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運動生物力學特征范文1
中圖分類號：G804.66 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7116(2009)03-0105-03
膝關節作為人體運動的主要關節，其工作能力和效率往往制約著許多項目的運動水平和良好運動成績的獲得，掌握不同項目運動員膝關節的力學特征，探索在不同速度下肌肉活動的規律，對科學指導力量訓練、提高運動員的訓練水平等具有非常重要的意義。本文旨在通過應用等速技術對跳高、排球運動員膝關節肌力的測試。找出其主要差異和各自的肌力特征，以了解不同運動項目運動員同一肌群的肌肉工作特點，從而為運動員的選拔及輔助訓練手段的使用提供科學依據。
1 實驗對象及方法
1.1 實驗對象
成都體育學院22名排球運動員和28名跳高運動員，均為一級運動員。
1.2 實驗儀器
采用美國Lumex公司的Cybex-6000測力系統進行膝關節屈、伸肌力測試，此測力系統由等速動力儀(Dynamometer)、測試條凳(U.B.X.T)、數據處理計算機、打印機等組成。測試前對測試系統進行常規校正。
1.3 測試方法
測試前對等速測力系統進行常規標定，受試者測試前進行常規10min熱身，測試部位為雙側膝關節的股四頭肌和繩肌，測試時，受試者坐在測試椅上，雙手環抱胸前，上體及大腿均用寬帶固定，坐位的角度約為110°，膝關節的軸心與動力臂的軸心一致，動力臂末端的阻力墊固定在踝關節內踝上緣3cm處，設置關節活動范圍0°～90°。測試前儀器系統校準。股四頭肌、繩肌等速向心收縮測試方案：屈90(O)／s×5，伸90(O)／s×5；屈360(O)／s×30，伸360(O)／s×30。每組測試間隔2.5min。測試時先進行3次練習，然后進行5次正式測試。
相對峰力矩(PT／BM)，即峰力矩與體重的比值、股四頭肌與胭繩肌峰力矩比值(H／Q)等。
采用SPSS11.5軟件對測試數據進行處理，應用獨立樣本t檢驗進行不同組之間測試結果比較。
2 結果及分析
2.1 排球、跳高運動員膝關節屈肌和伸肌相對峰力矩
從表1可知，跳高運動員優勢腿、非優勢腿股四頭肌相對峰力矩在360(O)／s和90(O)／s上均大于排球運動員(P＜0.05)，而排球運動員繩肌相對峰力矩與跳高運動員無明顯差異(p＞0.05)。隨著測試速度的變化(90～360(O)／s)，相對峰力矩測試值呈下降趨勢。
2.2 排球、跳高運動員雙側膝關節肌力差異比較
每次測試中的峰力矩將作為計算雙側肌力差異的參數，雙側肌力差異計算公式：(優勢腿峰力矩一非優勢腿峰力矩)／優勢腿峰力矩×100％，從表2可知，排球運動員雙側股四頭肌峰力矩差異程度與跳高運動員相近(p＞0.05)，排球運動員雙側繩肌峰力矩(360(O)／s)差異程度與跳高運動員相近(p＞0.05)，而排球運動員雙側腦繩肌峰力矩(90(O)／s)差異程度顯著小于跳高運動員(P＜0.05)。
2.3 排球、跳高運動員膝關節股四頭肌與胭繩肌峰力矩比值(H／Q)功比較
從表3可知，排球運動員在90(O)／s的速度下測得的股四頭肌與胭繩肌峰力矩比值(H／Q)要顯著低于跳高運動員(P＜0.05)，而360(O)／s的速度下測得的股四頭肌與胭繩肌峰力矩比值(H／Q)與跳高運動員無明顯差異(p＞0.05)。隨著角速度的變化(90～360(O)／s)，排球運動員和跳高運動員股四頭肌與繩肌峰力矩比值(H／Q)均隨之增大(P＜0.05)。
3 討論
等速技術的發展始于20世紀60年代后期，首先由Hislop和Perrine提出等速運動的概念，被認為是肌力測試和訓練的一項革命。目前，國外已普遍將等速測力結果用來作為評價被試者肌肉系統的機能狀態的指標。在運動生理學研究中，主要用來評價不同專項運動員完成主要技術動作所需肌肉的功能狀況以及受傷肢體的康復狀況。等速測試評價指標較多，實際上最常用的是峰力矩(peak torque，PT)，峰力矩指肌肉收縮產生的最大力矩輸出，即力矩曲線上最高點處的力矩值。在等速測試中，PT值具有較高的準確性和可重復性，被視為等速肌力測試的黃金指標和參考值。
本研究中跳高運動員優勢腿、非優勢腿股四頭肌相對峰力矩在360(O)／s和90(O)／s上均大于排球運動員，而排球運動員繩肌峰力矩與跳高運動員無明顯差異，這提示：跳高運動員伸肌快速和慢速收縮時，其最大肌力均好于排球運動員，分析認為，跳高項目對股四頭肌向心收縮肌力要求更高。隨著測試速度的增快，跳高、排球運動員的膝關節屈伸肌峰力矩呈下降趨勢，原因可能是收縮元中的橫橋斷開時損失肌力，在收縮過程中再形成橫橋時也要損失肌力；而速度的增加造成收縮元和結締組織中的黏滯阻力增加也會影響屈伸峰力矩的大小。
膝屈伸肌力量的平衡是保持關節穩定的主要因素。膝關節屈肌和伸肌峰力矩比值(H／Q)是評價膝關節屈伸肌力平衡的重要指標，對判斷膝關節穩定性有重要意義。一般認為在膝關節康復過程中，除了肌力絕對值恢復外，H／Q值的重建可能是康復及預防再受傷的重要指標。國外學者認為H／Q的正常范圍為60％～67％，國內學者認為H／Q一般在50％～60％，H／Q值具有一定的范圍可能有以下兩方面原因：首先從人類發育史角度來看，股四頭肌在克服地心引力、承擔肢體重量方面起著重要作用，因此，伸肌力量要大于屈肌力量；其次從膝關節穩定性角度來看，當膝關節伸直以及微屈時，體重作用于膝關節伸屈軸的后面，使膝關節趨向于進一步屈曲，此時便需要股四頭肌的收縮來對抗此運動。另一方面，如果膝關節過度伸展，就會很快被膝后關節囊和有關韌帶所限制，同時由于此時屈肌受到牽拉而引發肌牽張反射也會抑制膝關節的過度伸展。本研究中跳高運動員在90(O)／s的速度下測得的股四頭肌與胭繩肌峰力矩比值(H／Q)要顯著高于排球運動員(p＜0.05)。造成這種結果的原因可能是跳高運動員伸肌峰力矩顯著大于排球運動員，而屈肌峰力矩與排球運動員無明顯差異，所以股四頭肌與繩肌峰力矩比值(H／Q)要低于跳高運動員。運動員在進行股四頭肌力量訓練的同時應加強繩肌力量訓練以保持拮抗肌與主動肌力量的平衡，這對提高運動能力、防治運動創傷有重要作用。測試結果還表明，隨著角速度的變化(90～360(O)／s)，排球運動員和跳高運動員股四頭肌與繩肌峰力矩比值(H／Q)均隨之增大。這與吳毅等的研究結果一致。
運動生物力學特征范文2
摘要：隨著力學著手于生物體，尤其是人體相關運動研究的開展，生物力學成為交叉領域中重要的學科體系，運動生物力學是基于生物力學學科之上，結合體育科學體系產生的一門新興學科，它的產生和發展，在我國此學科在理論、研究方法、測量分析等方面均取得了一定的發展。但考察分析運動生物力學和生物力學的現狀，在喜悅于長足進步的同時，不得不承認，運動生物力學的基礎理論并不完備，發展趨勢仍有局限。
關鍵詞：運動生物力學；發展現狀；發展趨勢
我國現代運動生物力學出現于上世紀五十年代末期,開始階段只有少數幾個體育學院開了運動生物力學講座或選修課,國家體委科研所成立了運動生物力學研究組。由于眾所周知的原因,運動生物力學在這一時期發展緩慢，到現在雖然有了質的飛躍，但是不能忽視這門學科本身還是有待完善的。本文就運動生物力學在我國的研究方法、研究領域和方向及發展趨勢進行簡單的闡述和分析，并對我國的運動生物力學作出一些展望。
一、我國運動生物力學的研究現狀
1.研究方法
（1）常用的研究方法及儀器。在中國體育科學學會和原國家體委科教司的支持下,運動生物力學分會組織國內多名本學科的專家、教授討論、撰寫成的《運動生物力學測量方法》一書編入了當前運動生物力學研究中使用的主要方法和儀器。包括運動學方法中的平面定機、平面跟蹤、立體定機攝影攝像測量方法;動力學方法中的三維測力臺測試方法、等速測力儀測試方法;生物學方法中的人體形態學測量方法、人體重心測量方法、肌電測量方法等。另外還收入了一些國內使用尚不普及和少量國外新近使用的測量方法,包括運動學方法中的立體跟蹤攝影攝像測量方法、紅外光點攝像、激光測試儀、分段計時測量方法;動力學方法中的A.K.M 和B.K.M 測力儀測力方法、T.K.K 測力儀測力方法、賽艇多參數遙測分析系統測試方法、動態力的應變測試方法、人體運動能量測量方法。此外,還有多機同步測量方法、神經網絡模型分析方法、數學模型與計算機仿真方法以及運動生物力學測試資料的統計處理與分析方法等［1］。
（2）新的研究方法及儀器。高精度的高速攝像測量系統的應用: 高清晰度、高速度(100～200 場/s以上) 的攝機和錄像解析系統。圖像自動識別儀器開始應用。高精度的紅外光點遙測分析系統已用于研究實踐。運動專項的測試儀器和運動器材的研制。磁感應測量儀器研制成功。數學力學模型和人體運動仿真在體育運動技術研究中的應用。運動技術分析的“專家系統”與神經網絡模型已經應用于人體運動技術研究。肌電圖測試分析向定量化邁進［2］。
2.目前我國的研究領域
（1）優化運動技術。針對某一特定運動項目（ 如田徑、球類、速滑等）進行分析，改善運動技術的表現。如《對我國4名優秀短道女運動員彎道技術的生物力學分析》、《用力學原理分析直道滑跑技術》、《排球前后排扣球運動學分析》等［3］。這些研究以使運動員訓練科學化，符合力學原理，符合人體規律，從而獲得最佳的技能表現。
（2）改進人體基礎運動如走、跑、跳、推、拉等，除此之外，還包括區別于競技運動項目動作、動作系的研究。如《走步運動轉變為跑步動作下肢和骨盤之運動學變化分析》、《步態生物力學研究進展》等［4］。大眾體育和學校體育受到的重視遠遜于競技體育，實際上，這些研究是非常重要的，因為這些技術研究只有專業的運動員和教練員才會用得上，對于大多數人而言，充分體現“ 民本思想”，改善人體基礎運動、改善健康的研究才是真正需要的。
（3）數學模式與模擬。這類數學模式模擬及電腦模擬的研究針對運動技術及人體運動進行分析，此類研究有別于一般儀器進行測量的方法，所以單分為一類［5］。
（4）運動器材設備開發設計。主要關于運動器材設計及力學特征分析，如網球拍、運動鞋、訓練器材等。這方面的研究如《不同勁度網球拍對恢復系數的影響》、《不同質地泳衣對速度的影響分析》等。
（5）運動傷害的研究。主要對運動傷害機制及運動護具進行研究，避免運動損傷的發生。如《體能動力損傷機制理論研究分析》。這類研究主要是在研究的過程中部分借助于運動生物力學的研究方法、測試方法來分析造成傷害的動作規律，與人體結構結合總結得出預防運動傷害的方法［6］。
（6）人體測量學的研究由清華大學、白求恩醫大和國家體科所合作，采用CT測試方法結合計算機圖像處理分析系統，于1995年正式完成了中國成年人人體慣性參數的測定。
二、我國運動生物力學的發展趨勢
通過對第六屆全國體育科學大會和第十八屆國際運動生物力學年會的對比分析，可以大致看出我國運動生物力學的發展趨勢。
（1） 計算機是運動生物力學發展的核心。運動生物力學的理論研究將偏重于計算方法的準確和簡煉、理論研究的系統性和完整性。借助電子計算機實現快速精確的測量和實時處理人體運動的各種力學參數，實現綜合分析和聯機分析，以及實現自動化控制是科技發展的必然趨勢。
（2） 競技體育方面的研究更加依賴高新技術。運動生物力學的研究將更加注重訓練實踐，研究成果要能為競技體育服務，運動測試儀器的專項化以及高新技術和高新材料和儀器的創新和發展是這一發展方向的具體體現。
（3）運動損傷康復的研究將更加深入，而且與運動專項結合更加緊密，肌肉生物力學已成為熱門課題，對預防運動損傷的研究也將是一個熱門課題，但對于分子生物力學方面的研究成果還很少，今后，應廣泛結合運動生物力學和生物學、運動生理學、運動醫學等學科中的研究方法，共同解決人體運動中的有關問題。
（4）研究對象更加廣泛，運動生物力學研究除繼續對競技體育進行研究外，還應向青少年、老年人、殘疾人的體育運動、軍事技術動作以及與人體有關的一些設備。
三、運動生物力學的展望
從以上運動生物力學學科體系現狀的分析，不難看出運動生物力學的發展仍存在一定的問題。學科可以研究的內容很多，任務也不盡相同，但為適應生物力學的發展和體育科學的發展，現在運動生物力學的發展應有所側重。運動生物力學還有許多有待于解決的問題，它的實用價值也只剛剛顯露初紅。
（1）提高動作技術不再局限于表層研究分析動作技術，更多應著手于研究并提出技術訓練的具體方案（有關如何實現優化動作結構）；研制設計專用或通用的輔助訓練動作、設施及器械。
（2）基礎理論的建設將為運動生物力學發展鞏固根基，開拓視野，擴展研究與應用領域。
（3）深入研究運動損傷機制，模擬分析運動損傷過程，設計合理的運動設備（器材、服裝、鞋等）以防止運動損傷。
（4）計算機模擬、仿真技術是運動生物力學研究的重要手段。（云南師范大學體育學院；云南；昆明；650031）
參考文獻：
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［3］ 李毅均.排球后排扣球空中擊球動作的三維高速錄像分析［J］.西安體育學院學報,1997,(9):105-108.
［4］ 郭靜如.中國運動生物力學的進展［J］.天津體育學院學報,1996,(6):89-92.
運動生物力學特征范文3
關鍵詞 高爾夫 揮桿 生物力學
高爾夫球運動是一項以球桿擊球入洞的體育運動，被公認為世界上可接觸時間最長、溫和而智能的運動。高爾夫球曾作為正式的比賽項目參加了1900年和1904年兩屆奧運會，1904年之后由于場地和水質標準的限制，高爾夫球退出了奧運會的賽場。2009年國際奧委會宣布高爾夫球將作為正式的比賽項目回歸2016年里約熱內盧奧運會，高爾夫回歸奧運會的決議無疑是對高爾夫球運動在全球發展的一次巨大的推動。揮桿技術是高爾夫球的基本動作，技術水平高低決定成敗，因此運用運動生物力學研究高爾夫球的揮桿技術將成為國內外科研的重點之一。
一、高爾夫球揮桿技術運動生物力學研究現狀
國外學者利用紅外線捕捉、高速攝像等采集到的運動學數據進行分析，做成高爾夫自動分析軟件、模擬軟件，使技術動作得到極大的改進。我國對高爾夫球揮桿技術研究起步較晚。
（一）高爾夫球揮桿技術生物學分析
肌電是生物學研究的重要手段，肌電圖能夠分析人體完成運動動作時肌肉參與活動的強度、參與工作時間的順序及相互協作的關系。劉新明通過肌電測試儀和環節受力分析法進行實驗，對全揮桿技術動作肌肉工作特征進行了比較，得出全揮桿動作肌肉最大用力時刻的出現晚于擊球時刻。
（二）高爾夫球揮桿技術運動學分析
國內對高爾夫揮桿技術運動學分析較為常用的是APAS艾利爾運動技術分析軟件及DLT生物力學三維錄像分析方法。張吾龍等[1]對我國高爾夫職業選手張連偉短推技術進行了分析，得出揮桿是由肩膀與兩臂做動作，上桿軌跡略帶弧度，下桿時擊球加速，左手引導下桿動作，右手在后輔助向前推。阮哲[3]通過對梁文沖等四名國際優秀高爾夫選手的揮桿技術的三維錄像和解析，得出揮桿過程中髖關節率先啟動與加速，并引導肩部迅速向旗桿方向加速直至擊球瞬間，上肢關節完成類似鞭打動作擊球。車旭升等[6]對不同水平的高爾夫球員的木桿揮桿技術動作進行分析，得出高水平高爾夫球運動員的上、下桿揮桿節奏用時比例接近于80：20，擊球瞬間高水平球員的身體重心都非常接近原點。孫勝[5]運用三維技術動作分析系統對職業男子高爾夫運動員的推桿技術動作進行了研究，進而揭示推桿頭部在時間和空間上整個動作沒有像鐘擺一樣擺動，但像鐘擺一樣有節奏的擺動推桿的訓練會有很大幫助。李淑媛等[9]對男子高爾夫運動員全揮一號木桿技術動作進行信息采集、量化分析：以最大桿頭線速度高低劃分組別，得出各組上桿階段用時都在1s左右；下桿階段高速組比低速組用時更短；高速組上桿過程中，保持右膝關節角基本不變，而低速組則呈現增大趨勢；高速組軀干角由瞄球準備到擊球幾乎保持不變。毛建勛[8]利用二維攝像法和人體錄像解析系統對一名高爾夫教練揮桿動作進行了正面的定點拍攝，對所得運動參數進行量化與分析，得出揮桿時要放松肌肉，揮桿時肩部以及揮臂的力量要與轉體的力量保持平衡狀態；下桿擊球時手腕的力量要保留到最后再進行釋放。
（三）高爾夫球揮桿技術動力學分析
目前應用于動力學參數的測量手段主要有三維測力臺。葉強等[4]對技術定型期球手進行試驗，得出上桿初期、后期和下桿初期時間比為7：6：3，通過使用壓力板觀測擊球過程中重量轉移的變化，得出桿頂點時刻雙足維持均衡，身體扭轉相對更充分。
（四）高爾夫揮桿技術運動生物力學理論分析
李睿[2]用運動生物力學的碰撞理論和鞭打原理糾正了揮桿擊球中的技術錯誤，得出高爾夫球的擊打特點：擊球時桿頭速度越大，給予球的初速度越大。揮桿時手臂擺動若要兼具“環繞”的力量和“鞭抽”的力量。
二、趨向預測
隨著高爾夫球運動技術研究工作的進展，將運動生物力學的方法手段同現代科技手段結合，采用多機同步測試、錄像視頻分析系統進行適時的監控和反饋技術動作的研究將會越來越多。可以預見的是，對高爾夫球運動發展的研究將達到一個前所未有的高度。
參考文獻：
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[2] 李睿.高爾夫揮桿技術常見錯誤分析[J].長治學院學報.2008.25（2）.
[3] 阮哲.世界高水平高爾夫運動員揮桿動作中肩髖關節生物力學分析[J].北京體育大學學報.2010.33（11）.
[4] 葉強，曹全軍.高爾夫球揮桿擊球過程中重量轉移的足底壓力分析[J].南京體育學院學報（自然科學版）.2012.11（5）.
[5] 孫勝.職業高爾夫球運動員推桿技術動作的運動學分析[J].中國體育科技.2012.48（1）.
[6] 車旭升，金春光.高爾夫木桿揮桿技術動作的運動力學分析[J].河北體育學院學報.2012.26（4）.
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運動生物力學特征范文4
1膝關節三維有限元模型的建立
有限元仿真計算是隨著計算機技術不斷進步而逐漸發展起來的一種有效地數值方法，而用有限元法進行生物力學分析是近年來發展起來的一種生物力學研究方法。伍中慶等[4]結合X線片用XCT對尸體膝關節進行掃描，利用Ansys有限元軟件，對膝關節的三維有限元模型進行重建，包括股骨、脛骨、髕骨及半月板，重建的幾何體逼真、客觀，為分析股骨、脛骨、髕骨和半月板的力學特性提供了模型基礎。汪強[56]的結果提示三維模型較以往兩維平面有限元模型有明顯優點：①模型網格劃分更細，建立的單元和節點更多，模型更接近解剖學實際。②圖像數據直接來自CT掃描，避免了圖像生成、轉化與存取中的信息丟失，且圖像精確。③嚴格區分了半月板與關節軟骨。王光達等[7]通過一名男性健康志愿者的膝關節掃描，通過有限元軟件處理成功建立了一個完整的膝關節三維有限元模型，包括脛骨、股骨、髕骨、內外側副韌帶、前后交叉韌帶，髕韌帶及雙側半月板。模型可以任意角度旋轉觀察，整體外形及各組成部件均與實體標本具有滿意的相似性，黃建國等[8]通過了MSCMARC建立膝關節的三維有限元模型，得到脛骨骨折患者的膝模型，認為對脛骨平臺骨折的診斷，手術策劃和治療具有較大的指導作用。模型確立后可以為膝關節的創傷、骨折的力學分析及人工關節的開發提供方法學的支持。姜華亮等[9]在MRI基礎上建立膝關節三維有限元模型，包括膝關節所涉及的幾乎所有骨骼、軟骨，半月板和韌帶等基本力學的模型，并認為MRI比CT對軟組織顯像更清晰。重建的模型更逼真、客觀，能夠更真實地反映膝關節的結構特點和生物力學屬性。
2有限元在膝關節生物力學研究中的應用
人體膝關節生物力學復雜多樣，更多的力學反映在運動過程中，受力特點更加復雜。因此，應用三維有限元方法建立膝關節生物力學模型，無創、快速地研究膝關節力學特性、損傷的機理，對指導臨床工作有現實意義。有研究認為膝關節伸直時應力主要分布于ACL近股骨上點處。說明ACL是對抗脛骨前移的主要結構，其與臨床上ACL損傷多發生在股骨上點處相一致。膝關節屈曲時，PCL是對抗脛骨前移的首要結構，且應力主要集中在近脛骨止點處，這與臨床PCL斷裂多發生在脛骨止點處相一致。同時對模型施加內外翻應力，分別在LCL腓骨上點和MCL近股骨上點應力較大，說明MCL、LCL是對抗膝外、內翻的主要結構。與臨床內、外側副韌帶損傷位置一致。進一步驗證了有限元方法的有效性和可靠性[10]。汪強等[5]通過對膝關節三維有限元模型的建立，同時研究了加載后，得到膝關節內外側關節面典型節點Von Mises應力值，提示正常膝關節內側關節面應力呈前、后部大，中部小分布；外側關節面應力呈前部大，中后部稍小分布，且較內側關節面分布均勻。姚杰等[11]利用膝關節有限元模型和模擬跳傘著陸實驗數據，對半蹲式跳傘著陸過程進行數值模擬，并分析膝關節損傷的機理。結果顯示，關節內組織的應力水平隨著跳落高度的增加而增加，外側半月板和關節軟骨承受了較大的載荷，前交叉韌帶和內側副韌帶在屈膝角度達到最大時產生明顯的應力集中，此時更易斷裂。吳宇峰等[12]通過有限元模型研究了髕骨在運動及損傷過程中的受力情況，結果顯示應力集中于髕骨的上極和下極，說明骨折的好發部位即在髕骨的上下級，與臨床基本相符。辛力等[13]通過有限元方法對合并膝關節脫位的脛骨平臺骨折4種內固定方法進行比較。結果提示MDP（內側雙鋼板）固定后的應力最小，其后依次是BDP（雙側雙鋼板）與MSP（內側T型單鋼板+拉力螺釘），而LLP（外側鎖定鋼板+拉力螺釘）固定的應力最高。給臨床治療類似骨折選擇治療方案提供參考。
3膝關節置換相關有限元分析研究
人工膝關節置換是治療膝關節骨性關節炎的重要手段，每年有大量的患者接受人工膝關節置換。三維有限元法是先進而有效的生物力學分析方法，利用該方法從生物力學角度分析全膝關節置換后的應力分布情況對探討全膝置換有重要意義。膝關節置換前要對患者膝關節病情有詳細了解，全面檢查，嚴格選擇假體類型。根據假體的使用部位將假體分為單髁假體（單間隔假體）、不包括髕股關節置換的全關節假體（雙間隔假體）、全關節假體（三間隔假體）。如果術前對準備手術的膝關節進行CT掃描、重建，建立三維有限元模型，然后進行逆向工程CAD/CAM，選擇制作適合該關節的人工假體必將更適應患者，術后生物力學性能必將更好，松動翻修的機率將明顯降低[]。術中選擇置換假體，脛骨和股骨配對關系，術后假體接觸表面的應力變化可能增加磨損及松動的風險，有研究[15]將股骨側3號鈷鉻合金假體，與脛骨側25號（3/25配對），3號（3/3配對），4號（3/4配對）鈦合金金屬托及對應尺寸的10 mm厚度聚乙烯墊片配對。構建有限元模型，模擬雙腿站立，平地行走，上樓梯情況下，對各屈膝角度的最大等效應力進行研究。發現3/25配對，3/4配對假體接觸面最大等效應力明顯增高，有增加聚乙烯墊片磨損風險。同時Liau等[16]研究了假體對線不齊時接觸應力和Von Mises應力大幅度增加。定制假體盡管重建保肢符合人體生物力量規律，短柄假體可引起骨水泥應力集中，重建后發生骨折，骨水泥碎裂風險較高，但過度增加柄長對骨的應力遮擋水平也相應增大[17]。膝關節置換后要能負重行走是最終目標，許多靜態的模型并未涉及其中。最近有研究者對其關節高屈曲活動下運動和應力等動態特征進行了研究。通過建立包括主要骨和軟組織的全膝關節置換前后的膝關節的動態有限元模型，對天然及全膝置換后膝關節下蹲運動和接觸應力分布進行分析。結果表明在膝關節過伸和高屈曲時，在脛骨高分子聚乙烯平臺的脛骨平臺輪柱和平臺前部的交界處，脛骨平臺內后方和輪柱后部3個區域發生較高的接觸應力，這些也正是假體發生較高磨損的部位。這為膝關節假體的摩擦學研究及膝關節假體設計提供有力的分析工具[18]。
4問題與展望
盡管有限元分析方法在膝關節外科研究中有諸多優點，能重建出與真實人體膝關節結構基本一致的模型，重建的模型逼真、客觀，可以自由旋轉，添加、調整相關參數可以進行人體和動物實驗無法完成的生物力學研究。但它作為一項仍然沒有成熟的技術，還有許多不足：①研究所用硬件、軟件多為進口，價格昂貴。②操作過程繁瑣復雜，作為臨床醫務人員，學習周期長，較難熟練掌握。③人體膝關節結構復雜，相互之間關系密切，互相影響，脫離其他因素，簡單研究骨骼、韌帶、關節軟骨本身就有失偏頗。④將骨骼內各向同性，各向異性等同考慮，簡化操作，明顯不妥。⑤膝關節許多特征及生物力學都是在運動中表現出來，但許多有限元的研究是靜態的，未考慮動態研究，影響結果的準確性。⑥載荷和邊界條件的選擇，基本都是人為確定的，很多參考國外的文獻，而這是否適用于國人亦未可知。所有這些問題，希望隨著對膝關節發病機理的進一步認識、計算機處理能力的進一步提高、CT和MRI成像技術的不斷完善而逐步得到解決，使之更好地為臨床服務。
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運動生物力學特征范文5
關鍵詞：地方病；生物力學；腰椎壓力
中圖分類號：TP39；R682.3；R135文獻標識號：A文章編號：2095-2163（2015）04-
0引言
氟中毒[1]是一種地方性疾病，輕度的體現為兒童氟斑牙，重度的體現為成人氟骨癥。氟斑牙的調查對象一般為8～12歲兒童，診斷時醫生通常需彎腰低頭進行。由于一次性調查人數較多（碘缺乏病中檢查甲狀腺的情況與之類似），所以盡管勞動強度不大，但醫生腰酸背痛在所難免，還可能引發慢性腰痛等脊椎病[2-4]。為此，若把領獎臺特征的階梯式站臺（“領獎臺”）應用到兒童氟斑牙診斷中，讓待診兒童按個頭大小分組站于“領獎臺”接受診斷，則有利于減輕醫生腰部疲勞。醫生腰椎壓力等數據通過法國達索公司的虛擬樣機軟件CATIA工效學模塊[5]進行“檢測”。
1構建CATIA模型
1.1人體生物力學
生物學中，人體處于站姿或坐姿時，身體由脊椎、髖骨、腿和腳支撐，主要靠腰椎和髖骨支撐上身體重。其中人體脊椎由7節頸椎、12節胸椎和5節腰椎構成，平時靠肌肉維持其“S”形，腰椎粗大且硬，幾乎承受著人體上身的全部重量，并實現前曲后仰、側曲、扭轉等運動，第三、第四腰椎為整個脊椎骨中受力最大的部位。腰椎的不良力學行為（如長時間壓縮等）[3]將加重腰椎負擔，產生疲勞，甚至引發腰椎間盤損傷等脊椎病[4]。CATIA軟件的工效學設計與分析模塊，應用L4～L5[6]非線性三維有限元模型，能夠對腰椎壓力等生物力學參數進行描述。
1.2人體模型
CATIAV5R20中有美、加、法、日、韓、德、中（臺）共7個國家的人體模型。兒童氟斑牙的現場調查中，站姿是醫生診斷病情的主要姿勢。本例采用中國人模型，男性醫生身高1.75m，待診兒童身高取樣1.35m、1.50m和1.65m，如圖1所示。
（a）1.35m（b）1.50m（c）1.65m
2生物力學分析及改善措施
2.1生物力學分析（BSAA）
BSAA指生物力學單一動作評價，針對給定姿態下人體的腰椎、關節等處受力（或力矩）等進行測量。以圖1（a）為例，通過“[開始][工效學設計與分析][HumanActivityAnalysis][分析][BiomechanicSingleActionAnalysis…]”即得分析結果，見圖2。其中L4-L5腰椎壓力由身體負荷壓力、軸扭曲力和彎曲力三部分組成。
可見，1.75m身高醫生診斷1.35m、1.50m和1.65m（1.80m僅為分析對照而設）身高兒童氟斑牙時醫生L4-L5腰椎壓力分別為2369N、2069N、1679N（醫生正常站姿時1165N）。隨著接受診斷兒童的身高增大，醫生工作時的L4-L5腰椎壓力驟減（彎曲力“貢獻”最大）。
2.2改善措施
設想兒童在接受診斷時分組站于“領獎臺”（見圖4），其嘴巴部位跟醫生眼睛高度基本平齊（相當于醫生自然站姿），則醫生L4-L5壓力分別比原來減少50.8%、43.7%和30.6%，如圖3所示。
“領獎臺”作為兒童接受診斷的地點，可使醫生能以正常站姿工作。該“領獎臺”可如下設計：
（1）尺寸。三個臺面的長度、寬度均分別為0.6m、0.30m，高度依次為0.30m、0.45m、0.15m；
（2）材質及使用方法。可采用三個小木匣拼接，便于攜帶（可盛裝工作用品）。
運動生物力學特征范文6
關鍵詞：有限元法；手部；建模；生物力學
1 有限元法的發展歷史及在人體生物力學中的運用
1.1有限元法的發展歷史 有限元法（finite elementsmethods，FEM）即有限元素法[1]，是一種在工程科學技術中廣泛應用的數學物理方法，用于模擬并解決各種工程力學、熱學、電磁學、生物力學等問題。其基本思想是把一個由無限個質點和有無限個自由度構成的連續體劃分為有限個小單元體組成的集合體，用離散化的有限單元模型代替原有物體。通過對每個單元的力學分析，獲得整個連續體的力學性質。有限元法最早可上溯到20世紀40年代。現代有限法的第一個成功的嘗試是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飛機結構時成功應用有限元法求解。1960年，Clough第一次提出了"有限元法"概念，使人們認識到它的功效。我國河海大學教授徐芝綸院士首次將有限元法引入我國，對它的應用起了很大的推動作用。
1.2有限元法運用于人體生物力學研究 1972年，Brekelmans[2]等首次報道將有限元分析方法應用于生物力學方面研究。80年代后，應用范圍逐步擴展到顱面骨、頜骨、股骨、牙齒、關節、頸椎、腰椎及其附屬結構等生物力學研究中。隨著計算機技術的發展、分析工具的完善以及實踐的增多，有限元方法顯示了極大的優越性并已逐漸成為研究人體生物力學的重要手段。人體力學行為研究基本無法采用傳統的力學實驗方式來進行，因而有限元建模愈來愈成為深化人體認識的有效措施。基于有限元軟件日益完善的建模功能及兼融其它計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件特性，真實再現三維人體骨骼、肌肉、血管、器官等組織成為可能，并在虛擬現實實驗中，通過材料賦值、幾何約束、固定載荷等過程，對擠壓、拉伸、彎曲、扭轉、三點彎、抗疲勞等力學實驗進行模擬，能求解獲得給定實驗條件下模型任意部位變形、內部能量變化、應力/應變分布、極限破壞等數據[3]。
1.3有限元法在人體生物力學研究中的建模思路 有限元建模即建立為數值計算提供原始數據的計算模型，需要通過建立幾何模型、材料賦值、網格劃分、施加約束與載荷，最后進行求解等步驟實現，是有限元法仿真試驗最關鍵環節。摸型的幾何相擬性直接影響計算的結果，醫學有限元模型的建立首先需要獲得人體特定部位的幾何數據，數據可以從幾何參數設定、激光掃描、標本切片和磨片以及醫學影像圖像獲得。其中醫學影像法最為以無創的方式提供了高精度的人體解剖結構形態，基于醫學影像技術建模是目前人體有限元建模的主要手段，可以實現人體解剖結構的可視化乃至生物力學仿真的有限元模型。包括X射線、超聲、CT、MRI等途徑，其中CT掃描是主流方式，CT結合MRI是新亮點。
通過X射線照片方式建模是指利用不同方位的多幅X射線照片獲得幾何數據重建三維模型，是一種經濟、可行的方式。但因信息獲取不完整，建模過程復雜，對研究者經驗要求較高，現行醫學有限元建模中應用較少。還有研究者基于超聲影像技術建模，如趙婷婷[4]等基于超聲建立了乳腺有限元模型；張桂敏[5]等在研究二尖瓣狹窄患者二尖瓣下游湍流剪應力變化方面，運用超聲影像圖像建立了二維有限元模型，為心瓣流體力學研究探索新的方法學途徑。目前基于超聲的有限元分析研究多集中在機械制造、土木工程等領域，并多采用二維有限元法分析，還沒有注意到與醫學相關的基本超聲影像技術的三維有限元研究相關報道。這或許是因為基于超聲影像技術的力學研究本就較少，三維、四維超聲的概念提出較晚，與重點應用在工程技術方面的有限元法結合運用更是鮮有。相較X線與超聲而言，CT/MRI圖像法在醫學有限元建模中應用更為普遍。MRI技術具有很高的組織對比分辨率、解析高以及無離子化輻射等特點，能清晰顯示人體結構的組織學差異和生化變化。基于MRI圖像能獲得細致的幾何模型。但MRI偏向于對肌腱、韌帶等軟組織的分辨，對骨的分辨不如CT清晰。此外，目前國內常用的核磁共振機掃描層厚和掃描間距一般都在2mm以上，無法獲得更詳細的幾何數據，影響到重建圖像的清晰度精確性。基于CT掃描獲得幾何數據的建模的方法目前應用最為廣泛。CT根據密度不同來確定信號的強弱，可以通過調節掃描條件，使任何復雜形態和各種密度的組織都有較高的分辨率，適用于任何復雜形態和各種密度的三維結構。可清晰顯示骨與軟組織的邊界，通過醫學成像系統能獲得骨骼比較準確的幾何數據，其不足之處在于對軟組織的分辨率相對較低，無法從醫學成像系統獲得準確的肌肉、韌帶、腔等組織幾何數據，須參考相關解剖資料。CT/MRI數據重建的三維模型，能夠真實的再現被掃描對象的表面特征及內部結構，CT的空間分辨率高于MRI，CT對骨組織與軟組織邊界顯示更為清晰，而MRI的對比分辨率高于CT，特別是軟組織對比明顯優于CT。通過CT結合MRI法將能融合二者優勢，但對研究者圖像處理技術有更高的要求。通過文獻檢索發現，目前CT提取骨組織結合MRI提取軟組織方法的研究報道較少。徐志才[6]等基于CT影像數據構建了包含股骨、脛骨和腓骨的實體模型，并基于MRI影像數據構建了包含股骨軟骨、脛骨軟骨、內外側半月板和內外側副韌帶的三維實體模型。將CT和MRI影像數據進行配準融合，獲得包含骨性和非骨性結構的膝關節三維實體模型。
2 有限元建模的常用軟件
人體生物力學有限元模型的精確性對有限元分析結果的合理性有直接影響。三維重建技術與有限元方法及其他虛擬現實技術的結合是未來發展的方向，這有賴于這些集成強大圖像處理功能的有限元軟件的發展。常用的建模輔助軟件有：MIMlCS、MATLAB、CAD、Geomagic Studio等軟件。其中最常用的是MIMlCS軟件，它的FEA模塊可以將掃描輸入的數據進行快速處理建立3D模型，然后對表面進行網格劃分以應用在有限元分析中。它還可基于掃描數據的亨氏單位對體網格進行材質分配。MIMICS的網格重劃功能能方便地將不規則三角片轉化成趨近于等邊的三角片，顯著提高STL模型的質量和處理速度，對輸入數據進行最大限度的優化，目前版本已發展到MIMICS17.0。現常用有限元軟件有：Ansys、ABAQUS、NASTRAN、COSMOS等。其中最常用的是Ansys軟件，目前版本已發展到Ansys15.0。
3 手部三維有限元的運用進展
手部因其解剖結構復雜、運動靈活精細、力學分析困難的周圍組織對手部力學因素有重要影響等方面原因，研究較人體其它部位明顯偏少。在工程領域方面，楊德偉[7]等基于CT掃描數據結合ABAQUS軟件建立了手抓握模型。幾何模型通過人手CT掃描后簡化處理得到，建立的手模型簡化為以皮膚、肌肉、神經、血管等軟組織為整體的軟組織模型和手部骨骼模型兩部分，手部復雜的組織結構未曾細化。抓握功能通過參數約束、程序運動規劃控制下實現，而并非基于神經肌電活動模擬，也非通過骨、肌肉施加荷載得到，本模型在工程領域有一定實用價值，但遠不能滿足醫學研究的需要；陳志翔[8]等在研究機器人虛擬手過程中，通過參考手部解剖結構，建立手部肌肉模型，并以程序設計約束指間運動關系，通過控制肌肉收縮量來實現手指運動，較好的擬真了手指運動機理。但模型基于數學方程人為控制，而非通過人手實際解剖結構獲得。在醫學領域方面，Carrigan等[9]通過CT掃描，最先建立了包括韌帶、軟骨、8塊骨骼在內的手腕關節復合模型；國外的Ko等和國內的郭欣等[10]都建立了腕管的三維有限元模型，為進一步探討腕部結構的力學行為提供了一個可操作的平臺；Anderson等[11]最早通過腕關節三維有限元模型模擬了創傷性關節炎病理改變；Bajuri MN[12]等通過CT掃描，參照診斷標準，建立了首例類風濕性關節炎患者腕關節三維有限元模型。國內其它學者也以解決臨床問題為出發點，對手的部分結構三維有限元模型的建立進行了積極的探索，如孟立民[13]建立了第一、二掌骨和大多角骨三維有限元模型，并模擬Bennett骨折和微型外固定器外固定及克氏針內固定治療情形，研究兩種治療方法優劣問題；董謝平等[14]以中國力學可視人原始資料為依據，構建帶軟組織的正常手腕和佩帶腕保護器手腕的三維有限元模型，驗證了腕保護器防護腕部骨折的有效性；顏冰珊等[15]建立了正常下尺橈關節三維有限元模型研究了前臂橈骨骨折的臨床問題；張浩[16]等基于現有個人電腦平臺，建立了腕關節有限元模型，進一步證明利用醫學圖像處理軟件和三維重建軟件準確、快捷地構建腕關節的三維有限元模型有可行性。
4 小結
手部建模是虛擬現實領域研究的熱點之一，在工程領域主要是機器人手的擬真研究，尤重抓握功能，在醫學領域更多涉及腕關節這一部分結構，囊括手部骨骼、關節、肌肉、韌帶、筋膜、血管、神經、皮膚等組織結構較完整的手部有限元模型尚未見諸報道。手部的骨骼、關節數目較多、相互關聯較復雜，是一個復合性的機械結構，在建模時要同時考慮到骨骼、關節面、韌帶、肌腱及其它周圍組織在生物力學中的作用。目前，手部有限元建模研究較人體其它部位少，還沒有形成較完整、成熟的模型，更沒有統一的建模標準。如何將三維可視化手建成物理手的有限元模型是現階段研究難點，也是實現虛擬生理手模型建立的必然階段，相信隨著計算機技術的進步及多學科更好的融合，手部有限元模型研究將有更為廣闊的前景。
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