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韌帶的生物力學(xué)特性范文第1篇

【摘要】目的 探討項(xiàng)韌帶鈣化與頸椎病的關(guān)系。方法 觀察210例項(xiàng)韌帶鈣化的X線特征,結(jié)合文獻(xiàn)分析與頸椎病的關(guān)系。結(jié)果 項(xiàng)韌帶鈣化與頸椎病的形成密切相關(guān)。結(jié)論 項(xiàng)韌帶鈣化單獨(dú)存在時(shí)可作為頸椎病的早期診斷。

【關(guān)鍵詞】項(xiàng)韌帶鈣化;頸椎病

項(xiàng)韌帶鈣化是項(xiàng)韌帶出現(xiàn)的一種鈣化現(xiàn)象,正確認(rèn)識這一病理現(xiàn)象對預(yù)防及治療頸椎病意義重大,本文對210例項(xiàng)韌帶鈣化的X光四位片綜合分析,結(jié)合臨床和文獻(xiàn)總結(jié)出項(xiàng)韌帶鈣化與頸椎病的形成密切相關(guān),項(xiàng)韌帶鈣化可作為頸椎病的早期診斷,報(bào)告如下。

1 臨床資料

1.1 一般資料本組210例,其中男121例,女89例,年齡41～79歲,平均年齡51.2歲。

1.2 臨床表現(xiàn)頸部僵硬105例,頸后疼痛91例,上肢麻木131例,頭痛39例,眩暈101例。

2 結(jié) 果

本組210例項(xiàng)韌帶鈣化者,其中193例頸椎椎體前后緣、鉤椎關(guān)節(jié)等處有不同程度的骨質(zhì)增生現(xiàn)象,47例有生理曲度的改變,89例伴有頸部不同程度的椎間盤膨出、突出表現(xiàn),僅有2例為單純的項(xiàng)韌帶鈣化,此2例年齡均為41歲,臨床均以頸部僵硬一月以內(nèi)為主訴就診,其余208例患者均有一月以上病史,伴隨有不同程度的頸椎病。

3 討 論

3.1 項(xiàng)韌帶的功能及鈣化的意義項(xiàng)韌帶有協(xié)助頸部肌肉支持頭頸的作用,并有對抗頸椎屈曲保持頸椎挺直的作用,其主要功能為限制脊柱前屈。當(dāng)項(xiàng)韌帶受到拉伸負(fù)荷時(shí),韌帶變長;當(dāng)拉伸解除后,膠原纖維在其周圍彈力纖維的牽拉下,恢復(fù)其原有的彎曲結(jié)構(gòu)。膠原纖維本身的伸展性較差,而項(xiàng)韌帶內(nèi)膠原纖維與彈力纖維有著微妙的比例關(guān)系,這樣既允許椎骨間有一定的活動度,又參與了脊柱的穩(wěn)定作用。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為:項(xiàng)韌帶鈣化可理解為項(xiàng)韌帶超負(fù)荷的一種表現(xiàn)[1,2]。

3.2 項(xiàng)韌帶鈣化的病因及病理多數(shù)學(xué)者們認(rèn)為項(xiàng)韌帶鈣化與創(chuàng)傷有關(guān)[3],外傷性的急性牽拉,頭部過度前屈、持久低頭工作或睡眠時(shí)枕頭過高均可牽拉項(xiàng)韌帶引起疲勞性損傷,肌輕微撕裂、出血、滲出、水腫,在不斷損傷和修復(fù)的過程中,肌與肌、肌與韌帶間發(fā)生粘連、攣縮、瘢痕、變形、硬化、局部微循環(huán)發(fā)生障礙,從而使大量的軟骨細(xì)胞增生,甲苯胺藍(lán)染色使膠原纖維及軟骨細(xì)胞呈強(qiáng)陽性,強(qiáng)異染物質(zhì)系酸性粘多糖,其主要成分是硫酸軟骨素,研究表明其與鈣鹽的沉著密切相關(guān)。此外,軟骨細(xì)胞具有合成堿性磷酸酶的能力,這也是基質(zhì)鈣化所必須的。項(xiàng)韌帶鈣化的上述病理改變表明它最終是朝著骨化的方向演變。

3.3 項(xiàng)韌帶鈣化與頸椎病的關(guān)系頸椎病是中老年的常見病和多發(fā)病,是由于頸椎椎體、椎間盤、鉤椎關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)及頸部軟組織發(fā)生退行性改變而壓迫或刺激頸部血管、神經(jīng)根和脊髓引起的一系列臨床癥狀。隨著年齡的增長,頸椎發(fā)生退行性變、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)、椎間關(guān)節(jié)紊亂、失穩(wěn)等狀態(tài)下,此時(shí)頸椎的運(yùn)動功能及生物力學(xué)特性發(fā)生了變化,椎體承受力量不均勻,項(xiàng)韌帶負(fù)荷過重,受損傷的機(jī)會也增加,進(jìn)一步加劇頸椎骨骼-肌肉系統(tǒng)的退變。頸椎生物力學(xué)失衡是引起頸椎病的重要原因。項(xiàng)韌帶的代償性拉長及剝離,打破了生物力學(xué)的平衡及協(xié)調(diào)的肌群,而導(dǎo)致頸椎的不穩(wěn)定和序列紊亂,進(jìn)一步加劇頸椎病的發(fā)生。目前普遍認(rèn)為頸椎生物力學(xué)失衡是引起頸椎病的外因,頸椎病的發(fā)展可視為正常頸椎生物力學(xué)平衡的破壞,而項(xiàng)韌帶在頸椎穩(wěn)定性中起著重要的作用。以上所述均說明項(xiàng)韌帶損傷、鈣化與頸椎病有著密切的關(guān)系,是引起頸椎病的一個因素或是頸椎病的早期形成[1-3]。

總之,當(dāng)頸椎椎間盤及頸椎關(guān)節(jié)發(fā)生退行性變化時(shí),則出現(xiàn)頸椎關(guān)節(jié)節(jié)段性失穩(wěn),于是破壞了頸椎正常的生物力學(xué)平衡,并有椎體側(cè)彎或關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)移位、滑脫,在相當(dāng)于該段水平的項(xiàng)韌帶可發(fā)生鈣化。人們長期前傾或低頭工作引起項(xiàng)韌帶肌肉痙攣、勞損,久之肌力減弱,使動力平衡破壞影響了靜力平衡,從而促使頸椎病的發(fā)生。作者認(rèn)為在項(xiàng)韌帶鈣化單獨(dú)存在時(shí),應(yīng)視為頸椎病的早期診斷依據(jù),此階段是治療及預(yù)防頸椎病的最有利時(shí)機(jī)。

【參考文獻(xiàn)】

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韌帶的生物力學(xué)特性范文第2篇

[關(guān)鍵詞] 頸椎；胸椎；腰椎；脊柱畸形；有限元

[中圖分類號] R682[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 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

有限元法又稱有限元素法[1]，其基本思想是20世紀(jì)40年代由國外學(xué)者首先提出，并在20世紀(jì)60年代由平面彈性論文中用“有限元法”這個名稱命名，這標(biāo)志著有限元法的正式誕生。1970年，隨著計(jì)算機(jī)和軟件的發(fā)展，有限元又跟醫(yī)學(xué)的發(fā)展緊密相連，并在骨科方面中得到充分的利用。通過有限元合理賦值得到接近正常的人體模型，從而可以有效地對人體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變及模擬分析，得出正確的結(jié)論，由于有限元模型具有重建不規(guī)則、復(fù)雜材料特性結(jié)構(gòu)的能力以及易于重復(fù)模擬復(fù)雜靜止或動態(tài)負(fù)重狀態(tài)下的應(yīng)力而應(yīng)用越來越廣泛?，F(xiàn)階段開發(fā)的有限元軟件總體功能強(qiáng)大，模塊齊全，在我國的市場占有量也最大，現(xiàn)在有限元分析法已經(jīng)成為動物模型和尸體模型研究方法之后單獨(dú)作為骨科生物力學(xué)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應(yīng)用優(yōu)勢

近年來由于隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和軟件的開發(fā)的不斷進(jìn)步，有限元法已經(jīng)成為了解脊柱力學(xué)變化及脊柱疾患的研究非常有用的工具之一，模擬的條件不斷進(jìn)步并越來越接近正常、結(jié)果使人更加信服。與其它方面研究生物力學(xué)方法如動物標(biāo)本和尸體標(biāo)本相比較，有限元法更具有的優(yōu)勢，體現(xiàn)在多方面，可以顯示脊柱內(nèi)部生物結(jié)構(gòu)受力及形變等情況[2]，并能將這種受力和形變情況以直觀的圖形來展示，如對脊柱的椎體、椎間盤和小關(guān)節(jié)在受力和形變情況下應(yīng)力分布的顯現(xiàn)，描述局部椎體及椎間盤在各種內(nèi)固定條件下承受的應(yīng)力變化等；可以對脊柱手術(shù)應(yīng)用的內(nèi)固材料本身的受力分布情況，分析內(nèi)置物局部應(yīng)力集中點(diǎn)等數(shù)據(jù)，如直觀的顯示椎弓根螺釘?shù)木植繎?yīng)力分布等；可以在同一脊柱模型上反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，從而確保所施加的對象完全一致，從而在比較不同干預(yù)措施下的脊柱生物力學(xué)效果及所得數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確等[3]。

2 有限元分析法在人體脊柱中的應(yīng)用現(xiàn)狀

有限元在人體脊柱外科領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速。自國外學(xué)者首先建立腰椎的三維有限元模型，并進(jìn)行模擬生物力學(xué)分析之后，國內(nèi)外相關(guān)脊柱方面的研究逐漸從腰椎、頸椎、胸椎模型建立到全脊柱模型并從脊柱有限元模型的構(gòu)建發(fā)展到脊柱疾患發(fā)病機(jī)制的研究、脊柱手術(shù)術(shù)前規(guī)劃及術(shù)后療效評估等方面的研究。

2.1 頸椎有限元模型的研究

1991年Saito等[4]建立了二維有限元模型，此模型是比較簡單，它是在簡化小關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)上的幾何生物模型，導(dǎo)致了模型內(nèi)部的壓力分布、負(fù)荷分配的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差較多。1993年，Kleinberger等[5]建立了第一個頸椎三維有限元模型，它雖然簡化了許多重要結(jié)構(gòu)，如缺乏關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)等，其應(yīng)力結(jié)果分析不太理想。但是將頸椎的模型帶入了三維時(shí)代。1997年Voo等[6]建立了局部節(jié)段頸椎模型，包括椎間盤及椎體使頸椎三維有限元模型構(gòu)建了較為成熟的。固定下位椎體使上位椎體在其各個方向旋轉(zhuǎn)時(shí)受力所得結(jié)果與體外實(shí)驗(yàn)相對比，結(jié)果較為符合實(shí)際。2006年陳強(qiáng)等[7]應(yīng)用CT掃描所得的斷層圖像并對其重建的方法，建立了全頸椎三維有限元模型。2011年林國中等[8]建立了全頸椎三維有限元模型具有詳細(xì)解剖結(jié)構(gòu)，最終驗(yàn)證結(jié)果表明，該模型具有良好的生物逼真度。頸椎有限元分析經(jīng)歷了相對簡單的二維模型到以CT掃描和三維重建技術(shù)為基礎(chǔ)的單一椎體精細(xì)有限元網(wǎng)格構(gòu)建，在到多節(jié)段頸椎椎體建模并在一定程度上再現(xiàn)椎間盤、小關(guān)節(jié)、韌帶等非骨性結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程以及具有高仿真度仿真模型出現(xiàn)，經(jīng)歷了30余年時(shí)間，把對頸椎生物力學(xué)的研究帶入了一個全新的領(lǐng)域，開辟了新的天地。有限元在頸椎模型方面研究及生物力學(xué)應(yīng)用發(fā)展迅速。

2.2 胸椎有限元模型研究

人體胸椎連接胸廓結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從而使胸椎的有限元模性建立較晚，模型建立與生物力學(xué)研究結(jié)果與實(shí)際相差較大，2008年胡輝瑩[9]等利用有限元軟件輔助建立的人體胸廓三維有限元模型具有較高的真實(shí)性和精確度，為下一步人體胸椎包括胸廓有限元模型的分析提供了基礎(chǔ)。2010年費(fèi)琦等[10]建立了胸椎后凸的三維有限元模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)給予軸向壓力后，椎間盤、終板及椎體整體的應(yīng)力也成相應(yīng)增加。2010年李筱賀等[11]在CT掃描結(jié)合逆向工程軟件建立下胸椎三維有限元模型，通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)從CT圖像中提取數(shù)據(jù)建立下胸椎，完成數(shù)據(jù)與逆向工程軟件間的銜接，并將逆向工程技術(shù)引入模型的建立中，成功建立了表面形態(tài)和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)都與實(shí)體一致的模型，該模型具有結(jié)構(gòu)完整、空間結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確度高及單元劃分精細(xì)等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了以用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、快速成型、有限元分析等領(lǐng)域的研究，從簡單的胸椎模型到加入胸廓三維模型重建到生物力學(xué)的研究胸椎有限元模型真實(shí)性、精確度不斷完善，并隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)成熟完善，得到進(jìn)一步完善，應(yīng)用越來越廣。

2.3 腰椎有限元模型的研究

腰椎的有限元研究較早，自1975年Liu等[12]建立了第一個真正包括椎間盤的腰椎三維有限元模型，并模擬不同情況下的椎體的受力情況，將腰椎有限元的建立分析帶入了全新時(shí)期，但對其椎體附件等結(jié)構(gòu)未進(jìn)行詳細(xì)分析，1998年Goel等[13]首次通過應(yīng)用CT掃描建立了局端腰椎的復(fù)雜三維有限元模型，此后又連續(xù)進(jìn)行了脊柱外傷、椎體融合及椎間盤退變等臨床研究。2004年Zander等[14]利用L3/～4的有限元模型，模擬依次切斷部分韌帶計(jì)算剩余韌帶的應(yīng)力。結(jié)果顯示韌帶的存在明顯影響腰椎各節(jié)間的活動范圍。2006年Rohlmann等[15]利用有限元模型評估在不同下所需軀干肌的肌力，通過考慮肌肉的作用后，脊柱三維有限元更逼真，有限元分析更符合實(shí)際情況。2009年閆家智等[16]研究表明，在給予施加軸向壓縮力時(shí)，腰椎纖維環(huán)最大應(yīng)力集中于髓核和終板中央，應(yīng)力隨軸向壓縮力的增加而增大。EI-Rich等[17]建立了L2/3活動節(jié)段三維有限元模型，該研究表明，俯屈和伸展時(shí)應(yīng)力的分布不同，從而使骨折的發(fā)生部位亦明顯不同，該實(shí)驗(yàn)認(rèn)為椎體后部結(jié)構(gòu)在維持脊柱穩(wěn)定性上起著重要作用。腰椎有限元從基礎(chǔ)的椎體模型的建立到分節(jié)段椎體生物力學(xué)分析，再到腰椎全節(jié)段的模型建立在治療腰椎疾病及術(shù)后評估發(fā)展迅速如，已成為研究脊柱外科的重要方法之一，并隨著計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)將越來越普及的應(yīng)用。

3 有限元在脊柱畸形方面的研究現(xiàn)狀

目前有限元分析法已進(jìn)入脊柱側(cè)凸、后凸及兩者合并存在等熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域，學(xué)者們借助有限元分析方法，構(gòu)建脊柱側(cè)凸后凸的模型并深入的探討了脊柱畸形的發(fā)病機(jī)制，相關(guān)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及結(jié)構(gòu)改變所致身體其他部位的所連帶的身體機(jī)能的改變，同時(shí)應(yīng)用有限元研究脊柱疾患生物力學(xué)分析、內(nèi)固定器械受力分布及脊柱手術(shù)術(shù)前規(guī)劃、術(shù)后評估等問題。

3.1 脊柱側(cè)凸畸形三維有限元研究

脊柱側(cè)凸畸形有限元及內(nèi)固定器材料的研究現(xiàn)階段非常廣泛，國內(nèi)外的相關(guān)報(bào)道較多，Stokes等[18]將有限元模型應(yīng)用于脊柱側(cè)凸，將內(nèi)固定器械應(yīng)用于側(cè)凸矯形生物力學(xué)的研究。2002年Grealou等[19]利用有限元對切除肋骨對脊柱側(cè)凸畸形矯形的生物力學(xué)影響，并檢測對胸廓的整體影響機(jī)制。2008年汪學(xué)松等[20]利用計(jì)算機(jī)軟件成功地建立特發(fā)性脊柱側(cè)彎的有限元模型，具有良好的仿生效果及生物逼真度，2010年韋興等[21]腰椎側(cè)凸螺釘內(nèi)固手術(shù)矯正效果影響的定節(jié)段對有限元分析中建立了高仿真度腰椎側(cè)凸模型，并得出結(jié)論：在保持一定固定范圍條件下，間斷減少非弧頂固定螺釘。在三維有限元模型上可得到較好的矯形效果。目前，對脊柱側(cè)凸畸形的有限元模型的重建、對于脊柱側(cè)凸的發(fā)生機(jī)制、脊柱側(cè)凸畸形病程不斷惡化的過程、脊柱側(cè)凸形成過程中存在的相關(guān)機(jī)制以及對脊柱側(cè)凸畸形手術(shù)術(shù)前規(guī)劃，術(shù)后效果評估成為了大家關(guān)注的焦點(diǎn)。

3.2 脊柱后凸畸形的三維有限元研究

2003年程立明等[22]利用有限元軟件構(gòu)建脊柱后凸畸形的有限元模型，證實(shí)脊柱胸腰段后凸畸形改變了相應(yīng)椎間盤的負(fù)荷應(yīng)力分布，可能加快椎間盤退變并使其椎間盤后方易受損破壞。同年張美超等[23]利用三維有限元模型在正常與后凸畸形胸腰椎體力學(xué)性能比較中的應(yīng)用中"在縱向壓縮載荷下正常脊柱T12～L1段椎體后部容易損傷和骨折后T12～L1后凸脊柱T12～L1段椎體前部容易損傷和骨折。2004年國內(nèi)學(xué)者建立了頸椎后凸畸形有限元模型并驗(yàn)證全椎板切除可以明顯改變頸椎正常前凸轉(zhuǎn)變?yōu)楹笸梗侯i椎間盤和韌帶結(jié)構(gòu)對全椎板切除后頸椎曲度有顯著影響，頸椎椎間盤、韌帶結(jié)構(gòu)對頸椎生理曲度有雙重作用，頸椎椎間盤、韌帶結(jié)構(gòu)彈性模量減少，將加劇頸椎后凸曲度。另有學(xué)者利用CT掃描資料，輸入有限元軟件重建胸腰段椎體的三維有限元模型，其結(jié)構(gòu)完善、外觀逼真、數(shù)據(jù)精確性好，并模擬L1椎體骨質(zhì)疏松性壓縮性骨折及椎體后凸成形術(shù)治療，總體來看對于脊柱后凸模型的建立及生物力學(xué)分析相對于脊柱側(cè)凸研究較少，但未來的發(fā)展空間較大，利用模型應(yīng)用于脊柱后凸矯形術(shù)前規(guī)劃反面作用突出，將成為研究脊柱后凸畸形的重要方法之一[24-25]。

4 三維有限元在脊柱畸形方面應(yīng)用的展望

高質(zhì)量人體脊柱模型的建立成為進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵，是進(jìn)行脊柱畸形方面疾病研究的基礎(chǔ)。現(xiàn)國內(nèi)外已有脊柱的各節(jié)段高仿真有限元模型的建立的報(bào)道，并隨著計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)及聯(lián)合應(yīng)用建模功能的發(fā)展強(qiáng)大，成功仿真模擬了脊柱側(cè)凸、脊柱后凸的三維模型的建立，這種有限元分析方法將能夠?yàn)榧怪鶄?cè)凸、脊柱后凸的發(fā)病機(jī)制的及生物力學(xué)研究提供量化指標(biāo)，協(xié)助醫(yī)生研究脊柱畸形發(fā)病機(jī)制，預(yù)測患者的矯形過程和效果，并能針對具體患者進(jìn)行個體化的仿真模擬操作和生物力學(xué)分析，為臨床實(shí)踐提供一定的理論依據(jù)，并為今后醫(yī)生制定和優(yōu)化脊柱側(cè)凸、脊柱后凸的臨床治療方案開辟了新的途徑。隨著脊柱矯形生物力學(xué)研究的深入和計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助制訂矯形策略可能是臨床的發(fā)展趨勢。

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韌帶的生物力學(xué)特性范文第3篇

摘 要 肌肉的主動收縮和舒張控制之下動物會產(chǎn)生各種不同的運(yùn)動形態(tài)，這屬于肌肉力矩的主動改變而肢體運(yùn)動又會反作用于肌肉力矩。在不斷的進(jìn)化中人類逐漸形成自身完善的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)負(fù)責(zé)自身運(yùn)動的控制與協(xié)調(diào)。除了主動的肌肉力矩之外，接觸力矩、重力力矩以慣性力矩也會對肢體運(yùn)動的具體方式和表現(xiàn)產(chǎn)生影響，生物力學(xué)是研究人類運(yùn)動控制機(jī)制的基礎(chǔ)，因而本文就生物力學(xué)在運(yùn)動控制與協(xié)調(diào)研究中的作用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 生物力學(xué) 運(yùn)動 控制協(xié)調(diào) 應(yīng)用

人體運(yùn)動需要在多個部分的共同協(xié)調(diào)配合下完成，而單純運(yùn)動學(xué)角度只針對物體的運(yùn)動效果以及其他外作用力的影響進(jìn)行研究，無法對人體肢體運(yùn)動控制和協(xié)調(diào)的具體機(jī)制作出判斷。生物力學(xué)從關(guān)節(jié)力矩的角度并結(jié)合運(yùn)動動力學(xué)方法可以對肢體運(yùn)動的產(chǎn)生方式和作用機(jī)制進(jìn)行科學(xué)合理的分析，推動人體運(yùn)動控制機(jī)制理論研究的發(fā)展。

一、生物力學(xué)與運(yùn)動控制的關(guān)系分析

肌肉的收縮是人類肢體運(yùn)動最直接的動力，人體神經(jīng)系統(tǒng)可以對不同部位的新陳代謝速率和能量釋放方式進(jìn)行調(diào)整，從而起到控制骨骼肌腱可控張力的效果，肌腱又將動力傳給關(guān)節(jié)、韌帶以及骨骼等，最終實(shí)現(xiàn)對各個運(yùn)動單位的控制。神經(jīng)肌肉骨骼系統(tǒng)包括肌肉運(yùn)動單位與神經(jīng)元之間的突觸連接、運(yùn)動單位疊加與肌腱上的合力、肌肉骨骼系統(tǒng)的整合以及關(guān)節(jié)力矩整合協(xié)作四個層次。人體的骨骼、肌肉結(jié)構(gòu)都十分復(fù)雜，因而神經(jīng)中樞系統(tǒng)很難直接對每個運(yùn)動單位進(jìn)行控制，目前猜測中樞神經(jīng)系統(tǒng)對運(yùn)動目標(biāo)協(xié)作實(shí)現(xiàn)方式或者是關(guān)節(jié)水平運(yùn)動方式進(jìn)行控制，再由該環(huán)節(jié)傳達(dá)至各個運(yùn)動單元。

二、運(yùn)動控制的生物力學(xué)研究技術(shù)

（一）生物傳感器技術(shù)

目前生物傳感器技術(shù)在科學(xué)研究中的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，包括力量、肌電圖、加速度以及位移傳感器等等，這些技術(shù)相關(guān)專業(yè)的教科書以及很多文獻(xiàn)中都有涉及到。隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展三維陀螺儀運(yùn)動測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在生物力學(xué)測量中可以對物體的運(yùn)動速度、不同時(shí)間點(diǎn)的方位、角度等數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和記錄，因而可以應(yīng)用于疾病診斷和治療康復(fù)中，該技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。

（二）生物力學(xué)建模與仿真

當(dāng)人體運(yùn)動時(shí)除了肢體的外部狀態(tài)，肌肉狀態(tài)、關(guān)節(jié)連接處軟組織的形狀等也會發(fā)生一定的變化，而對這種形變進(jìn)行觀察和研究的難度較大，因而可以將整個人體作為一個完整的運(yùn)動系統(tǒng)并以此為基礎(chǔ)建立相應(yīng)的人類肢體運(yùn)動動力學(xué)研究方程，也可以將其稱為生物力學(xué)模型。研究方向以及研究切入點(diǎn)的不同都會對最終的模型構(gòu)建產(chǎn)生影響，一般來說任意運(yùn)動的計(jì)算機(jī)模擬或者仿真需要應(yīng)用正向動力學(xué)知識和技術(shù)，而對肢體運(yùn)動的外力因素進(jìn)行測量時(shí)則需要應(yīng)用逆向運(yùn)動學(xué)。

（三）運(yùn)動學(xué)影像技術(shù)

影像技術(shù)在生物力學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用由來已久，隨著科技的進(jìn)步和科研領(lǐng)域投入的提高，更多新型的運(yùn)動學(xué)影像技術(shù)開始出現(xiàn)。高速熒光透視技術(shù)可以對人體運(yùn)動狀態(tài)下的骨骼、關(guān)節(jié)的情況進(jìn)行精確的分析，拍攝速度更快且由于無侵入性對人體的傷害也更小。將該技術(shù)應(yīng)用于人體醫(yī)療中將大大提高骨科檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性。即時(shí)超聲波成像技術(shù)可以將人體運(yùn)動狀態(tài)下的肌肉、肌腱等的形態(tài)包括肌纖維排列、肌肉羽狀角的情況進(jìn)行成像。

三、運(yùn)動控制的生物力學(xué)原理

運(yùn)動控制涉及的生物力學(xué)原理較多，本文就其中幾個較為重要的原理進(jìn)行分析闡述。人們在做出某個動作之前，為了提高動作的完成效果，往往會先做一個跟目標(biāo)動作方向相反的動作，例如扣籃時(shí)先將手臂抬高，一方面下扣動作的幅度更大，另一方面肌肉的彈力也會有所增大，下扣的力量隨之提高，這就是反向動作最佳起始力原理的典型表現(xiàn)。人體神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能的完善性，以及個體肌肉力量和爆發(fā)力量對于體育競賽成績有著重要的影響，在某些體育活動中，人們?yōu)榱双@取運(yùn)動速度的最大沖量會采取一些助力措施，例如對于跳遠(yuǎn)運(yùn)動員來說，他們在進(jìn)行跳遠(yuǎn)前都會有助跑，鐵餅投擲運(yùn)動員在投擲鐵餅時(shí)，也會有身體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動等等，以上各項(xiàng)體育運(yùn)動都是通過延長加速度時(shí)間和距離來增加力的作用效果，這體現(xiàn)的是運(yùn)動速度的最大沖量原理。物體之間的碰撞效果一般會受到以下兩方面因素的影響，即物體質(zhì)量和速度這兩方面的影響，質(zhì)量與速度的乘積稱之為動量，生物力學(xué)中有打擊碰撞動量保持原理，該原理在運(yùn)動控制中的體現(xiàn)有：網(wǎng)球的擊球、拳擊等等，運(yùn)動員為了提高碰撞效果在確保撞擊速度時(shí)還會提高撞擊的力度。因此，對于運(yùn)動員來說，一定要掌握運(yùn)動控制的生物力學(xué)原理，進(jìn)而將其在際運(yùn)動中得到充分運(yùn)用，這對提高運(yùn)動員成績來說起著非常重要的作用。

四、結(jié)束語

綜上所述，生物力學(xué)的應(yīng)用可以在對關(guān)節(jié)力矩和分量進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上研究神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對肌肉收縮力矩的調(diào)節(jié)模式，主動的肌肉力矩在神經(jīng)系統(tǒng)的控制之下對運(yùn)動產(chǎn)生的被動力矩進(jìn)行對抗，在平衡的狀態(tài)之下完成肢體運(yùn)動動作要求，生物力學(xué)的應(yīng)用大大降低了運(yùn)動控制協(xié)調(diào)相關(guān)問題的理解難度。

參考文獻(xiàn)：

韌帶的生物力學(xué)特性范文第4篇

【摘要】 以應(yīng)力松弛的試驗(yàn)方法研究氣管軟骨的應(yīng)力松弛特性，為臨床提供氣管軟骨的應(yīng)力松弛特性參數(shù)。在日本島津電子萬能試驗(yàn)機(jī)上對10個軟骨進(jìn)行應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)應(yīng)變增加速度為50%/min，實(shí)驗(yàn)溫度為(36.5±0.65)℃，設(shè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)間7 200 s，采集100個實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以一元線性回歸分析的方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：氣管軟骨7 200 s應(yīng)力松弛量為0.316 MPa，7 200 s時(shí)應(yīng)力松弛曲線基本達(dá)到平衡。氣管軟骨應(yīng)力松弛曲線是以對數(shù)關(guān)系變化的，氣管軟骨為非線性粘彈性材料。

【關(guān)鍵詞】 氣管軟骨;應(yīng)力松弛;粘彈性;力學(xué)特性

Abstract：To research the tracheal cartilage stress relaxation characteristic and provide the tracheal cartilage stress relaxation characteristic parameter for the clinical.10 cartilages were taken on the electronic universal testing machine to carry on the stress relaxation experiment.The increasing speed of the stress relaxation experiment strain was 50%/min.Experimental temperature was (36.5±0.65)℃，the experimental time was set at 7 200 s.Then 100 empirical data were gathered and processed by the method of Unary Linear Regression Analysis.The tracheal cartilage 7 200 s stress relaxation quantity was 0.316 MPa，the 7 200 s stress relaxation curve achieved the balance basically.The tracheal cartilage stress relaxation curve is changed by the logarithm relations，the tracheal cartilage is the non-linear viscoelastic material.

Key words：Tracheal cartilage;Stress relaxation;Viscoelastic;Mechanics characteristic

1 引 言

國內(nèi)外學(xué)者對氣管損傷氣道功能重建，對人工氣管的基礎(chǔ)研究和臨床實(shí)踐做了一定的研究，但對氣管軟骨的生物力學(xué)研究報(bào)道較少。前田富興等[1]對人工氣管的抗變形能力進(jìn)行了研究。ToomesH等[2]以人工氣管氣道再建進(jìn)行運(yùn)動物實(shí)驗(yàn)研究。劉德若等[3]對人工氣管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。徐艷等[4]研究了紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料人工氣管。關(guān)于氣管軟骨的生物力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)國內(nèi)、外學(xué)者們也進(jìn)行了一定的研究，鄧衛(wèi)軍等[5]對成年離體豬氣管進(jìn)行了生物力學(xué)的特性實(shí)驗(yàn)。王憶勤[6]等對大鼠氣管的零應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了研究。 楊林等[7]對旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器用于提高組織工程氣管軟骨力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行了研究。以往對氣管軟骨力學(xué)特性研究多以動物氣管軟骨和一維拉伸實(shí)驗(yàn)居多[5-7]，對人氣管軟骨應(yīng)力松弛粘彈性力學(xué)特性研究較少。生物材料的粘彈性主要以應(yīng)力松弛蠕變?yōu)楸憩F(xiàn)形式，應(yīng)力松弛是軟組織在恒應(yīng)變作用下，對載荷松弛適應(yīng)性的反應(yīng)，雖然機(jī)制尚不清楚，但氣管軟骨的應(yīng)力松弛力學(xué)特性對于認(rèn)識吻合口張力，確定氣管損傷后的張力臨界點(diǎn)具有重要意義。

氣管由于炎癥、腫瘤、損傷等疾患需要進(jìn)行氣道再建，現(xiàn)代呼吸道(氣道)外科手術(shù)對氣管病變不超過1/2程度，可切除病變部位氣管后直接縫合吻接，修復(fù)和重建氣管的功能。當(dāng)氣管切除超過其直接的吻合長度，則需要置換人工氣管。鑒于臨床實(shí)際需要，我們對正常國人尸體氣管軟骨進(jìn)行了應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，得出了氣管軟骨7 200 s應(yīng)力松弛量，得出了應(yīng)力松弛曲線和歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)曲線。以一元線性回歸分析的方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了應(yīng)力松弛函數(shù)方程。

2 材料與方法

2.1 材料

實(shí)驗(yàn)標(biāo)本正常國人新鮮尸體氣管標(biāo)本2個，均為男性，25歲尸體1具，30歲尸體一具。由白求恩醫(yī)科大學(xué)解剖教研室提供。將氣管標(biāo)本生理鹽水浸泡的紗布包裹，裝入塑料袋中密封后置于-20℃冰箱內(nèi)保存。實(shí)驗(yàn)前取出標(biāo)本在常溫下解凍后，以手術(shù)刀切取軟骨環(huán)試樣10個。

2.2 試驗(yàn)裝置

日本島津AG-10TA自動控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)具有自動控制應(yīng)力、應(yīng)變增加速度和使應(yīng)力或應(yīng)變保持恒定的功能。載荷通過載荷傳感器傳遞，載荷傳感器最大量程100 N，使用量程10 N。

2.3 應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)方法

首先測量式樣的原始尺寸。在軟組織測量實(shí)驗(yàn)中，測量試樣的原始尺寸非常關(guān)鍵。作者采用國內(nèi)外均認(rèn)可的準(zhǔn)長度理論，即在每一給定條件下式樣的長度等尺寸。將試樣裝夾在軟組織實(shí)驗(yàn)夾具上，給予滿量程1%的初載做為準(zhǔn)長度的基礎(chǔ)。利用讀數(shù)顯微鏡測量其長度、寬度和厚度，試樣的長度為25 mm，寬度為5 mm，厚度為1.8～2.2 mm，韌帶和其他軟組織一樣，其彈性主要來自熵的改變。因而不存在唯一的自然狀態(tài)，所以首先對試樣進(jìn)行預(yù)調(diào)處理，即在同一應(yīng)力水平下加載-卸載20次。對每個試樣分別預(yù)調(diào)處理后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

將經(jīng)過預(yù)調(diào)的10個試樣分別裝夾到軟組織專用夾具上，夾具與有機(jī)玻璃缸連接，玻璃鋼內(nèi)裝pH值為7.4的生理鹽水，試樣置于生理鹽水中，裝有試樣的夾具與實(shí)驗(yàn)機(jī)上、下頭連接。試驗(yàn)機(jī)帶有-35℃～250℃環(huán)境溫箱。可自動調(diào)節(jié)溫度并保持恒溫。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M正常人體溫，在(36.5±5)℃的溫度場下進(jìn)行。預(yù)先設(shè)定好程序，記錄方式為X-T，其中X軸為應(yīng)力，T軸為時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)以50%/min的速度對試樣施加載拉應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到9.28%，應(yīng)力達(dá)到1.207 MPa時(shí)保持恒定，應(yīng)力隨時(shí)間的改變不斷下降。

計(jì)算機(jī)程序設(shè)定從時(shí)間t0開始采集數(shù)據(jù)，每10 s采集一個數(shù)據(jù)40次，之后每136 s采集一個數(shù)據(jù)，采集50次，共采集90個數(shù)據(jù)，歷時(shí)7 200 s達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，計(jì)算機(jī)自動輸出實(shí)驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果

3.1 應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)

10個氣管軟骨試樣應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后結(jié)果見表1。10個氣管軟骨試樣歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)見表2。表1 應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(x±s)表2 歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)

3.2 應(yīng)力松弛曲線

對每組10個應(yīng)力松弛試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合應(yīng)力松弛曲線見圖1。對每組10個試樣歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)擬合曲線見圖2。圖1 應(yīng)力松弛曲線

Fig 1 The stress relaxation curve

圖2 歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)曲線

Fig 2 Normalized stress relaxation function curve

3.3 歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)方程的計(jì)算歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)方程的建立：以一元線性回歸方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，松弛曲線是以對數(shù)關(guān)系變化的，因此設(shè)

G(t)=1

c lnt+d t=0

t>0(1)

令φ(a，d)=∑nt=1[G(t)-G(實(shí))]2

則φc=0 φd=0

c∑11i=1ln2t+d∑11i=1lnt-∑11i=1G實(shí)=0

c∑11i=1lnt+d∑11i=1d-∑11i=1G實(shí)=0(2)

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入(2)式，結(jié)出屈肌腱c=-0.0396，d=1.0306。將c、d代入(1)式得出氣管軟骨：

G(t)=1t=0

-0.0313lnt+1.0626t>0

4 討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，氣管軟骨7 200 s應(yīng)力松弛量為0.316 MPa，應(yīng)力松弛最初600 s變化較快，達(dá)總松弛量的30%，之后應(yīng)力緩慢下降，達(dá)到7 200 s時(shí)曲線基本達(dá)到平衡，氣管軟骨的應(yīng)力松弛曲線是以對數(shù)關(guān)系變化的。氣管軟骨在生理上主要是具有一定的舒張性，吸氣時(shí)伸長而變粗，呼氣時(shí)復(fù)原。氣管具有一定的屈、伸性，屈、伸時(shí)氣管和氣管軟骨都承受著一定的生理載荷。氣管的力學(xué)性能的保持主要是膠原纖維的合理排列分布為彈性支架，通過蛋白多糖的親水作用來形成局部的張力和滲透張力，當(dāng)組織受載時(shí)，由于壓力差大于局部張力使水緩慢流出，當(dāng)去載時(shí)由于組織的膨脹壓和滲透壓使水流回組織內(nèi)[8]。在正常的生理狀態(tài)下，氣管軟骨能在生理載荷范圍內(nèi)適應(yīng)外力的牽拉，表現(xiàn)出一定抗張性。

氣管組織內(nèi)含有膠原纖維，膠原纖維具有一定的韌性，膠原蛋白是動物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，它是一種高級結(jié)構(gòu)，可形成最佳的力學(xué)特性。膠原蛋白最最重要的力學(xué)性質(zhì)是拉伸剛度和抗拉強(qiáng)度。

軟骨是一種多孔的粘彈材料，組織間隙為液體所充滿。在應(yīng)力作用下，液體可在組織中流進(jìn)或流出(當(dāng)組織膨脹時(shí)流進(jìn)，收縮時(shí)流出)，軟骨力學(xué)性能隨液體的含量而變化。事實(shí)上，液體在應(yīng)力下的流動似乎是這種無血管組織取得營養(yǎng)的主要途徑。因此，研究氣管軟骨應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系不僅對于了解軟骨傳遞載荷的特性有必要，而且對于了解組織的健康狀況也是非常重要的[9]，軟骨是由一種液相和固相組成，液相主要是水，固相主要是包括膠原纖維和彈性纖維，蛋白多糖和細(xì)胞成份。液相主要功能是通過自身的媒介作用把小的溶質(zhì)傳送或擴(kuò)散于組織內(nèi)外，固相膠原纖維的網(wǎng)狀支架是張應(yīng)變和張應(yīng)力的表述[10-11]。蛋白多糖的親水性很強(qiáng)，對維持軟骨的粘彈性及對抗壓力起著重要作用。

本實(shí)驗(yàn)初始應(yīng)力與文獻(xiàn)[12]相同，但本實(shí)驗(yàn)7 200 s應(yīng)力松弛量低于文獻(xiàn)[12]中髖關(guān)節(jié)軟骨和膝關(guān)節(jié)軟骨。承重部位軟骨和非承重部位軟骨具有不同的力學(xué)特性。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持軟骨的力學(xué)性質(zhì)與軟骨的膠原含量呈正相關(guān)的觀點(diǎn)。軟骨所處不同的生理解剖位置及不同的生理功能決定了其粘彈性的存在和其間的差異。

本實(shí)驗(yàn)以正常人青年新鮮尸體氣管軟骨為研究對象。更充分地揭示氣管軟骨作為生物粘彈性材料的力學(xué)特性，對臨床更具有實(shí)際意義。

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韌帶的生物力學(xué)特性范文第5篇

【關(guān)鍵詞】 腰椎融合術(shù)后； 臨近節(jié)段； 椎間盤應(yīng)力； 有限元分析

中圖分類號 R681.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6805（2014）17-0020-03

【Abstract】 Objective：To analysis model under different loads and stress changes by posterior lumbar discectomy through the establishment of normal， L4-5 and L4-S1 fusion and internal fixation model. Method： Analyzed 98 image nodes from 1 volunteers what were divided unit to establish the normal lumbar motion segment （L1-S1） finite element model and L4-5， L4-S1 segment of posterior lumbar interbody fusion and internal fixation model， the three models with five direction load， calculation of adjacent segment disc shall be stress variation， and the results were statistically analyzed. Result： The research showed that the upper two segments adjacent segment than the single disc fusion segment average effective stress in flexion， extension ， lateral flexion ， rotation load difference was statistically significant（P0.05）， whether it was single or double segment L4-5 segment L4-S1 was fixed ， the neighboring L3～4 disc effective stress in flexion， extension ， vertical compression ， lateral flexion， rotation were greater than unfused fixed， the difference was statistically significant（P

【Key words】 Lumbar spinal fusion； Adjacent segment disc； Stress； Finite element analysis

First-author’s address： Nan’an Hospital，Nan’an 362300，China

脊柱融合術(shù)被廣泛用于治療脊柱創(chuàng)傷、不穩(wěn)、腫瘤、畸形及退行性變中，1988年Lee[1]首先報(bào)告了一組腰椎融合術(shù)患者在隨訪8.5年后部分出現(xiàn)了鄰近節(jié)段椎間盤退變（adjacent segment disc degeneration，ASD）。腰椎融合術(shù)后出現(xiàn)鄰近節(jié)段椎間盤退變引起眾多學(xué)者的重視，目前學(xué)者普遍認(rèn)為引起ASD與其椎間盤纖維環(huán)及關(guān)節(jié)突應(yīng)力變化有關(guān)[2-3]。但是到目前為止，對腰椎融合術(shù)臨近椎間盤受力情況的評價(jià)和報(bào)道不多，本組研究中將采用Super-SapV（超級空間有限元計(jì)算軟件）建立正常的腰椎運(yùn)動節(jié)段（L1～S1）模型及L4～5、L4～S1節(jié)段腰椎后路減壓椎間融合內(nèi)固定模型，分別對三種模型加載五個方向的負(fù)荷（垂直、前屈、后伸、側(cè)屈及扭轉(zhuǎn)），計(jì)算鄰近節(jié)段椎間盤（纖維環(huán)）的應(yīng)力變化，單、雙節(jié)段融合內(nèi)固定術(shù)對鄰近節(jié)段椎間盤的力學(xué)影響，為臨床治療提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

筆者所在醫(yī)院面向社會征集1名健康男性志愿者作為本組研究的觀察對象，對其脊柱（L1～S1）節(jié)段進(jìn)行掃描，層厚0.6 mm，采集500張CT斷層圖像，從中選擇98張有代表性的圖像進(jìn)行進(jìn)一步分析。研究設(shè)備：SOMATOM Definition AS 128層螺旋CT機(jī)（Siemens，德國）；計(jì)算軟件采用Super-SapV（超級空間有限元計(jì)算軟件），坐標(biāo)讀取及單元構(gòu)建軟件采用Mimics 11.1，CT圖像處理軟件采用Xiphoid v1.0。

1.2 建立模型

1.2.1 建立正常腰椎節(jié)段（L1～S1）三維有限元模型 對所選取的98張圖像節(jié)點(diǎn)及劃分單元，共8836個節(jié)點(diǎn)，用Mimics 11.1自動獲取節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，并編排成單元，共6388個單元，其中以L3～5節(jié)段為研究對象，將各個節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及其所構(gòu)成的單元號導(dǎo)入Super-SapV軟件中，對不同材料的腰椎組織的特性設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，模擬正常條件下腰椎運(yùn)動節(jié)段的受力情況，并在該節(jié)段頂部及韌帶附著點(diǎn)處加力，建立正常腰椎有限元模型[4-5]。

1.2.2 建立L4～S1、L4～5節(jié)段后路椎間融合內(nèi)固定模型 在后路以AO脊柱內(nèi)固定器械為模板，依據(jù)其尺寸建立模型并與腰椎模型組合形成兩種（L4～S1，L4～5）腰椎運(yùn)動節(jié)段后路椎間融合內(nèi)固定模型。固定模型的材料特性與單元劃分均保持一致，只有內(nèi)固定系統(tǒng)中螺釘?shù)臄?shù)量及棒的長度等參數(shù)有所改變。

1.3 加載負(fù)荷實(shí)驗(yàn)

為了防止S1底面在加載負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)平移和轉(zhuǎn)動，要在S1椎體下表面及后部結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)完全固定。分別對L4～S1、L4～5固定模型加載500 N生理負(fù)荷及五個方向的負(fù)荷各50 N，分別模擬人體在完成直立、前屈、后伸、側(cè)屈及扭轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動條件，后分別于后外側(cè)纖維環(huán)均勻取12個節(jié)點(diǎn)，然后在上述加載情況下，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、分析比較融合前后及單，雙個節(jié)段的腰椎后路融合內(nèi)固定模型在相同的載荷條件纖維環(huán)各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布情況。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

因融合術(shù)后對上位節(jié)段影響較大[6]，因此本組研究中通過VonMises應(yīng)力值（L3～4椎間盤節(jié)點(diǎn)）計(jì)算出各個節(jié)點(diǎn)融合前后在不同時(shí)負(fù)荷下的的應(yīng)力差值，組間比較采用t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料采用百分比表示，數(shù)據(jù)對比采取字2校驗(yàn)，多個均數(shù)兩兩比較采用LSD檢驗(yàn)，P

3 討論

有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA）是指利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，是生物力學(xué)試驗(yàn)的重要手段之一，通過FEA可以真實(shí)地模擬復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，同時(shí)可以直接測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的力學(xué)反應(yīng)，從而獲得全域性信息，這是其他方法所不能做到的[7]。FEA最早應(yīng)用于臨床生物力學(xué)研究與體外實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)研究可以追溯到上世紀(jì)八十年代，文獻(xiàn)[8]報(bào)道稱FEA的研究結(jié)果真實(shí)可靠，近年來國內(nèi)大量文獻(xiàn)[9]也驗(yàn)證了FEA的有效性。

本組研究中，雙節(jié)段腰椎融合有限元模型在上位臨近椎間盤（纖維環(huán)）應(yīng)力在部分活動狀態(tài)下明顯高于單個節(jié)段的有限元模型，不管是單節(jié)段還是雙節(jié)段融合后上位臨近椎間盤（纖維環(huán)）應(yīng)力均高于未融合節(jié)段，研究結(jié)果與國內(nèi)外同類文獻(xiàn)一致。賈長青等[10]對脊柱內(nèi)固定后椎間盤的超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行為期6個月的觀察，并對比兩組在異常應(yīng)力條件下椎間盤的退變情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)椎間盤纖維環(huán)后側(cè)相對較薄，而且沒有韌帶保護(hù)，因此極易發(fā)生髓核突出。

本研究結(jié)果表明，L4～5或L5～S1節(jié)段的旋轉(zhuǎn)力矩會明顯提高L3～4椎間盤的應(yīng)力，隨后依次是側(cè)屈、后伸、前屈和垂直壓縮的應(yīng)力，充分證實(shí)旋轉(zhuǎn)是引起椎間盤慢性損傷及退變的最大風(fēng)險(xiǎn)因素，因此術(shù)中醫(yī)生要注意，雙節(jié)段腰椎融合手術(shù)較單節(jié)段腰椎融合手術(shù)更容易發(fā)生鄰近節(jié)段病，在術(shù)前要通過影像檢查觀察患者鄰近節(jié)段的椎間盤及小關(guān)節(jié)情況，預(yù)測融合節(jié)段長度將引起的影響，以確定手術(shù)方式，避免鄰近節(jié)段病的發(fā)生，提高手術(shù)療效。另外，在患者術(shù)后康復(fù)期內(nèi)要指導(dǎo)患者注意臥床休息，佩戴保護(hù)器具，限制脊柱出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、前屈、后伸、或側(cè)屈活動，避免鄰近椎間盤過度受力。

本組研究中的L1～S1運(yùn)動節(jié)段模型的仿真度極高，模型建立數(shù)據(jù)均采集自于正?；铙wL1～S1節(jié)段的連續(xù)斷面圖像（98張，層厚僅0.6 mm）。研究設(shè)計(jì)完全按照手術(shù)方法，模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材料均與實(shí)際情況相符，為其原有的生物材料特性，而且在計(jì)算中將韌帶與肌肉的作用考慮在內(nèi)，能夠客觀地反映患者術(shù)后鄰近節(jié)段纖維環(huán)應(yīng)力的變化情況。

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