生物力学分析方法

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生物力学分析方法范文第1篇

学生创造性的培养是物理教育的重要目标之一。但学生的创造性与人们一般所说的成人的创造性有所不同，学生的创造标准是自己的，自己未曾做过的；对于中学生来说，主要不是让他们去创造什么新东西来，而是培养他们的创造意识、创造思维，最终形成创造性人格。如何在物理教育中培养学生的创造性呢？

一、创设有利于学生创造性培养的环境是培养学生创造性的基础

（一）创设教学民主的学习环境

就学生创造性的形成而言，需要创设教学民主的学习环境，能容忍学生在学习中出现的错误，支持学生用不同寻常的方式去理解事物，向学生证明并表扬他们的观点是有价值的，对学生的见解有所批评时将理由解释清楚。要使学生在学习中达到最佳效果，教师就必须在教学过程中建立愉悦的教学环境和建立平等的师生关系，最大限度地吸引学生参与教学过程中，让学生成为学习的主人。

（二）创设能促使学生积极主动学习的学习环境

物理教师应充分调动学生学习的积极性、主动性，给他们留有充足的思考空间，以使学生在积极主动的活动中有所发现、有所创造。一尊重学生与众不同的疑问与观点。二给学生留出一定时间和空间让学生从事具有独创性的活动。在课程安排上应注意为学生提供自由选择的机会。为让学生在活动中充分感受物理知识的魅力，笔者将物理活动课分为竞赛类、趣味类、实用类三种类型，针对每一学生的实际，使他们在不同类型的活动中得到充分而自由的发展。三以教师的师爱和激情调动学生，以自身的人格魅力影响学生，以积极的评价激励学生，力求形成积极主动、和谐进取的物理学习氛围，使学生的创造性在这种氛围中得到自然而充分的生长。

二、引导学生主动参与、探索发现、合作建构是培养学生创造性的有效途径

（一）引导学生主动参与物理学习活动

物理学习过程是新的学习内容与学生原有认知结构中的有关内容相互作用，从而形成新的物理认知结构或扩大原有认知结构的过程。在这一过程中，学生原有的认知因素与非认知因素起重要作用。学生主动参与是激发学生原有认知结构与新的学习内容相互作用的源泉，学生的主动参与是其创造性不断发展的动力，是化创造意识、创造思维为创造人格的保证。

（二）引导学生探索发现知识

教学中首先要依据学生的年龄特征和认识水平，设计探索性和开放性的问题，给学生提供探索发现的机会，让学生在观察、操作、讨论、交流、猜测、归纳、分析和整理的过程中，理解物理问题的提出、物理概念的形成、物理结论的获得和物理知识的应用。

（三）引导学生合作建构知识

通过合作学习可以使这种理解更丰富、更全面。同时，当学生想要完成自己个人力量难以实现的学习任务时，他必然要寻求帮助、寻找合作、学会与环境相适应。因此须引导学生在探索、发现和建构中学会沟通与合作。引导学生面对不同的观点时，学会理清、表达自己的见解，学会聆听、理解他人的想法，学会相互赞赏、争论、接纳。启发学生不断对自己和别人的看法进行反思和批判。通过这种合作和沟通，学生可以学会在竞争中追求合作，在合作中争取先进，可以看到问题的不同侧面和解决途径，从而对物理知识产生新的理解，从而有所发现、有所创造。

（四）鼓励学生动手实践

物理是一门实验学科，通过实验发现规律，通过实验验证结论，这是实验最基本的两项功能。通过创造性思维，学生们已经想到了方法，得出了结论，但想到了是否就能做到呢？这时就应鼓励学生动手实践，用实验来验证自己的思维成果，考察创造性思维成果可行性和合理性，让学生们逐渐建立起“发现问题——明确问题——提出假设——思考解决方案——动手验证”的理性的科学思维过程，有利于培养学生的创造性。

三、着重训练学生的创造性思维是培养学生创造性的核心

创造性的核心是创造性思维，创造性思维的实质是合理、协调地运用逻辑思维、形象思维、发散思维和直觉思维等多种思维方式，将有关信息进行重组，产生新的结果。教师要通过教学和训练使学生掌握创造性思维的策略以发展其创造性。

（一）教学中要注重运用发散性思维方式提问

教师的提问是启发学生独立思考、探究发现的重要手段。发散性提问要求教师引导学生尽可能产生多而新的想法，其典型的形式是：“除此之外，还有哪些？”“……还有什么新的见解？”“如果……那会怎么样？”通过对学生思维的求异引导，可启发学生多方面多角度的进行思维，以促进学生思维的发散性。

（二）问题解决时要提倡一题多解

让学生运用学过的物理知识解决问题时，要提倡一题多解，这是培养学生发散性思维的重要措施。提倡一题多解，应鼓励学生从多方向、多角度进行探究，应鼓励学生灵活地转换思路选择最佳解法。

（三）注意质疑和批判性思维能力的培养

在物理学习过程中，教师要向学生说明教材和教师授课的内容并不总是完善和唯一的，应鼓励学生解放思想，积极地发现问题，提出质疑。

四、塑造学生的创造性人格是培养学生创造性的出发点与归宿

（一）保护学生的好奇心

好奇心与创造性的发展是密切相关的，两者之间存在着显著的正相关关系。好奇心既是发明创造的源泉，又是创造性活动赖以进行的动力。在物理教育中爱护和培养学生的好奇心能激发学生主动探索、发现、创造物理知识，掌握物理思想方法。著名的华裔物理学家，诺贝尔奖获得者朱棣文教授在复旦大学演讲后，记者采访他时问：“你认为要成为一个有创见的物理学家应具备哪些基本素质？”朱教授回答：“首先必须有强烈的好奇心和毅力。”当然他的成功还包含了其他的素质，但莫不与他强烈的好奇心有关。

好奇心是初中学生的天性，好奇心使人富有追根究底的精神，乐于深思，善于观察，从而发现其中的奥秘，引发学生提出各种新奇的问题，这也是培养创造性的起点。人们对事物感到好奇的时候，往往正是创造性想象迸发的时候，怀疑是探索科学的向导，它对创造性的形成颇为有益，因而在教学中教师应多方诱发学生的好奇 心。

1.多方设疑，激发好奇。

从多方面、多角度提出不同的问题，诱发学生的好奇心，使之产生寻求答案的欲望。如，在教学《压强》一节时，教师先提出问题：为什么图钉做成帽大钉尖呢？为什么砍柴时先把刀口在砺石上磨一磨呢？为什么大卡车后面的轮较宽呢？为什么书包背带要做得宽一些呢？这些问题激发了学生的好奇心，继而产生了想探索谜底的欲望。

2.创设情境，引发好奇。

即创设特定条件、特定环境下的一些反常现象，打破学生原有的知识结构，诱发好奇。如，教学“大气压强”一节时，教师将甲试管装满水，再把乙试管（口径比甲试管稍小一些）放入甲试管，问学生：“将它们倒置过来，乙试管会掉下来吗？”学生不假思索地回答：“会掉下来”，教师请一位学生上台演示，结果观察到乙试管不但没有掉下来，反而会向上运动。这一现象与原知识结构产生矛盾，从而激发了学生的求知欲。

（二）鼓励学生大胆猜想

物理知识的探究过程是一个凭借物理直觉提出猜想、大胆尝试、实践验证、揭示知识规律的过程。物理教师应鼓励学生大胆猜想，发现知识规律。当学生逐步具有了一定逻辑思维习惯以后，作为教师就更应该鼓励他们在思考过程中进行大胆想象。笔者经常在教学中给他们一些问题，让他们尽情发挥想象，譬如：假如没有了摩擦力，世界将会……，进而假如没有力，世界又将会……，假如我家全用太阳能……，假如我坐的飞机速度超过了光速……，假如由我来设计一辆汽车、一架飞机和一座房屋，它们将是……学生们的想象给我展现了一个个新奇、多彩、充满童趣的空间，有的想象还有一定深度呢，而有的更是令人拍案叫绝，真可谓异想天开！初中孩子们的丰富的想象力，活泼的天性体现得淋漓尽致，有了丰富的想象，教师还应适当引导他们捕捉自己思想的“火花”，即“灵感”，这种“灵感”并不需要严密的逻辑、精确的计算，应该是思维的跳跃，独特的感觉，鼓励他们把这些闪现的灵感随时用一个专门的小本子进行记录，让他们能够从这些非逻辑性的想象中为创造性思维提供丰富资源。

（三）鼓励学生与有创造性的人接触

通过创造条件使学生与有创造性的人接触，可以使学生产生模仿尝试的欲望，并由此在潜移默化中受到熏陶。首先可邀请学有所成的校友回校做报告，介绍自己的创造历程与体会，使学生有机会和有创造性的人面对面直接接触。其次可通过听故事、看录像等形式，帮助学生间接接触一些著名物理学家。再次教师还应注意自身的榜样作用，通过不断开发自身的创造性，来影响学生。如改进教案设计、不断探索新的授课风格、不断充实新的学生感兴趣的内容都不失为影响学生的有效途径。

生物力学分析方法范文第2篇

摘 要 运动生物力学的测试方法在竞技体育研究领域主要应用于技术研究以及发力原理分析等方面，对于拳击项目相关研究进行梳理，有助于辨析测试方法的应用范围，对今后的相关研究开展起到有意义的参考作用。

关键词 生物力学 方法 拳击

生物力学研究，尤其是运动学、动力学、表面肌电等实验技术逐步应用于拳击科学研究中。运动学方法应用在技术改进和规范程度判断等方面，起到很好的辅导作用。动力学研究对对抗性项目对抗时，力的大小、方向的变化及力作用的效果等进行定量分析，揭示发力原理及规律。表面肌电研究应用于判断动作过程中，哪些肌肉参与收缩，收缩过程中肌纤维发力长短、顺序等，这对科学合理化技术动作和确定不同力量训练方法手段的科学性非常有意义。

李凌云[1]采用生物力学的测试仪器、方法，试图寻找运动生物力学的一些原理和方法在武术领域中应用规律，从生物力学的原理应用在武术中的情况。我们可以将这些方法同样应用于其他同场格斗类项目中，为其他同项群项目的生物力学研究提供理论参考和实践指导。

运动学研究和表面肌电技术在拳击生物力学研究中应用较为广泛。郭峰，张日辉[2]探讨拳击运动员后手直拳动作内部神经肌肉系统协同变化，研究认为后手直拳击打，上肢拮抗肌发挥着重要作用。从肌肉激活顺序判断，动作符合鞭打动作原理，建议加强上肢拮抗肌训练。刘海瑞[3]的实验也得出了相似的结果，分析了拳击出拳击打拳速突然减速的成因。二者在突然降速的研究结果是一致的。拮抗肌放电信号较强也能够在一定意义上解释这一现象的出现，但二者结论中应该加强拮抗肌训练值得商榷，拮抗肌与主动肌、协同肌的协调配合时准确、高效完成技术动作的基础，应该从协调性训练的角度分析更为准确。

王新坤[4]运用爱捷运动录像测试分析系统，对参加2004年全国拳击冠军赛决赛的部分冠军前手直拳作进行运动学特征的研究分析。结果显示：运动员打击瞬间拳速在击中目标之前会突然增加，其研究结果前手直拳打击瞬间是加速的，与刘海瑞，郭峰、张日辉等研究后手直拳击打前速度突降结果相反，其原因有待进一步探讨。岳东升、张翠[5]利用高速摄像与测力台（Kistler）同步测试的方法，对拳击运动员直拳技术动作进行测试，该研究是典型的以运动学研究技术路线，对运动员技术改进有一定意义。

有关动力学研究在拳击中较为少见，相关理论研究中，谷晓红[6]从击打过程中的生物力学原理问题、打击力与作用时间、快速移动与稳定性、鞭打技术与多环节协调运动四个方面对拳击运动中的有关生物力学问题进行了探讨，指出了现存的误区及不足。苏彦炬[7]对不同击打技术的下肢发力特征进行了实验研究，对拳击下肢发力原理，影响击打效果的因素等做了宏观分析，对相关理论研究具有指导意义。

等速肌力测试关节力量从侧面反映肌肉力量，但与动作速度不相符合，存在一定的局限。姜传银[8]等运用等速肌力测试的方法，对拳击、跆拳道散打运动员进行比较研究，发现不同项目，不同肌群在速度力量方面的优势环节。从侧面也反映了不同项目因发力环节不同，不同部位的肌肉力量存在着明显的项目特征。等速测试数据较为精确，但限于单关节测试，动作路线，幅度、速度存在差异，对于专项力量测试存在局限性。

从拳击相关生物力学研究综述可见，以往研究对技术运动学分析较多，主要技术为前、后手直拳，分析其原因，直拳的运动学分析可近似理解为直线运动，相对实验控制和分析容易把握。而对表面肌电的研究可以对发力顺序与肌肉贡献率进行探讨，研究结果显示出的鲜明的个体化特征，从中提取共性及规律较难。表面肌电技术应用广泛，尤其是对专项训练手段和方法的检测，具有很大发展空间，二者有效结合可以弥补简单运动学分析带来的误差。等速肌力测试可以从侧面反映关节力量，但与专项发力方式速度不同。以运动学结合动力学研究在力量训练相关生物力学研究中是比较成熟的研究手段，对于拳击速度耐力相关研究应该是今后研究的方向 。

参考文献：

[1] 李凌云.运动生物力学原理在武术运动中的应用[D].山东师范大学大学.2002：56-58.

[2] 郭峰，张日辉.优秀女子拳击运动员后手直拳技术动作上肢肌肉表面肌电分析[J].沈阳体育学院学报.2009.28（4）：65-68.

[3] 刘海瑞.上海市优秀男子拳击运动员后手直拳出拳―击打环节生物力学特征分析[D].上海体育学院.2010.

[4] 王新坤.我国部分优秀男子拳击运动员前手直拳技术的运动学特征分析[J].沈阳体育学院学报.2009.28（4）：102-105.

[5] 岳东升，张翠，宋祺鹏等.山东省64公斤级男子拳击运动员直拳技术动作的运动生物力学分析[J].山东体育科技.2011.33（1）： 14-17.

[6] 谷晓红，于军.拳击运动中有关生物力学原理应用的若干问题[J].辽宁体育科技.2006.28（2）：30-31.

生物力学分析方法范文第3篇

摘 要 运动生物力学是研究体育运动中人体的机械运动规律及其应用的科学。文章通过对运动生物力学在体育教学中的运用分析，尤其是在技术教学中运用的阐述，证明了运动生物力学在技术教学中的重要性，对提高学生掌握运动技术动作和教学效果有着积极的意义。

关键词 运动生物力学 体育教学 技术教学

运动生物力学是一门理论与实践密切结合的应用科学，研究人体运动时的力学规律以及运动状态改变的原因，它直接为提高运动员运动技术水平和增强人类的体质服务。作为一门实践性极强的应用学科，体育教师如果能够运用运动生物力学的原理对学生的运动技术动作进行正确评价和传授，便可以使学生的技术动作更合理、更有效，所以在体育教学中已受到众多体育教师的重视和应用。

一、运动生物力学在体育教学中的地位

任何一项身体练习都由一定的动作及动作体系构成，而完成每个动作及整套动作都存在着最适合、最合理的运动技术。合理的运动技术以运动生物力学理论为依据，并富含运动生物力学原理。而运动生物力学又以其分析科学性、结构合理性为体育技术教学提供理论和方法上的指导，通过对形形体育动作千差万别以及引起这些差别原因的分析、探讨获得良好技术的各种力学条件，从而使学生更完善地认识、学习和合理掌握运动技术动作。

要想使学生迅速并正确的掌握技术动作，不仅需要教师正确的讲解和示范，而且需要合理的练习方法。技术教学中由于学生个体身体素质和能力的差异，表现在完成技术动作时或多或少地在各个环节上存在这样或那样的技术问题，教师如能及时向学生传授有关生物力学原理，往往能收到事半功倍的教学效果，这种效果对于具有良好物理学基础的大学生尤为显著。

二、运动生物力学与技术动作的关系

运动生物力学是研究体育运动中人体及器械运动规律及与其他运动形式相互转化规律的一门科学，它以经典力学的理论和方法为主要工具，研究体育运动中的各种力学现象。

人体在从事体育运动时，技术动作是千变万化的，各种动作形式差别很大，包括运动的空间、时间、速度、加速度等方面。空间特征表明运动发生什么地方和运动路程的几何形状，时间、速度和加速度的特征对揭示人体运动的性质是比较重要的，特别是技术性强的运动项目如体操、跳水、田径中的田赛等，对运动员的各方面都提出了极高的要求。运动员完成技术动作是否合理、是否规范、是否发挥其特点，也就是在运动中发挥人体最有效、最经济所作的功，都是运动生物力学的一种表现。所以训练时，如果教练员能掌握这门知识，运用运动生物力学原理，合理分析和建立运动员的技术动作，就会少走弯路，缩短技术动作定型的时间，并找到评价运动员技术优劣的标准，从而更快的提高运动员技术水平和专项运动成绩。

三、运动生物力学对体育技术教学的影响

在技术教学中，及时而有针对性地向学生传授运动生物力学原理，往往能引起学生对学习和掌握运动技术的兴趣，并使复杂的技术问题简单化，从而有利于学生及时纠正自己的错误动作，并防止由于错误动作而带来的运动损伤。

（一）提高学生学习运动技术的兴趣

新的运动技术取代旧的运动技术或高级运动技术取代低级运动技术，缘于新技术、高技术比旧技术更科学、更合理，并且更符合人体运动特点。因此，新技术总能吸引更多的人去研究和学习。在体育技术教学中，如何引起学生对新技术的兴趣是学习的第一动力。比如，我们说背跃式跳高比俯卧式跳高先进，主要是背越式更趋于自然的起跳姿势，摆动腿的屈曲上摆由于转动惯量小，因而比直腿上摆快。因此，背越式是小缓冲的垂直起跳，使起跳的爆发力有可能直接通过人体重心，最后，背越式所形成的背弓过杆，有可能使人体重心远离身体，从而实现身体重心从横杆下面通过的情景，对于同一跳跃能力的人可能提高横杆的高度。如此，通过对技术动作的分析，以及成绩的进步，就会使学生对背越式跳高技术产生浓厚的兴趣，提高勇于实践的欲望，从而在技术教学上就会主动、积极地参与并思考、体会技术细节，进而缩短掌握技术动作地时数，有利于提高技术教学效果。

（二）使复杂的动作技术简单化

在我们以往的教学中，当教师对某一项较为复杂的技术过程讲解时，学生常会因为技术太复杂而影响学习，但如果教师能用适当的力学知识加以分析，往往能使学生“顿悟”，从而激发学生的学习积极性。如：排球飘球是一项较复杂的技术动作，且飘球形成的力学原因也极为复杂，但根据“飘球不转”、“转球不飘”的力学现象，我们只要在击球过程中，保证打击力通过球心，即没有形成使球转动的打击力矩，便为飘球的产生创造了条件。如此讲授，复杂的技术问题简单化了，学生学习发飘球也会格外认真，能极快又好地掌握飘球技术动作，教学效果明显。同样，对足球“香蕉球”也是大学生足球爱好者非常向往的，如果我们在踢球的实施过程中，能保证给球施加极大的偏心力，便可能使足球在向前飞的过程中，因为偏心力使足球高速转动，从而使球体相对应的两侧形成压强差，进而使足球划出香蕉状的弧线轨迹。因此，对复杂的技术动作稍加力学分析，便可使复杂问题简单化，便于学生理解并提高教学效果。

（三）诊断并改进动作技术问题

技术诊断工作在国际上非常普及，许多体育强国都在他们的训练基地装备了生物力学测试仪器，经常性进行技术改进工作并取得了显著的成绩。在我国这一工作正在开展，生物力学技术诊断逐渐成为教练员和运动员科学训练的得力工具，也为体育教师对学生进行动作技术教学提供了科学依据。

运用运动力学的基本原理对技术动作的简单力学分析，可以诊断技术上存在的力学问题，从而对症下药，改进技术，便会收到良好的效果。如：用皮尺、秒表可以测得某学生某次推铅球的远度S，铅球出手高度H和铅球在空中的飞行时间T，用适当的运动学公式可以方便的求得铅球出手速度V和出手角度θ。在一定的出手速度V和出手高度H时存在着某一最佳出手角度θ′，比较实际出手角度θ和最佳出手角度θ′，便可诊断出手角度的合理性，从而指导教学、训练乃至比赛，并提高铅球成绩。

但在运用运动生物力学原理对学生进行动作技术指导的过程中，体育教师应重视学生的个体特点。运动技术的生物力学原理只是从生物力学角度反映了各项动作技术带有共性的普遍规律，而每个学生的身体形态和身体素质不同，因此在动作技术教学过程中，体育教师应经过实践逐步了解每个学生个人身体、素质及心理特点，实施有针对性的教学，这是运用运动生物力学动作技术原理指导体育技术教学的生命力所在。

（四）建立动作技术模式，提高教学效果

结合体育技术教学的需要，将学生按不同水平、不同技术特点分组，选择若干要素，运用生物力学测试方法，获取动作技术数据，经统计学处理，再运用运动生物力学原理分析，找出动作技术的一般规律和完成某个动作技术的合理方法，建立起正确的动作技术模式，并将其运用于一般专项运动训练和体育教学，这将会有利于专项技术和教学水平的提高。

（五）减少运动损伤的概率

合理的运动技术首先应符合人体解剖的结构特征，其次应符合力学原理。由于学生在学习运动技术中常形成一些多余动作乃至错误动作，违反了运动力学原理，从而可能导致运动损伤的出现。如：在掷标枪时，有的学生会出现屈肘或肘低于肩的错误动作，从而给肘关节造成扭转负荷，超出关节周围肌肉群的承受阈，进而使肘关节内侧肌肉等软组织损伤。因此，教学前，教师应对肘关节的结构以及力学负荷加以必要的力学分析，使学生明确合理的动作技术的基本要素，从而避免或减少运动损伤。

四、小结

体育教学不仅是一个学科，更是一门科学。其中的分支——运动生物力学在我们的体育训练和教学工作中更是起着重要的作用，它在体育技术教学中的独特地位，是什么都无法代替的。因为我们参与的每一个技术动作无不可以从力学的角度去分析研究，所以在体育技术教学中不但要知其然，更要知其所以然，只有这样以才可以改进教学水平，提高教学质量，让学生受益，让体育老师教学相长，提高自我、完善自我。

参考文献：

[1] 石玉琴.运动生物力学[M].北京：人民体育出版社.1999.12.

[2] 李建设，顾亮.运动生物力学的研究与展望[J].浙江体育科技.1999（2）.

[3] 马辉，马雪莲等.将运动生物力学融入高校体育教育实践的研究[J].中国成人教育.2009（16）：133-134.

生物力学分析方法范文第4篇

[关键词] 颈椎；胸椎；腰椎；脊柱畸形；有限元

[中图分类号] R682[文献标识码] A[文章编号] 1673-7210（2014）05（a）-0167-03

Application progress and prospect of finite element analysis in spine malformation

QIU Yunpeng HUO Hongjun

Department of Spine Surgery, the Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010059, China

[Abstract] Spinal finite element method is a relatively new research method in recent years in spine biomechanics, which has been widely used now. This study describe the development process of the finite element method, finite element method in cervical, thoracic and lumbar spinal; the article evaluate the present situation of the development and prospects of the finite element model in scoliosis and kyphos.

[Key words] Cervical vertebra; Thoracic vertebra; Lumbar vertebra; Spine malformation; Finite element method

有限元法又称有限元素法[1]，其基本思想是20世纪40年代由国外学者首先提出，并在20世纪60年代由平面弹性论文中用“有限元法”这个名称命名，这标志着有限元法的正式诞生。1970年，随着计算机和软件的发展，有限元又跟医学的发展紧密相连，并在骨科方面中得到充分的利用。通过有限元合理赋值得到接近正常的人体模型，从而可以有效地对人体结构的应力、应变及模拟分析，得出正确的结论，由于有限元模型具有重建不规则、复杂材料特性结构的能力以及易于重复模拟复杂静止或动态负重状态下的应力而应用越来越广泛。现阶段开发的有限元软件总体功能强大，模块齐全，在我国的市场占有量也最大，现在有限元分析法已经成为动物模型和尸体模型研究方法之后单独作为骨科生物力学研究有效方法和手段之一。

1 有限元分析法在脊柱外科中的应用优势

近年来由于随着计算机技术发展和软件的开发的不断进步，有限元法已经成为了解脊柱力学变化及脊柱疾患的研究非常有用的工具之一，模拟的条件不断进步并越来越接近正常、结果使人更加信服。与其它方面研究生物力学方法如动物标本和尸体标本相比较，有限元法更具有的优势，体现在多方面，可以显示脊柱内部生物结构受力及形变等情况[2]，并能将这种受力和形变情况以直观的图形来展示，如对脊柱的椎体、椎间盘和小关节在受力和形变情况下应力分布的显现，描述局部椎体及椎间盘在各种内固定条件下承受的应力变化等；可以对脊柱手术应用的内固材料本身的受力分布情况，分析内置物局部应力集中点等数据，如直观的显示椎弓根螺钉的局部应力分布等；可以在同一脊柱模型上反复进行试验研究，从而确保所施加的对象完全一致，从而在比较不同干预措施下的脊柱生物力学效果及所得数据更加准确等[3]。

2 有限元分析法在人体脊柱中的应用现状

有限元在人体脊柱外科领域的应用发展迅速。自国外学者首先建立腰椎的三维有限元模型，并进行模拟生物力学分析之后，国内外相关脊柱方面的研究逐渐从腰椎、颈椎、胸椎模型建立到全脊柱模型并从脊柱有限元模型的构建发展到脊柱疾患发病机制的研究、脊柱手术术前规划及术后疗效评估等方面的研究。

2.1 颈椎有限元模型的研究

1991年Saito等[4]建立了二维有限元模型，此模型是比较简单，它是在简化小关节的基础上的几何生物模型，导致了模型内部的压力分布、负荷分配的结果与实际结果相差较多。1993年，Kleinberger等[5]建立了第一个颈椎三维有限元模型，它虽然简化了许多重要结构，如缺乏关节突关节等，其应力结果分析不太理想。但是将颈椎的模型带入了三维时代。1997年Voo等[6]建立了局部节段颈椎模型，包括椎间盘及椎体使颈椎三维有限元模型构建了较为成熟的。固定下位椎体使上位椎体在其各个方向旋转时受力所得结果与体外实验相对比，结果较为符合实际。2006年陈强等[7]应用CT扫描所得的断层图像并对其重建的方法，建立了全颈椎三维有限元模型。2011年林国中等[8]建立了全颈椎三维有限元模型具有详细解剖结构，最终验证结果表明，该模型具有良好的生物逼真度。颈椎有限元分析经历了相对简单的二维模型到以CT扫描和三维重建技术为基础的单一椎体精细有限元网格构建，在到多节段颈椎椎体建模并在一定程度上再现椎间盘、小关节、韧带等非骨性结构的发展过程以及具有高仿真度仿真模型出现，经历了30余年时间，把对颈椎生物力学的研究带入了一个全新的领域，开辟了新的天地。有限元在颈椎模型方面研究及生物力学应用发展迅速。

2.2 胸椎有限元模型研究

人体胸椎连接胸廓结构复杂，从而使胸椎的有限元模性建立较晚，模型建立与生物力学研究结果与实际相差较大，2008年胡辉莹[9]等利用有限元软件辅助建立的人体胸廓三维有限元模型具有较高的真实性和精确度，为下一步人体胸椎包括胸廓有限元模型的分析提供了基础。2010年费琦等[10]建立了胸椎后凸的三维有限元模型，实验结果表明，当给予轴向压力后，椎间盘、终板及椎体整体的应力也成相应增加。2010年李筱贺等[11]在CT扫描结合逆向工程软件建立下胸椎三维有限元模型，通过计算机软件实现从CT图像中提取数据建立下胸椎，完成数据与逆向工程软件间的衔接，并将逆向工程技术引入模型的建立中，成功建立了表面形态和内部组织结构都与实体一致的模型，该模型具有结构完整、空间结构准确度高及单元划分精细等特点。实现了以用于计算机辅助设计、快速成型、有限元分析等领域的研究，从简单的胸椎模型到加入胸廓三维模型重建到生物力学的研究胸椎有限元模型真实性、精确度不断完善，并随着计算机软件技术成熟完善，得到进一步完善，应用越来越广。

2.3 腰椎有限元模型的研究

腰椎的有限元研究较早，自1975年Liu等[12]建立了第一个真正包括椎间盘的腰椎三维有限元模型，并模拟不同情况下的椎体的受力情况，将腰椎有限元的建立分析带入了全新时期，但对其椎体附件等结构未进行详细分析，1998年Goel等[13]首次通过应用CT扫描建立了局端腰椎的复杂三维有限元模型，此后又连续进行了脊柱外伤、椎体融合及椎间盘退变等临床研究。2004年Zander等[14]利用L3/～4的有限元模型，模拟依次切断部分韧带计算剩余韧带的应力。结果显示韧带的存在明显影响腰椎各节间的活动范围。2006年Rohlmann等[15]利用有限元模型评估在不同下所需躯干肌的肌力，通过考虑肌肉的作用后，脊柱三维有限元更逼真，有限元分析更符合实际情况。2009年闫家智等[16]研究表明，在给予施加轴向压缩力时，腰椎纤维环最大应力集中于髓核和终板中央，应力随轴向压缩力的增加而增大。EI-Rich等[17]建立了L2/3活动节段三维有限元模型，该研究表明，俯屈和伸展时应力的分布不同，从而使骨折的发生部位亦明显不同，该实验认为椎体后部结构在维持脊柱稳定性上起着重要作用。腰椎有限元从基础的椎体模型的建立到分节段椎体生物力学分析，再到腰椎全节段的模型建立在治疗腰椎疾病及术后评估发展迅速如，已成为研究脊柱外科的重要方法之一，并随着计算机软件的开发将越来越普及的应用。

3 有限元在脊柱畸形方面的研究现状

目前有限元分析法已进入脊柱侧凸、后凸及两者合并存在等热点的研究领域，学者们借助有限元分析方法，构建脊柱侧凸后凸的模型并深入的探讨了脊柱畸形的发病机制，相关结构的应力分布及结构改变所致身体其他部位的所连带的身体机能的改变，同时应用有限元研究脊柱疾患生物力学分析、内固定器械受力分布及脊柱手术术前规划、术后评估等问题。

3.1 脊柱侧凸畸形三维有限元研究

脊柱侧凸畸形有限元及内固定器材料的研究现阶段非常广泛，国内外的相关报道较多，Stokes等[18]将有限元模型应用于脊柱侧凸，将内固定器械应用于侧凸矫形生物力学的研究。2002年Grealou等[19]利用有限元对切除肋骨对脊柱侧凸畸形矫形的生物力学影响，并检测对胸廓的整体影响机制。2008年汪学松等[20]利用计算机软件成功地建立特发性脊柱侧弯的有限元模型，具有良好的仿生效果及生物逼真度，2010年韦兴等[21]腰椎侧凸螺钉内固手术矫正效果影响的定节段对有限元分析中建立了高仿真度腰椎侧凸模型，并得出结论：在保持一定固定范围条件下，间断减少非弧顶固定螺钉。在三维有限元模型上可得到较好的矫形效果。目前，对脊柱侧凸畸形的有限元模型的重建、对于脊柱侧凸的发生机制、脊柱侧凸畸形病程不断恶化的过程、脊柱侧凸形成过程中存在的相关机制以及对脊柱侧凸畸形手术术前规划，术后效果评估成为了大家关注的焦点。

3.2 脊柱后凸畸形的三维有限元研究

2003年程立明等[22]利用有限元软件构建脊柱后凸畸形的有限元模型，证实脊柱胸腰段后凸畸形改变了相应椎间盘的负荷应力分布，可能加快椎间盘退变并使其椎间盘后方易受损破坏。同年张美超等[23]利用三维有限元模型在正常与后凸畸形胸腰椎体力学性能比较中的应用中"在纵向压缩载荷下正常脊柱T12～L1段椎体后部容易损伤和骨折后T12～L1后凸脊柱T12～L1段椎体前部容易损伤和骨折。2004年国内学者建立了颈椎后凸畸形有限元模型并验证全椎板切除可以明显改变颈椎正常前凸转变为后凸：颈椎间盘和韧带结构对全椎板切除后颈椎曲度有显著影响，颈椎椎间盘、韧带结构对颈椎生理曲度有双重作用，颈椎椎间盘、韧带结构弹性模量减少，将加剧颈椎后凸曲度。另有学者利用CT扫描资料，输入有限元软件重建胸腰段椎体的三维有限元模型，其结构完善、外观逼真、数据精确性好，并模拟L1椎体骨质疏松性压缩性骨折及椎体后凸成形术治疗，总体来看对于脊柱后凸模型的建立及生物力学分析相对于脊柱侧凸研究较少，但未来的发展空间较大，利用模型应用于脊柱后凸矫形术前规划反面作用突出，将成为研究脊柱后凸畸形的重要方法之一[24-25]。

4 三维有限元在脊柱畸形方面应用的展望

高质量人体脊柱模型的建立成为进行有限元分析的关键，是进行脊柱畸形方面疾病研究的基础。现国内外已有脊柱的各节段高仿真有限元模型的建立的报道，并随着计算机软件开发及联合应用建模功能的发展强大，成功仿真模拟了脊柱侧凸、脊柱后凸的三维模型的建立，这种有限元分析方法将能够为脊柱侧凸、脊柱后凸的发病机制的及生物力学研究提供量化指标，协助医生研究脊柱畸形发病机制，预测患者的矫形过程和效果，并能针对具体患者进行个体化的仿真模拟操作和生物力学分析，为临床实践提供一定的理论依据，并为今后医生制定和优化脊柱侧凸、脊柱后凸的临床治疗方案开辟了新的途径。随着脊柱矫形生物力学研究的深入和计算机可视化技术发展，计算机辅助制订矫形策略可能是临床的发展趋势。

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生物力学分析方法范文第5篇

[摘要] 目的:通过生物力学分析方法测试3种内固定器械治疗同侧股骨颈并粗隆间骨折的效果。方法:取12根成人新鲜股骨标本,依据Evans-Jensen分型Ⅲ型制作骨折模型,其中小粗隆部分的骨折向上波及到股骨颈中部。将骨折复位随机分成3组,每组4例,依据标准技术分别予以股骨近端锁定板、动力髋、PFN固定。将各组固定模型置试验机上测试骨断端的张开角、应力分布。结果:股骨近端锁定板骨断端的张开角明显小于动力髋组及PFN组。骨折端应力分布,股骨近端锁定板组包括张力侧各点均为压应力,动力髋及PFN固定组在外侧测试点为拉应力。结论:股骨近端锁定板的各项生物力学性能均优于动力髋、PFN固定。

[关键词] 同侧股骨颈并粗隆间骨折;生物力学;内固定

[中图分类号] R683.42 [文献标识码]A [文章编号]1674-4721(2010)03(c)-032-03

Biomechanical study of three different fixtors in fixture of ipsilateral femoral intertrochanteric and femoral neck fractures

DOU Qingyin,WANG Pengfei,HAN Yun,CAI Weidong

(Department of orthopaedics,Songgang People′s Hospital,Shenzhen 518105, China)

[Abstract] Objective: To study the biomechanical properties of three different internal fixtors. Methods: 12 fresh adult cadaver femoral bone specimens were used to made ipsilateral femoral intertrochanteric femoral neck fracture model, which were divided into three groups by random,and fixed by PFN,DHS and femoral proximal locking plates 3 differently.All the fixtors model were evaluated by biomechanical test.Experimental tests included the opened angle,the stress distribution in the edge of fracture. Results: The PFN,DHS groups′ open angle were significantly larger than femoral proximal locking plates group under every load.The stress distribution in the outer fracture sites of PFN,DHS groups were pulled stress,while the femoral proximal locking plates group were pressure stress. Conclusion: The biological mechanics property of femoral proximal locking plates are superior to the other fixed devices.

[Key words] Ipsilateral femoral intertrochanteric femoral neck fracture; Biomechanic study; Inter fixtor

股骨颈并粗隆间骨折是临床上较少发生的骨折,其广泛的骨折范围给治疗带来困难,笔者曾利用股骨近端锁定板治疗此型骨折2例,获得较好效果。为验证股骨近端锁定板的固定效果,笔者采用尸体骨制作股骨颈并同侧股骨粗隆间骨折模型,分别以股骨近端锁定板、动力髋、PFN固定,行生物力学测试。

1 材料与方法

1.1 骨折内固定模型的制作

取12根新鲜成人尸体股骨标本,依据Evans-Jensen分型Ⅲ型制作成股骨颈并同侧股骨粗隆间骨折模型,在此基础上,小粗隆部分的骨折向上波及股骨颈中部。

骨折内固定模型的制作:将骨折复位随机分成3组,每组4例,依据标准技术分别予以股骨近端锁定板、动力髋、PFN固定。

1.2 生物力学测试

将股骨远端包埋于牙托粉,使股骨长轴与垂线成20°角。包埋后股骨长度平均为43 cm。实验过程中标本保存在-400℃超低温冰箱保存。实验标本骨折线两侧沿复骨折线对应贴10片应变片,应变片与骨折端垂直距离3 mm,应变片之间距为15 mm,其中1、2号应变片位于股骨距处骨折端。实验均在万能试验机上进行,使用YJ-31型静态电阻应变仪记录数据。制作模拟髋臼形状的半球型加载卡具,使加载时受力分布均匀。为了使载荷接近正常人的体重范围,张开角度的测试、骨断端的应力分布、骨断端的接触面积的测试中载荷选择了以800 N为中心,左右共载6个载荷值。

张开角度的测量:在股骨大粗隆上端骨折线两边钻入2枚直径为1.0 mm克氏针,长约15 cm。将标本安装于SCC-44100电子万能试验机上垂直加载200、600、800、1 000、1 200 N,加载后用千分尺测量不同载荷下2枚克氏针的点位移,可求出不同载荷下骨折外侧的张开角度[1-2]。骨断端的应力分布情况:应变片连于YJ-31型静态电阻应变仪,将试验骨安装于万能试验机上进行加载试验,加载速度为1.3 mm/min。载荷由200 N逐渐增至1 200 N,读取应变值,每1个试件加载3次,读取数据,去掉无理数值取平均值,再将5个试件的试验结果取平均值,即可求出实验组与对照组各个载荷状态下的应变值。从骨折端的应变值计算出骨折端的应力分布。

1.3 统计学处理

张开角比较采用SPSS12.0进行组间比较。

2 结果

2.1 张开角度的测试