脊柱生物力学的基本概念

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脊柱生物力学的基本概念范文第1篇

按照外科学教学大纲的要求，在临床骨科教学中，骨折的类型和发生机制是骨科损伤疾病的教学重点。在传统的教学环节中，这部分仅仅通过课本上的模式图或典型的X线片来进行说明，学生在认知过程中缺乏对立体形象和发病机制的了解，仅仅掌握了一些概念性的名词术语。我们科室通过采集正常人体不同部位的CT断层影像，运用逆向工程与有限元的基本概念和理论，采用医学专用的建模软件Mimics读取原始的股骨CT图片的DICOM格式，利用阈值分割算法完成股骨的图像分割，并利用面绘制算法对股骨及其内部的髓腔进行三维仿真，然后根据股骨髓腔几何解剖状态应用CAD软件设计个性股骨假体(图1)。在骨折这一内容的教学设计中，我们还结合Mimics软件自带的有限元分析模块，计算模拟出不同应力状态下骨骼的受力情况，利用不同的颜色分布，直观地显示出各个部位的受力分布，对其中的受力情况进行分析，帮助学生理解临床椎体压缩性骨折最易发生部位背后所涉及的力学机制(图2)，进一步让学生了解骨折的外科治疗。另外，还可以利用Mimics基于灰度值赋材质，实现股骨有限元模型材料正确的非均匀及各向异性描述，模拟假体材料置换后股骨的应力情况。我们还结合科室课题研究，对诸如脊柱压缩性骨折的骨水泥治疗等对椎体的生物力学改善进行了延伸。通过这些方法，学生不仅学习了临床的骨科治疗方法，更为实际临床工作奠定了基础。

通过实际教学比较，学生对理解骨折的机制和治疗方案有一个全新的认知。为了进一步满足学生对运动系统软组织的作用了解，我们还利用计算机对运动过程中复杂的肌肉和骨骼力学进行分析。Anybody是商业化软件中唯一兼与人机工程学和生物力学的分析软件，其可以通过导入完整的人体肌肉骨骼模型，用于产品的人机工程学设计。可以计算模型中各块骨骼、肌肉和关节的受力、变形、肌腱的弹性能、反抗肌肉作用和其它对于工作中的人体有用的特性等。在骨科教学中，关于骨肿瘤和骨关节炎症的发展如果只给出临床分型的图片还是不能激起学生的学习兴趣，采用动画对骨科疾病的动态显示，能够更加直观和良好地阐述疾病的演变过程。在实现方面，可以利用已经制作完成的三维影像，利用Flash等动画制作软件，合成四维的动画，插入到课件中进行播放。通过计算机仿真技术，我们让传统的教学从二维变成三维，从静止变成运动，从单一介绍结果到借助计算机分析机制，多层次地丰富了课堂教学内容。

计算机仿真技术解决了骨科学教学中人体组织结构复杂、立体形态难于表述的矛盾。在临床教学中，从声像、文字、动画等多个角度刺激学生，对学生有较强的吸引力和感染力，极大地调动了学生求学、求知的欲望，激发了学生的学习积极性、主动性、创造性，加深学生对抽象知识的理解，促进学生综合素质的提高。计算机仿真技术的一大优势在于将传统的书本描绘的平面图片转换为仿真的三维模型，能精确地表达人体形态的各个器官、骨骼、肌肉、血管等组织，特别是关节解剖结构。它将学生置于具体真实的三维重建的多媒体环境中，学生在虚拟现实中探索、理解教学内容，从而在潜移默化中达到培养学生创新素质和能力的目的［10-12］。另外，同学普遍接受计算机技术在课堂教学的应用，对计算机仿真技术的应用尤其是动画很感兴趣，提高了课堂参与的互动性。

与传统的教学模式相比，计算机辅助教学模式存在着明显优势，在信息技术发展的今天，教师必须将传统教学经验与现代科学技术相结合，充分利用计算机多媒体的优势，制作良好的课件及视频，以更好地完善教学方法，提高教学质量［13］。计算机仿真技术(computersimulationtechnology，CST)超越了普通的多媒体技术，它利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。虚拟仿真技术应用于骨科学教学系统中后，可以对骨科的知识领域中涉及到的实物教学进行必要的补充、完善和扩展，能够保证骨科教学系统具有良好的开放性和真实感的交互，促进骨科教学模式和理念的进一步变化，也必将成为整个教学改革的一个重要的发展方向。