（信号与信息处理专业论文）不同应力刺激对腕骨结构影响的CT图像分析.pdf

中北大学毕业论文 不同应力刺激对腕骨结构影响的c t 图像分析 摘要 力学环境能够影响骨形态已经成为了骨生理学的基本原则。运动是产生外部应力的 主要方式，运动方式、运动种类、运动时间等都会对骨量产生影响。本文主要目的是借 助医学影像和图像处理等手段，来研究武术功力运动员与非武术运动员腕骨受力部位骨 质形态结构的差异。以武术功力运动员为实验组，非武术的运动员为对照组。选定武术 功力运动项目为“单掌断砖 ，对照组运动项目为网球。所有人员腕骨图像用螺旋c t 采集。测量目标及指标为运动员腕部头状骨和钩骨各断位的骨面积及灰度。最后进行统 计学处理并分析两种不同的运动方式对腕骨影响的差异。 实验结果显示：( 1 ) 实验组和对照组自身左右手比较：两组右手灰度均大于左手， 具有极显著性差异( 尸 0 0 1 ) ；实验组左右手间骨面积无显著性差异；对照组左右手头 状骨面积无显著性差异，右手钩骨面积大于左手，有极显著性差异( p 0 0 1 ) 。( 2 ) 两 组相互对比结果显示：实验组右手头状骨、左手头状骨和左手钩骨灰度大于对照组，有 极显著性差异( 尸 0 0 1 ) ；右手钩骨灰度两组基本相等；实验组右手头状骨和钩骨面积 小于对照组，有显著性( 尸 o 0 5 ) ，两组左手无明显差异。 本文研究结果表明：不同应力刺激对骨质与骨形态的影响非常明显，且具有部位特 异性。与非武术运动相比，武术功力运动可使部分腕骨灰度( 骨密度) 增加，面积减小， 面积减小意味着该骨体积有可能缩小。 关键词：腕骨，螺旋c t ，武术，功力，图像处理 中北大学毕业论文 ac t i m a g i n gs t u d yo ut h ee f f e c to fd i f f e r e n ts t r e s ss t i m u l a t i o no n t h ec a r p a ls t r u c t u r e a b s t r a c t m e c h a n i c a le n v i r o n m e n tc a l li n f l u e n c et h eb o n em o r p h o l o g yw h i c hh a sb e c o m et h eb a s i c p r i n c i p l e so fb o n ep h y s i o l o g y m o v e m e n tw a st h em a i nf o r mo fe x t e r n a ls t r e s s ，m o d eo f e x e r c i s e ，s o r to fe x e r c i s e ，e x e r c i s et i m ea n ds ow i l lh a v ea l li m p a c to nb o n em i n e r a ld e n s i t y ( b m d ) t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h ed i f f e r e n c e so ft h eb o n em i n e r a ld e n s i t y a n ds t r u c t u r eo ft h ec a r p a lb o n e sb e t w e e nw u s h ug o n g l ia n dn o n w u s h ua t h l e t e sb ym e d i c a l i m a g ea n di m a g ep r o c e s s i n g t h ea r e aa n di m a g ei n t e n s i t yo fc a p i t a t ea n dh a m a t ew e r e m e a s u r e du s e db ys p i r a lc ta n di m a g ep r o c e s s i n g ，t h e na n a l y s e ds t a t i s t i c a l l y t h ea t h l e t e so f w u s h ug o n g l iw e r ee x p e r i m e n t a lg r o u pa n dn o n - w u s h uc o n t r 0 1 t h er e s u l t s ：( 1 ) s e l f - c o m p a r i s o no ft h er i g h ta n dl a f th a n do fe x p e r i m e n t a la n dc o n t r o l g r o u p s ：t h eg r a yv a l u e so fr i g h th a n do ft w og r o u p sw e r el a r g e rt h a nl a f th a n d 0 o1 ) ；t h e a r e ao ft w oc a r p a lo fe x p e f i m e n m lg r o u pw e r ea l m o s te q u a l ；t h ea r e ao fc a p i t a t u mo fc o n t r o l g r o u pw a sa l m o s te q u a l ，i nw h i c ht h eg r a yv a l u e so fh a m a t eo fr i g h th a n dw a sl a r g e rt h a nl a f t ( 尸 0 01 ) ( 2 ) e x p e r i m e n t a lg r o u pc o m p a r ew i t hc o n t r o l ：t h eg r a yv a l u e so ff i g h th a n d c a p i t a t u m ，t w oc a r p a lo fl a f lh a n di ne x p e r i m e n t a lg r o u pw a sl a r g e rt h a nt h a ti nt h ec o n t r o l ( 尸 0 0 1 ) ；t h eg r a yv a l u e so f h a m a t ei nt w og r o u p sw e r ea l m o s te q u a l ；t h ea r e ao f c a p i t a t u mi n e x p e r i m e n t a lg r o u pw a sl e s st h a nt h a ti nt h ec o n t r o l ( p 0 0 5 ) ；t h eg r a yv a l u e so fh a m a t ei n t w og r o u p sw e r ea l m o s te q u a l ；t h ea r e ao fh a m a t ei ne x p e r i m e n t a lg r o u pw e r el e s st h a nt h a ti n t h ec o n t r o l o 0 5 ) t h er e s u l eo ft h i ss t u d ys h o w e dt h a tc o m p a r e d 晰t l ln o n - w u s h us p o r t s ，w u s h ug o n g l i s p o r t sm i g h ti n c r e a s et h eb m da n dd e c r e a s et h ev o l u m eo ft h ec a r p a lb o n e s ( c a p i t a t ea n d h a m a t e ) k e y w o r d ：c a r p a lb o n e s ，s p i r a lc t , w u s h u ，g o n g l i ，i m a g ep r o c e s s i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：叠氢日期： 2 丝z 丛芝墨 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：盘氢 日期： 2 翌型：芝墨 导师签名： 日期：掣：! 生二! 主 中北大学学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 现代医学离不开医学影像( 图像) 信息的支持【l 】。近2 0 多年来，医学影像已成为医 学技术中发展最快的领域之一，使临床医生对人体内部病变部位的观察更直接、更清晰， 确诊率也更高【z j 。自德国物理学家伦琴( w i l h e l mc o n r a dr o e n t g e n ) 于1 8 9 5 年发现x 线 ( x r a y ) 、并用x 线拍摄了第一张x 线照片以后，x 线便广泛应用于多个领域，特别是在 临床诊断上发挥了极其重要的作用，形成了放射诊断学( r a d i o l o g y ) 【3 】。人类用科学技 术手段给人体成像已有一百多年的历史了。在此期间，随着计算机、自动化、电子技术 及其它技术的发展，医学成像技术也有飞跃和加速的进步，影像诊断的准确性、敏感性、 特异性、快速性和无创伤性也不断提高【3 】【4 】。从二维的x 线片到三维的x 线计算机体层成 像( x - r a yc o m p u t e rt o m o g r a p h y , x - c t ) 重建图像，从反映人体解剖和结构形态的c t 、 磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，m r i ) 到揭示人体组织或器官功能、代谢的单 光子发射计算机体层成像( s i n g l ep h o t o ne m i s s i o nc o m p u t e rt o m o g r a p h y , s p e c t ) 和发射 计算机体层成像( e m i s s i o nc o m p u t e rt o m o g r a p h y , e c t ) 多种模式成像方式的产生代表了 医学图像技术的长足进步，并逐渐形成影像诊断学( d i a g n o s t i ci m a g e o l o g y ) ，并开拓了 在影像动态监视下诊断和治疗的介入放射学( i n t e r v e n t i o n a lr a d i o l o g y ) 【4 】【5 1 。随着图像处 理技术的发展，人类开始更多的从微观结构揭示人体的奥秘，为从根本上解决病灶寻求 依据。这对疾病的诊断和防治将产生深远的影响【引。随着各种新技术的迅猛发展，在今 后2 0 年内可望在诊断影像学，特别是在疾病的检出和认识方面发生极其显著的改变，而 生物医学影像必将发挥越来越大的作用【7 j 。 医学影像技术在临床诊断上的贡献是有目共睹的。此外，由于其无创性和准确性等 优点，影像技术在其它科学研究领域的应用也越来越重要。近年来，随着科技奥运和全 民健身的广泛开展，科学化运动器材的研制开发和体育场( 馆) 设施的建设、运动服装 的设计、运动损伤的预防与无创伤诊断、运动员选材、体育运动的基础研究及科学保健 等方面已经成为热点研究领域【引。本研究的目的是观察不同运动方式对腕骨结构改变的 影像学变化，是传统武术与生物医学研究的一个新视点，这也是本研究新意所在。 中北大学学位论文 1 2 论文的背景、目的及意义 1 2 1 研究背景 本文受到了国家体育总局武术研究院的资助( w s h 2 0 0 6 c 4 ) 。目前，武术作为中 国的传统竞技项目越来越受到人们关注，经过多年的奋力拼搏，赢得了国际奥委会的回 应。2 0 0 8 年北京奥运会期间，北京奥组委组织了“北京2 0 0 8 奥运会武术比赛。虽然 只是作为表演赛参与其中，也极大的推动了武术运动的发展。值得注意的是，武术功法 运动在近两年引起了人们的广泛关注，特别是得到国家体育总局武术主管部门的重视。 例如，2 0 0 2 年，国家体育总局群众体育司发文，在全国范围内征集武术健身方法；从 2 0 0 4 起，国家体育总局武术运动管理中心相继在广东省的佛山、深圳等地举办了5 届“全 国武术功力大赛 。武术功法的健身价值和竞赛价值得到了管理层的认可和提倡【9 】。武 术锻炼尤其是硬气功锻炼，能使人获得超常规的运动能力和效果，如力量巨大、抗击打、 皮肤抗锐器损伤等【l0 。这使武术的魅力大增，也给人们留下许多神秘和诱惑，同时也给 自然科学工作者带来许多疑问和研究契机。如武术超常规运动能力产生的机理，尤其是 生物医学机制是什么? 这种特殊的运动方式对人体肌体骨骼等会产生怎样的影响? 与 其它运动相比有何特别之处? 等等都是值得研究的课题。武术是体育运动的一种，虽然 目前体育运动对骨质、骨结构和形态的影响的相关研究已有很多，但武术是中国的传统 运动项目，针对它的这方面的研究并不多见。且从文献资料上看，对武术运动的探讨研 究多是人文类的，涉及到科学技术应用在武术科学领域的很少。本研究可以在一定程度 上填补国内该领域的空白。希望在这一领域的初步探索能为进一步研究做铺垫。 1 2 2 目的及意义 本文主要目的是运用现代生物学技术和方法来探讨武术超常规运动能力产生的机 理和其对人体的影响等。运用运动解剖形态学的原理来研究武术运动能使我们更加清楚 地理解其结构和规律，更加准确地掌握人体完成武术动作的基本要求，更好地分析动作， 纠正错误，对重新科学地认识武术和研究武术都具有十分重大的现实意义【1 1 1 。本文以武 术功力运动员为重点研究对象，通过重建c t 图像、图像处理与分析来观察这种特殊运 2 中北大学学位论文 动方式对骨结构影响的影像学表现。当然，由于外力对骨作用的部位特异性【1 2 】，我们只 能先针对某一种武术项目来研究。本文选定参加武术功力大赛中单掌断砖项目的运动员 为实验组，用非专业的网球运动员为对照组。观察不同运动方式对腕骨结构的影响，并 对比分析其差异。作为传统武术运动与生物医学交叉领域研究的一个新视点，这些研究 不仅对评定武术运动员技术、指导科学训练及选材、加快运动损伤康复具有一定意义， 还可对武术的推广与发展做出一定贡献。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 运动对骨影响的研究现状 研究显示，骨的内部结构遵循生物力学原理，可进行适应性的改变和重塑【1 3 】。而外 部环境主导骨器官的发育和维持，这事实从理论和实验中都得到了充分证明【1 4 1 【15 1 。早在 1 8 9 2 年，德国医学博士j u l i u sw o l f f 就发表了著名的骨转化的定律。w o l f f l a w 中描 述道，骨快速适应力学环境的能力保证了足够的骨质能够被适当的配置以承受日常活动 的载荷。且骨功能的每一个改变，都按着数学法则，以某一定的方式来改变其内部结构 和外部形态【1 6 】【1 7 l ，即骨的外部形态和内部结构反应了其功能【18 1 。力学环境能够影响骨 形态已经成为了骨生理学的基本原则【1 9 琊】。1 9 9 5 年f r o s t 提出了著名的“力学调控假说”， 相当有说服力的阐述了外界力学环境与生命过程中骨组织变化之间的关系【2 4 】。在犹他大 学朱绍舜教授主持下，学者们从宏观角度上进一步发展了f o r s t 的“力学调控假说”，提 出了骨生物学的u t a h 学说 1 4 j 1 2 5 j 。 运动产生的机械应力通过直接负载( 地面反作用力) 和间接负载( 肌肉收缩) 作用 于骨骼。关于运动对骨骼的影响机制有多种理论，长期以来人们非常重视骨组织参与机 体代谢的功能，从而认为控制骨组织生理功能的主要是非生物力学因素，如激素、钙、 维生素d 、细胞因子等，于是忽略了骨组织的生物力学功能。骨骼的主要功能是为了满 足机体的生物力学需要，骨组织在人体发育成熟过程中其形状、骨量、内部构筑不断进 行自我更新、自我调整是为了使自身在质量、数量、分布、微结构以最佳状态适应不断 增加和变化的力学环境需要。目前越来越多的实验证明控制骨组织的主要因素是生物力 学因素，而其它的非生物力学因素则起辅助作用 2 6 1 。近年来，国内外学者在运动对骨质 3 中北大学学位论文 和骨几何形态影响方面做了大量研究，如“人和动物在生长期间，骨骺细胞在克重力作 用后一直在增值、分化，直到重力阻碍作用与自然生长相平衡而停止生长”【2 7 1 ；“当负 载施加与骨组织时，在窝管中造成液流，可为部分骨细胞所感知，并经细胞间联系将 刺激信号传递至成骨细胞、破骨细胞，引起其应答反映，从而使骨组织发生重吸收、重 塑建等适应性变化 2 s 】；“骨骼生长发育停止前有效适宜的运动，对提高青春期骨密度 质及成年期p b m 有良好的促进作用 【2 9 】等。研究显示，骨骼对变化的负荷的功能适应 性反应，实际包括骨量、骨结构力学性能和材料力学性能3 个方面【3 0 1 。骨量是指是指除 骨髓腔以外骨的部分，其可用骨密度( b m d ) 和骨矿含量( b m c ) 等指标来量化【3 l 】； 骨的结构力学特性是指整个骨结构的力学性能，主要受骨的几何形状、尺寸大小等影响； 骨的材料力学特性是指骨组织本身的力学性能【3 2 3 4 】。骨量、形态结构和生物力学性能之 间表现了良好的相关关系。 然而，运动对骨影响的机理尚不完全清楚。目前研究显示，运动负荷不同对骨的影 响不同，并非所有的运动强度都可以对骨的再建产生正效应。b o u r r i n 3 5 , 3 6 用5 周龄雄性 大鼠进行了大强度跑台运动( 8 0 v 0 2 m a x ) 1 1 周组织计量学的研究，结果显示骨骼发 生了骨丢失。运动方式不同对骨的影响也存在差异，通常认为抗重力运动对骨骼产生的 负载大于非抗重力性运动。李世昌等【3 7 1 测量了受不同运动影响的生长期大鼠的骨密度和 组织形态计量学指标，结果表明游泳对运动生长期大鼠腰椎发育有明显作用，而对股骨 和胫骨作用不明显；跳跃对运动生长期大鼠腰椎、股骨和胫骨的发育都有明显的促进作 用。由此可知，不同运动项目对骨密度的影响具有部位特异性。 1 3 2 螺旋c t 骨骼测量的应用现状 由上文可知，对骨骼的测量主要是是骨密度和骨形态的测量，其数据结果对临床和 学术研究都有重要价值。现今骨密度已成为人们评价骨量变化的一种标志，其测量方法 也向着高精、快速、无创、准确和微观的方向发展。从普通x 线片的定性诊断到1 9 6 3 年，c a m e r o n 创立单光子吸收法( s i n g l ep h o t o n a b s o r p t i o m e t r y , s p a ) 以来，先后出现了 双光子( d p a ) 、双能x 线( d x a ) 、定量超声( q u s ) 、普通定量c t ( q c t ) 、外周 定量c t ( p q c t ) 、显微q c t ( v q c t ) 、高分辨c t ( h r x c t ) 3 8 】等一些定量测量骨 4 中北大学学位论文 密度的方法，使得对骨的测量诊断从定性到定量，从二维推向三维，并实现由单纯的骨 密度测量逐步发展到微观的骨结构分析( 骨小梁结构定量) 和骨力学强度的推测。 1 4 本论文的主要工作 本文对不同应力刺激对腕骨结构影响的影像学变化做了初步研究，论文共分六章， 根据文章各章节的顺序，具体研究内容如下： 第一章介绍课题研究的背景、目的和意义，现代影像医学应用现状，骨的生物适 应性研究现状，有针对性的选择合适的研究对象，确定了论文的研究方向。 第二章介绍了运动对骨的影响原理及可能产生的效果，同时对本文的重点研究的 武术功力运动员的相关内容作了介绍。 第三章介绍了图像处理方法、数字医学图像处理的应用、获得医学图像的途径及 其用途等相关知识。 第四章阐述了本实验的具体实验方法，包括使用仪器、图像采集、处理思路方法、 测量参数选择及测量等具体内容。 第五章对测量指标的数据进行统计学处理得出比较结果，并对结果进行分析。 第六章结论，总结论文的主要工作和创新点，并对今后的进一步研究做出展望。 5 中北大学学位论文 第2 章运动对骨影响的机理及武术功力运动 2 1 骨生物学原理 2 1 1 骨组织结构与形态 在整个生命过程中，骨骼系统的骨质与结构在不断地自我更新，以适应不断改变的 力学和非力学的外界环境。从骨的构造上看，骨由骨质、骨膜、骨髓、骨的血管、淋巴 管和神经等构成【3 9 1 ，如图2 1 。骨质可分为皮质骨和松质骨。松质骨成海绵状结构，常 见于干骺端内部，由骨小梁、骨针和骨小梁骨片相互连接而成；而皮质骨则是一层包围 在骨外周的壳状结构，骨骺和干骺端外周的皮质骨较薄，骨干外围的皮质骨较厚【2 4 2 5 ，4 0 】。 皮质骨的板层骨以三种形式存在：哈佛斯系统( h a v e r s i a ns y s t e m ) 由多层同心圆 骨板围绕着纵行的神经血管而成。内外环骨板( i n n e r o u t e rc i r c u m f e r e n t i a ll a m e l l a e ) 多层沿着皮质骨内膜( e n d o s t e a l ) 或外膜排列的骨板。间骨板( i n t e r s t i a ll a m e l l a e ) 位于哈佛斯系统之间的碎片骨板。松质骨的板层骨以两种形式存在：骨小梁( 骨单 位) 和间板骨m 埘】。 皮质骨是整个骨骼系统的主要成分，占成年人个总量的8 0 。其主要功能是给机体 提供生物力学的支持和保护作用。皮质骨在不断地进行自我更新，以更换受损骨组织来 适应不断变化的外界环境。由于皮质骨的固体特性，其自我更新的过程必须通过骨重建 这一机制来完成。松质骨只占骨总量的2 0 ，由大量骨针和骨板相连成网状海绵体，内 含造血骨髓组织或脂肪组织。松质骨的主要功能是提供生物力学的支持和满足机体代谢 时的矿物质需要【1 4 , 2 4 , 2 5 , 4 0 。 骨按其形状可分为长骨、短骨、扁骨、不规则骨4 种( 图2 2 ) 。长骨分为两端一体， 两端叫骨骺，中部叫体( 或骨干) ，体呈管状且中空，这类骨主要分布在四肢，在运动 中起杠杆作用。短骨呈立方形，多分布于承受压力较大而运动形式较复杂的部位，如腕 部踝部。扁骨呈板状、多位于人体中轴或四肢带部，如肩胛骨。不规则骨呈不规则状， 如椎骨和髋骨等【4 5 】。本文作为重点观测对象的腕骨属于短骨。 6 中北大学学位论文 曩 * m t 女 ，h - 长目 * 平毫蠢簟拇t 式 幽2 l j 目的构造 扁骨 斟2 , 2 哥的形状 7 不规则骨 中北大学学位论文 2 1 2 骨的生长、塑建与重建 骨生长( 包括了纵向与横向生长) 、骨塑建和骨重建是骨组织赖以适应不断变化的 外力环境的三个主要生物调控机制。纵向生长的功能是增加骨的长度，横向生长的功能 是增加骨的横截面积和直径。骨塑建的主要功能是维持骨器官的外部形状，骨重建的主 要功能是把纵向生长过程中形成的交织骨转换为板成层骨，使其具有骨生物力学功能。 在生长期中，由于这三大生物调控机制相应增加的骨量，结构和力学强度足以承受出生 以后至成年之间逐渐增长了2 0 倍的外力负荷。在成年以后，骨重建成为唯一起主导作 用的生物调控机制，通过自我更新来取代已缺损或不适应机械效应的骨质结构，以维持 骨力学强度的完整性。表2 1 详细介绍了三大生物调控机制的差异。 表2 1 骨组织三大生物调控机制之间的差异 下面对骨塑建和骨重建做重点介绍，它们是外部应力对骨影响的主要调控机制。 1 骨塑建( b o n em o d e l i n g ) 骨塑建是生长期时促进骨器官增大的生物调控机制之一。骨塑建可以分为成骨漂移 和破骨漂移两个过程。成骨漂移可直接发生在静止骨表面。两种漂移通常在不同的骨的 表面同时进行，去除旧骨或增加新骨。成骨漂移把新骨加在骨表面上，而破骨漂移则在 骨内表面上除去旧骨。从器官水平上看，两种漂移机制的运作是高度协调的合作关系。 他们之间的合作使长骨的外径和内径( 骨髓腔直径) 不断加大，使骨端的特殊外形得以 塑成，使松质骨和皮质骨向心力轴心漂移，并使髓腔增大而拱度改变。成年后，骨塑建 8 中北大学学位论文 减少至可以忽略的程度【2 4 , 2 5 , 4 2 , 4 6 - 4 8 】。 2 骨重建 骨重建贯穿生命过程始终，是骨组织赖以适应外界环境的主要生物调控机制。在出 生后的前三年中，骨重建因骨组织负重而激活，以具有代谢和力学功能的板层骨来替换 胚胎期形成的交织骨。成年后，骨重建的主要功能是通过更新微损伤骨质来维持骨的力 学功能完整性。通过骨重建，机体内的松质骨在4 年内更换全部骨量，而皮质骨则需要 2 0 年来更换其全部骨量。这一定期的骨质自我更新现象称为骨转化【1 4 , 4 6 】。具体的骨重建 过程可分为骨激活期、骨吸收期、骨逆转期、骨形成期和骨静止期等五个阶段。 研究显示骨骼不同部位的骨重建不同，简单来说是由于皮质骨与松质骨相对含量不 同造成的差异。不同部位的骨组织功能的差异在很大程度上归因于所处骨微环境对皮质 骨与松质骨的影响。皮质骨的容量靠骨外膜骨的形成。哈佛斯系统的重建以及骨内膜的 骨吸收三个方面调节。据估计骨重建过程中的骨吸收阶段总共持续约l o 天。之后由缺 损处聚集的成骨细胞完成缺损的修复并制造新骨，此阶段需时大约3 个月。 2 1 3 影响成长期和成年期骨变化的主要因素 1 成长骨 出生后的前三年内，骨组织的负重启动骨重建这一生物调控机制，使骨组织中几乎 所有的交织骨都被板层骨取代而使其具有相应的代谢与力学功能。在生长期中，生长板 中的软骨细胞合成与分泌透明软骨，其后经矿化成钙化软骨，经软骨内成骨途径而转变 为新的初级海绵骨，使骨器官得以纵向增长，骨长度增加。骨的纵向生长使骨干的受力 程度与方向发生改变，激活了骨干外骨膜的骨塑建成骨漂移过程，在皮质骨外周增加新 的板层骨，使骨器官得以横向生长，横截面增加。骨的纵向生长还使骨干的力轴偏移， 使原皮质骨的某些部分受力明显减弱，因而激活了骨塑建的破骨漂移来去除这些皮质骨 的不受力骨质部分，使骨干重新回到力轴的中央。在青春期，骨量加速增加，同时骨的 纵向生长也在加速【4 9 1 。事实上，大约4 5 的成人骨是在青春期形成的。 在生长期中的两个主导骨质及其结构变化的生物机制是骨生长和骨塑建。所有骨器 官长度与横截面的增加以及外形的维持，都是这两个生物调控机制之间高度协调与合作 的结果。在骨生长过程中骨塑建使骨的同一部位发生持续的骨形成或骨吸收，募集和激 9 中北大学学位论文 活骨细胞以增加骨量和骨强度，并导致相应部位的骨表面形状发生变化。于此同时，骨 重建也作为第三个积极参与骨纵向生长的生物调控机制，把经软骨内成骨而生成的交织 骨松质骨网变成具有代谢与力学功能的板层骨松质骨网。在纵向生长停止后，骨重建占 主要地位，这一过程的显著特征是骨形成和骨吸收持续进行，而骨体积和形状变化很小。 在这三个生物调控机制的共同作用下使骨量不断增加和积累，在2 0 岁左右达到最高峰， 3 0 岁后开始下降。 2 成年骨 随着生长板的闭合，骨纵向生长和骨塑建的破骨漂移这两个生物调控机制几乎完全 停止，而骨塑建的成骨漂移则减少至几乎可以忽略的程度。这时骨重建成为唯一的调控 骨量的生物调控机制。通常有1 0 的骨内表面处于骨重建过程中的不同阶段。在2 0 3 0 岁间骨建造和骨丢失处于动态平衡状态，骨吸收中被清除的骨组织由局部形成的新骨代 替，这个过程中骨骼形态必然受到外界力学变化的影响。但随着运动施加于骨的载荷增 加，其应变量增大达到或超过某一限度时便可以启动塑建过程，从而使应变增大部位的 骨量增加，构筑方式和结构形态将发生改变，以适应承载的需要。启动骨构型过程的最 低应变量称为塑建的最小有效应变量，因此成年以后仍可出现塑建活动。3 0 岁以后逐渐 开始出现失骨，骨重建的骨单位出现骨量负平衡，这是造成老年骨质疏松的根本原因。 这种骨转换或骨重建过程发生在整个骨骼系统中聚集的和分散的骨重建单位内。通常， 每个单位的骨重建大约需要3 4 个月，松质骨需时略长于皮质骨。说明骨质的变化必须 在运动一定时间后才观察的到，即使运动量很大，但持续时间不长也不能使骨重建完成。 而且研究发现每一个骨重建单位的重建在时间上与空间上独立的，说明与骨重建相关的 细胞程序的启动是受局部生长因子调控的。所以很多实验都证实运动负荷施加的部位不 同，骨密度的增加具有位点特异性【2 酬。 2 1 4 骨对生物力学及非生物力学外界环境的适应性 1 力学调控假说 外力环境主导骨器官的发育和维持。f r o s t 提出的“力学调控假说 很好的阐述了 外界力学环境与生命过程中骨组织变化之间的关系。力学调控系统( m e c h a n o s t a t ，m s t ) 是用以命名一个由许多相关的生物机制组合而成的骨量调节系统。这一系统中的各个生 1 0 中北大学学位论文 物机制通过协调合作来改变骨组织的骨量与结构，使之适应外界力学环境。图2 3 表示 了力学调控系统的工作原理。当调控系统的感应机制检测到现有骨组织不适应外力负荷 时，送出信号“误差信号 ，启动效应机制( 骨塑建和骨重建) 来纠正骨组织误差。当 感应机制检测到骨组织误差尚未得以完全纠正时，“误差信号被源源不断地送出，直 到骨组织误差得以完全纠正为止。这时，效应机制因收不到“误差信号而停止运作。 亘叵) ( ! 亘 科j 互二卜匝至囹 图2 3力学调控系统的工作原理 一个完整的力学调控系统包括如下生物机制：骨力学阈值机制，这一机制设立了 判断现有骨组织是否适应外力负荷的最小有效应变值。具有以下生理功能的骨力学感 应机制：a 把外界力学负荷转变为内部生物力学信号的功能；b 判断这一生物力学信号 是否在“适应阈值”以内的功能：c 把生物力学信号转变为生物化学信号的功能；d 把 生物化学信号传递给生物效应机制的功能。骨力学效应机制具有改变骨组织骨量与结 构的功能，使之适应外力环境【5 0 1 。 2 骨力学阈值机制 骨组织内部的阈值又称为最小有效应变值，这一机制具有判断外力负荷是否大于现 有骨质结构的承受力的功能，分为四个区域范围( 图2 4 ) 。当外力作用机制所产生的 m e s ( m i n i m a le f f e c t i v es t r a i n ) 在适应范围内( 2 0 0 1 0 0 0 微应变) 时，骨力学感受机制 不产生任何误差信号而使效应机制处于静止状况。当e m s 小于适应范围时( 小于2 0 0 微应变) ，骨力学感受机制产生废用性误差信号而激活骨重建机制，去除多余骨量。当 m e s 大于适应范围而达到中度超负荷范围内( 1 0 0 0 3 0 0 0 微应变) ，骨力学感受机制产 生中度超负荷误差信号而使骨塑建的板层骨成骨漂移机制激活，增加板层骨量而抵消超 强度外力负荷。当m e s 大于中度超负荷范围而达到病理性超负荷范围( 大于3 0 0 0 微应 变) ，骨力学感受机制产生病理性超负荷误差信号而激活骨塑建的交织骨成骨漂移机制， 迅速增加交织成骨漂移机制，迅速增加交织骨量而抵消巨大超强度外力负荷【1 4 】。 中北大学学位论文 o 百 分 比 变 化 骨重建阈值骨型建阙值病理性骨塑建闷值 图2 4 骨力学调控阂值 骨的极限阀值一骨折 2 5 0 0 0 肛 卜超负荷范田叫 ) + + 匪型望圃 广一一一幽 j = ：二：二刚 _ _ _ _ 。o 3 外力对骨骼的影响 外力对物体产生的外部效应引起运动或平衡、对物体产生的内部效应则引起物体的 变形，甚至使物体发生破坏。变形的大小不仅与作用在物体上的外力有关，而且也与物 体的几何尺寸以及材料的物理性质有关。物体所以发生变形，是由于在外力作用下，组 成物体的各微粒间的相对位置发生了变化。我们把物体在引起变形的外力除去以后能即 刻恢复它的原有形状和大小的这种性质，称为弹性。若物体在外力除去后能完全恢复原 状，则称为完全弹性体；不能完全恢复原状的物体则称为部分弹性体。部分弹性体的变 形有两部分：一部分是随着外力除去后而完全消失的弹性变形：另一部分是外力除去后 不能消失而残留下来的变形，这部分变形称为塑性变形也称残余变形。物体具有塑性变 形的性质，称为塑性。自然界中并没有完全弹性体，一般的变形固体既具有弹性，也具 有塑性，骨骼也是一样。 运动是产生外部应力的主要方式，运动方式、运动种类、运动时间等都会对骨量产 生影响。目前研究认为，运动主要通过两种方式对骨产生负荷刺激【5 1 1 。一种是运动负荷 对骨的直接刺激作用。在不同运动项目中，运动负荷是通过不同的途径对骨骼产生影响 的，其中骨骼的受力方向起着重要的作用。a r i 等【5 2 】对1 0 5 名不同专项女子运动员7 个 1 2 中北大学学位论文 部位的骨密度( b m d ) 进行了检测，结果表明：举重运动员在任何部位的b m d 绝对值 都高于其它运动员组和对照组；运动组间比较，举重运动员腰椎、股骨远端、髌骨和桡 骨远端的b m d 具有显著性差异。自行车运动员腰椎和下肢b m d 较低，可能与骑车涉 及脊柱负重活动较少有关，桡骨b m d 高于除举重以外的其它运动员组，亦说明骑车姿 势中上半身重量对前臂的局部刺激作用。h u d d l e s t o n 5 3 】对网球运动员的研究支持这个观 点，指出运动可能对受刺激部位的骨骼产生非常局部的效果，网球运动员持拍手的b m d 高于非持拍手，说明了这个问题。另一种是运动负荷对骨的间接刺激作用，是指运功中 肌肉收缩对骨骼的拉力、挤压力和剪切力等间接作用。 就运动对骨骼产生的效果而言，不仅会使骨密度和骨量增加、提高峰值骨量，还会 对骨骼形态产生影响。大量研究表明，骨密度并不能完全反映骨强度。因为，骨的几何 形态、微结构、骨质量等也是决定骨强度的重要因素。相关研究显示，承重与接受应力 部位的骨组织骨建造显著，而缺乏这种应力的骨组织表现为骨膜下的骨质吸收；应力肢 体的骨皮质增厚，骨粗隆增大，骨小梁增粗；而非应力部位骨常表现为失骨【5 4 】。随着科 学技术和计算机技术的发展骨小粱微结构的变化也越来越受到人们关注。 2 2 武术及武术功力 2 2 1 武术的概念和分类 武术的概念是人们在长期练习、传授、使用、研究武术的过程中，通过感觉逐步认 识了武术的某些属性。随着人们对武术感觉的积累，使人们由感觉而知觉，进而形成印 象，这时人们还处于对武术的感性认识阶段。在此基础上，人们又对武术的各种属性进 行分析，将武术与其他的事物进行比较，然后进行综合，从每个具体的武术内容中抽象、 概括成为一个整体，这样就撇开了武术中非本质属性的东西，并借助于语言的表述，逐 步地形成一个武术概念【1 0 】。随着社会的进步、生产力的发展和历史的变迁，武术已不在 是单纯作为一种击技术而存在，在今天，武术的主要社会价值早已演化成了一种健身技 术，一种体育项目，技击只不过是它技术上的特点。所以现代武术的概念可表述为：武 术是以具有攻防特点的动作为主要内容，以套路和对抗性练习为运动形式的中国传统体 育项目f l o l 。 1 3 中北大学学位论文 从武术的概念发展不难看出武术有两个最主要的特点，即由武术的本质属性所决定 的技术上的技击特点和由武术上位概念所决定的文化色彩上的民族文化特点。可以说武 术技术上的技击特点，使武术区别于其它的中国传统体育项目和现今大部分的体育项 目；武术文化色彩上的民族特点，使武术区别于其它国家和民族的武技。虽然随着社会 的进步，武术技击价值日益降低，健身价值不断提高，但是不应放弃保存其技击特点。 只有这样才能保持武术的魅力，发挥它的健身、技击、观赏、教育和经济等价值，推动 武术运动的发展和普及。 中国武术源远流长，内容丰富，分类的形式和方法也多样。有按运动特点分类的， 有按技术形态分类的，有按地理位置、山岳门派分类的，有按拳师的姓氏分类的，也有 按模仿动物形象分类的。根据武术的运动形式和特点，比较统一的方法是把武术分为五 大类： 1 拳术类：包括长拳、太极拳、南拳、形意拳、八卦拳、通臂拳、翻子拳、少林拳、 查拳、六合拳、劈挂拳、螳螂拳、醉拳等等。 2 器械类：包括长器械、短器械、双器械、软器械。长器械有枪、棍等，短器械有 刀、剑等，双器械有双刀、双剑、双钩、双头双枪、双匕首、双鞭、双锏等，软器械有 九节鞭、流星锤、绳标、三节棍等。 3 对练类：对练类又可分为三种形式，有徒手对徒手，器械对器械，徒手对器械对 练。 4 实战类：实战类有散打、推手、短兵、长兵等。 5 集体项目类：集体项目类是指六人以上进行的武术徒手、器械、徒手与器械练习 ( 包括单练和对练) 、集体拳、集体器械、拳械合练等项目。 2 2 2 武术功法与武术功力 功法是武术的主要运动形式之一。在众多武术教材中，对武术功法都没有完整的界 定，中国武术实用大全一书中把武术功法界定为：武术功法是为掌握和提高武术套 路和格斗技能、诱发武技所需的人体潜能，围绕提高身体某一运动素质或锻炼某一特殊 技能而编组的专门练习【5 5 l 。从功法的分类方面来看，在历史资料中常见的有以下三种分 类方法【5 6 】：第一种是把武术功法分为两类。一类为自卫者( 俗称被打者) ，也就是我们 1 4 中北大学学位论文 所说的抗击打的能力；一类为制人者( 俗称打人者) ，也就是说击打的能力。第二种是 把武术功法分为四种，即软功、硬功、内功和外功。软功大多是阴手，硬功大多是杀手； 内功重要练气，外功重要练力。第三种是康戈武先生在中国武术大全这本书中，把 武术功法分为：柔功、内功、硬功、轻功和感知功五类。并诸一下了定义：柔功是武术 功法的一类，泛指锻炼肢体关节活动幅度和肌肉舒缩能力、提高柔韧性的练习方法；武 术内功是武术运动中，采用以意领气、以气运身、以身发力为基本锻炼手段的一中内外 兼修的方法；武术硬功泛指增强身体抗击力和攻击力度的练习方法；武术轻功泛指以步 履轻快、纵跳自如，以及攀高走脊为锻炼目的的各种功法；武术感知功是提高视觉、听 觉、和皮肤等感官感知能力的功法，主要包括眼功和耳功。 谈到武术功法，自然会涉及另一个与之相关的概念武术功力。对大多数人来说 “武术功力”是一个全新的概念，国家体育总局武术运动管理中心研究部主任康戈武说： 所谓武术功力，可以解释为通过武术锻炼获得的运动能力和专门技能所达到的程度。既 包含武术运动需要并表现出的专门能力，也包括人体活动的一般能力和对外界的适应能 力。简单的说，武术功力是对武术锻炼中获得的桩功功力、腿攻功力、腰功功力、臂功 功力、眼功功力、耳功功力、内功功力等各种单一功力，以及套路演练技能和与人格斗 技能等功力的总称【5 7 1 。 武术功法是武术的三大运动形式之一。然而，由于人们认识武术的局限，功法运动 多年来被游离于武术概念之外。为丰富武术赛事，加快武术功法运动的体育化进程，国 家体育总局武术运动管理中心于2 0 0 4 两次邀集有关专家学者，在广州和北京召开了武术 功力比赛赛项论证会，对各地武术行家报送的5 6 种功力比赛赛项和竞赛规则进行了认真 论证，还对比赛的规程、规则进行了修改和完善。会后制定并颁布了首届全同武术功 力大赛竞赛规程和武术功力竞赛规则。自2 0 0 4 年在广东佛山成功举办了首届武术 功力大赛起，至今已举办了5 届比赛。主要比赛项目有：单掌断砖、流星打靶、石锁上 拳、长杆较力及桩上徒搏等( 表2 2 ) 。 1 5 中北大学学位论文 由于本文所选择的功力运动员运动项目为单掌断砖，f 面将对其进行重点介绍 223 单掌断砖 单掌断砖是指练习者通过运气发力用手掌击断砖块的一种武术功法运动。单掌断 砖源于武术掌功功力演示方法，武术传习者经过铁沙掌、插沙、打狗皮袋等练习，常常 通过一掌打断砖块的数量多少，验证和展示手掌的打击能力。本顶目在我圈民日j 武术中 有若广泛的流传和悠久的历史，经过武术科研工作者的挖掘整理，2 0 0 4 年被列为全国武 术功力大赛的规定竞赛项目。在比赛中，虬运动员一掌打断砖块的数量柬判定胜负。 l 场地与器材 在平台上进行比赛，所用支架有三种高度分别 为0 6 米、o 8 米、1 0 米；架面至两端有横梁，用以 支撑砖的两端。运动员根据自身身高情况选择支架高 度，但支架与砖块的高度之和不得低于本人直立时髋 关节的高度( 罔25 ) 。砖块为普通建筑用的红砖。大 致规格：长2 4 c m ，宽1 2 c m ，厚5 c m 。 2 动作规范 运动员正对支架丌步站立，两脚约比肩宽，身体 相距支架约一臂距离。由预备动作起，身体重心移至有脚 幽2 5 支架 上体髓之微右转：同时右 臂由下向左向上弧形抡起，上举于头| j 订上方，高过于头：然后，运气发力t 以右掌根内 6 中北大学学位论文 侧为力点( 不能握拳) 向砖块击打( 图26 ) ；击打砖块时，要以意领气，阻气发力。要 点是找准发力部位掌根内侧，向下砍击时速度要快、力点要准，直击砖块中间部位， 并且注意意、气、劲、形合一，以整劲劈击。 3 技术特点 四指并拢伸直，拇指弯曲紧贴于虎口处，手腕挺直。当小臂抬起时，手是放松的， 当掌根即将接触物体时，掌于手腕和小臂迅速紧张，成一直体，以食指横侧面对上，四 指端稍向上翅一点，用掌根部处肌肉接触物体。即用掌根肌肉中后段部接触物体，应尽 量避免用全掌根接触物体。 幽2 6 单掌断砖动作 7 中北大学学位论文 3 1 数字图像基础 第3 章医学图像处理及进展 3 1 1 图像与数字医学图像 数字