生物力学的研究

前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇生物力学的研究范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。

生物力学的研究范文第1篇

关键词：屈光性近视；轴性近视；生物力学机制

近20年来，我国近视眼患病率在急剧的增加，全国近视患者已超过3亿，在世界排名仅次于“近视第一大国”——日本。近视已成为倍受人们关注的公共健康问题，认知近视眼的发病机制正是解决该问题的关键所在。从近30年来近视眼研究来看，科学家们进行了大量的近视动物模型实验，对近视的发生、发展有了进一步了解。特别在形觉剥夺性近视、遗传基因定位及近视眼生物化学物质改变等方面有较深入的研究。也有学者尝试了生物力学视角的研究，但是目前还没有生物力学模型能解释所有眼的调节机制。因此需要对人眼调节机制进行有关生物力学的基础研究，建立人眼调节机制的生物力学模型，为屈光的研究提供一种新的技术方法。

1.屈光性近视的力学机制

目前，解释调节机制的经典松弛理论[1]认为：调节时睫状肌的环形纤维收缩、悬韧带松弛、晶状体变凸出、屈光力增强、睫状突和晶状体赤道部接近。调节紧张理论[2]认为：调节是由晶状体赤道部受到张力牵引而产生，至少一部分晶状体悬韧带处于紧张状态、晶体中央变凸出周边变平、屈光力增加，并从物理数学模型、尸眼解剖、临床观察等方面进行论证。尽管两种理论存在一定的差别，但是两种理论都认可人眼的调节过程通过三部分眼内组织完成。睫状肌的收缩，睫状肌的收缩使附着在睫状突上的悬韧带张力发生改变，悬韧带张力的变化使晶体的形状发生变化，晶体形状的变化使人眼的屈光力发生变化，完成调节过程。

晶状体的调节主要由睫状肌、悬韧带以及晶状体三部分来实现，其生物力学调节机制的研究基本上从这三方面来展开。“调节本身不仅是传统意义上的睫状肌收缩和晶状体变凸出，同时还伴有晶状体的相对前移调节，对眼的几乎所有屈光构成因素有着显著的影响，视近活动的累积效应是儿童近视眼发生的主要原因”[3]。“悬韧带具有一定的张力，悬韧带在拉断之前平均能被拉长4.48±1.78mm，随着年龄的增长，悬韧带的张力随年龄的增加而减少”[4]。不同屈光状态对睫状肌的动力学影响，睫状肌远点肌肉张力在不同眼屈光状态为一稳定值，且随眼静态屈光度的增加而降低。

由以上的理论研究，我们看以看到睫状肌与晶状体的调节密切相关。对于涉及到的肌肉的运动，我们可以尝试从力学的视角来对屈光不正来进行解读，从而推测屈光性近视产生的原因。笔者认为，屈光不正主要是由于晶状体变凸出，光线聚焦在了视网膜的前方，形成屈光性近视。其生物力学机制可解释为：长时间的近距离作业造成了睫状肌痉挛，并长期处于紧张状态，从而使悬韧带长期处于松弛状态，晶状体不能变凹，也就形成了屈光性近视。

2.轴性近视的力学机制

基于理性分析，认为巩膜强度减弱、眼外肌压迫眼球使眼内压增高等是造成高度近视的原因。但后来的临床及实验研究未能找出相应的证据。对眼球进行了生物力学理论分析，认为“在后部巩膜的应力分布不均，由于上、下斜肌的附着点接近视神经，在调节辐揍时对后部巩膜产生剪切作用，造成后部巩膜延长”[5]。“眼外肌的强直性收缩引起玻璃体内压力升高，在近视的形成中也具有明显作用”[6]。由此，我们不难看出，人们在生物力学的领域已经展开了对近视眼形成机制的研究，研究的重心在于力学的作用点—巩膜。只有对巩膜形变及异化的机制研究清楚，才能为近视眼的矫正奠定基础。

“轴性近视直接与巩膜形变密切相关，因此巩膜、角膜的生长及异化只能表现为眼球壁的不断增厚，不能促成眼轴的延长”[7]。因此眼球的生长必须依赖于眼内压对球壁组织张力，才能形成膨胀性生长。“在同等应力的作用下，前部巩膜的变形最小，赤道部的次之，后部巩膜最大，且高度近视患者的后巩膜承受应力较常人脆弱”[8]。后巩膜加固术能加强薄弱的后巩膜，从而达到抑制轴性近视发展的效果。近视眼巩膜的组织病理学改变早于生物力学特性的改变，并且实验性近视眼的巩膜弹性差，易发生变形，具有较低的承载能力。这些观点都从某一视角对巩膜做了研究，还需要有待进一步的研究。

另外，实验性近视眼后极部巩膜变薄，胶原纤维发生退行性变化即异化（巩膜重塑），而这也是近视眼巩膜弹性差、容易发生变形、具有较低的承载能力的病理基础。“巩膜成纤维细胞胞外基质的代谢、细胞因子的表达及自身生物力学性质等决定巩膜的生物学和生物力学性质。在近视的发生及治疗过程中，伴随有巩膜及巩膜成纤维细胞的力学——生物学特性的变化”[9]。这些理论都为巩膜重塑的生物力学机制提供了充分的理论依据。

笔者认为，轴性近视的形成是建立在屈光性近视的基础之上，当晶状体的不能正常调节已经不足以适应长期的近距离作业的刺激时，眼球就会发生新的变化，及巩膜的异化，从而导致眼球的形变，这种形变与眼外肌有密切的关系。由于长期的近距离作业，眼外肌的分作用力会破坏眼内压平衡，最终促进眼轴变长，形成轴性近视。

3.结论

3.1作为现代文明的产物，近视眼的发生已呈现愈演愈烈的趋势。对于近视形成机制，近30年来在形觉剥夺性近视、遗传基因定位及近视眼生物化学物质改变等方面有较深入的研究，生物力学方面的研究相对较浅。

3.2屈光性近视的力学研究集中于睫状肌、悬韧带以及晶状体的力学参数变化，根据参数变化尝试建立参数模型，从而纠正屈光性调节的理论机制。

3.3轴性近视的力学研究集中于力学的作用点—巩膜。通过对巩膜形变以及异化的研究，人们期望找到矫正轴性近视的突破口。

3.4从力的作用来源视角出发，眼外肌的研究必不可少，但是往往难以着手。眼外肌可以控制眼球的运动，外在的间接研究或许可以为我们研究其力学机制提供一个新的思路。（作者单位：云南师范大学体育学院）

参考文献：

[1] 高磊.调节对儿童屈光构成因素的影响[J].青岛大学学报，2000：1—60.

[2] 梁厚成.眼球及屈光不正相关眼病发病机制的生物力学研究[D].，第四军医大学1997：1—88.

[3] 王超英.高度近视眼巩膜生物力学特性初步研究[J].眼科研究，2003，21（2）：113—115.

[4] 马代金.后巩膜加固术作用机制的实验研究[J].中国现代医学杂志，2005，14（10）：96—97.

[5] 周伊.眼球-眼外肌有限元模型的建立与力学分析[J]北京生物医学工程，2006，25（3）：228—230.

[6] 张新.实验性近视眼巩膜病理学与生物力学特性的改变[J].眼科新进展，2012，32（11）：1017—1020.

[7] 张艳明.形觉剥夺性近视中巩膜重塑机制的研究[J].眼科研究，2007，25（5）：390—392.

生物力学的研究范文第2篇

【关键词】 力学原理；垫球；分析；训练

1前言

20世纪末排球竞赛规则进行了重大修改，特别是每球得分制的实施，比赛时间相对缩短，比赛节奏明显加快，在高度紧张和激烈的对抗之中，运动员无论是身体还是精神从始至终处于高度的紧张状态，对运动员的技术、战术提出了更高的要求。排球比赛是运动员运动技术、战术、体能、心理等全方面的较量，运动员能够成功的发挥自己的实际水平，在比赛中有效的组织进攻，主要在于一传能够很好的处理每一个球，才能够避免失分，并且有效的组织起进攻，而且还能够激励队员的士气。在排球比赛中，垫球是主要用于接发球、接扣球、接拦回球以及防守和处理各种困难球的技术，是组织反攻的基础，争取少失分都具有重要意义。而且在扣球中，接扣球还能由被动为主动，稳定情绪，鼓舞士气，促进排球攻防平衡的重要手段。是每一个排球运动员必须熟练掌握的一项排球基本功。垫球过程中，应当遵循一定的生物力学原理，因为力的作用是相互的，作用力与反作用力必定成对出现，在垫球过程中如果不遵循力学规律，势必会导致将球垫飞或者下网的现象出现，影响自己的士气，甚至直接影响比赛成绩。本文采取了搜集资料和对照实验的方法仅对排球中垫球的基本技术发表自己的一点看法，文章仅供参考。

研究目的：阐述生物力学原理在排球垫球动作中占有很重要的地位，使运动员重视理论与实践相结合，以提高运动成绩。

研究方法：对比实验法 资料分析法

2 在比赛中上臂垫球基本姿势的生物力学分析

2.1比赛中垫大力量球的生物力学分析

在垫球的过程中，首先要做好基本的垫球准备动作，处理各种情况下的来球。根据力学作用力与反作用力的性质：两个物体之间的作用总是相互的，一个物体对另一个物体有力的作用,后一个物体一定同时对前一个物体有力的作用.物体间相互作用的这一对力,通常叫做作用力与反作用力.我们来球对上臂的力叫做作用力,上臂对球的作用力就叫反作用力.作用力和反作用力互为因果关系，没有先后，没有主次。说明来球的力有多大，它受到的反作用力也就有多大，对于力量大的球，只是单单的正面迎击，很容易垫飞出界或者下网，我们应当对来球进行力量、速度以及方向的分析，对大力量来球要适当的对其做一下缓冲，在技术动作上称之为卸力。下面对我校普通学习过排球的8名同学作如下实验：试验组经过处理卸力垫击大力量的球；对照组直接垫击大力量的球，每人垫击80次，得到的结果如（图A-1，2）所示：

对来球直接垫击的80个球：

对来球卸力处理的80个球

试验证明，对卸力处理的80个球的成功率明显的比对直接垫击的80个球的成功率大大的提高了。其原理可以表示为：作用力等于反作用力，但是经过处理后反作用力等于作用力减去缓冲力（缓冲力为正值）。这说明：无论在比赛过程中，还是在训练过程中，其技术动作都能够遵循某一力学规律，巧妙的运用力学原理处理技术上的问题，本身就是一个提高，将力学原理运用到实践中，就是技术的提高，而所谓的“球感”也可以说是运动员本人能够下意识的利用力学原理来处理实践中的问题了，这样就能更有效的控制球，将球垫到理想的位置，为进攻奠定良好的基础，也就是掌握了垫球的生物力学原理。

下面对排球垫球的技术动作进行生物力学分析：“在垫重球过程中，由于来球速度快，力量大，触球后球体的自身的反弹力也大。因此不但不能直接迎击来球，还应采取含胸收腹的动作，帮助手臂随球后撤并适当放松肌肉，以缓冲来球力量。同时，用手臂和手腕动作来控制垫球的方向和角度。击球的手型和部位，应根据来球的情况而作变动，当击球点稍高并靠近身体时，仍可用前臂垫球；当击球点底而距身体较远时，就要用曲肘翘腕的动作把球垫在手腕上部。” 垫球过程中的“含胸”、“收腹”、“手臂随球后撤”、等动作都是卸力动作，其目的和作用主要是用来缓冲大力来球的冲力，将球有效的控制住、组织进攻，能够有效的组织防守，是排球防守垫球的重要手段。

2.2比赛中垫中等力量球的生物力学分析

垫击中等力量球“准备姿势、击球点和手型与垫重球的手型基本相同，由于来球的力量稍微减弱，相对球速减慢，手臂迎击球的动作的速度要慢，手臂要放松，主要靠来球本身的反弹力将球垫起，击球时要蹬地、跟腰、提肩压腕、向前抬臂的动作击球的后下部。”通过对技术动作的分析我们可以得到以下结论：同垫击重球的动作以及击球方式来讲，垫击重球的“含胸”、“收腹”、“手臂随球后撤”卸力动作基本没有了，相反加上了“蹬地”、“跟腰”、“提肩压腕”、“向前抬臂”的击球动作，从力学的角度分析，中等力量的来球作用到手臂上的力相对于重球来讲已经减弱，因此垫击中等力量球时不用“卸力”动作基本上就能够垫到位了，甚至有时随着来球力量减弱反而要给来球一定的力量，以便将球顺利垫击到二传手中。其技术用力学表示：垫击球的力等于球的反作用力加上上臂对球的力，技术动作要领中的蹬地、跟腰、提肩压腕、向前抬臂都是给球力量的动作。这也充分证明了垫击球要根据来球力量的性质决定。力量稍大，给球的力量则应当相应减小；来球力量较小，给球的力量应当适当增大。

2.3比赛中垫击轻球的生物力学分析

垫击轻球的动作要领“当球飞到腹前约一臂距离时，两臂夹紧前伸，插入球下，同时配合蹬地、跟腰、提肩、顶肘、压腕、抬臂等全身协调动作迎向来球，身体重心随着击球动作向前上方移动。”同以上两种垫球方式比较，垫击轻球时“蹬地、跟腰、提肩、顶肘、压腕、抬臂”以及“身体重心随着击球动作向前上方移动”都是用力性质的动作，根据生物力学作用力与反作用力的性质分析：由于轻球的力量很小，速度很慢，如果只是靠其反弹力来击球，根据作用力等于反作用力很难将球垫高或者垫到相应的位置，因此要主动击球，给球适当的力量，这样球的出手力量等于球本身的反作用力加上手臂给球的作用力，就加大了球的出手力量，将球垫击到相应的位置。

3 比赛中双臂垫球方向的生物力学分析

在排球比赛中，会出现多种情况，因此在接发球时，除了集中力量加快自己的脚步移动，还要提前判断自己身边的情况，对于身体体侧的球就应当注意自己垫球的技术了，根据反弹力的性质：当力作用到某一物体上，随着力作用的角度不同，其反弹的角度也随之改变。体侧垫球的技术就是利用力的反弹性质来完成对球的有效控制的。所谓体侧垫球就是在体侧用双手击球，左垫球时，先以左脚前脚掌内侧蹬地，左脚向左跨一步，重心移至左脚，保持两膝弯曲，同时两臂向左侧伸出，左臂抬高于右臂，右肩微向下倾斜。击球时，用转体和收腹的动作，配合提肩抬臂在身体左侧稍前的位置接住来球，用两前臂垫击球的下部。右侧垫球动作相反。垫击体侧的球更要掌握好技术动作，以左侧垫球为例，体侧垫球时两臂向左侧伸出，左臂抬高于右臂，右肩微向下倾斜。这个技术动作要求运动员的手臂内侧要对准二传队员，当球作用到手臂时，由于反作用力球会按照一定的路线向固定的方位反弹回去，同时要注意判断来球的力量大小，利用“卸力”、“主动击球”等技术动作将球平稳的传到二传手中。“转体”和“收腹”是为了加大自己对球的有效控制，同时增加了对球的力量控制，而身体重心的移动是为了使自己保持身体平衡，同时为了让自己的脚下灵活，便于移动。

通过对技术动作的分析，充分说明了在垫球过程中，生物力学原理在排球垫球运动中每一个环节都能够运用得到，能够熟练的掌握好生物力学原理，将理论与实践充分的结合起来，在比赛中可能会更好的发挥一传的作用。

4.结语

本文简要论述了在各种情况下垫球时运用的生物力学原理，通过对技术动作的分析，充分说明了在垫球过程中，生物力学原理在排球垫球过程中每一个环节都能够运用得到，能够熟练的掌握好生物力学原理，将理论与实践结合起来，在现在激烈的比赛中更好的发挥一传的作用。从而减少失误，有效的组织进攻，鼓舞队员的士气，激励每一个球员奋发拼搏，提高获胜几率。

参考文献

生物力学的研究范文第3篇

研究对象:115名竞赛运动员,运动水平从二级到运动健将。

一、分析和讨论:

疲劳特征的发现可引导出下面的计算方法:这115名运动员具有一定的运动水平,他们在起跑后速度和技术指标有着密切的相互影响、相互补偿的关系,这样可得出一次方程式,然后填入终点跑速度值,得出可计算的指标数据。比较获得的指标数据和终点跑实际技术指标,就发现结果超出了一般跑的规律性,实际指标或多或少的符合运动员在非疲劳状态下的技术指标。(表1)

计算公式:PTOPM=-5.288+4.38V(+-5.62),R=0.75

PTOPM表示负面力的纵向被加数;V表示跑的速度;R表示相互关系系数。现在把各项距离的终点跑速度值放入公式内,就可得到计算的负面力。(表2)

比较计算值和实际情况看出,在400米跑中实际的力不符合终点跑的速度。超出的力已被展示出来(方程式评价规格误差=5.26)。这是由于疲劳的肌肉能够产生更多有实际意义的力.显然,就象用铁制起跑器测量200米和800米起跑一样,这样的方法能减少制动阶段力学结构中力的丢失,因为腿部力量做功发力大部分还是利用骨骼传递到踝关节。除了这些,这个方法还能帮助减少由于降低身体重心位于制动阶段造成速度的损失,但对蹬地阶段支撑腿收缩肌肉的能力还不能从根本上起到作用。可见,从正面的力和负面消极的力之间的联系可以得出下面的公式:Pot=1.801+1.288Ptopm.(±9.06),r:0.76。

Pot=正面积极力的纵向因素,把负面消极力的影响和400米终点跑实际指标放入公式中,可以得出:正面积极力应该等于34.1Bt/kg。事实上,真正的数值少于38%,等于21.2±7.2 Bt/kg。

从上面的情况得出,对于400米没有疲劳补偿阶段,跑的速度降低。疲劳肌肉低能力的收缩,在这种情况下不可避免的影响能力再生结构―必然加大后蹬能力,显然这种结构能有效的提高活动能力,它表现出与肌肉生物力学特性的联系―肌肉越坚硬有力,拉伸时间越短,就越能更多的利用聚集的机械力。在缩短制动阶段的高速度跑更有利于肌肉其他性能使用的再生结构的出现。这些结构的加强,能有效的提高肌肉弹性能力,如脚底的屈伸运动。相反,运动员在支撑落地阶段,当肌肉拉长的时间增大时,聚集的机械能力很大程度上分散到肌肉中去。

那么,400米跑在过大支撑阶段是否违背了依赖于肌肉的速度―拉伸条件呢?我们注意看实际情况:在终点跑中制动时间提高了38%,达到80+15mc,但计算和反映出来的数据相比较,他们之间不存在实质上的差别,符合等于0.073和0.080。计算公式为:

Ttopm=0.126-0.009V(±0.009),r=-0.83

Ttopm-制动时间。这样可以说明,制动时间符合终点跑的速度,并不是它违背了肌肉速度―拉伸条件。而真正造成终点跑的技术原因是肌肉的生物化学特点而不是动作技术的生物力学结构,在400米跑的最后阶段,根据生物化学的测量结果,由于大量的乳酸积累而造成对神经细胞积极功能性的抑制,大量的降低 ATF和KPF在血液中的含量,而增加ADF的含量。

因此,我们可以更多的了解到,在疲劳状态下支撑腿肌肉拉长和收缩的相互关系,摆在我们面前的许多重要的实际数据证明,提高局部肌肉的紧张强度与中距离跑的运动能力有着密切的关系。根据实验结果得出,局部肌肉性能的提高,可以根据生物力学特性,更多的利用弹性特点有效的延缓跑的速度在终点跑阶段的降落过程.

二、 研究结果:

1.在400米跑中出现的疲劳特征反映出违反了肌肉拉伸和收缩的相互关系。

2.证实提高局部肌肉的工作强度有利于在疲劳状态下跑的运动效果。

生物力学的研究范文第4篇

脊柱椎体的压缩性骨折是骨质疏松患者最常见的并发症，严重的椎体压缩性骨折保守治疗5 a内死亡率可达23％～34％，目前常用的手术治疗包括椎体撑开后单纯植骨固定和（或）同时进行坚强内固定材料进行固定等，手术创伤大，并发症也多。经皮椎体成形术（percutaneous vertebroplasty，PVP）与后凸成形术（percutaneous kyphoplasty，PKP）是脊柱外科近来发展迅速的一项新型微创外科技术，通过经皮向压缩骨折椎体内直接注入（PVP）或者先通过球囊扩张再注入（PKP）骨水泥等填充物，从而增强病变椎体的力学稳定性，临床应用证实其有稳定可靠、迅速有效的治疗效果，且并发症少，但到目前为止长期临床随访资料还不足，椎体成形术后脊柱生物力学的研究也发现了一些问题，椎体成形技术还需要不断的改进和探索，特别是材料的发展对减小椎体成形术的并发症发生率和改善术后脊柱的生物力学特性起着关键的作用。

1 PVP和PKP的充填材料研究进展

应用于椎体成形的充填材料主要包括注射型聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）、复合骨水泥如玻璃陶瓷强化复合骨水泥（Orthocomp）、Cortoss（Orthovia）、Hydroxyapatite composite resin（Kuraray）以及可生物降解的骨水泥如天然珊瑚骨替代物和磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement，CPC）等。

11 PMMA

具有粘稠度低，容易灌注，能快速提供需要的椎体强度和刚度，价格较便宜等优点，现在仍是目前临床上椎体成形术较常用的材料，但其有一定的局限性：（1）粘滞性较低，渗漏是最常见的并发症，向后方渗漏入椎管可压迫脊髓，严重时可渗漏入血管沿静脉回流引起肺栓塞，甚至导致患者死亡；（2）放热反应：PMMA聚合时产热可对周围组织造成热烧伤，有研究显示骨水泥聚合时的温度在椎体前部达44～113 ℃，在椎体中心达49～112 ℃，椎管内达39～57 ℃，而温度超过50 ℃的滞留时间分别可达55、8min和25 min〔1〕；（3）缺乏骨传导性和生物活性，无法生物降解，后期可出现骨水泥与骨质界面的松动；（4）PMMA注射后的椎体与临近椎体的力学强度差异大，易导致临近椎体的骨折;（5）有毒单体的释放和PMMA碎屑的作用使细胞的生长、DNA的合成和糖代谢受到抑制而具有细胞毒性，其单体毒性可引起患者血压骤降，从而引起患者猝死的可能。另外，还有致敏、局部组织抗感染能力降低、致肿瘤等不良反应。为了提高其机械性能和生物相容性，近年已有将具有生物活性的无机颗粒或纤维增强的高分子骨粘合剂加入PMMA来提高其生物相容性的报道，但仍然不满意，其机械强度降低较快。

12 复合骨水泥

如Orthocomp、Cortoss、Hydroxyapatite composite resin（Kuraray）等与PMMA具有相似的基本性质，但较PMMA有更合适的粘稠度、X线的不透射性、硬化快、产热低、具有更好的力学性能、生物活性及骨诱导性等优点。Cortoss是一种新型合成骨腔填充物，容易弥散进入松质骨，弹性模量与骨相近。Orthocomp是一种玻璃陶瓷增强的多种基质复合物骨水泥，虽然为不可吸收材料，但其具有亲水性的表面，使骨水泥可以通过化学键与松质骨连结。Jasper等研究发现Orthocomp的强度和刚度是PMMA骨水泥的2倍左右〔2〕。Belkoff等也研究表明Orthocomp对椎体的强度和刚度都有较好的恢复。Lu等介绍了一种含锶羟基磷灰石粉末和BisGMA（bisphenol A diglycidylether dimethacrylate）的复合骨水泥，在动物实验模型中进行30 000和20 000次的疲劳载荷测试后，骨水泥成形椎体的刚度与对照组相比分别下降75％和56％，平均抗压极限载荷分别为5 056 N和5 301 N〔3〕。

13 磷酸钙类骨水泥（CPC）

CPC具有任意塑形、自行固化、生物相容、逐步降解等特性，较PMMA有更好的生物相容性、骨传导性和粘滞度。新骨的替代方式由CPC的表面向深层逐渐推进，6个月时平均长入深度为6 mm，12个月时为114 mm。CPC可能是椎体成形术更好的注入材料，但在体内的应用及长期生物力学和生物效应还需要进一步的研究〔4、5〕。Heini和Lim等〔6、7〕研究认为CPC及改良的CPC在体内成形过程中产热明显减少，并且具有良好的弥散能力，可以明显增强骨质疏松椎体的抗压强度和刚度。其本身的强度低于正常椎体，但高于骨质疏松椎体，在成形术后可以减小因椎体的刚度变化而导致上下缘椎体骨折的几率〔8〕。CPC固化后的微孔结构具有引导新骨形成能力，但无诱导成骨活性，生物活性CPC利用其固化过程温和的特性，将骨形态生长蛋白BMP与CPC均相负荷，使材料在充填修复的同时加速CPC的降解和促进成骨作用。然而，Heini等认为CPC的生物降解也会导致相应的问题，治疗骨质疏松椎体压缩骨折时，骨水泥快速吸收会削弱椎体并导致其进一步塌陷〔9〕。

Cunin应用一种具有多孔状结构的天然珊瑚加入骨诱导因子BMP进行研究，认为颗粒状的天然珊瑚具有可注射性、生物相容性和骨诱导性，但其生物力学特性还需进一步研究〔7〕。最近有报道用MMA（methyl methacrylate）处理的SrHAC（strontiumcontaining hydroxyapatite cement）对椎体刚度、压缩强度、弯曲强度和杨氏系数的恢复都具有很好的效果〔10〕。

2 PVP和PKP的生物力学研究

椎体成形术的短期疗效十分令人鼓舞，也推动了PVP和PKP在临床的发展，Garfin等报道了从1998年10月～2000年5月由多家医院参与的临床研究结果，共340例，603个椎体，随访最长18个月，超过90％的患者症状改善。有人对13例经过经皮椎体成形术的患者进行了长达5 a的随访观察，结果临床疗效显著，5 a的长期随访发现VAS（visual analogue scale）评分略升高，但仍然明显低于术前水平，未发现成形椎体的进一步压缩〔11〕。近年来对于椎体成形术后脊柱的生物力学研究显示椎体成形术后对于脊柱整体特别是临近椎体的影响还是显著的。对椎体成形术后脊柱的生物力学研究对于正确应用椎体成形术十分有帮助，并对临床应用进行正确的指导。

21 术后骨折椎体的生物力学性质

PMMA或磷酸钙椎体成形后的生物力学研究证实骨折椎体成形后的稳定性参数显著提高〔12〕，可防止椎体的进一步塌陷和变形。椎体压缩骨折后降低了运动节段的椎体压缩强度，增加后柱的负荷而引起疼痛，通过对尸体模型的测量发现病变椎体后柱的压力负荷在屈曲时增高21％、42％，后伸时增加39％~68％，椎体成形术后则使脊柱屈曲时后柱的压力负荷减小26％，后伸时减小61％，结果示椎体骨折前和成形术后的神经弓压力无明显差异，全部或部分的逆转了后部结构的压力负荷，从而使疼痛症状立即缓解〔13〕。

22 充填材料与骨折椎体生物力学的关系

基于骨水泥注入越多椎体可以得到更好强化的观念，有些临床医生在病变椎体内注入最大剂量的骨水泥来提高其椎体抗压强度，有人报道在尸体标本中可以注入椎体容积70％的骨水泥〔14〕。椎体成形后的强度越大，对上下位椎体的应力也越强，使临近椎体的骨折发生率增高，特别是在高龄骨质严重疏松患者。成形术后临近椎体有抗压缩力下降及椎体间移位等改变，并且临近椎体抗压力下降的程度与成形术时注入的骨水泥量相关〔15、16〕。是否注入的骨水泥量越大，椎体的抗压强度和刚度就越高?Molloy，S等对120个椎体（T6~L5）注入2~8 ml不等量的骨水泥，研究发现注入量与椎体抗压强度和刚度的恢复只有弱相关（r2分别为021和027），抗压强度和刚度的恢复平均只需要注入椎体容积的162％和298％〔17〕。注入的骨水泥量越大，渗漏的几率则越高。Belkog等〔18〕人对骨质疏松女性尸体的椎体建立压缩性骨折模型，用Orthocomp或Simplex P作为充填材料，结果仅需2 ml即可恢复椎体的压缩强度，而椎体刚度的恢复与水泥充填容量缺乏相关关系。减小骨水泥的注入量同时可缩短注入时间，明显降低骨水泥渗漏的危险。也有人报道椎体成形术后椎体刚度的恢复与注入的骨水泥量相关，14％容积的骨水泥就可满足刚度恢复的要求，30％容积的骨水泥注入则可使刚度明显增加，使临近椎体的骨折危险增加〔19〕。

不同的充填材料对椎体生物力学性质的影响也有不同。Belkoff等人先后对Simplex P，Cranoplastic，Osteobond，Orthocomp等不同材料进行椎体成形术后的椎体生物力学研究，结果显示Simplex P、Osteobond及Orthocomp能有效恢复椎体的刚度和压缩强度，而Cranoplastic则仅能增加压缩强度，不能恢复椎体的刚度，且在刚度的恢复程度上Orthocomp优于Simplex P〔20、21〕。新型材料CPC能明显恢复骨质疏松椎体的抗压强度，对刚度的恢复也较好，CPC的微孔结构可以使新骨长入，使其具有更好的生物相容性。对羟基磷灰石骨水泥（HA）充填椎体后的生物力学测试表明其对压缩强度的恢复满意，但对刚度的恢复作用小。MMA处理的SrHAC不仅有利于界面的融合，对椎体刚度、压缩强度、弯曲强度和杨氏系数的恢复都具有很好的效果，而且明显优于单纯的SrHAC〔10〕。

23 PVP和PKP两种术式的生物力学比较

Belkoff等先后两次进行了关于后凸成形术的体外生物力学检测，发现无论在有无载荷的情况下后凸成形术均能部分恢复椎体的高度，恢复椎体的强度。它在无载荷的情况下可以恢复丢失高度的97％，而椎体成形术仅能恢复30％，两种方法都能明显增强椎体的强度。Belkoff对16个椎体随机分为PVP和PKP治疗组，结果显示PKP组能恢复椎体的起始刚度，而PVP则不能，PKP与PVP相比，不仅能有效恢复椎体的高度，而且能恢复椎体的压缩强度和刚度〔22〕。但也有不同观点，Tomita等对30个骨质疏松椎体随机分为4组：（1）PKP+CPC；（2）PKP+PMMA；（3）PVP+CPC；（4）PVP+PMMA，术前及术后对椎体强度和刚度的分析显示各组对椎体强度的恢复都较好，但对椎体刚度的恢复PKP组不及PVP组〔23〕。对于PVP和PKP术后的生物力学差异还有待进一步研究。

24 预防性应用椎体成形术可行性研究

水平骨小梁的丢失和骨小梁间空隙的增大降低了椎体的压缩强度，这与骨矿物质含量和密度高度相关，椎体成形术的确切疗效也仅在骨折疏松性骨折中发现，术后椎体的抗压能力能够通过注入骨水泥而显著增强，但在正常BMD（bone mineral density）的椎体，成形术前后则没有明显差别。Skos Pheumaticos等对4个新鲜脊柱共40个正常椎体进行椎体注入了PMMA与不注入PMMA的生物力学研究显示未进行成形术的椎体最大负荷为（6 72402±3 29170）N，然而注入了PMMA的椎体最大负荷为（5 770504±2 13372）N，两组间统计学上无明显区别。这提醒对有椎体骨折高危患者进行预防性的椎体成形术治疗可能是不可取的〔24〕。在骨折椎体上下缘椎体注入适当的骨水泥来缓解椎体间强度差异，是否可以减少因为椎体间应力不平衡导致的骨折以及是否能够更有效的维持脊柱的生物力学稳定性还有待进一步的研究。但对于有严重骨质疏松患者的椎体压缩性骨折，也有在包括骨折椎体共4个椎体注入PMMA（其中骨折椎体为T6、7，注入骨水泥椎体T6~9）〔25〕。近来陆续有对骨质疏松患者预防性注入骨水泥来提高椎体强度可行性的研究。Sun，K等研究发现，对高危患者注入至少椎体容积20％的骨水泥才能有效减少其骨折风险，而对中等程度危险度患者则需要注入椎体容积5％～15％的骨水泥，而这种预防性治疗和骨折后进行椎体成形术治疗的并发症发生率并无太大区别〔26〕。

25 椎体成形术后临近椎体的生物力学改变

对椎体成形术后的生物力学研究同时发现其不足之处，特别是对上下缘椎体的影响较为明显。椎体成形术的目的为最大程度上的恢复压缩椎体的刚度和抗压强度，但对椎体强度的恢复或增强，可能是临近椎体骨折的重要原因，因其可使上下缘椎体所受压力升高〔27〕。

Bertemann等对10例人体新鲜标本相邻椎体共20对，随机分成2组，一组下缘椎体注射PMMA，另一组设为对照，对上缘椎体负荷的生物力学研究显示，2组上缘椎体在低于临界负荷下与对照组无明显差别，但在临界负荷时实验组压力平均低于对照组19％，在实验组中，骨折总发生在成形椎体的上缘椎体〔28〕。临床上也有椎体成形术后上下临近椎体骨折的报道〔15、29〕。在APerezHigueras等对13例经过经皮椎体成形术的患者进行5 a长期随访观察得出临床疗效显著的同时也发现有2例发生临近椎体骨折〔11〕。对1组平均年龄74岁的椎体成形术后患者研究显示，临近椎体发生骨折概率每年递增66％。其下缘椎体有一个或多个椎体骨折时，第1 a发生骨折的危险性提高了约5倍，在椎体骨折后的1 a里发生新的骨折的概率约192%〔30〕。

如前所述，椎体骨折可能与临近椎体的强度增加有关。对L4、5椎体的研究发现椎体成形术后坚硬的骨水泥对椎体上缘的终板造成约7％的压缩，使椎间盘内压力较正常增高了19％，特别是在脊柱负荷增高时，椎间关节活动度下降11％，上缘椎体下终板内凸增加17％，这可能是导致成形术后临近椎体骨折的原因〔31〕。由于患者术后疼痛的减轻，改变了生活方式，脊柱运动量和负荷增加，也使椎体骨折的几率增加。同时与成形术后椎体临近的椎间盘内压力升高也使椎间盘突出的危险性增加。

不同材料的使用对临近椎体生物力学影响不同。一般而言，松质骨弹性模量为168 MPa，PMMA则为2 700 MPa，CPC弹性模量在180 MPa左右，CPC较PMMA在避免应力遮挡效应和载荷传递异常以及减少相邻椎体继发骨折方面有优越性。有研究显示CPC椎体成形后，相邻椎间盘应力没有明显变化，应力遮挡和异常载荷传递效应甚微，相比PMMA、CPC椎体成形术在降低相邻椎体骨折发生率方面有潜在的优势。

到目前为止，对椎体成形术后与未进行椎体成形术时对临近椎体发生骨折的危险性是否增高还未见完全随机试验的研究，然而临近椎体的骨折也许是严重骨质疏松的自然进程，特别是临近椎体有相似的机械和形态学特征。但近来相继有报道椎体成形术后临近椎体的力学性质下降，可能增加骨折的危险性。填充材料的发展可以有效增强骨折椎体的抗压能力和维持良好的形态学特征，并可能使骨折椎体的生物力学性质恢复到最佳的状态。

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生物力学的研究范文第5篇

【摘要】椎弓根是椎体的最坚强部分，但由于上胸椎椎弓根狭细，在采用椎弓根螺钉内固定时有伤及邻近重要结构的风险[1]，故上胸椎应用椎弓根螺钉固定术受到了限制。2003年Husded等[2]提出了经肋单元（即椎弓根―肋头关节―椎体）途径置钉的新方法，并在临床上取得了成功，为上胸椎后路螺钉内固定术提供了新思路。

【关键词】胸椎椎弓根螺钉

1胸椎椎弓根的应用解剖

1.1胸椎椎弓根螺钉的进钉点

胸椎手术成功的关键在于找好准确的进钉点，熊传芝等[3]指出,椎弓根较大的变异性是不良置钉率居高不下最重要的原因之一。吴超等[4]认为椎板外缘及上缘对椎弓根的定位有重要的解剖学价值。史亚民等[5]测得螺钉进钉点T9与T12位于横突根部中点,T10位于横突根部上缘,T11位于横突根部中上1/3点。殷渠东等[6]发现下胸椎进钉点的水平线应在横突上部、而腰椎在横突中上部。

1.2胸椎椎弓根螺钉的进钉方向、椎弓根螺钉长度、直径和生物力学的关系

螺钉的置入方向对其固定强度存在一定影响。Louis[10]认为在上胸椎有15-20°的内斜角,中下段胸椎螺钉直向前。根据Ebraheim[11]的数据,T1-2为30-40°,T3-11为20-25°,T12为10°左右。研究表明,在5-30°的范围内,随着内聚角的增加,椎弓根螺钉的把持力也增大。等研究表明，与短螺钉相比，长螺钉在体内承受的弯曲力矩增加16%，同时平行植入与7°成角植入其弯曲刚度两者相差25%，螺钉植入的倾斜更符合力学原则。螺钉的长度与把持力有很大关系，有人主张螺钉长度尽可能达到椎体前缘皮质。

1.3孔道准备及孔道失败后的救措施

钉道准备：螺道过深过大，均能减小骨质对螺钉的“握力”。对于安装螺钉前孔道是否需要攻丝缺乏研究，Zindrick同时发现攻丝对拔出力量无影响。运用打入螺钉和拧入螺钉比较，发现无显著差别。对于固定失效后的孔道准备，Pfeifer在研究修复材料时采用碎骨片、火柴棒骨质、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分别填充失效的椎弓根孔道后再用螺钉固定，比较后发现拔出力依次可获得失效前的70%、56%和149%，所以对于失效的孔道再次固定可以采用PMMA。所以对于失效的孔道再次固定可以采用PMMA等有效的修复材料填充后再次固定。

1.4螺钉螺纹对生物力学的影响

内锥螺纹钉与外锥螺纹钉的设计有许多相似之处,均克服了松质骨螺钉中应力集中点,使断钉的发生率明显降低。本实验中在克服拔钉的过程中,外锥螺纹钉优于内锥螺纹钉。有报道70%为最佳的螺钉与椎弓根面积比,并且当面积比大于90%时拔出力增加不明显,却易发生爆裂骨折。

1.5螺钉的几何形态、螺钉的材料

kwok等对相似大小的圆锥体形螺钉和圆柱形螺钉进行对比研究，发现二者的拔出强度无明显差别，圆锥形螺钉能明显增加螺钉的置入扭矩，但圆柱形螺钉的置入扭矩与拔出强度无明显相关性。结果表明钛合金比不锈钢螺钉具有较高的扭矩和扭转刚度；螺钉拔出和松动是横向负荷和轴向拔出力综合作用的结果。

1.6胸椎椎弓根螺钉技术存在的不足

在胸椎可采用“椎弓根―肋骨”单元（Pedicle-ribunit,以下简称PRU）螺钉的固定方法，较置入椎弓根螺钉安全。Misenhimer等的研究结果也表明,椎弓根钉占据椎弓根横径的80%就会发生椎弓根膨胀、变形或骨折。因此,在横径

2胸椎肋横突结合区螺钉的进钉点及进钉方向

国外学者对肋横突结合区进钉方法进行了研究。他们设计的方法进钉点均在横突末端或者肋横关节上，螺钉末端外偏角度较大，这就使术者在术中操作器械很困难，术者不论是采取钢板连接还是采取固定棒连接，都不能保证螺钉和固定棒或固定钢板之间的良好接触，这样就会增加螺钉折断的机会。孙建民等以尾倾0-10°进钉，置入24枚PRU螺钉全部成功。椎弓根外置钉技术采用的螺钉直径大小取决于椎弓根的高度和PRU的宽度。

3肋横突结合区进钉的不足

肋椎关节为球窝关节,有一定的活动性,临床上有肋椎关节退变造成胸背痛的报道,经肋椎关节固定是否也会造成上述症状,仍需观察。相信在不远的将来，随着对胸椎椎弓根-肋单元横突结合区置钉技术的安全性评价及生物力学研究的进一步深入，在工程师、解剖学家和临床医师的共同努力下，胸椎椎弓根-肋单元横突结合区置钉技术会成为越来越成熟且有效的手术方法，会有越来越多的患者从中受益。

参考文献

[1]DvorakM,MacdonaldS,GurrK,etal.Ananatomic,radiographic,andbiomechanicalasse-ssmentofextrapedicularscrewfixationinthethoracicspine[J].Spine,1993,18:1689-1694