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生物力學的研究范文第1篇

關鍵詞：屈光性近視；軸性近視；生物力學機制

近20年來，我國近視眼患病率在急劇的增加，全國近視患者已超過3億，在世界排名僅次于“近視第一大國”——日本。近視已成為倍受人們關注的公共健康問題，認知近視眼的發病機制正是解決該問題的關鍵所在。從近30年來近視眼研究來看，科學家們進行了大量的近視動物模型實驗，對近視的發生、發展有了進一步了解。特別在形覺剝奪性近視、遺傳基因定位及近視眼生物化學物質改變等方面有較深入的研究。也有學者嘗試了生物力學視角的研究，但是目前還沒有生物力學模型能解釋所有眼的調節機制。因此需要對人眼調節機制進行有關生物力學的基礎研究，建立人眼調節機制的生物力學模型，為屈光的研究提供一種新的技術方法。

1.屈光性近視的力學機制

目前，解釋調節機制的經典松弛理論[1]認為：調節時睫狀肌的環形纖維收縮、懸韌帶松弛、晶狀體變凸出、屈光力增強、睫狀突和晶狀體赤道部接近。調節緊張理論[2]認為：調節是由晶狀體赤道部受到張力牽引而產生，至少一部分晶狀體懸韌帶處于緊張狀態、晶體中央變凸出周邊變平、屈光力增加，并從物理數學模型、尸眼解剖、臨床觀察等方面進行論證。盡管兩種理論存在一定的差別，但是兩種理論都認可人眼的調節過程通過三部分眼內組織完成。睫狀肌的收縮，睫狀肌的收縮使附著在睫狀突上的懸韌帶張力發生改變，懸韌帶張力的變化使晶體的形狀發生變化，晶體形狀的變化使人眼的屈光力發生變化，完成調節過程。

晶狀體的調節主要由睫狀肌、懸韌帶以及晶狀體三部分來實現，其生物力學調節機制的研究基本上從這三方面來展開。“調節本身不僅是傳統意義上的睫狀肌收縮和晶狀體變凸出，同時還伴有晶狀體的相對前移調節，對眼的幾乎所有屈光構成因素有著顯著的影響，視近活動的累積效應是兒童近視眼發生的主要原因”[3]。“懸韌帶具有一定的張力，懸韌帶在拉斷之前平均能被拉長4.48±1.78mm，隨著年齡的增長，懸韌帶的張力隨年齡的增加而減少”[4]。不同屈光狀態對睫狀肌的動力學影響，睫狀肌遠點肌肉張力在不同眼屈光狀態為一穩定值，且隨眼靜態屈光度的增加而降低。

由以上的理論研究，我們看以看到睫狀肌與晶狀體的調節密切相關。對于涉及到的肌肉的運動，我們可以嘗試從力學的視角來對屈光不正來進行解讀，從而推測屈光性近視產生的原因。筆者認為，屈光不正主要是由于晶狀體變凸出，光線聚焦在了視網膜的前方，形成屈光性近視。其生物力學機制可解釋為：長時間的近距離作業造成了睫狀肌痙攣，并長期處于緊張狀態，從而使懸韌帶長期處于松弛狀態，晶狀體不能變凹，也就形成了屈光性近視。

2.軸性近視的力學機制

基于理性分析，認為鞏膜強度減弱、眼外肌壓迫眼球使眼內壓增高等是造成高度近視的原因。但后來的臨床及實驗研究未能找出相應的證據。對眼球進行了生物力學理論分析，認為“在后部鞏膜的應力分布不均，由于上、下斜肌的附著點接近視神經，在調節輻揍時對后部鞏膜產生剪切作用，造成后部鞏膜延長”[5]。“眼外肌的強直性收縮引起玻璃體內壓力升高，在近視的形成中也具有明顯作用”[6]。由此，我們不難看出，人們在生物力學的領域已經展開了對近視眼形成機制的研究，研究的重心在于力學的作用點—鞏膜。只有對鞏膜形變及異化的機制研究清楚，才能為近視眼的矯正奠定基礎。

“軸性近視直接與鞏膜形變密切相關，因此鞏膜、角膜的生長及異化只能表現為眼球壁的不斷增厚，不能促成眼軸的延長”[7]。因此眼球的生長必須依賴于眼內壓對球壁組織張力，才能形成膨脹性生長。“在同等應力的作用下，前部鞏膜的變形最小，赤道部的次之，后部鞏膜最大，且高度近視患者的后鞏膜承受應力較常人脆弱”[8]。后鞏膜加固術能加強薄弱的后鞏膜，從而達到抑制軸性近視發展的效果。近視眼鞏膜的組織病理學改變早于生物力學特性的改變，并且實驗性近視眼的鞏膜彈性差，易發生變形，具有較低的承載能力。這些觀點都從某一視角對鞏膜做了研究，還需要有待進一步的研究。

另外，實驗性近視眼后極部鞏膜變薄，膠原纖維發生退行性變化即異化（鞏膜重塑），而這也是近視眼鞏膜彈性差、容易發生變形、具有較低的承載能力的病理基礎。“鞏膜成纖維細胞胞外基質的代謝、細胞因子的表達及自身生物力學性質等決定鞏膜的生物學和生物力學性質。在近視的發生及治療過程中，伴隨有鞏膜及鞏膜成纖維細胞的力學——生物學特性的變化”[9]。這些理論都為鞏膜重塑的生物力學機制提供了充分的理論依據。

筆者認為，軸性近視的形成是建立在屈光性近視的基礎之上，當晶狀體的不能正常調節已經不足以適應長期的近距離作業的刺激時，眼球就會發生新的變化，及鞏膜的異化，從而導致眼球的形變，這種形變與眼外肌有密切的關系。由于長期的近距離作業，眼外肌的分作用力會破壞眼內壓平衡，最終促進眼軸變長，形成軸性近視。

3.結論

3.1作為現代文明的產物，近視眼的發生已呈現愈演愈烈的趨勢。對于近視形成機制，近30年來在形覺剝奪性近視、遺傳基因定位及近視眼生物化學物質改變等方面有較深入的研究，生物力學方面的研究相對較淺。

3.2屈光性近視的力學研究集中于睫狀肌、懸韌帶以及晶狀體的力學參數變化，根據參數變化嘗試建立參數模型，從而糾正屈光性調節的理論機制。

3.3軸性近視的力學研究集中于力學的作用點—鞏膜。通過對鞏膜形變以及異化的研究，人們期望找到矯正軸性近視的突破口。

3.4從力的作用來源視角出發，眼外肌的研究必不可少，但是往往難以著手。眼外肌可以控制眼球的運動，外在的間接研究或許可以為我們研究其力學機制提供一個新的思路。（作者單位：云南師范大學體育學院）

參考文獻：

[1] 高磊.調節對兒童屈光構成因素的影響[J].青島大學學報，2000：1—60.

[2] 梁厚成.眼球及屈光不正相關眼病發病機制的生物力學研究[D].，第四軍醫大學1997：1—88.

[3] 王超英.高度近視眼鞏膜生物力學特性初步研究[J].眼科研究，2003，21（2）：113—115.

[4] 馬代金.后鞏膜加固術作用機制的實驗研究[J].中國現代醫學雜志，2005，14（10）：96—97.

[5] 周伊.眼球-眼外肌有限元模型的建立與力學分析[J]北京生物醫學工程，2006，25（3）：228—230.

[6] 張新.實驗性近視眼鞏膜病理學與生物力學特性的改變[J].眼科新進展，2012，32（11）：1017—1020.

[7] 張艷明.形覺剝奪性近視中鞏膜重塑機制的研究[J].眼科研究，2007，25（5）：390—392.

生物力學的研究范文第2篇

【關鍵詞】 力學原理；墊球；分析；訓練

1前言

20世紀末排球競賽規則進行了重大修改，特別是每球得分制的實施，比賽時間相對縮短，比賽節奏明顯加快，在高度緊張和激烈的對抗之中，運動員無論是身體還是精神從始至終處于高度的緊張狀態，對運動員的技術、戰術提出了更高的要求。排球比賽是運動員運動技術、戰術、體能、心理等全方面的較量，運動員能夠成功的發揮自己的實際水平，在比賽中有效的組織進攻，主要在于一傳能夠很好的處理每一個球，才能夠避免失分，并且有效的組織起進攻，而且還能夠激勵隊員的士氣。在排球比賽中，墊球是主要用于接發球、接扣球、接攔回球以及防守和處理各種困難球的技術，是組織反攻的基礎，爭取少失分都具有重要意義。而且在扣球中，接扣球還能由被動為主動，穩定情緒，鼓舞士氣，促進排球攻防平衡的重要手段。是每一個排球運動員必須熟練掌握的一項排球基本功。墊球過程中，應當遵循一定的生物力學原理，因為力的作用是相互的，作用力與反作用力必定成對出現，在墊球過程中如果不遵循力學規律，勢必會導致將球墊飛或者下網的現象出現，影響自己的士氣，甚至直接影響比賽成績。本文采取了搜集資料和對照實驗的方法僅對排球中墊球的基本技術發表自己的一點看法，文章僅供參考。

研究目的：闡述生物力學原理在排球墊球動作中占有很重要的地位，使運動員重視理論與實踐相結合，以提高運動成績。

研究方法：對比實驗法 資料分析法

2 在比賽中上臂墊球基本姿勢的生物力學分析

2.1比賽中墊大力量球的生物力學分析

在墊球的過程中，首先要做好基本的墊球準備動作，處理各種情況下的來球。根據力學作用力與反作用力的性質：兩個物體之間的作用總是相互的，一個物體對另一個物體有力的作用,后一個物體一定同時對前一個物體有力的作用.物體間相互作用的這一對力,通常叫做作用力與反作用力.我們來球對上臂的力叫做作用力,上臂對球的作用力就叫反作用力.作用力和反作用力互為因果關系，沒有先后，沒有主次。說明來球的力有多大，它受到的反作用力也就有多大，對于力量大的球，只是單單的正面迎擊，很容易墊飛出界或者下網，我們應當對來球進行力量、速度以及方向的分析，對大力量來球要適當的對其做一下緩沖，在技術動作上稱之為卸力。下面對我校普通學習過排球的8名同學作如下實驗：試驗組經過處理卸力墊擊大力量的球；對照組直接墊擊大力量的球，每人墊擊80次，得到的結果如（圖A-1，2）所示：

對來球直接墊擊的80個球：

對來球卸力處理的80個球

試驗證明，對卸力處理的80個球的成功率明顯的比對直接墊擊的80個球的成功率大大的提高了。其原理可以表示為：作用力等于反作用力，但是經過處理后反作用力等于作用力減去緩沖力（緩沖力為正值）。這說明：無論在比賽過程中，還是在訓練過程中，其技術動作都能夠遵循某一力學規律，巧妙的運用力學原理處理技術上的問題，本身就是一個提高，將力學原理運用到實踐中，就是技術的提高，而所謂的“球感”也可以說是運動員本人能夠下意識的利用力學原理來處理實踐中的問題了，這樣就能更有效的控制球，將球墊到理想的位置，為進攻奠定良好的基礎，也就是掌握了墊球的生物力學原理。

下面對排球墊球的技術動作進行生物力學分析：“在墊重球過程中，由于來球速度快，力量大，觸球后球體的自身的反彈力也大。因此不但不能直接迎擊來球，還應采取含胸收腹的動作，幫助手臂隨球后撤并適當放松肌肉，以緩沖來球力量。同時，用手臂和手腕動作來控制墊球的方向和角度。擊球的手型和部位，應根據來球的情況而作變動，當擊球點稍高并靠近身體時，仍可用前臂墊球；當擊球點底而距身體較遠時，就要用曲肘翹腕的動作把球墊在手腕上部。” 墊球過程中的“含胸”、“收腹”、“手臂隨球后撤”、等動作都是卸力動作，其目的和作用主要是用來緩沖大力來球的沖力，將球有效的控制住、組織進攻，能夠有效的組織防守，是排球防守墊球的重要手段。

2.2比賽中墊中等力量球的生物力學分析

墊擊中等力量球“準備姿勢、擊球點和手型與墊重球的手型基本相同，由于來球的力量稍微減弱，相對球速減慢，手臂迎擊球的動作的速度要慢，手臂要放松，主要靠來球本身的反彈力將球墊起，擊球時要蹬地、跟腰、提肩壓腕、向前抬臂的動作擊球的后下部。”通過對技術動作的分析我們可以得到以下結論：同墊擊重球的動作以及擊球方式來講，墊擊重球的“含胸”、“收腹”、“手臂隨球后撤”卸力動作基本沒有了，相反加上了“蹬地”、“跟腰”、“提肩壓腕”、“向前抬臂”的擊球動作，從力學的角度分析，中等力量的來球作用到手臂上的力相對于重球來講已經減弱，因此墊擊中等力量球時不用“卸力”動作基本上就能夠墊到位了，甚至有時隨著來球力量減弱反而要給來球一定的力量，以便將球順利墊擊到二傳手中。其技術用力學表示：墊擊球的力等于球的反作用力加上上臂對球的力，技術動作要領中的蹬地、跟腰、提肩壓腕、向前抬臂都是給球力量的動作。這也充分證明了墊擊球要根據來球力量的性質決定。力量稍大，給球的力量則應當相應減小；來球力量較小，給球的力量應當適當增大。

2.3比賽中墊擊輕球的生物力學分析

墊擊輕球的動作要領“當球飛到腹前約一臂距離時，兩臂夾緊前伸，插入球下，同時配合蹬地、跟腰、提肩、頂肘、壓腕、抬臂等全身協調動作迎向來球，身體重心隨著擊球動作向前上方移動。”同以上兩種墊球方式比較，墊擊輕球時“蹬地、跟腰、提肩、頂肘、壓腕、抬臂”以及“身體重心隨著擊球動作向前上方移動”都是用力性質的動作，根據生物力學作用力與反作用力的性質分析：由于輕球的力量很小，速度很慢，如果只是靠其反彈力來擊球，根據作用力等于反作用力很難將球墊高或者墊到相應的位置，因此要主動擊球，給球適當的力量，這樣球的出手力量等于球本身的反作用力加上手臂給球的作用力，就加大了球的出手力量，將球墊擊到相應的位置。

3 比賽中雙臂墊球方向的生物力學分析

在排球比賽中，會出現多種情況，因此在接發球時，除了集中力量加快自己的腳步移動，還要提前判斷自己身邊的情況，對于身體體側的球就應當注意自己墊球的技術了，根據反彈力的性質：當力作用到某一物體上，隨著力作用的角度不同，其反彈的角度也隨之改變。體側墊球的技術就是利用力的反彈性質來完成對球的有效控制的。所謂體側墊球就是在體側用雙手擊球，左墊球時，先以左腳前腳掌內側蹬地，左腳向左跨一步，重心移至左腳，保持兩膝彎曲，同時兩臂向左側伸出，左臂抬高于右臂，右肩微向下傾斜。擊球時，用轉體和收腹的動作，配合提肩抬臂在身體左側稍前的位置接住來球，用兩前臂墊擊球的下部。右側墊球動作相反。墊擊體側的球更要掌握好技術動作，以左側墊球為例，體側墊球時兩臂向左側伸出，左臂抬高于右臂，右肩微向下傾斜。這個技術動作要求運動員的手臂內側要對準二傳隊員，當球作用到手臂時，由于反作用力球會按照一定的路線向固定的方位反彈回去，同時要注意判斷來球的力量大小，利用“卸力”、“主動擊球”等技術動作將球平穩的傳到二傳手中。“轉體”和“收腹”是為了加大自己對球的有效控制，同時增加了對球的力量控制，而身體重心的移動是為了使自己保持身體平衡，同時為了讓自己的腳下靈活，便于移動。

通過對技術動作的分析，充分說明了在墊球過程中，生物力學原理在排球墊球運動中每一個環節都能夠運用得到，能夠熟練的掌握好生物力學原理，將理論與實踐充分的結合起來，在比賽中可能會更好的發揮一傳的作用。

4.結語

本文簡要論述了在各種情況下墊球時運用的生物力學原理，通過對技術動作的分析，充分說明了在墊球過程中，生物力學原理在排球墊球過程中每一個環節都能夠運用得到，能夠熟練的掌握好生物力學原理，將理論與實踐結合起來，在現在激烈的比賽中更好的發揮一傳的作用。從而減少失誤，有效的組織進攻，鼓舞隊員的士氣，激勵每一個球員奮發拼搏，提高獲勝幾率。

參考文獻

生物力學的研究范文第3篇

研究對象:115名競賽運動員,運動水平從二級到運動健將。

一、分析和討論:

疲勞特征的發現可引導出下面的計算方法:這115名運動員具有一定的運動水平,他們在起跑后速度和技術指標有著密切的相互影響、相互補償的關系,這樣可得出一次方程式,然后填入終點跑速度值,得出可計算的指標數據。比較獲得的指標數據和終點跑實際技術指標,就發現結果超出了一般跑的規律性,實際指標或多或少的符合運動員在非疲勞狀態下的技術指標。(表1)

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

PTOPM表示負面力的縱向被加數;V表示跑的速度;R表示相互關系系數。現在把各項距離的終點跑速度值放入公式內,就可得到計算的負面力。(表2)

比較計算值和實際情況看出,在400米跑中實際的力不符合終點跑的速度。超出的力已被展示出來(方程式評價規格誤差=5.26)。這是由于疲勞的肌肉能夠產生更多有實際意義的力.顯然,就象用鐵制起跑器測量200米和800米起跑一樣,這樣的方法能減少制動階段力學結構中力的丟失,因為腿部力量做功發力大部分還是利用骨骼傳遞到踝關節。除了這些,這個方法還能幫助減少由于降低身體重心位于制動階段造成速度的損失,但對蹬地階段支撐腿收縮肌肉的能力還不能從根本上起到作用。可見,從正面的力和負面消極的力之間的聯系可以得出下面的公式:Pot=1.801+1.288Ptopm.(±9.06),r:0.76。

Pot=正面積極力的縱向因素,把負面消極力的影響和400米終點跑實際指標放入公式中,可以得出:正面積極力應該等于34.1Bt/kg。事實上,真正的數值少于38%,等于21.2±7.2 Bt/kg。

從上面的情況得出,對于400米沒有疲勞補償階段,跑的速度降低。疲勞肌肉低能力的收縮,在這種情況下不可避免的影響能力再生結構―必然加大后蹬能力,顯然這種結構能有效的提高活動能力,它表現出與肌肉生物力學特性的聯系―肌肉越堅硬有力,拉伸時間越短,就越能更多的利用聚集的機械力。在縮短制動階段的高速度跑更有利于肌肉其他性能使用的再生結構的出現。這些結構的加強,能有效的提高肌肉彈性能力,如腳底的屈伸運動。相反,運動員在支撐落地階段,當肌肉拉長的時間增大時,聚集的機械能力很大程度上分散到肌肉中去。

那么,400米跑在過大支撐階段是否違背了依賴于肌肉的速度―拉伸條件呢?我們注意看實際情況:在終點跑中制動時間提高了38%,達到80+15mc,但計算和反映出來的數據相比較,他們之間不存在實質上的差別,符合等于0.073和0.080。計算公式為:

Ttopm=0.126-0.009V(±0.009),r=-0.83

Ttopm-制動時間。這樣可以說明,制動時間符合終點跑的速度,并不是它違背了肌肉速度―拉伸條件。而真正造成終點跑的技術原因是肌肉的生物化學特點而不是動作技術的生物力學結構,在400米跑的最后階段,根據生物化學的測量結果,由于大量的乳酸積累而造成對神經細胞積極功能性的抑制,大量的降低 ATF和KPF在血液中的含量,而增加ADF的含量。

因此,我們可以更多的了解到,在疲勞狀態下支撐腿肌肉拉長和收縮的相互關系,擺在我們面前的許多重要的實際數據證明,提高局部肌肉的緊張強度與中距離跑的運動能力有著密切的關系。根據實驗結果得出,局部肌肉性能的提高,可以根據生物力學特性,更多的利用彈性特點有效的延緩跑的速度在終點跑階段的降落過程.

二、 研究結果:

1.在400米跑中出現的疲勞特征反映出違反了肌肉拉伸和收縮的相互關系。

2.證實提高局部肌肉的工作強度有利于在疲勞狀態下跑的運動效果。

生物力學的研究范文第4篇

脊柱椎體的壓縮性骨折是骨質疏松患者最常見的并發癥，嚴重的椎體壓縮性骨折保守治療5 a內死亡率可達23％～34％，目前常用的手術治療包括椎體撐開后單純植骨固定和（或）同時進行堅強內固定材料進行固定等，手術創傷大，并發癥也多。經皮椎體成形術（percutaneous vertebroplasty，PVP）與后凸成形術（percutaneous kyphoplasty，PKP）是脊柱外科近來發展迅速的一項新型微創外科技術，通過經皮向壓縮骨折椎體內直接注入（PVP）或者先通過球囊擴張再注入（PKP）骨水泥等填充物，從而增強病變椎體的力學穩定性，臨床應用證實其有穩定可靠、迅速有效的治療效果，且并發癥少，但到目前為止長期臨床隨訪資料還不足，椎體成形術后脊柱生物力學的研究也發現了一些問題，椎體成形技術還需要不斷的改進和探索，特別是材料的發展對減小椎體成形術的并發癥發生率和改善術后脊柱的生物力學特性起著關鍵的作用。

1 PVP和PKP的充填材料研究進展

應用于椎體成形的充填材料主要包括注射型聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）、復合骨水泥如玻璃陶瓷強化復合骨水泥（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鈣骨水泥（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體強度和剛度，價格較便宜等優點，現在仍是目前臨床上椎體成形術較常用的材料，但其有一定的局限性：（1）粘滯性較低，滲漏是最常見的并發癥，向后方滲漏入椎管可壓迫脊髓，嚴重時可滲漏入血管沿靜脈回流引起肺栓塞，甚至導致患者死亡；（2）放熱反應：PMMA聚合時產熱可對周圍組織造成熱燒傷，有研究顯示骨水泥聚合時的溫度在椎體前部達44～113 ℃，在椎體中心達49～112 ℃，椎管內達39～57 ℃，而溫度超過50 ℃的滯留時間分別可達55、8min和25 min〔1〕；（3）缺乏骨傳導性和生物活性，無法生物降解，后期可出現骨水泥與骨質界面的松動；（4）PMMA注射后的椎體與臨近椎體的力學強度差異大，易導致臨近椎體的骨折;（5）有毒單體的釋放和PMMA碎屑的作用使細胞的生長、DNA的合成和糖代謝受到抑制而具有細胞毒性，其單體毒性可引起患者血壓驟降，從而引起患者猝死的可能。另外，還有致敏、局部組織抗感染能力降低、致腫瘤等不良反應。為了提高其機械性能和生物相容性，近年已有將具有生物活性的無機顆粒或纖維增強的高分子骨粘合劑加入PMMA來提高其生物相容性的報道，但仍然不滿意，其機械強度降低較快。

12 復合骨水泥

如Orthocomp、Cortoss、Hydroxyapatite composite resin（Kuraray）等與PMMA具有相似的基本性質，但較PMMA有更合適的粘稠度、X線的不透射性、硬化快、產熱低、具有更好的力學性能、生物活性及骨誘導性等優點。Cortoss是一種新型合成骨腔填充物，容易彌散進入松質骨，彈性模量與骨相近。Orthocomp是一種玻璃陶瓷增強的多種基質復合物骨水泥，雖然為不可吸收材料，但其具有親水性的表面，使骨水泥可以通過化學鍵與松質骨連結。Jasper等研究發現Orthocomp的強度和剛度是PMMA骨水泥的2倍左右〔2〕。Belkoff等也研究表明Orthocomp對椎體的強度和剛度都有較好的恢復。Lu等介紹了一種含鍶羥基磷灰石粉末和BisGMA（bisphenol A diglycidylether dimethacrylate）的復合骨水泥，在動物實驗模型中進行30 000和20 000次的疲勞載荷測試后，骨水泥成形椎體的剛度與對照組相比分別下降75％和56％，平均抗壓極限載荷分別為5 056 N和5 301 N〔3〕。

13 磷酸鈣類骨水泥（CPC）

CPC具有任意塑形、自行固化、生物相容、逐步降解等特性，較PMMA有更好的生物相容性、骨傳導性和粘滯度。新骨的替代方式由CPC的表面向深層逐漸推進，6個月時平均長入深度為6 mm，12個月時為114 mm。CPC可能是椎體成形術更好的注入材料，但在體內的應用及長期生物力學和生物效應還需要進一步的研究〔4、5〕。Heini和Lim等〔6、7〕研究認為CPC及改良的CPC在體內成形過程中產熱明顯減少，并且具有良好的彌散能力，可以明顯增強骨質疏松椎體的抗壓強度和剛度。其本身的強度低于正常椎體，但高于骨質疏松椎體，在成形術后可以減小因椎體的剛度變化而導致上下緣椎體骨折的幾率〔8〕。CPC固化后的微孔結構具有引導新骨形成能力，但無誘導成骨活性，生物活性CPC利用其固化過程溫和的特性，將骨形態生長蛋白BMP與CPC均相負荷，使材料在充填修復的同時加速CPC的降解和促進成骨作用。然而，Heini等認為CPC的生物降解也會導致相應的問題，治療骨質疏松椎體壓縮骨折時，骨水泥快速吸收會削弱椎體并導致其進一步塌陷〔9〕。

Cunin應用一種具有多孔狀結構的天然珊瑚加入骨誘導因子BMP進行研究，認為顆粒狀的天然珊瑚具有可注射性、生物相容性和骨誘導性，但其生物力學特性還需進一步研究〔7〕。最近有報道用MMA（methyl methacrylate）處理的SrHAC（strontiumcontaining hydroxyapatite cement）對椎體剛度、壓縮強度、彎曲強度和楊氏系數的恢復都具有很好的效果〔10〕。

2 PVP和PKP的生物力學研究

椎體成形術的短期療效十分令人鼓舞，也推動了PVP和PKP在臨床的發展，Garfin等報道了從1998年10月～2000年5月由多家醫院參與的臨床研究結果，共340例，603個椎體，隨訪最長18個月，超過90％的患者癥狀改善。有人對13例經過經皮椎體成形術的患者進行了長達5 a的隨訪觀察，結果臨床療效顯著，5 a的長期隨訪發現VAS（visual analogue scale）評分略升高，但仍然明顯低于術前水平，未發現成形椎體的進一步壓縮〔11〕。近年來對于椎體成形術后脊柱的生物力學研究顯示椎體成形術后對于脊柱整體特別是臨近椎體的影響還是顯著的。對椎體成形術后脊柱的生物力學研究對于正確應用椎體成形術十分有幫助，并對臨床應用進行正確的指導。

21 術后骨折椎體的生物力學性質

PMMA或磷酸鈣椎體成形后的生物力學研究證實骨折椎體成形后的穩定性參數顯著提高〔12〕，可防止椎體的進一步塌陷和變形。椎體壓縮骨折后降低了運動節段的椎體壓縮強度，增加后柱的負荷而引起疼痛，通過對尸體模型的測量發現病變椎體后柱的壓力負荷在屈曲時增高21％、42％，后伸時增加39％~68％，椎體成形術后則使脊柱屈曲時后柱的壓力負荷減小26％，后伸時減小61％，結果示椎體骨折前和成形術后的神經弓壓力無明顯差異，全部或部分的逆轉了后部結構的壓力負荷，從而使疼痛癥狀立即緩解〔13〕。

22 充填材料與骨折椎體生物力學的關系

基于骨水泥注入越多椎體可以得到更好強化的觀念，有些臨床醫生在病變椎體內注入最大劑量的骨水泥來提高其椎體抗壓強度，有人報道在尸體標本中可以注入椎體容積70％的骨水泥〔14〕。椎體成形后的強度越大，對上下位椎體的應力也越強，使臨近椎體的骨折發生率增高，特別是在高齡骨質嚴重疏松患者。成形術后臨近椎體有抗壓縮力下降及椎體間移位等改變，并且臨近椎體抗壓力下降的程度與成形術時注入的骨水泥量相關〔15、16〕。是否注入的骨水泥量越大，椎體的抗壓強度和剛度就越高?Molloy，S等對120個椎體（T6~L5）注入2~8 ml不等量的骨水泥，研究發現注入量與椎體抗壓強度和剛度的恢復只有弱相關（r2分別為021和027），抗壓強度和剛度的恢復平均只需要注入椎體容積的162％和298％〔17〕。注入的骨水泥量越大，滲漏的幾率則越高。Belkog等〔18〕人對骨質疏松女性尸體的椎體建立壓縮性骨折模型，用Orthocomp或Simplex P作為充填材料，結果僅需2 ml即可恢復椎體的壓縮強度，而椎體剛度的恢復與水泥充填容量缺乏相關關系。減小骨水泥的注入量同時可縮短注入時間，明顯降低骨水泥滲漏的危險。也有人報道椎體成形術后椎體剛度的恢復與注入的骨水泥量相關，14％容積的骨水泥就可滿足剛度恢復的要求，30％容積的骨水泥注入則可使剛度明顯增加，使臨近椎體的骨折危險增加〔19〕。

不同的充填材料對椎體生物力學性質的影響也有不同。Belkoff等人先后對Simplex P，Cranoplastic，Osteobond，Orthocomp等不同材料進行椎體成形術后的椎體生物力學研究，結果顯示Simplex P、Osteobond及Orthocomp能有效恢復椎體的剛度和壓縮強度，而Cranoplastic則僅能增加壓縮強度，不能恢復椎體的剛度，且在剛度的恢復程度上Orthocomp優于Simplex P〔20、21〕。新型材料CPC能明顯恢復骨質疏松椎體的抗壓強度，對剛度的恢復也較好，CPC的微孔結構可以使新骨長入，使其具有更好的生物相容性。對羥基磷灰石骨水泥（HA）充填椎體后的生物力學測試表明其對壓縮強度的恢復滿意，但對剛度的恢復作用小。MMA處理的SrHAC不僅有利于界面的融合，對椎體剛度、壓縮強度、彎曲強度和楊氏系數的恢復都具有很好的效果，而且明顯優于單純的SrHAC〔10〕。

23 PVP和PKP兩種術式的生物力學比較

Belkoff等先后兩次進行了關于后凸成形術的體外生物力學檢測，發現無論在有無載荷的情況下后凸成形術均能部分恢復椎體的高度，恢復椎體的強度。它在無載荷的情況下可以恢復丟失高度的97％，而椎體成形術僅能恢復30％，兩種方法都能明顯增強椎體的強度。Belkoff對16個椎體隨機分為PVP和PKP治療組，結果顯示PKP組能恢復椎體的起始剛度，而PVP則不能，PKP與PVP相比，不僅能有效恢復椎體的高度，而且能恢復椎體的壓縮強度和剛度〔22〕。但也有不同觀點，Tomita等對30個骨質疏松椎體隨機分為4組：（1）PKP+CPC；（2）PKP+PMMA；（3）PVP+CPC；（4）PVP+PMMA，術前及術后對椎體強度和剛度的分析顯示各組對椎體強度的恢復都較好，但對椎體剛度的恢復PKP組不及PVP組〔23〕。對于PVP和PKP術后的生物力學差異還有待進一步研究。

24 預防性應用椎體成形術可行性研究

水平骨小梁的丟失和骨小梁間空隙的增大降低了椎體的壓縮強度，這與骨礦物質含量和密度高度相關，椎體成形術的確切療效也僅在骨折疏松性骨折中發現，術后椎體的抗壓能力能夠通過注入骨水泥而顯著增強，但在正常BMD（bone mineral density）的椎體，成形術前后則沒有明顯差別。Skos Pheumaticos等對4個新鮮脊柱共40個正常椎體進行椎體注入了PMMA與不注入PMMA的生物力學研究顯示未進行成形術的椎體最大負荷為（6 72402±3 29170）N，然而注入了PMMA的椎體最大負荷為（5 770504±2 13372）N，兩組間統計學上無明顯區別。這提醒對有椎體骨折高危患者進行預防性的椎體成形術治療可能是不可取的〔24〕。在骨折椎體上下緣椎體注入適當的骨水泥來緩解椎體間強度差異，是否可以減少因為椎體間應力不平衡導致的骨折以及是否能夠更有效的維持脊柱的生物力學穩定性還有待進一步的研究。但對于有嚴重骨質疏松患者的椎體壓縮性骨折，也有在包括骨折椎體共4個椎體注入PMMA（其中骨折椎體為T6、7，注入骨水泥椎體T6~9）〔25〕。近來陸續有對骨質疏松患者預防性注入骨水泥來提高椎體強度可行性的研究。Sun，K等研究發現，對高危患者注入至少椎體容積20％的骨水泥才能有效減少其骨折風險，而對中等程度危險度患者則需要注入椎體容積5％～15％的骨水泥，而這種預防性治療和骨折后進行椎體成形術治療的并發癥發生率并無太大區別〔26〕。

25 椎體成形術后臨近椎體的生物力學改變

對椎體成形術后的生物力學研究同時發現其不足之處，特別是對上下緣椎體的影響較為明顯。椎體成形術的目的為最大程度上的恢復壓縮椎體的剛度和抗壓強度，但對椎體強度的恢復或增強，可能是臨近椎體骨折的重要原因，因其可使上下緣椎體所受壓力升高〔27〕。

Bertemann等對10例人體新鮮標本相鄰椎體共20對，隨機分成2組，一組下緣椎體注射PMMA，另一組設為對照，對上緣椎體負荷的生物力學研究顯示，2組上緣椎體在低于臨界負荷下與對照組無明顯差別，但在臨界負荷時實驗組壓力平均低于對照組19％，在實驗組中，骨折總發生在成形椎體的上緣椎體〔28〕。臨床上也有椎體成形術后上下臨近椎體骨折的報道〔15、29〕。在APerezHigueras等對13例經過經皮椎體成形術的患者進行5 a長期隨訪觀察得出臨床療效顯著的同時也發現有2例發生臨近椎體骨折〔11〕。對1組平均年齡74歲的椎體成形術后患者研究顯示，臨近椎體發生骨折概率每年遞增66％。其下緣椎體有一個或多個椎體骨折時，第1 a發生骨折的危險性提高了約5倍，在椎體骨折后的1 a里發生新的骨折的概率約192%〔30〕。

如前所述，椎體骨折可能與臨近椎體的強度增加有關。對L4、5椎體的研究發現椎體成形術后堅硬的骨水泥對椎體上緣的終板造成約7％的壓縮，使椎間盤內壓力較正常增高了19％，特別是在脊柱負荷增高時，椎間關節活動度下降11％，上緣椎體下終板內凸增加17％，這可能是導致成形術后臨近椎體骨折的原因〔31〕。由于患者術后疼痛的減輕，改變了生活方式，脊柱運動量和負荷增加，也使椎體骨折的幾率增加。同時與成形術后椎體臨近的椎間盤內壓力升高也使椎間盤突出的危險性增加。

不同材料的使用對臨近椎體生物力學影響不同。一般而言，松質骨彈性模量為168 MPa，PMMA則為2 700 MPa，CPC彈性模量在180 MPa左右，CPC較PMMA在避免應力遮擋效應和載荷傳遞異常以及減少相鄰椎體繼發骨折方面有優越性。有研究顯示CPC椎體成形后，相鄰椎間盤應力沒有明顯變化，應力遮擋和異常載荷傳遞效應甚微，相比PMMA、CPC椎體成形術在降低相鄰椎體骨折發生率方面有潛在的優勢。

到目前為止，對椎體成形術后與未進行椎體成形術時對臨近椎體發生骨折的危險性是否增高還未見完全隨機試驗的研究，然而臨近椎體的骨折也許是嚴重骨質疏松的自然進程，特別是臨近椎體有相似的機械和形態學特征。但近來相繼有報道椎體成形術后臨近椎體的力學性質下降，可能增加骨折的危險性。填充材料的發展可以有效增強骨折椎體的抗壓能力和維持良好的形態學特征，并可能使骨折椎體的生物力學性質恢復到最佳的狀態。

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生物力學的研究范文第5篇

【摘要】椎弓根是椎體的最堅強部分，但由于上胸椎椎弓根狹細，在采用椎弓根螺釘內固定時有傷及鄰近重要結構的風險[1]，故上胸椎應用椎弓根螺釘固定術受到了限制。2003年Husded等[2]提出了經肋單元（即椎弓根―肋頭關節―椎體）途徑置釘的新方法，并在臨床上取得了成功，為上胸椎后路螺釘內固定術提供了新思路。

【關鍵詞】胸椎椎弓根螺釘

1胸椎椎弓根的應用解剖

1.1胸椎椎弓根螺釘的進釘點

胸椎手術成功的關鍵在于找好準確的進釘點，熊傳芝等[3]指出,椎弓根較大的變異性是不良置釘率居高不下最重要的原因之一。吳超等[4]認為椎板外緣及上緣對椎弓根的定位有重要的解剖學價值。史亞民等[5]測得螺釘進釘點T9與T12位于橫突根部中點,T10位于橫突根部上緣,T11位于橫突根部中上1/3點。殷渠東等[6]發現下胸椎進釘點的水平線應在橫突上部、而腰椎在橫突中上部。

1.2胸椎椎弓根螺釘的進釘方向、椎弓根螺釘長度、直徑和生物力學的關系

螺釘的置入方向對其固定強度存在一定影響。Louis[10]認為在上胸椎有15-20°的內斜角,中下段胸椎螺釘直向前。根據Ebraheim[11]的數據,T1-2為30-40°,T3-11為20-25°,T12為10°左右。研究表明,在5-30°的范圍內,隨著內聚角的增加,椎弓根螺釘的把持力也增大。等研究表明，與短螺釘相比，長螺釘在體內承受的彎曲力矩增加16%，同時平行植入與7°成角植入其彎曲剛度兩者相差25%，螺釘植入的傾斜更符合力學原則。螺釘的長度與把持力有很大關系，有人主張螺釘長度盡可能達到椎體前緣皮質。

1.3孔道準備及孔道失敗后的救措施

釘道準備：螺道過深過大，均能減小骨質對螺釘的“握力”。對于安裝螺釘前孔道是否需要攻絲缺乏研究，Zindrick同時發現攻絲對拔出力量無影響。運用打入螺釘和擰入螺釘比較，發現無顯著差別。對于固定失效后的孔道準備，Pfeifer在研究修復材料時采用碎骨片、火柴棒骨質、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分別填充失效的椎弓根孔道后再用螺釘固定，比較后發現拔出力依次可獲得失效前的70%、56%和149%，所以對于失效的孔道再次固定可以采用PMMA。所以對于失效的孔道再次固定可以采用PMMA等有效的修復材料填充后再次固定。

1.4螺釘螺紋對生物力學的影響

內錐螺紋釘與外錐螺紋釘的設計有許多相似之處,均克服了松質骨螺釘中應力集中點,使斷釘的發生率明顯降低。本實驗中在克服拔釘的過程中,外錐螺紋釘優于內錐螺紋釘。有報道70%為最佳的螺釘與椎弓根面積比,并且當面積比大于90%時拔出力增加不明顯,卻易發生爆裂骨折。

1.5螺釘的幾何形態、螺釘的材料

kwok等對相似大小的圓錐體形螺釘和圓柱形螺釘進行對比研究，發現二者的拔出強度無明顯差別，圓錐形螺釘能明顯增加螺釘的置入扭矩，但圓柱形螺釘的置入扭矩與拔出強度無明顯相關性。結果表明鈦合金比不銹鋼螺釘具有較高的扭矩和扭轉剛度；螺釘拔出和松動是橫向負荷和軸向拔出力綜合作用的結果。

1.6胸椎椎弓根螺釘技術存在的不足

在胸椎可采用“椎弓根―肋骨”單元（Pedicle-ribunit,以下簡稱PRU）螺釘的固定方法，較置入椎弓根螺釘安全。Misenhimer等的研究結果也表明,椎弓根釘占據椎弓根橫徑的80%就會發生椎弓根膨脹、變形或骨折。因此,在橫徑

2胸椎肋橫突結合區螺釘的進釘點及進釘方向

國外學者對肋橫突結合區進釘方法進行了研究。他們設計的方法進釘點均在橫突末端或者肋橫關節上，螺釘末端外偏角度較大，這就使術者在術中操作器械很困難，術者不論是采取鋼板連接還是采取固定棒連接，都不能保證螺釘和固定棒或固定鋼板之間的良好接觸，這樣就會增加螺釘折斷的機會。孫建民等以尾傾0-10°進釘，置入24枚PRU螺釘全部成功。椎弓根外置釘技術采用的螺釘直徑大小取決于椎弓根的高度和PRU的寬度。

3肋橫突結合區進釘的不足

肋椎關節為球窩關節,有一定的活動性,臨床上有肋椎關節退變造成胸背痛的報道,經肋椎關節固定是否也會造成上述癥狀,仍需觀察。相信在不遠的將來，隨著對胸椎椎弓根-肋單元橫突結合區置釘技術的安全性評價及生物力學研究的進一步深入，在工程師、解剖學家和臨床醫師的共同努力下，胸椎椎弓根-肋單元橫突結合區置釘技術會成為越來越成熟且有效的手術方法，會有越來越多的患者從中受益。

參考文獻

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