伸的中性位。前屈零载荷时的脊柱位置与中性位之间的脊柱运动定义为中性区〔 NZ ）。前屈运动范围（ROM ）定义为最大载荷时的脊柱中性位之间脊柱运动范围，为前屈弹性区和中性区之和。同样也可定义后伸运动的弹性区，中性区和运动范围．由定义可以看出前屈和后伸的长性区是相同的，中性位与直立位不一定重合。和前屈／后伸运动定义的运动范围一样，也可以定义在左Z 右侧弯和左或轴向旋转运动时的脊柱运动范围，弹性区和中性区。

第四节生物力学实验测试手段

一、材料力学试验机测量
一般的材料试验机，都是单轴位移控制方式，即是匀速线位移或角位移加载。它限制了测量的方式，对有载荷控制要求的测量无能为力。单轴是指单一自由度运动。高档材料试验机则可以进行多轴的位移及载荷控制。材料试验机配合各种传感器，可以直接测出位移、力、应变、力矩等物理量。
二、三维运动试验机测量
通过对标本反复加载、卸载一定量的载荷，测量标本的前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转等六个运动方向的运动幅度，划分出弹性区和中性区范围。从而确定标本的兰维运动范围。三、撞击试验机
人体撞击试验机是将具有一定质量和形态的撞击头，以一定的速度撞击到研究对象上，攀拟战伤、交通事故和其他创伤时人体的损伤。
四、X 线片测量
在对附有肌肉、软组织或一些无法暴露的部位时，可以采用在标本旁附一金属标尺，拍摄X 线片，然后通过X 线片测量，计算出位移、尺寸、角度等。这种方法一般精度较低。五、压敏片
是较先进的测量方法，它是由富士公司生产的压敏纸，该纸在受力后会变颜色，颜色的深浅于力的大小成比例。
六、应变片
在被侧物表面贴应变片，通过应变仪可测出物体的应变。优点：可以作实时动态测量。缺点：影响因素较多，且不易排除。
七、有限元分析
单有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联接在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟几何形状复杂的求解域。利用有限元软件的强大建模功能及其接口工具，一482 一

可以很逼真地建立三维人体骨骼、肌肉、血管等器官组织，并赋予其生物力学材料特性。在仿真实验中，对模型进行实验条件仿真（几何约束、固定载荷、冲击载荷、温度特性等），模拟拉伸、弯曲、扭转、三点弯、抗疲劳等力学实验，可以求解获得在不同实验条件下模型任意部位变形、应力／应变分布、内部能量变化、极限破坏分析等变化情况。

第五节生物力学实验测试仪器、设备

一、MTS 一858 生物材料试验机
它是由美国MTS 公司90 年代中期推出的产品，由计算机自动控制、液压伺服、双轴双向（上下拉、压，左右扭转）试验机。它既能位移控制，也可载荷控制，加载速度可调范围宽，还可作阶跃运动，模拟冲击；根据程序设定．作双轴双向复合运动。该机的自动化程度很高，可做疲劳试验。
配有：10 仅心N 、100 Nm 力、力矩传感器一个
1 oo0N 力传感器一个
looN 力传感器一个
25 ～父％引伸仪一个
8 ～巧％引伸仪一个
5 ? 25 ％软组织引伸仪一个
加众心d 632 . 19 可调横径引伸仪一个
每种传感器均做了10 ％标定，可使精度提高一个数量级
另备有气动夹具一套，用于做软组织实验。
二、SWD 一10 万能材料试验机
它是由长春试验机研究所so 年代后期的产品，单轴拉、压位移控制试验机，它的加载速度分十档0 . 5 ; 1 ; 2 ; 5 ; l 饥2 饥s0 ; 100 ; 200 ; 500 ( ～厅苗n ) ，最大承载能力20 以幻N ，配有20 侧刃N ; 50N 力传感器各一个，标距为12 . 5 ～引伸仪一个。每个传感器分五档标定，精确度为每档满量程的5 ％。输出为O 一10V 与力呈线性的直流电压，通过计算机进行数据采集。

它操作简单，使用方便，可以直接测量力、位移、应变的测量。

，通过转换装置，可进行力矩和角位移

三、三维运动试验机
它是本实验室自己研制的，其原理是通过固定于脊柱标本上端的加载盘，试验机加力装置

在加载盘上产生一对大小相等，方向相反且平行的力，即对脊柱标本施加纯力偶矩。采用重力

跟踪和光电测位装置，使加载盘能始终在水平面和垂直方向跟随脊柱受载后的运动，攀拟了脊

柱的在体运动。力偶无偏心作用，避免了施加力载荷对脊柱标本的偏心问题。力偶矩沿脊柱

轴向均匀分布，故适用于多节段脊柱标本中于测试。研制脊柱三维运动试验机需解决以下向

题：① 对脊柱本施加纯力偶，使之产生前屈、后伸、

柱标本施加载荷。又不影响脊柱受载后的运动

左岁右侧弯和左／右轴向旋转运动；② 既对脊

；③ 精确地控制施加力的大小；④ 试验过程的自一483 一

动控制。整机设计采用水平式加载，便于各种状态测试之间的转换。例如只需动架在水平面上旋转270 ’即可完成对脊柱标本施加前屈、后伸、左侧弯和右侧弯的力偶矩。试验机最大力矩为20N 二，力控制精度为士IN （土0 . 2 Nt ' n ) ，可满足脊柱各个部位产生生理运动范围所需载荷。可进行脊柱功能单位和多节段标本的运动测试。
四、撞击试验机
它也是本实验室自己研制的，CZZ 一n 型人体撞击试验机采用弹簧驱动撞击头撞击试验件的方案。它由撞击头载体（小车）、导轨及台架、驱动弹簧组、拉伸电动缸，钢丝及滑轮组、缓冲器和测速器等部分组成。小车、弹簧组和拉伸电动缸三者通过钢丝及滑轮组的互相联结，形成一套完整的加力系统。试验机的工作过程如下：小车由制动钩置于导轨的左端，开动电动缸拉伸弹簧组，弹簧力通过钢丝绳作用于小车；松开制动钩，小车在弹簧力作用下沿导轨从左端加速运动，撞击至右端的人体试件上，其撞击力由放置于撞击头内的冲击力传感器输入计算机，剩余能量由缓冲器吸收并使小车停止运动，另外，在导轨的右端放置有光电测速器，可显示撞击头在即将接触到人休试件之前的撞击速度。试验机用电动缸〔 HIX 子一1 . 252 ，无锡电动缸厂产）的最大拉什力为1 , 25 KN ，最大行程0 . 6m 。导轨长度为1 . 38m ，小车质量为3 一3 掩。选用拉伸螺旋弹簧的刚度为120N ，其最大伸长量为1 . Zm ，可同时并联安装16 根。根据计算得到不同条件下的撞击速度，最大速度可达28 . 95m / s ( 104 . 2Kmph ) ，可以满足幕拟战伤，交通事故伤对撞击速度的要求。
五、引伸仪
其原理是将应变片贴于弹簧片上，两个弹簧片间隔一定标距。当两弹簧片的间距发生变化时应变片的电阻也相应发生变化，经电桥放大和事先标定，可得出应变值。引伸仪与单纯的应变片相比，具有精度高、性能稳定、抗干扰能力强的特点，是微距形变测量的理想仪器。六、压敏片分析系统
压敏片测量各种关节压力近年来，压敏片已较广泛地用于关节和脊柱的生物力学研究。和其他关节接触特征的侧量方法相比，有以下优点；① 测量方法相对简单；② 能同时获得关节接触面积和接触压力信息；③ 压敏片可测得整个接触面积上任意一点的接触信息，能反映出压力分布的整体趋势，这是其他测试方法无法比拟的。因此，压敏片测压方法是目前测量人体关节压力的最佳方法之一。
七、图像分析系统
利用计算机立体视觉方法，通过采用两台摄像机从两个不同视角观察脊柱。采用计算机图像处理技术和立体测量术，求取脊柱的三维坐标。对脊柱的三维运动的范围及其稳定性采用新的方法即计算机立体视觉方法进行测定，精确地刻划脊柱的三维运动，系统地分析脊柱各部分结构对脊柱运动的影响，为脊柱矫形术和固定器械的应用提供稳定性评价，也可为临床提供一种精确测量脊柱三维运动的方法。
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第六节生物力学实验测试方法

一、脊柱三维运动幅度测量

颈椎纵向撞击损伤实验方法。
（一）标本制备
试验用颈椎材料取自意外死亡的成人男性新鲜尸体，均无颈椎疾患。取材后剔除颈部肌肉，保留颈椎韧带、关节的完整，制备成Q 一4 ( 14 例）和C5 一Tl （巧例）两组。颈椎标本用双层塑料袋密封后保存于一20 ℃ 冰柜中。测试前自然解冻10 小时左右（室温