生物力学实验方法范文

导语：如何才能写好一篇生物力学实验方法，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

九年制义务教育生物教材的最大特点之一就是增加了大量的实验，其目的在于加强生物学料的实验教学，培养学生的观察能力和实验能力。

所谓实验能力包括以下几个方面：①操作能力：熟练使用显微镜、解剖器、安装实验装置、自行设计各种实验步骤、采集制作植物、动物标本；②获得知识的能力：即在实验过程中通过聆听、观察、阅读、质疑、记录分析实验结果等途径获得知识的能力；③整理分析能力：通过表解、图释记录实验的结果，对实验现象进行分析整理，找出实验成败原因，并能解释实验现象，写出实验报告；④解决问题能力：学生应用与实验有关的知识寻求解答问题的能力。那么我们应该如何培养学生的实验能力呢？在生物实验教学中，我首先根据学生不同的年龄特征和心理特征，采取以下不同的组织形式，循序渐进地培养学生的实验能力。

一、模拟实验

刚进中学的初一学生好奇心强、好动，他们做实验时，注意力分散在实验仪器及用品上，不注意听讲、看老师的示范，在实验过程中不认真操作，观察实验现象不细致。此时。我一般采取模拟方式进行实验。如《显微镜的作用》一课，先讲解显微镜的结构和作用，操作显微镜边讲要点、边做示范，学生边模仿操作。这样模仿操作完显微镜后，再让学生独自操作一两遍，经过几次这样的训练后，学生就基本上学会了显微镜了。模拟实验教学方法的好处是有利于培养学生认真、细致、严谨的科学态度，规范学生的实验操作。

二、分段实验

在模拟实验的基础上，再以分段实验的方式训练学生。如在《用显微镜观察植物的细胞》一课，把实验分为制作并观察洋葱表皮细胞、制作并观察番茄果肉细胞、观察叶表皮永久装片三个阶段。每个阶段实验过程是老师先讲实验操作的要领、做示范，然后学生再独立操作、观察。学生操作观察时老师巡回辅导，一个阶段完成后在进行下一个阶段。各个阶段完成后，老师以问答的方式让学生说出观察到的实验现象：洋葱表皮细胞近似长方体，番茄果肉细胞近似球体，叶表皮细胞形态不规则，但它们都有细胞壁、细胞质、细胞核。老师再补充说明，植物细胞都有细胞膜，但由于它太薄，而且紧贴细胞壁，用光学显微镜是不易观察到的，最后引导学生得出结论，植物都是由细胞结构成的，不同的细胞形态不同，但它们都有相同的结构——细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核。分段实验不仅给学生提供独自操作的机会，培养学生独立操作能力，而且在教师的引导下，使学生逐渐学会观察实验现象、收集实验资料，归纳总结得出结论，从而主动获得知识。

三、独立实验

经过一段时期分段实验的训练后，学生可以在老师的指导下，独立操作实验。方法是实验前，学生在老师的指导下，认真熟悉实验目的、方法、步骤、实验所需的药品、材料。教师提出实验要求，讲清要点，然后再让学生独立操作。教师在操作过程中巡回指导，若发现带共性的问题，要让全班停下来，统一纠正后再继续实验，最后总结实验，指导学生完成实验报告，这样就进一步培养了学生独立实验的能力。通过以上的组织训练后，学生能比较熟练地使用显微镜；能用解剖器解刨小动物；学会植物标本和昆虫标本的采集、制作、初步具备了独立实验的能力。

四、开展课外活动，进一步培养学生的实验能力

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【关键词】物理学史科研方法 渗透

从物理学的发展历史来看，随着物理学研究内容的变化，物理学的研究方法也在变化着，并不断得到丰富和提高。在古代，人们主要是靠不充分的观察和简单的推理，直觉地、笼统地去把握物理现象的一般特性。随着近代自然科学的兴起，观察方法就从以自然观察为主发展为以仪器观测为主。科学实验和数学方法相结合，使精确的、定量的物理学研究有了很快的发展。整理事实材料的需要，也促进了分析、归纳和演绎等逻辑方法的发展。这一时期科学方法的发展，使物理学作为一门实验科学的特点显著地呈现出来。

物理学家们的科学研究方法很多，在教学中我们可以向学生渗透以下几种：

一、观察

物理学是一门实践性很强的学科，概念的建立和物理规律的发现往往离不开对自然现象的观察。所以培养学生学会观察、勤于观察的习惯，对物理课的学习肯定会有较大的帮助。物理学史中许多重要发明、发现同样是科学家善于观察的结果。比如意大利物理学家伽利略，1853年在比萨教堂注意到一盏悬灯的摆动受到启发，用线悬铜球模拟单摆实验，确证了微小摆动的等时性和摆长对周期的影响；德国物理学家伦琴在进行阴极射线实验时，注意到放在射线管附近氰亚铂酸钡的小屏上发出微光，从而发现了X射线（伦琴射线）。这些事例都说明观察的重要性。培养学生观察能力和观察习惯，可以起到巩固消化、加深理解的作用。

二、实验

物理学是一门以实验为本的科学，物理理论来源于实验，并且还必须经过实验的检验，可以说没有实验就没有物理学。比如富兰克林的风筝实验，在风雨交加的情况下，利用风筝将大气中的电收集到莱顿瓶中使其充电，证明了“闪电和静电的同一性”；比如光的颜色问题，从亚里士多德到迪卡尔都认为“白光是纯洁的、均匀的，是光的本质”，而色光只是光的变种，但是他们都没有像牛顿那样做过认真的实验验证，大约在1666年牛顿用棱镜进行光的色散实验，终于得出“白光是由各种折射程度不同的彩色光组成的非均匀混合体”的科学结论。

三、类比

类比是根据两个事物在某些方面的相同、相似推论它们在其他方面也可能相同相似。比如荷兰物理学家惠更斯，就是用类比的方法根据光也像声波那样能发生反射、折射，而提出光是一种波动的假说的，从而为光的波动理论奠定了基础；法国物理学家德布罗意用类比的方法根据光的波粒二象性而推论微观粒子也具有波动性，提出了物质波的概念；库仑就是从牛顿的万有引力定律中得到启发，把电荷之间的作用力类比万有引力，推论电力也像万有引力一样服从平方反比定律，从而发现了库仑定律。如果没有类比的方法，单靠实验数据的积累不知到何年何月，才能得到严格的库仑定律的表达式。类比推理是科学研究中行之有效的方法之一，在物理教学中可以启迪学生思维，寻找思维途径。当然，类比推理的结论要经过实践的检验，这里不再赘述。

四、假说

物理学中的发现往往先建立在假说的基础上，再经过理论推导或者实验验证最后证实。麦克斯韦在物理学中的最大贡献是建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论，预言了电磁波的存在。而这种理论预见后来得到了充分的实验证实（赫兹实验）。假设推理在物理教学中经常应用的方法，如静电场中电场线，等势面是否相交，还有建立在假说基础上的一些理想实验等。

五、模型

中学物理教学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，便于发掘事物的内在规律从而使抽象的假说的理论形象化，便于思考问题。物理学史中涉及的模型是很多的。

力学中的质点、单摆、弹簧振子、光滑平面、完全弹性碰撞……

热学中的理想气体、平衡态绝热过程……

电学中的电荷、无限长导线、电力线、磁力线、纯电容和电感电路……

原子物理学中的原子“核式结构”、玻尔模型、基本粒子的各种模型……

在物理学史上，一些物理模型的提出、修正、完善和被新的模型所取代的过程，就是人类认识自然能力不断提高的过程。

物理学的思想和方法是在物理学发展过程中，在物理学家长期的科学实践中，逐步摸索、积累、形成和发展起来的，是人类智慧的结晶。它已经渗透到许多学科的研究中去，成为现代科学研究和处理问题的重要思想和方法。学生了解和掌握这些思想和方法，对于今后从事任何研究和工作，对于解决和处理各种问题，都是很有用的，是终生受益的。

【参考文献】

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演示实验

多数演示实验操作简单效果明显，但也有部分实验按传统的操作方法进行，实验效果较差，达不到预期目的，对于此类实验，教师必须努力创造条件，改进实验方法，增加实验的可见度，便于学生观察。例如“磁场和磁感应线”在中学物理中是2个非常抽象的概念，要让学生建立起这2个概念，必须借助实验。传统的实验方法是将一块磁铁放在玻璃板上，在其上均匀撒些细铁屑，然后轻敲玻璃板，再由教师手托玻璃板绕教室一周，让学生在玻璃板下面直接观察细铁屑的排列情况。这样既浪费时间，同时也不便于观察。如果把玻璃板放在投影仪上，利用投影将细铁屑排列情况反映在大屏幕上，效果会非常好，既节省时间又增加实验的可见性，便于学生观察实验现象。对于部分演示实验，也可以转化为探究性实验。例如关于“浮力的测量”这一实验，在课标中为演示实验。教师完全可以让学生自己动手，利用所给器材测出浮力大小，既锻炼学生的探究能力，又让学生在解决问题的探究过程中获得成功的喜悦。

分组实验

分组实验是培养学生动手能力的重要手段，学生通过亲自实验，熟练掌握操作技能，巩固和验证他们所学的理论知识。因此，教师要认真组织好每一次的分组实验，做到目的明确、要求具体、指导到位。例如“在长度测量中”要求学生掌握刻度尺的“六字”规则，即：1选、2观、3放、4看、5读、6记。这样就可以比较准确测量物体的长度。为了调动学生学习的积极性，也可以把有些验证性实验改为探究性实验，如验证阿基米德原理的实验。具体做法：让学生选实验仪器，根据自己猜想分别进行实验，探究浮力大小与物体密度、液体密度、物体浸在液体中的体积的关系；然后组织学生分析、讨论实验结果，总结得出阿基米德原理的内容。这样既调动每一个学生学习的积极性，又能培养他们自我发现问题、解决问题的能力。

家庭实验

对于教材中安排的家庭实验，教师要鼓励学生积极参与、独立思考、自筹器材、大胆尝试，创造性地运用所学知识，完成家庭小实验。但教学中，笔者发现大多数学生对此实验都有畏难情绪，缺乏应有的自信而不愿意去尝试。为此，笔者有意向学生介绍牛顿、钱学森等中外科学家的事迹，帮助他们树立信心，激发他们的欲望。如在学习“牛顿第一定律”的过程中，笔者抓住时机，适当地向学生介绍牛顿这位人类科学史上的“奇人”，告诉他们牛顿中学时代学习成绩并不出众，只是爱好读书，对自然现象有好奇心，喜欢别出心裁地做些小发明、小实验，自己动手制造各种实验设备。为了制造望远镜，他自己设计研磨抛光机，实验各种研磨材料，终于在公元1668年制成第一架反射望远镜样机。通过介绍科学家的事迹，大大激发学生的学习热情，很多学生都自愿参与其中。同时，教师还要利用一定的时间对学生的创作成果进行交流和评价，引导学生向更高层次发展，对学生都极具诱惑力。

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一、生物实验教学中培养学生思维方法存在的问题

目前中学生物实验中，教师对学生思维方法的培养上存在一些问题。一方面，教师给予学生过多过细的指导，学生缺少探索、自由发展的情境，不利于发展学生的探究能力，更不利于学生应对当今的高考模式；另一方面，学生不能使知识成为解决实际问题的思维方法。在实验课上，常常反映出理论归理论，不能有效地把所学的理论彼此联系，灵活地应用于实验，不能使知识成为一种动态的知识。鉴于以上出现的问题，我们每一个高中生物教师都应该转变思路，重视实验教学中的思维方法与实验设计训练。

二、生物实验教学中学生思维方法与探究能力的培养

1.重视经典实验的教学，让学生学会科学实验的思维方法。大多数的生物概念、原理和规律都是建立在实验基础上的。我们应仔细分析书中的经典实验，比如演示实验（渗透作用实验装置）、模拟实验（基因的分离定律）、验证实验（植物细胞质壁分离和复原实验）、杂交实验（孟德尔豌豆杂交实验）、探究实验（生长素发现实验）等，同时引导学生学习经典实验设计的技巧、科学的研究方法（观察实验——提出问题——作出假设——反复实验——验证实验——形成规律）。严谨的、实事求是的科学态度和持之以恒的科学精神，有助于培养学生建立科学实验的思维方法。例如“孟德尔的基因分离定律研究”成功的原因在于：实验材料选择适当；有科学的实验设计程序（假说—演绎法）；有科学的研究方法（先研究1对相对性状，再研究多对相对性状）及统计方法（观察子代性状分离现象，统计每一种子代数目）等。

2.开放实验室，让学生边动手边领悟实验的各个关键环节。课本中的实验和其他知识点一样是基础知识、基本能力的载体，在最近几年的生物高考题中也有意识地强调这一点。因此，在高三复习中，我们应尽量让学生亲自动手做实验，将《考试说明》中所列的实验从实验目的、原理、方法和操作步骤等方面进行综合分析，掌握相关的操作方法和技能，并能综合运用其解决问题。

例如，2011年江苏高考第10题（题目略）。本题考查的是书本实验的综合，涉及用显微镜观察多种多样的细胞、检测生物组织中的脂肪、观察植物细胞的质壁分离和复原。这道题的关键在于把握题干中的“直接”二字。在光镜下可看到的对象有较大的如液泡；本身有颜色的，如叶绿体；或者经特殊染色的，如染色体、线粒体、脂肪。B项中的花生子叶和C项中的线粒体因未作染色，所以不可见；D项中的紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞内体积相对较大的紫色液泡，占据了很大的视野，因而也不易观察到细胞核。要想能正确地解答此类题，教师要引导学生对教材中的基本实验有一个清楚的认识，尝试从实验情境的角度来分析确认相关描述的准确性。如果我们在平时的教学中让学生亲自动手做实验，那学生的解题能力就会大大提高。正如一位专家所讲：“不做学生不知，老师也未必知。”

3.借助实验思维进行试题分析，提高学生解决问题的能力。在平时的教学中，我们引导学生进行题目分析时，一方面要让学生借助实验思维，排除干扰信息，提高解决问题的能力；另一方面让学生借助实验思维，依据实验目的，提高表达能力及归纳、比较、推理等逻辑思维能力。

例如，2011年江苏高考第31题（题目略）。本题中对怎么操作交代得很清楚，为什么要这样操作，还要注意什么问题，则需要考生在本题的情境下作出仔细的分析和推理，学生只有具备较强的思维能力，才能很好地解答本题。2011年江苏卷28、30、31三大题均为实验分析题，有各自的情境，提供信息的渠道丰富，问题的角度也有所不同，但都很强烈地传递了一个信号——重视生物实验思维分析，重视学生实验探究能力的考查。因此，我们在平时的教学中一定要充分意识到实验题的重要性，训练学生解答实验题的思维能力。

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关键词：膨胀教学；实验平台；思考能力

软组织力学特性是生物力学教学中的重要内容，对于解释疾病的发生发展具有重要的作用，不同组织（包括正常组织和病理组织）的力学特性不同，其临床表现也不同。可见，了解软组织的力学特性对于医生深入认识疾病具有重要的意义。而对于我校生物力学课程的授课对象一医学相关专业学生而言，使他们了解力学特性的相关知识和方法就显得非常必要。

目前，软组织力学特性的实验方法主要包括拉伸实验和整体膨胀实验，拉伸实验主要针对软组织的条状试件进行单轴或双轴拉伸，利用实验机记录轴向或双方向的载荷位移数据，通过数据处理获得材料的力学特性。拉伸实验操作简单、所用设备标准规范，数据处理方便等，但对于具有特定性状的软组织而言，通过拉伸实验无法获得准确的力学响应，整体膨胀实验则可以在不破坏软组织形状的基础上，模拟生物体在体时的生理状态，通过对整体软组织进行加压，进而获得软组织形变随压强的变化规律。

可见，对于具有特性形状的软组织材料，通过整体膨胀实验获得的力学响应更符合生理实际，获得的力学特性更准确，该方法是目前研究软组织力学特性的重要实验方法。对于生物力学实验和实践教学而言，让学生了解生物力学领域的重要研究方法是重要的教学任务，虽然整体膨胀实验在相关的学生实验和实践工作中很少见到，但是考虑到我校生物力学课程的授课对象为医学相关专业学生，因此，开发满足实验和实践教学需要的整体膨胀实验非常必要。

1.整体膨胀实验平台的设计

整体膨胀实验是在不破坏软组织整体形状的情况下，对整体软组织进行加压，同时记录软组织内压和变形的信息，通过数据处理，获得软组织的力学响应。整体膨胀实验的主要研究对象是管状组织（主要包括血管）和类球缺状组织（角膜、巩膜、虹膜）。通过对血管等管状材料进行整体膨胀实验，可以获得血管直径随血管内压的变化规律；而对于类球缺状材料，则可以得到顶点位移随眼内压的变化或面积变化随眼内压的变化。实际中，我们以管状材料（兔腹主动脉）整体膨胀实验为例，在已有工作的基础上，设计和搭建了整体膨胀实验平台，规范了实验操作流程，统一了图像和数据处理等流程，获得了管状材料的力学响应和材料特性。

1.1实验测试系统设计 管状材料的整体膨胀实验平台主要包括加压装置和软组织形变图像采集和录系统。具体的实验装置示意图见图1，加压装置为微量注射泵，通过传感器和数据采集分析系统记录加压过程中的压力变化；软组织形变图像采集和记录系统主要包括显微镜、CCD和计算机。实验过程中，通过加压装置对管状材料进行加压，同时采集和记录软组织的变形信息。

1.2实验操作步骤 采用过量麻醉剂将新西兰兔处死，开腹分离腹主动脉，取出试件并置于生理盐水中备用。测量并记录血管壁厚、直径和长度。

将试件两端固定于夹具，将试件置于生理盐水浴内。连接设备，将压力传感器调零。调整试件位置，使CCD拍摄效果最佳。

对血管试件进行预调，通过微量注射泵向血管内注射生理盐水，当血管内压达到100 mmHg时停止注射，并卸载，当血管内压达到0 mmHg时完成一次预调。预调三次后，进行正式实验。

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关键词：有限元 医学 仿真实验

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

有限元分析是一种广泛应用于工程科学技术的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等物理场问题。1956年Turner等人提出有限元（Finite Element，FE）的概念。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。

随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到越来越广泛的重视，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机大多数设计制造已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、生物医学研究等各个领域的广泛应用已使设计水平发生了质的飞跃。

1 医学有限元国内外研究现状分析

有限元方法最早应用于骨科研究，开始于脊柱生物力学[1]。几十年来其在解决生物力学问题上得到了广泛应用，尤其近年来，随着数字及计算机技术的不断进步，有限元法本身已不再是相对独立地研究生物力学性质，它越来越多地与各种动力学模型、参数优化选择、临床放射学与实物测量、有机化学、组织学与免疫组化等方法巧妙结合，使结果更加准确可靠，成为生物力学研究中的一种重要工具。有限元方法在医学上的研究主要包括以下四个方面。

1.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立，直接影响有限元仿真实验结果的精度、计算机计算过程、计算时间的长短，且模型建立的优劣与建模人员的专业素质和有限元知识分不开。现有研究的模型包括：人眼[2]、牙齿及矫正器[3]、脊柱[4]、颅脑骨骼[5]、胃[6]等人体骨骼及器官的三维有限元模型。

1.2 力学实验仿真

A.Pandolfi，F.Manganiello对所建立的人眼角膜模型进行了力学分析[7]。Tammy L HD等对建立的胫股关节三维有限元模型分析了骨骼变形对关节面接触行为的影响以及约束关节运动对接触应力的影响等[8]。

脊柱生物力学仿真是有限元法在生物力学中研究最早、分析最多、临床上应用最广泛的领域。杜东鹏等则对腰椎间盘膨隆的力学机制与腰椎疲劳骨折分别进行了探讨[9]。

头颅及颞下关节也是有限元在生物力学中研究的重点。吕长生等对建立的足部骨组织模型进行有限元分析，为运动损伤或运动鞋的评价等提供了依据[10]。王芳等建立并验证中国人全颈椎有限元模型，用于挥鞭样损伤分析[11]。米那瓦尔・阿不都热依木采用有限元方法，对颌面外科手术术后的颜面软组织形态变化进行预测[12]。

1.3 医疗器械的力学性能评价及优化设计

牙科是有限元法在临床应用中的一大领域，相应的各种牙科固定器材得以研制开发，这些器材的力学性能又是研制过程中重点解决的问题。蔡玉惠等研究了RPA卡环在游离端义齿应用中支持组织的应力分布状况，对RPA卡环的临床应用具有力学上的指导作用[9]。

在内固定钢板方面，张美超等从临床应用出发，利用有限元法对颈前路蝶型钢板进行生物力学模拟分析，得到了与其一致的易断裂部位预测[9]。

在人工关节方面，Heegaard JH等建立了髌骨的计算模型，并且模拟了在人工膝关节中去掉股骨假体对髌骨活动的影响[13]。王永书等对患者胸腰椎爆裂性骨折节段（T12～L2）部位利用有限元进行手术模拟，均与标本模型及术后CT扫描基本相符[14]。

1.4 血流动力学CFD应用

Tarbell JM用FIDAP和Fluent软件进行了血管壁中组织液流动的数值研究[15]。乔爱科等利用有限元分析方法得出冠状动脉搭桥术中对称双路搭桥比单路搭桥具有更合理的血流动力学，可以避免动脉粥样硬化的危险性血流动力学因素，从而减少手术再狭窄的发生[16]。杨金有应用CFD计算流体力学软件进行人体主动脉内血流数值模拟分析，为阐明血管疾病的发病机理提供理论依据[17]。姚伟用计算流体力学软件Fluent计算人体小腿骨间膜组织间隙中蛋白质非均匀分布情况下组织液流动[18]。

2 医学有限元仿真实验方法

通过上述医学有限元研究可得医学仿真实验的方法主要分为四步：（1）通过螺旋CT技术，采集大量的样本图像。运用现有医用物理实验室计算机对样本图像进行建模处理，并进行相关的有限元分析。（2）通过查阅相关国内外资料，针对所需建立模型的生理、物理等参数特性，在几种常用图像处理软件（Mimcs，Proe等）中选取较为合理准确的有限元建模软件。（3）在常用有限元分析软件（ANSYS，Fluent等）中选取较为合理准确的软件对模型进行有限元分析。（4）将有限元分析结果与实际测量数据进行对比，分析有限元模型的准确性。

3 有限元法在医学研究中的优势

有限元法在医学研究中具有四个方面的突出优势：（1）可根据需要产生各种各样的标本，对模型进行实验条件仿真，模拟拉伸、弯曲、扭转等各种力学实验，可以在不同实验条件下模拟任意部位变形、应力/应变分布、内部能量变化、极限破坏分析等情况。（2）标本也可以进行修正以模拟任何病理状态。同一个标本在虚拟计算中可进行无数次加载或组合而不会被损坏。（3）其结果不受实验条件的影响，也排除了实验条件造成的误差，而且可以重复计算，节约成本。（4）利用有限元法进行的模拟实验具有实验时间短、费用少、可模拟复杂条件、力学性能测试全面及可重复性好等优点。

4 医学院校开展医学有限元仿真实验的意义

在医学院校开展医学有限元仿真实验，可以使学生将相关医学、物理、生物等课程的知识综合应用于仿真实验中，给生物医学工程专业学生的毕业设计提供更为广阔的范围，使研究具有更高的水平；激发学生的创新思维和热情，使学生在自主科研创新的基础上，设计相关仿真实验加以验证、研究。同时，开展仿真实验要求教师不仅需要对本专业知识做到“了如指掌”，而且需要教师具有仿真实验相关的医学、物理学、生物学等非本专业学科的专业知识，还要求教师必须掌握螺旋CT扫描技术，Mimics，ANSYS等建模、仿真软件的计算机应用技术。这些知识对于教师实验教学、科研水平的提高具有十分重要而深远的意义。在开展医学仿真实验的基础上，建设医学仿真实验室，不仅可以为学生提供毕业实习条件，加强实习基地建设，而且与医院相关科室进行合作，可以在生物力学基础上预测手术中、长期效果，对医生手术具有较为科学的指导，加强了学校与医院的合作。

5 结束语

建立医学有限元实验有两个关键的问题：（1）医用有限元模型快速准确的建立。模型的快速准确建立可以减少仿真实验所需时间、降低费用、增加仿真的准确性和可信性。（2）建立通用的有限元模型库，为进一步的实验教学和科研打下坚实的基础。因此需要在具体实验实践中逐步探索和积累。

将工程有限元分析同医学结合开设实验课，属于多学科之间的交叉领域，不仅可以提高学生对所学专业知识的综合运用能力，增强学生就业与学习深造的竞争力，而且可以加强多学科教师的教学和科研合作，提高教师的教学科研水平。同时提高相关实验室的利用率，为学生自主开展创新实验提供平台，加强学校和附属医院的教学科研合作，为医学院校提供更为广阔的教学和科学研究领域。

参考文献

[1] Brekelmans WAM，Rybicki EF， Burdeaux BD. A new method to analysis the mechanical behavior ofskeletal parts[J].Acta Ortho Scand，1972，43（5）：301-317.

[2] 杨浩.人眼球物理建模及结合青光眼的生物力学分析初探[D].厦门：厦门大学，2006.

[3] 傅晓峰.上颌牙列及MBT直丝弓矫治器三维有限元模型的建立[J].口腔医学，2006，26（5）：354-355.

[4] 刘耀升.腰椎L4～L5活动节段有限元模型的建立与验证[J].第二军医大学学报，2006，27（6）：665-669.

[5] 何叶松.利用快速成型技术制造仿真人颅脑骨骼模型[J].中国医科大学学报，2008，37（6）：828-830.

[6] 李悦溪.人体胃部三维有限元模型的建立[D].浙江：浙江大学，2007.

[7] A.Pandolfi，F.Manganiello.A model for the human cornea：constitutive formulation and numerical analysis[J]. Biomechan Model Mechanobiol（2006） DOI10.1007/s10237-005-0014-x.

[8] Tammy L HD，Hull M L. A finite element model of the human knee joint for the study of tibia： femoral contact[J].Journal of Biomechanical Engineering，2002，124（3）：273-280.

[9] 张美超.国内生物力学中有限元的应用研究进展[J].解剖科学进展，2003，9（1）：53-56.

[10] 吕长生.计算机辅助活体足建模生物力学方法研究[J].光学技术，2008（34）：236-237.

[11] 王芳.挥鞭样仿真全颈椎有限元模型的建立和验证[J].生物医学工程与临床，2008，12（1）：13-16.

[12] 米那瓦尔・阿不都热依木.计算机辅助颌面外科手术患者的面部软组织有限元模型研究[D].新疆：新疆医科大学，2008.

[13] Heegaard J H， Leyvraz P E， Hovey C B. A computer model to simulate patellar biomechanics following total knee replacement：the effects of femoral component alignment[J].Clinical Biomechanics， 2001，16（5）：415-423.

[14] 王永书.严重胸腰椎三柱损伤后路270°减压内固定术的数字三维可视化手术模型研究[J].浙江创伤外科，2009，14（1）：1-3.

[15] Tada S， Tarbell JM. Internal elastic lamina affects the distribution of macromolecules in the arterial wall： a computational study[J].American J Physiology-heart and Circulatory Physiology，2004，287（2）：905-913.

[16] 乔爱科.单路和双路CABG中血流动力学的比较[J].生物医学工程学杂志，2006，23（2）：295-299.

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【摘要】

目的：观察大鼠急性脊髓损伤后大剂量甲基强的松龙（methylprednisolone，MP）冲击疗法对大鼠骨密度及生物力学的影响。方法: 46只成年健康SD大鼠随机分为对照组、模型组、治疗组等3组。按改良Allen's法建立大鼠急性脊髓损伤模型。治疗组伤后 30min 经腹膜腔注入MP30mg／kg，以后每小时注入 MP5.4mg／kg，维持24h；模型组应用生理盐水替代 MP，处理方法同治疗组。观察模型组与治疗组大鼠在伤后1、3和6个月 BBB 运动功能评分、各组L4椎体、股骨不同部位骨密度及生物力学参数的变化。结果: 术后各时间点模型组与治疗组BBB 评分总体呈增高趋势，治疗组在各个时间点BBB 神经行为学评分均优于模型组（P

【关键词】 急性脊髓损伤；甲基强的松龙；骨质疏松；骨密度；生物力学

［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

急性脊髓损伤（acute spinal cord injury，ASCI）是一种严重的损伤，其病死率、致残率很高。伤后大剂量甲基强的松龙（methylprednisolone，MP）冲击是目前急性脊髓损伤公认治疗方法，它的作用机制复杂。甲基强的松龙早期可以显著增加神经系统兴奋性，改善脊髓血流量，减轻组织损伤［1，2］，但其远期对患者的影响不明确。笔者以通过改良Allen’s法［3］建立大鼠脊髓损伤动物模型，研究大鼠脊髓损伤MP治疗前、后骨密度及生物力学改变情况，推测大剂量 MP 治疗对患者远期疗效的影响。

1 材料和方法

1.1 材料

46只雌性 SD 大鼠，体质量（250±10）g；4％多聚甲醛 PBS（磷酸缓冲液）固定液；甲基强的松龙注射用粉剂（法玛西亚普强有限公司）；DPXL型双能 X 射线骨密度仪（美国Lunar 公司）；858 Mini Bionix 型生物材料力学实验机（美国MTS公司）等。

1.2 实验方法

1.2.1 分组与造模

46只雌性SD大鼠随机等分为对照组（control group，CG）6只，模型组(model group，MG)20只，治疗组（experimental group，EG）20只。造模：将大鼠腹腔麻醉后，常规消毒，以T8棘突中心作长约3cm切口，暴露硬脊膜，采用改良Allen’s装置制备脊髓急性打击伤动物模型，损伤力度为10g×2.5cm。模型制作成功判定标准：打击后损伤处脊髓出血、水肿，大鼠出现摆尾反射，双下肢及躯体回缩样扑动，麻醉清醒后双下肢呈弛缓性瘫痪。治疗组伤后30min 腹膜腔注入MP30mg/kg， 以后每小时注入MP5.4mg/kg，连续注射24h。 模型组以生理盐水替代MP，按治疗组同样方法给药。致伤后每日按压大鼠膀胱促进排尿，定时喂食。

1.2.2 神经行为学评分

评分观察者为非本试验组员。在损伤后1、3、6个月参照 BBB(basso beattie bresnahan locomotor rating scale，BBB) 神经行为学评分法［4］综合评定MG组和EG 组的功能。最小值为 0 分，表示神经行为功能完全丧失；最大值为 21 分，表示行为功能完全正常。

1.2.3 骨密度及生物力学检测

分别于术后1、3、6个月，在麻醉状态下对各组大鼠用双能X射线骨密度仪的小动物测量软件测定右股骨、腰4椎体的骨密度。术后6个月处死大鼠后取各组大鼠的右侧股骨及腰4椎体，去除表面附着软组织，用生理盐水浸湿的纱布包裹后置于20℃冰箱保存。力学检测前室温解冻标本，使用生物材料力学实验机进行股骨3点弯曲和腰椎结构强度实验。股骨3点弯曲实验跨距2mm，加载速度为2mm/min，腰椎结构强度实验加载速度为1mm/min，匀速加载直至标本断裂。每个样本放置在仪器上的位置及方向保持一致。

1.3 统计学处理

采用 SPSS 12.0软件进行统计，计量数据以均数±标准差表示，组间比较采用t检验，P

2 结果

2.1 动物一般情况

模型组和治疗组造模后，大鼠双侧下肢瘫痪，模型组及治疗组各有5只在造模1个月内死亡，模型组有1只在第60天死亡，故均未列入统计。

2.2 大鼠神经行为学评分

治疗组在1、3、6个月 BBB 神经行为学评分均优于模型组，两组相比较差异有统计学意义(P< 0.05，P < 0.01)，见表1。 表1 各组大鼠脊髓损伤后后肢功能 BBB 评分 （略）

2.3 各组骨密度测定

术后1、3、6个月，模型组及治疗组大鼠右侧股骨、第4腰椎骨密度明显下降，与对照组相比差异均有统计学意义(P< 0.05，P

2.4 各组大鼠股骨3点弯曲和腰椎结构强度测定

术后6个月，模型组及治疗组大鼠右侧股骨、第4腰椎骨结构强度均显著降低，与对照组相比有极显著性差异(P

3 讨论

海南医学院学报 Vol.16 No.7 Jul.2010ASCI是一种严重的中枢神经系统损伤。目前临床治疗急性脊髓损伤均按全美急性脊髓损伤随机受控临床试验的方案进行治疗。糖皮质激素药物MP是目前临床上用于干预性治疗急性脊髓损伤的首选药物，其防止继发性脊髓损伤的作用机制可能与抑制脂类过氧化有关物，中和氧自由基，防止神经细胞的凋亡，促进神经系统的复苏［1，57］。文献报道［8］大部分患者都能耐受大剂量MP冲击治疗，部分患者治疗时短时间内可能出现激素应用的不良反应，但其对患者的远期影响还有待进一步研究。本实验通过脊髓损伤后模型组与治疗组神经行为学评分、骨密度及生物力学的测定，对2组骨大鼠骨质疏松的差异进行分析，了解ASCI早期大剂量应用甲基强的松龙对患者的远期影响。

本实验发现，模型组大鼠神经功能受损后随着时间延长有所恢复，但比治疗组差，大剂量MP可以提高运动和感觉恢复，特别是不完全脊髓损伤患者，这也与目前临床应用结果相一致［9，10］。本实验发现造模后1、3、6个月，模型组及治疗组的骨密度明显下降，这与国内外研究相同［1113］。实验也发现造模6个月后，治疗组股骨及腰椎的骨密度要低于模型组，具有显著性差异，这说明大剂量MP远期有可能会加快骨质疏松的进程。

骨生物力学反映骨对抗外力作用的强度，集中体现了骨的材料特性和结构特性，骨质疏松时由于骨量减少与骨结构的改变，直接影响骨的生物力学性能，使骨强度降低［14］，增加骨折的危险性。因此，测定骨的生物力学性能的变化是评价骨质疏松症的一个重要和特殊的指标。本实验发现术后6个月，模型组右侧股骨的3点弯曲试验、第4腰椎压碎试验结果要优于治疗组，说明大剂量MP对大鼠远期骨的生物力学有影响。

以上结果表明，早期大剂量MP治疗ASCI对于阻止或减少脊髓继发损伤，保留脊髓残存功能，提高患者生存质量有重要意义，是治疗急性脊髓损伤的一项有效措施，值得进一步的深入研究和应用。但大剂量MP治疗过程中，有可能加重骨量丢失，加速患者骨质疏松的进程，应建议患者尽量早期进行各种功能锻炼，配合预防骨质疏松药物的长期应用，这样才能提高冲击疗法的安全性和有效性。

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篇8

关键词：排球；跨步垫球；运动学分析

一、前言

排球跨步垫球及以其为基础的各种低姿势垫球是排球比赛过程中使用频率较高的垫球技术动作，它又是各种低姿垫球动作的基础。现代排球教材中，缺乏对其技术动作科学化的描写和分析，导致在现实教学中，教学标准不统一，教学效果也不理想。因此，本文采用三维高速摄影解析技术对跨步垫球技术特点进行分析研究，旨在探寻跨步垫球技术的动作结构特征，丰富和完善排球技术教学和教材理论，给动作技术教学、训练、评价、诊断提供客观的理论依据。

二、研究对象与方法

1.研究对象

研究对象为湖南师范大学男子排球队的3名和湖南师范大学女子排球队的1名主力运动员。研究内容为排球跨步垫球技术。

2.研究方法

本课题的研究方法主要采用实验法，运用三维高清摄像解析系统对优秀排球运动员的排球跨步垫球技术进行运动学的研究。

（1）文献资料法

查阅了中国期刊全文数据库里近二十年来关于排球垫球技术及运动生物力学相关研究的文献资料、相关论文和著作中对排球技术的研究情况和生物力学的研究进展并形成了文献综述，为本研究打下了扎实的研究基础。

（2）专家访谈法

咨询有关的运动生物力学研究专家和教师，向其请教以往写作过的论文中所涉及的实验方法、设计及数据处理和分析等方面的问题。

（3）实验法

采用三维高清摄影图像解析技术，对技术动作的结构特征进行分析。

（4）数理统计法

数据利用QToolS软件和Excel软件对获得的数据指标进行计算和统计。

3.测试程序

模拟比赛情况，受试者进行充分准备活动后，按实验要求，在专家的指导下让四名受试运动员在测试范围内作跨步垫球动作，每名测试对象完成两次跨步垫球，按规范标准进行拍摄（以右侧跨步动作为例）。由现场专家选定效果较好、技术较规范的两名运动员的跨步垫球动作作为分析对象，然后计算数据的平均值。

4.测试方法

采用三维定点摄像的方法，用两部高清摄影机，对实验测试对象的跨步垫球技术进行三维定点拍摄，运用相应的解析系统对其动作技术进行解析，得出测试指标参数。一部置于运动员的右侧，一部置于运动员的前方，两部摄像机主光轴约成 90度，拍摄频率为50Hz。高清录像拍摄，频率25帧/秒，经奇偶场分离后频率相当于50场/秒。采用2台sony FX-2000E高清摄像机拍摄视频。

标定框架采用国家体育总局体育科学研究所的PEAK辐射式三维标定框架，标定精度高。选择被分析的动作时，选择的整个动作位于框架标定范围内。

使用SIMI motion视频解析系统对技术动作进行解析，采用扎齐奥尔斯基人体模型，人体模型取系统软件自带的人体模型，分析数据包括身体重心、躯干、各关节点位移速度、以及各关节和躯干的角度和各时段的时间等数据，所得数据采用数字化滤波法进行平滑处理，截断频率为10，用EXCEL 2000对视讯系统得到的数据进行坐标转换、计算得到运动学数据，并编辑公式计算人体基本平面方程系数以及关节点在各个平面的投影坐标，再用Q-Tools计算关节角度。用Origin7.0做三维坐标图。对解析出的数据进行对比分析与研究，并做参数间的相关分析，运用相关参数数据描述动作过程，建立整个动作结构相关环节间夹角、角速度、角加速度、速度、身体重心等量化指标和参数，揭示动作过程的运动学特点和规律。

三、动作阶段的划分

动作阶段划分是研究技术动作的重要环节。排球运动员跨步垫球技术是由准备姿势、跨步、垫球、随后动作四个环节组成，而对击球效果起决定作用的是跨步和垫球两个环节。为了确定动作结构和时相划分方便，本文首先确定了不同动作阶段的临界点，它可表征各动作阶段基本力学特征与动作质量。我们依照排球跨步垫球动作的顺序把跨步垫球动作分为：跨步阶段（1.4s-3.3s）、击球阶段（3.3s-4.1s）、随后阶段（4.1s-5.2s）。

四、研究结果与分析

1.排球跨步垫球技术下肢各环节运动学分析

（1）膝关节的运动

膝关节的角度特征如下：

从图1中可以看出左、右膝关节角在0～2.64s时段的变化趋势并不相同。2.64s时刻为跨步脚刚着地的时刻。右膝关节角变化曲线在该阶段有一个明显的先下降后上升的过程，而左膝关节则是一个逐步下降的过程。右膝关节在跨步阶段要向前跨出一步完成跨步动作，在跨步过程中右膝关节先屈曲后伸展。在跨步阶段身体重心落在左脚上，此时左脚起着支撑整个身体的作用，并保持重心稳定性，因此左膝关节角在跨步阶段变化很小。在2.64s后，左、右膝关节的变化趋势完全相同，当跨步脚着地后，左、右膝关节开始同时屈曲，降低身体重心。到击球前屈曲值达到最大，身体重心此时处于最低，随后双脚蹬地，同时双臂上摆击球。

跨步垫球技术在跨步阶段膝关节有一个屈膝重心下降的动作，这个动作是跨步垫球技术的重要组成部分，目的是通过拉伸膝关节蹬伸主动收缩肌群，增大肌肉收缩初长度储备弹性势能，同时增加垫球时的垫球距离，为后继膝关节蹬伸动作做好准备。而且在判断来球的方向和速度后通过跨步动作还能及时调整击球的最佳时机和部位。在跨步垫球技术中左膝最大屈曲角度为60.6°。右膝最大屈曲角度为59.89°。下肢屈膝身体重心下降的动作幅度太大或太小都不能产生最佳的蹬伸效果，不利于整个垫球动作的完成。如果膝关节屈曲幅度过大，就会造成膝关节伸肌群过大的对抗负荷，进而影响膝关节的伸展速度及躯干和上肢各环节的整体配合。反之，膝关节屈曲幅度过小，又不能充分拉长伸膝主动收缩肌群，影响主动收缩前弹性势能的储备，进而影响到蹬伸效果。跨步垫球技术下肢的蹬伸动作主要是使髋关节产生向上的运动，通过下肢的蹬伸带动手臂向上摆动，保证击球时动作的稳定性。由于不同运动员的身材和身体素质的不同，因此不同的运动员最佳膝关节的屈曲角度和身体的下蹲深度也不相同。合理的膝关节屈曲角度有助于运动员发挥最佳技术动作。

（2）踝关节的运动

由图2可知：从跨步开始，右踝关节角度不断增大，而左踝关节角度不断减小，这是由于跨步开始时，身体以左脚为支撑，右脚向前方跨出一步，随后身体重心下移，直至跨步结束。由于右脚向前跨步，右踝关节与左踝关节正好相反，不断增大，直至跨步后右脚脚跟与地面接触时增至最大。

2.排球跨步垫球技术动作整体分析

排球跨步垫球合理的动作节奏应该是身体自下位关节至上位关节的速度依次递增。各运动环节的递增量越大，说明动作的动量传递效果越好。跨步垫球技术动作的跨步阶段，单脚向前跨出一步，同时身体重心下移，躯干稍向前倾，双手手臂伸直下压，为后继击球动作调整好击球的时机和方位，同时储备了弹性势能，增加了肌肉收缩做功距离。击球动作阶段，通过下肢蹬伸、躯干和上肢各运动环节的依次加速与制动，将速度传递至手臂，手臂通过从来球的下部向上抬，以达到最佳的击球速度，将球平稳而有力地击出。击球时身体主要环节的活动顺序为膝―髋―肩―肘和手腕。从完整技术动作上看，跨步垫球是在拉长相关主动收缩肌的条件下，首先由下肢肌肉主动收缩用力，然后是上肢各环节肌肉群的收缩用力，这种动作时序符合垫球技术动作力学原理。合理的技术动作能充分发挥躯干肌肉和下肢肌肉的爆发加速作用，不要过多地单纯依靠上肢运动环节加速，这样才能使上肢肌肉有较大的能量储备，同时保证动作的稳定。在击球动作阶段上肢肌肉感觉敏锐，控制手臂的方位和调控击球时间，并保证击球最佳的击球点和击球时机。因此应加强下肢的蹬伸力量，并在击球时加强下肢的蹬伸作用，从技术上保证下肢和躯干肌肉合理的爆发加速功能，为上肢各环节的依次加速提供运动初速度。

五、结论

1.跨步垫球技术动作结构的分类

本研究对排球跨步垫球技术的尝试性划分是对目前排球跨步垫球技术划分理论的大胆尝试。笔者根据运动生物力学中关于技术动作的阶段划分原理，根据动作结构与动作任务的不同，把排球跨步垫球术分为跨步阶段、击球阶段和击球后的随后阶段。

2.跨步垫球技术下肢的运动学特征

左膝最大屈曲角度为60.6°，左膝最大蹬伸角度为159.5°，左膝关节的活动幅度为98.9°。右膝最大屈曲角度为59.89°，右膝最大蹬伸角度为119.8°，右膝关节的活动幅度为59.1°。膝关节屈曲幅度过大，就会造成膝关节伸肌群过大的对抗负荷，进而影响膝关节的伸展速度及躯干和上肢各环节的整体配合。反之，膝关节屈曲幅度过小又不能充分拉长伸膝主动收缩肌群，影响主动收缩前弹性势能的储备，进而影响到蹬伸效果。

六、结语

跨步垫球技术在比赛中与其他垫球技术相比应用广泛，技术结构较为合理。采用跨步，身体重心位于两支撑脚之间，支撑比较稳定。跨步垫球有利于肌肉用力的控制，也就可以较好地控制来球。

今后应结合三维动力学进行进一步的其他同类研究，通过同步装置，对跨步垫球进行运动学与动力学的同步分析，只有这样才能更全面地分析跨步垫球的技术特征和内在规律。

对于排球运动的技术原理等课题还有待于我们去深入研究，揭示其科学的本质和内在的规律、科学化发展，这样才可以更好地使排球运动得以更广泛的普及和更科学化的发展。

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篇9

【摘要】 ［目的］评价硫酸钙骨水泥椎体成形术的生物力学性能并探讨用于胸腰椎爆裂骨折的可行性。［方法］16具新鲜小牛胸腰椎标本分为4组，每组4具，A、B、C 3组（实验组）标本在制成爆裂骨折模型后分别实施3种骨水泥（CSC、CPC、PMMA）椎体成形术，D组为无骨折对照组。测量爆裂骨折前、后、复位后及椎体成形术后的椎体前缘高度；测量达到完全填充时的3种骨水泥的注射量；生物力学检测比较4组标本间的极限抗压强度及刚度差别。［结果］(1)实验组12具标本均形成胸腰椎爆裂骨折模型，平均撞击能量为66.2 J；(2)CSC、CPC、PMMA的注射量分别为：4.4 ml±0.8 ml、3.7 ml±0.7 ml、4.0 ml±0.6 ml，组间无差别（P>0.05）；(3)3种骨水泥均能有效充填爆裂骨折椎体复位后遗留的骨缺损，显著恢复伤椎高度（P

【关键词】 硫酸钙骨水泥； 爆裂骨折； 生物力学； 椎体成形术

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

胸腰椎爆裂骨折是临床上常见的脊柱创伤。后路短节段椎弓根钉内固定是常用的手术治疗方法，但因为存在较高的内固定失败率［1］，越来越引起关注。椎弓根钉结合椎体成形术为近来报道较多的一种手术方式，但椎体填充材料仍以普通骨水泥（polymethacrylate，PMMA）及自体松质骨为主［2］，由于上述材料本身性质的缺陷，手术安全性及术后疗效难以保证。硫酸钙骨水泥（calcium sulfate cement，CSC）是一种新型的骨移植材料，主要用于长骨松质骨区域骨缺损的填充，国内外尚无用于爆裂骨折的报道。本实验通过在小牛胸腰椎爆裂骨折模型上分别实施CSC、磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）、PMMA椎体成形术，比较3种骨水泥椎体成形术后的生物力学性能的差别，探讨CSC椎体成形术的临床应用价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

收集16具新鲜雄性荷尔斯胎牛（体重32～41 kg，平均37 kg，均为出生后1～5 d内宰杀）胸腰段（T11～L1）标本，经X线片排除先天性骨骼发育不良及畸形（图1）。剔除肋骨及附着的肌肉组织，保留椎间韧带及关节突关节完整，双层塑料袋密封后置于－20℃冰箱内，保存期15～45 d，平均24 d。

1.2 实验步骤

1.2.1 胸腰椎爆裂骨折模型的制备 实验时将标本取出，常温（20℃）下解冻24 h。取其中12具标本，使用游标卡尺（精度：0.02 mm）测量T12椎体前缘高度，记为完整椎体高度（HInt）。以T12为中心，将T11、L1包埋于直径9 ㎝、厚3 ㎝的环氧树脂中，仅暴露中间椎体及其上下方椎间盘，保持上下两底面相互平行，成角

采用Panjabi等［3］推荐的“自由落体逐级撞击法”来制备爆裂骨折模型：将标本置于高100 cm、直径10 cm的垂直PVC管底部，质量9.0 kg的铁锤从初始高度为50 cm处自由下落撞击标本顶端，若T12完整无损，则以10 cm为一梯度逐级升高铁锤高度以增大撞击能量，直至T12发生爆裂骨折，撞击时的能量可根据公式“E＝mgh”（其中m为铁锤重量；g为重力加速度；h为撞击高度，单位为m）算出。爆裂骨折产生后升高铁锤，测量此时爆裂椎体前缘高度，记为骨折后高度（HFr）。

将标本水平放置，牵拉两端的混凝土圆柱，使爆裂椎体（T12）充分复位，再次测量骨折椎体前缘高度，记为复位后高度（HRe）。

1.2.2 椎体成形术 将12具爆裂骨折标本随机均分为A、B、C 3组，另4具完整标本归入D组，即对照组。使用脊椎穿刺针（美国Wright公司，针芯直径3.2 mm，其尾部可与配套注射器连接），在C型臂X线机引导下，经双侧椎弓根旁途径穿刺至骨折椎体空腔处。骨水泥填充材料分别为：A组注射CSC(美国Wright医疗器械公司，MIIGX3系列)；B组为CPC（上海瑞邦生物材料有限公司）；C组为PMMA（天津市合成材料工业研究所）。当感到阻力增大或骨水泥即将从骨折线缝隙渗出时则停止注射，骨水泥的使用量可从注射器上读出。以湿毛巾包裹标本，置于37℃培养箱中1 h后取出并测量此时椎体前缘高度，记为椎体成形术后高度（HPV）。

1.2.3 生物力学测试 切除16具标本的T11、L1椎体及T12椎体连接的椎间盘组织，只保留T12椎体。将标本水平放置在材料测试机（MTS880升级型，南京工业大学机械院材料疲劳实验室）的夹具上。采用单椎体垂直恒速加载，预加载50 N，以消除标本松弛或蠕变的影响，加载速度为0.5 mm/s，以100 Hz的频率记录载荷、位移数据。各标本均加载至椎体高度（HPV）的50%［4］，行破坏性生物力学测试。根据各载荷-位移曲线上出现的拐点及曲线的斜率得出各组标本的极限抗压强度及刚度。

1.2.4 影像学观察 对A、B、C 3组标本行DR（美国GE公司：XR/d）摄片及CT（美国GE公司HiSpeed单排螺旋CT）扫描，以确保目标椎体形成爆裂骨折（图2）；椎体成形术后再次行DR摄片及CT扫描，以观察3种骨水泥的灌注效果。

1.2.5 统计方法 使用SPSS 11.5软件包进行统计分析，数据采用均数±标准差表示（±s），两两比较用非配对t检验，组间比较采用单因素方差分析（oneway ANOVA）；P

2 结 果

2.1 撞击能量与爆裂骨折模型的制备

因采用逐渐升高铁锤高度来控制撞击能量，提高了模型制备的成功率。本实验中，当撞击高度为0.5 m，各标本均保持完整；撞击高度为0.6 m，只有1具标本形成爆裂骨折；当高度升至0.7 、0.8 m时，形成爆裂骨折模型的标本数目分别为4、7具。平均撞击高度为0.75 m±0.07 m，平均撞击能量为66.2 J±6.0 J。

2.2 椎体高度的测量结果

胸腰椎爆裂骨折后，伤椎高度丢失，且以椎体前缘高度丢失最为显著，故本实验选取骨折前（HInt）、骨折后（HFr）、复位后（HRe）及椎体成形术后（HPV）的椎体前缘平均高度作为评价手法牵拉复位及椎体成形术复位效果的参考指标，具体结果详见表1。 表1 椎体前缘高度比较注：A、B、C 3组中HFr分别与HInt、HRe、HPV行非配对t检验，P0.05，组间无统计学差异。

2.3 椎体成形术

CSC、CPC、PMMA注射量分别为：4.4 ml±0.8 ml、3.7 ml±0.7 ml、4.0 ml±0.6 ml，组间无统计学差异（P=0.42）；椎体成形术前、后各组标本的影像学观察（图3）发现，在上述注射量下，3种骨水泥均能有效充填伤椎，恢复椎体外形，重建椎体。

2.4 生物力学测试结果

16具标本均加载至原椎体高度（HPV）的50%，由于采用破坏性试验方式，加载后的椎体均出现不可逆性变形。根据测试仪器所记录的不同时间点的载荷、位移值，使用GraphPadPrism 2.01软件绘制各组椎体的载荷-位移曲线，各曲线上的拐点即为极限抗压强度值（图4）；计算300 N至椎体极限抗压强度值50%之间段载荷-位移曲线上各点的斜率，平均后得出的4组受测椎体的刚度、极限抗压强度及刚度结果见表2。表2 椎体极限抗压强度及刚度 注：极限抗压强度与刚度数据间采用非配对t检验，*P、＃P、P>0.05，差异无统计学意义

图1 小牛胸腰椎（T11～L1） 图2 T12爆裂骨折复位后X线正侧位片 图2a 正位 图2b 侧位。手法复位后伤椎(T12)内部出现明显的骨缺损区 图3 CSC、CPC、PMMA椎体成形术后的DR摄片及CT扫描结果 CSC椎体成形术后DR摄片（3a）示骨水泥的填充效果满意，椎体外形恢复，CT扫描（3b）示椎体内骨缺损充填满意且椎管内无明显渗漏；CPC椎体成形术后DR摄片 （3c）示骨水泥的填充效果尚可，CT扫描（3d）示椎体内存在少量骨缺损区；（3e）PMMA椎体成形术后DR摄片示骨水泥的填充效果良好，但椎体后缘有较多骨水泥漏出，CT扫描（3f）亦提示椎管内有渗漏。图4 4组标本的典型载荷位移曲线 箭头所指为各曲线的拐点，即为椎体极限抗压强度（A、B、C、D分别为CSC组、CPC组PMMA组及无骨折对照组标本）

3 讨 论

3.1 椎体成形术应用于爆裂骨折的理论依据

对胸腰椎爆裂骨折的影像学研究发现：椎弓根钉复位后，在爆裂椎体的内部，特别是椎弓根层面的前部（前柱区）依然存在骨缺损，其体积约为椎体大小的1/4［5］，形成所谓“蛋壳椎”、“空心椎”。在本实验中，对小牛T12爆裂骨折前、后的CT扫描结果也证实了上述现象。研究表明，前柱完整与否将决定脊柱矢状面塌陷及后凸畸形的发生率［6］。胸腰椎爆裂骨折实施后路短节段内固定术后，由于伤椎内部骨缺损区的持续存在，其内部新生骨量不足或被纤维结缔组织填充，椎体力学强度下降，导致脊柱前柱失去支撑作用，内固定物长期过度负载，易发生松动甚至折断，造成局部后凸畸形复现。临床上使用较多的横突间植骨由于远离力学轴线，易被吸收，即便形成骨桥，仍然难以消除椎体间的微动，因此不能有效防止断钉的发生。松质骨成形术因受椎弓根周径的限制，植骨量少且难以到达骨缺损区，已被证明基本无效。

椎体成形术的椎体增强作用正是通过向伤椎骨缺损区内植入医用骨水泥，恢复伤椎的力学性能，从而减轻内植物的应力负荷，以减少术后并发症。在椎弓根钉充分复位后，直视下实施椎体成形术，不仅大大降低了操作难度，而且椎体压缩性区域被充分拉开后能保证骨水泥对骨缺损区的有效填充（图3），同横突间植骨相比，它对脊柱运动节段无干扰，为后期脊柱在矢状面序列的重建及稳定创造了条件。

3.2 椎体成形术治疗胸腰椎爆裂骨折现状及存在的不足

目前，用于椎体成形术的人工骨替代材料多为PMMA和CPC，二者均具有良好的生物力学性能［7］。Cho等［8］在使用椎弓根钉内固定治疗胸腰椎爆裂骨折时辅以PMMA椎体成形术，术后疗效显著提高，随访2.5年，患者的脊柱后凸角度仅有微弱丢失，未发现内固定物松动、断裂。Oner等［9］将CPC椎体成形术应用于胸腰椎爆裂骨折，亦取得良好的术后疗效。然而，上述两种材料均存在较大的自身缺陷：PMMA生物相容性差，永不降解，伤椎始终无法骨性愈合，加之其强度远远高于椎体骨质，易导致邻椎继发骨折［10］，因此对于中青年胸腰椎爆裂骨折患者并不适合；CPC虽可生物降解，但速度十分缓慢，术中一旦漏入椎管，将会长期压迫脊髓或神经，产生严重后果。

3.3 CSC椎体成形术的临床应用价值

CSC（CaSO4·1/2H2O）经由CaSO4·2H2O高压加热处理而成，组织相容性好、可显影、具备成骨诱导性、13周左右生物降解［11］，临床已用于填充松质骨（如桡骨远端、胫骨平台等）部位的骨缺损。Perry等［12］的体外研究表明，新鲜脊柱压缩性骨折模型上实施CSC椎体成形术后，能完全恢复椎体的强度（108%）及部分刚度（46%）。但上述结果是在压缩性骨折的模型上测得的，同爆裂骨折模型相比后者能更直观的检测出骨水泥材料的力学性能。

本实验通过构建小牛胸腰椎爆裂骨折模型，为模拟椎弓根钉的复位效果，在手法充分复位的基础上实施椎体成形术。通过测量椎体高度发现，CSC注射后快速硬化，能为椎体提供即刻的支撑强度，维持术后椎体的高度（19.09 mm/19.22 mm，99%），与PMMA、CPC并无差别。

为研究椎体成形术后抗御损伤的能力，实验主要检测椎体的极限抗压强度和刚度这两项力学指标，以评估CSC的生物力学性能。结果表明：经CSC椎体成形术后椎体的极限抗压强度（1 659N）小于PMMA（2 821 N），为正常椎体（2 439N）68.0%（t=2.85，P=0.029），但高于CPC（1 011 N）（t=6.19，P0.05）。

作者认为，与采用新鲜人体标本测得的力学参数比较，小牛脊柱的某些参数要小于前者［13］，但采用新生小牛脊柱标本，能够最大程度的保证样本的均一性，避免人体标本可能出现的因年龄、性别、体质等差异对测量结果产生的影响及可能形成的误差。此外，本实验采用单椎体模型，行椎体上终板垂直恒速加载，为求测量准确，力学实验前已将椎间盘及其它软组织剔除，有助于更好地反映椎体的力学特点。

CSC椎体成形术后的椎体强度虽低于正常椎体，但若结合椎弓根钉等其它内固定方式则能极大的分担内固定物的应力负荷，进而降低其松动、折断的发生率。此外，一些学者认为椎体成形术后较小的椎体刚度能够减轻相邻椎体的退行性变［9］，减少邻椎骨折的发生，这一点与PMMA相比，具有极大的优势。

4 结 论

综上所述，CSC椎体成形术能够重建椎体强度，恢复伤椎力学性能，辅助椎弓根钉用于治疗胸腰椎爆裂骨折是安全可行的，但由于该材料可降解、吸收，能否取代PMMA而用作骨质疏松病人的椎体压缩性骨折，尚需在体实验进一步研究。

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篇10

【摘要】［目的］利用工程力学分析软件CatiaV5，模拟在不同的肩关节功能位置上、间接冲击暴力所致肱骨骨折的受伤力学机制和力学环境，为认识和治疗肱骨骨折提供生物力学依据。［方法］采用高分辨率的人体肩关节断层解剖图作为三维重建的数据源，选取自锁骨顶端至肱骨远端关节面、共380层的断层图像，层厚1mm，按照点、线、面的建模方式，先建立人体肩关节的三维几何模型，再予网格化，建立人体肩关节的三维有限元模型，利用该模型，模拟在12个不同的肩关节功能位置上（外展30°、45°、60°、90°、同时合并内旋、中立、外旋）、肱骨受到分级加载的轴向冲击载荷时的骨折位置以及瞬时的应力、应变状况。［结果］根据肱骨在不同的功能位置上载荷－应变关系曲线，载荷从0～250N时，呈线性变化，后为非线性期，卸载后，残余骨变形；随着载荷的增加，肱骨干的应变随之增加。当肩关节的外展位置由90°逐渐变为30°时，肱骨干上内外侧应变逐渐增加，内外旋45°时应变比中立位时增加显著；同时，肱骨干内外侧的应力不同，内侧应力大，外侧应力小，内外旋时，肱骨干的应力增加更快、更大。［结论］在肩关节不同的功能位置上，三维有限元分析逼真地模拟出各自不同的肱骨应力、应变状态值及骨完整性受到破坏的三维图像、骨折线的大体走向；肱骨骨折的三维有限元模拟和分析是研究与骨折相关的力学原理的非常有价值的方法。

【关键词】间接暴力；肱骨骨折；三维有限元；模拟

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

临床上，肱骨骨折的发生率并不少见。目前，对于肱骨骨折确切的损伤机制尚缺乏较深刻的了解，较透彻的阐明肱骨骨折的机制方面的知识对于肱骨骨折的预防和治疗将会产生重要的指导意义。本研究就是利用人体肩关节的三维有限元模型，模拟不同的轴向冲击载荷下，肱骨的形变情况，并显示其动态过程，探讨肱骨骨折的受伤应力机制。

1材料与方法

1.1肩关节结构的几何实体重建

采用高分辨率的人体肩关节断层解剖图作为三维重建的数据源，按照点－线－面－体的方式建立肩关节的几何实体形状，可以分别显示皮质骨、松质骨、软骨及髓腔结构，在CatiaV5运行平台上可以任意角度转动，观察模型的解剖结构和方向（图1）。

1．2肩关节三维有限元模型的构建

肩关节的三维实体建模完成后，根据材料特性的不同，定义软骨、皮质骨、松质骨材料力学参数（表1）。选用10节点的四面体单元，该四面体具有6个方向的自由度，在CatiaV5运行平台上，定义肩关节的各项参数和指标，选择中上等精度的自动网格划分模式，对肩关节进行自动网格化，生成3977个节点（nodes）、20919个四面体单元（elements）（图2）。表1肩关节的材料力学参数（Joseph.A等2002年）

1.3肩关节不同功能位置上肱骨骨折的三维有限元模拟

启动CatiaV5的结构模块。根据盂肱关节面的接触关系，及肱骨头的旋转中心的确立，固定肩胛骨相对不动，将肱骨分别从0°位外展到30°、45°、60°、90°每个位置上；分别设定3种旋转状态：中立位、外旋45°、内旋45°，从而将肩关节的动态功能过程分割成12个不同的功能位置。在每一个位置下，根据盂肱关节面接触区域的位置和范围，设定肱骨的边界约束，限制其所有方向的自由度。

自肱骨远端分别加载以0.1s梯度增加的300N轴向冲击载荷，载荷持续时程为1s，同时自肱骨大结节加载50N水平恒定载荷，启动CatiaV5的求解模块，计算机进入冲击受力分析模块程序。运算结束后，得到动态显示的加载－形变过程，分析其应力分布和骨折移位状况。根据图像的模拟结果，我们可以判断不同的功能位置上的骨断裂的位置和移位方向，根据节点的断裂度判断骨折线的大致走向。

2结果

计算机运算结束后，得到12个功能位置上、暴力载荷下的肱骨应力、形变趋势，并且动态展示出来。本文以45°外展位为例(图3～5)；此外，通过鼠标取值，可以记录肱骨上的平均应变值（图6），从而进一步绘制载荷－应变曲线（图7），了解肱骨随载荷变化的生物力学规律。

3讨论

3.1本研究中骨折模拟的力学合理性

造成骨折的原因有内因和外因两个方面，前者是指骨结构本身的特性，例如材料性质和结构性质，后者是指骨骼受外力的方向、大小、变化速度以及肢体的空间位置等［1］。对于肱骨骨折而言，常见于摔倒时，上肢撑地，冲击载荷在较短的时间内通过间接传递作用于骨骼，造成骨折［2］；同时，由于人体上臂具有灵活的运动范围，故摔倒时，肱骨可以有多个不同的功能位置，而这种位置直接影响骨骼的受力矢量，因此，本研究在前期肩关节三维有限元模型和肩关节试验力学分析结果的基础上，模拟不同功能位置上的肱骨骨折状态，是符合肩关节生物力学原理的［3］。

3.2三维有限元分析法模拟肱骨骨折的优势所在

肱骨发生骨折时，由于其瞬时性的特点，往往很难重复其具体过程，无法对其进行实时分析。试验研究的条件下进行骨折力学分析时，当载荷超过骨的极限强度时，骨小梁断裂，骨结构的完整性破坏。目前的力学记录仪器尚不能记录峰值强度以后的骨应力和骨应变，特别是骨的内部力学状况，所以，用试验的方法研究骨折的力学机制存在着明显的不足，它不能提供骨折完整过程的信息，故本研究尝试用先进的计算机技术，凭借工程力学的软件，按照生物力学的原理，去研究肱骨骨折的损伤机制，是对试验力学有力的补充和完善。运用三维的视觉环境，高度形象地模拟骨折的形变和应力分布。作为一项被运用到医学领域的计算机技术，三维有限元分析法可以高度模拟物体结构与材料的特性；既可以精确地反映区域性的信息，又可以完整地反映全域性的信息；既可以进行精确的计算分析，又可以从事形象的、直观的定性研究，分析研究的重复性好，应用面广，适应性强，可以反复使用，无损耗，能够通过模拟分析的方法研究实验方法所不能研究的工况（或生理状况），得到客观实体实验法所难以得到的研究结果［4］。

3.3有限元模拟肱骨骨折受伤机制的临床意义

从肱骨骨折的三维有限元动态模拟图像资料上看，当关节盂实施边界约束、肱骨大结节加载基础载荷、于肱骨远端加载以0.1s梯度增加的300N冲击载荷时，应力逐渐由肱骨远端移向骨干部，随着力的传递，压力集中在肱骨颈干交界部位和干部上段部分，应力在其前侧和/或内侧达到最大聚积；而与此同时，与关节盂相接触的肱骨关节面的部分，应力也逐渐增加，这两个应力集中区域在冲击载荷作用下，应力增加不显著。骨应变图提示这个区域此时承载的载荷逐渐转成张力区，2种载荷交界区域即是骨小梁承受弯曲最大的部位，当能量完全释放，骨小梁断裂，骨折线产生，远段肱骨部分移向后侧或/和外侧。应变是应力作用于骨组织的的结果，伴随着应力的变化，肱骨上应变发生变化，骨形变不可避免。另外，作者看到，在12个不同的功能位置上，相同的加载时，肱骨的应力集中区发生了转移和变化。当从30°90°外展时，高应力区由内侧逐渐转向外侧，而以60°外展外旋位置上应力最高，达3.13MPa。也就是说在这个位置上摔倒时，骨骼承受最大的应力，骨应变在此区域最大，故骨折发生率较高，特别对于本身骨强

度减弱的情况下（例如、

图1肩关节的三维几何实体重建图像图2肩关节的三维网格化图345°外展中立位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行）图4

45°外展内旋位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行）

图545°外展外旋位的骨折形变模拟过程（ae.形变过程；f.骨折线的走行）图6箭头所指为鼠标取值图7外展45°位置上中立位、外旋45°、内旋45°时肱骨干上载荷－应变关系曲线质疏松时），在30°外展位置上易发生由肱骨外科颈和肱骨上段后上向前下的骨折移位［5］；而在90°外展加载时，骨折线接近横行走向，因此可以推测在健康人群中，肩关节30°～90°范围摔倒时，骨折线由斜形逐渐变成横行，且肱骨外科颈和肱骨上段时更易于骨折和移位置［6,7］。

此外，不同的肩关节旋转位置对肱骨骨折也产生一定的影响。从图像中可以发现当内旋和外旋时，肱骨上的应力分布发生转移。内旋时，高应力区移向肱骨的前外侧，外旋时，高应力区移向肱骨的内侧，并伴随骨折线出现部位的转移。根据动态模拟图像中，可以清晰显示骨折的动态现况，且可以反复回放，任意提取任何一个需要的信息。

3.4肩关节有限元模拟分析的应用前景

本研究中所建立的肩关节三维有限元是一个良好的生物力学研究工具，利用它，不仅可以对关节的骨性结构进行力学分析，同时通过建立三维连接单元，还可以重建肩关节的任一个软组织结构；通过这些软组织的试验力学测试，获得相关的材料参数，同样可以将软组织的有限元模型建立起来，继而进行力学分析。本论文仅仅对肱骨骨折实施了有限元的模拟，使用同样的方法，可以对其他肩关节的其他结构的损伤机理进行模拟，如锁骨骨折、脱位、肩胛骨骨折、盂肱关节的脱位、慢性肩关节不稳、肩峰撞击症等。

总之，随着计算机技术的不断发展，以及力学分析软件的不断完善，三维有限元分析法一定会在骨关节生物力学研究领域发挥越来越大的作用。

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