicknessandtotally380layers,thegeometricmodeloftotalshoulderjointwasestablishedaccordingtotheorder:point,line,area,andfurthermeshedtosetupthethreedimensionfiniteelementmodelofshoulder,fracturesitesandinstantaneousstressandstrainofhumerusweresimulatedandanalyzedundertheconditionwhichlongitudinalimpactforcewasloadedonthehumerusbasedonthe12functionalpositionsofshoulder(abduction30°、45°、60°、90°,andsimultaneousneutrality,internalrotation45°,externalrotation45°).［Result］Accordingtothehumeralshaftloadstraincurveindifferentfunctionalpositionsofshoulder,linearrelationwasfoundwhenloadchangedfrom0Nto250N,afterwhichnonlinearcomeout,andevenloadwasremoved,bonewasdeformedeternally.Withtheriseinloadamount,theincreaseinstresswasdetected.Whenabductiondegreechangedfrom90°to30°,thestrainofhumerus,boththelateralandthemedialincreasedgradually,andincreaseininternalrotation45°andexternalrotation45°wasmoresignificantthanthatinneutrality.Meanwhile,stressdifferencecouldbeseenbetweenthelateralandthemedial,andmedialwaslargerthanthelateral.Increaseinstressinrotationpositionswasquickerandmorethanthatinotherfunctionalpositions.［Conclusion］Basedon4abductiondegrees(30°,45°,60°,90°)and3rotationdegrees(neutrality,internalrotation45°,externalrotation45°),thethreedimensionalfiniteelementshouldercouldsimulatepreciselystress,strain,generaltrendoffractureline,threedimensionimagesofbonefailure.Threedimensionfiniteelementsimulationandanalysisofshoulderisavaluablemechanicalmethodforresearchonbiomechanicstheoryrelatedtohumerusfracture.

Keywords：indirectimpactforce;humerusfracture;threedimensionalfiniteelement;simulation

臨床上，肱骨骨折的發(fā)生率并不少見(jiàn)。目前，對(duì)于肱骨骨折確切的損傷機(jī)制尚缺乏較深刻的了解，較透徹的闡明肱骨骨折的機(jī)制方面的知識(shí)對(duì)于肱骨骨折的預(yù)防和治療將會(huì)產(chǎn)生重要的指導(dǎo)意義。本研究就是利用人體肩關(guān)節(jié)的三維有限元模型，模擬不同的軸向沖擊載荷下，肱骨的形變情況，并顯示其動(dòng)態(tài)過(guò)程，探討肱骨骨折的受傷應(yīng)力機(jī)制。

1材料與方法

1.1肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的幾何實(shí)體重建

采用高分辨率的人體肩關(guān)節(jié)斷層解剖圖作為三維重建的數(shù)據(jù)源，按照點(diǎn)－線(xiàn)－面－體的方式建立肩關(guān)節(jié)的幾何實(shí)體形狀，可以分別顯示皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、軟骨及髓腔結(jié)構(gòu)，在CatiaV5運(yùn)行平臺(tái)上可以任意角度轉(zhuǎn)動(dòng)，觀(guān)察模型的解剖結(jié)構(gòu)和方向（圖1）。

1．2肩關(guān)節(jié)三維有限元模型的構(gòu)建

肩關(guān)節(jié)的三維實(shí)體建模完成后，根據(jù)材料特性的不同，定義軟骨、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨材料力學(xué)參數(shù)（表1）。選用10節(jié)點(diǎn)的四面體單元，該四面體具有6個(gè)方向的自由度，在CatiaV5運(yùn)行平臺(tái)上，定義肩關(guān)節(jié)的各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)，選擇中上等精度的自動(dòng)網(wǎng)格劃分模式，對(duì)肩關(guān)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格化，生成3977個(gè)節(jié)點(diǎn)（nodes）、20919個(gè)四面體單元（elements）（圖2）。表1肩關(guān)節(jié)的材料力學(xué)參數(shù)（Joseph.A等2002年）

1.3肩關(guān)節(jié)不同功能位置上肱骨骨折的三維有限元模擬

啟動(dòng)CatiaV5的結(jié)構(gòu)模塊。根據(jù)盂肱關(guān)節(jié)面的接觸關(guān)系，及肱骨頭的旋轉(zhuǎn)中心的確立，固定肩胛骨相對(duì)不動(dòng)，將肱骨分別從0°位外展到30°、45°、60°、90°每個(gè)位置上；分別設(shè)定3種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)：中立位、外旋45°、內(nèi)旋45°，從而將肩關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)功能過(guò)程分割成12個(gè)不同的功能位置。在每一個(gè)位置下，根據(jù)盂肱關(guān)節(jié)面接觸區(qū)域的位置和范圍，設(shè)定肱骨的邊界約束，限制其所有方向的自由度。

自肱骨遠(yuǎn)端分別加載以0.1s梯度增加的300N軸向沖擊載荷，載荷持續(xù)時(shí)程為1s，同時(shí)自肱骨大結(jié)節(jié)加載50N水平恒定載荷，啟動(dòng)CatiaV5的求解模塊，計(jì)算機(jī)進(jìn)入沖擊受力分析模塊程序。運(yùn)算結(jié)束后，得到動(dòng)態(tài)顯示的加載－形變過(guò)程，分析其應(yīng)力分布和骨折移位狀況。根據(jù)圖像的模擬結(jié)果，我們可以判斷不同的功能位置上的骨斷裂的位置和移位方向，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的斷裂度判斷骨折線(xiàn)的大致走向。

2結(jié)果

計(jì)算機(jī)運(yùn)算結(jié)束后，得到12個(gè)功能位置上、暴力載荷下的肱骨應(yīng)力、形變趨勢(shì)，并且動(dòng)態(tài)展示出來(lái)。本文以45°外展位為例(圖3～5)；此外，通過(guò)鼠標(biāo)取值，可以記錄肱骨上的平均應(yīng)變值（圖6），從而進(jìn)一步繪制載荷－應(yīng)變曲線(xiàn)（圖7），了解肱骨隨載荷變化的生物力學(xué)規(guī)律。

3討論

3.1本研究中骨折模擬的力學(xué)合理性

造成骨折的原因有內(nèi)因和外因兩個(gè)方面，前者是指骨結(jié)構(gòu)本身的特性，例如材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，后者是指骨骼受外力的方向、大小、變化速度以及肢體的空間位置等［1］。對(duì)于肱骨骨折而言，常見(jiàn)于摔倒時(shí)，上肢撐地，沖擊載荷在較短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)間接傳遞作用于骨骼，造成骨折［2］；同時(shí)，由于人體上臂具有靈活的運(yùn)動(dòng)范圍，故摔倒時(shí)，肱骨可以有多個(gè)不同的功能位置，而這種位置直接影響骨骼的受力矢量，因此，本研究在前期肩關(guān)節(jié)三維有限元模型和肩關(guān)節(jié)試驗(yàn)力學(xué)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，模擬不同功能位置上的肱骨骨折狀態(tài)，是符合肩關(guān)節(jié)生物力學(xué)原理的［3］。

3.2三維有限元分析法模擬肱骨骨折的優(yōu)勢(shì)所在

肱骨發(fā)生骨折時(shí)，由于其瞬時(shí)性的特點(diǎn)，往往很難重復(fù)其具體過(guò)程，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。試驗(yàn)研究的條件下進(jìn)行骨折力學(xué)分析時(shí)，當(dāng)載荷超過(guò)骨的極限強(qiáng)度時(shí)，骨小梁斷裂，骨結(jié)構(gòu)的完整性破壞。目前的力學(xué)記錄儀器尚不能記錄峰值強(qiáng)度以后的骨應(yīng)力和骨應(yīng)變，特別是骨的內(nèi)部力學(xué)狀況，所以，用試驗(yàn)的方法研究骨折的力學(xué)機(jī)制存在著明顯的不足，它不能提供骨折完整過(guò)程的信息，故本研究嘗試用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，憑借工程力學(xué)的軟件，按照生物力學(xué)的原理，去研究肱骨骨折的損傷機(jī)制，是對(duì)試驗(yàn)力學(xué)有力的補(bǔ)充和完善。運(yùn)用三維的視覺(jué)環(huán)境，高度形象地模擬骨折的形變和應(yīng)力分布。作為一項(xiàng)被運(yùn)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)技術(shù)，三維有限元分析法可以高度模擬物體結(jié)構(gòu)與材料的特性；既可以精確地反映區(qū)域性的信息，又可以完整地反映全域性的信息；既可以進(jìn)行精確的計(jì)算分析，又可以從事形象的、直觀(guān)的定性研究，分析研究的重復(fù)性好，應(yīng)用面廣，適應(yīng)性強(qiáng)，可以反復(fù)使用，無(wú)損耗，能夠通過(guò)模擬分析的方法研究實(shí)驗(yàn)方法所不能研究的工況（或生理狀況），得到客觀(guān)實(shí)體實(shí)驗(yàn)法所難以得到的研究結(jié)果［4］。

3.3有限元模擬肱骨骨折受傷機(jī)制的臨床意義

從肱骨骨折的三維有限元?jiǎng)討B(tài)模擬圖像資料上看，當(dāng)關(guān)節(jié)盂實(shí)施邊界約束、肱骨大結(jié)節(jié)加載基礎(chǔ)載荷、于肱骨遠(yuǎn)端加載以0.1s梯度增加的300N沖擊載荷時(shí)，應(yīng)力逐漸由肱骨遠(yuǎn)端移向骨干部，隨著力的傳遞，壓力集中在肱骨頸干交界部位和干部上段部分，應(yīng)力在其前側(cè)和/或內(nèi)側(cè)達(dá)到最大聚積；而與此同時(shí)，與關(guān)節(jié)盂相接觸的肱骨關(guān)節(jié)面的部分，應(yīng)力也逐漸增加，這兩個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域在沖擊載荷作用下，應(yīng)力增加不顯著。骨應(yīng)變圖提示這個(gè)區(qū)域此時(shí)承載的載荷逐漸轉(zhuǎn)成張力區(qū)，2種載荷交界區(qū)域即是骨小梁承受彎曲最大的部位，當(dāng)能量完全釋放，骨小梁斷裂，骨折線(xiàn)產(chǎn)生，遠(yuǎn)段肱骨部分移向后側(cè)或/和外側(cè)。應(yīng)變是應(yīng)力作用于骨組織的的結(jié)果，伴隨著應(yīng)力的變化，肱骨上應(yīng)變發(fā)生變化，骨形變不可避免。另外，作者看到，在12個(gè)不同的功能位置上，相同的加載時(shí)，肱骨的應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生了轉(zhuǎn)移和變化。當(dāng)從30°90°外展時(shí)，高應(yīng)力區(qū)由內(nèi)側(cè)逐漸轉(zhuǎn)向外側(cè)，而以60°外展外旋位置上應(yīng)力最高，達(dá)3.13MPa。也就是說(shuō)在這個(gè)位置上摔倒時(shí)，骨骼承受最大的應(yīng)力，骨應(yīng)變?cè)诖藚^(qū)域最大，故骨折發(fā)生率較高，特別對(duì)于本身骨強(qiáng)

度減弱的情況下（例如、

圖1肩關(guān)節(jié)的三維幾何實(shí)體重建圖像圖2肩關(guān)節(jié)的三維網(wǎng)格化圖345°外展中立位的骨折形變模擬過(guò)程（ae.形變過(guò)程；f.骨折線(xiàn)的走行）圖4

45°外展內(nèi)旋位的骨折形變模擬過(guò)程（ae.形變過(guò)程；f.骨折線(xiàn)的走行）

圖545°外展外旋位的骨折形變模擬過(guò)程（ae.形變過(guò)程；f.骨折線(xiàn)的走行）圖6箭頭所指為鼠標(biāo)取值圖7外展45°位置上中立位、外旋45°、內(nèi)旋45°時(shí)肱骨干上載荷－應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)質(zhì)疏松時(shí)），在30°外展位置上易發(fā)生由肱骨外科頸和肱骨上段后上向前下的骨折移位［5］；而在90°外展加載時(shí)，骨折線(xiàn)接近橫行走向，因此可以推測(cè)在健康人群中，肩關(guān)節(jié)30°～90°范圍摔倒時(shí)，骨折線(xiàn)由斜形逐漸變成橫行，且肱骨外科頸和肱骨上段時(shí)更易于骨折和移位置［6,7］。

此外，不同的肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)位置對(duì)肱骨骨折也產(chǎn)生一定的影響。從圖像中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)旋和外旋時(shí)，肱骨上的應(yīng)力分布發(fā)生轉(zhuǎn)移。內(nèi)旋時(shí)，高應(yīng)力區(qū)移向肱骨的前外側(cè)，外旋時(shí)，高應(yīng)力區(qū)移向肱骨的內(nèi)側(cè)，并伴隨骨折線(xiàn)出現(xiàn)部位的轉(zhuǎn)移。根據(jù)動(dòng)態(tài)模擬圖像中，可以清晰顯示骨折的動(dòng)態(tài)現(xiàn)況，且可以反復(fù)回放，任意提取任何一個(gè)需要的信息。

3.4肩關(guān)節(jié)有限元模擬分析的應(yīng)用前景

本研究中所建立的肩關(guān)節(jié)三維有限元是一個(gè)良好的生物力學(xué)研究工具，利用它，不僅可以對(duì)關(guān)節(jié)的骨性結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，同時(shí)通過(guò)建立三維連接單元，還可以重建肩關(guān)節(jié)的任一個(gè)軟組織結(jié)構(gòu)；通過(guò)這些軟組織的試驗(yàn)力學(xué)測(cè)試，獲得相關(guān)的材料參數(shù)，同樣可以將軟組織的有限元模型建立起來(lái)，繼而進(jìn)行力學(xué)分析。本論文僅僅對(duì)肱骨骨折實(shí)施了有限元的模擬，使用同樣的方法，可以對(duì)其他肩關(guān)節(jié)的其他結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理進(jìn)行模擬，如鎖骨骨折、脫位、肩胛骨骨折、盂肱關(guān)節(jié)的脫位、慢性肩關(guān)節(jié)不穩(wěn)、肩峰撞擊癥等。

總之，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及力學(xué)分析軟件的不斷完善，三維有限元分析法一定會(huì)在骨關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

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