前言：中文期刊网精心挑选了运动生物力学特征范文供你参考和学习，希望我们的参考范文能激发你的文章创作灵感，欢迎阅读。
运动生物力学特征范文1
中图分类号：G804.66 文献标识码：A 文章编号：1006-7116(2009)03-0105-03
膝关节作为人体运动的主要关节，其工作能力和效率往往制约着许多项目的运动水平和良好运动成绩的获得，掌握不同项目运动员膝关节的力学特征，探索在不同速度下肌肉活动的规律，对科学指导力量训练、提高运动员的训练水平等具有非常重要的意义。本文旨在通过应用等速技术对跳高、排球运动员膝关节肌力的测试。找出其主要差异和各自的肌力特征，以了解不同运动项目运动员同一肌群的肌肉工作特点，从而为运动员的选拔及辅助训练手段的使用提供科学依据。
1 实验对象及方法
1.1 实验对象
成都体育学院22名排球运动员和28名跳高运动员，均为一级运动员。
1.2 实验仪器
采用美国Lumex公司的Cybex-6000测力系统进行膝关节屈、伸肌力测试，此测力系统由等速动力仪(Dynamometer)、测试条凳(U.B.X.T)、数据处理计算机、打印机等组成。测试前对测试系统进行常规校正。
1.3 测试方法
测试前对等速测力系统进行常规标定，受试者测试前进行常规10min热身，测试部位为双侧膝关节的股四头肌和绳肌，测试时，受试者坐在测试椅上，双手环抱胸前，上体及大腿均用宽带固定，坐位的角度约为110°，膝关节的轴心与动力臂的轴心一致，动力臂末端的阻力垫固定在踝关节内踝上缘3cm处，设置关节活动范围0°～90°。测试前仪器系统校准。股四头肌、绳肌等速向心收缩测试方案：屈90(O)／s×5，伸90(O)／s×5；屈360(O)／s×30，伸360(O)／s×30。每组测试间隔2.5min。测试时先进行3次练习，然后进行5次正式测试。
相对峰力矩(PT／BM)，即峰力矩与体重的比值、股四头肌与胭绳肌峰力矩比值(H／Q)等。
采用SPSS11.5软件对测试数据进行处理，应用独立样本t检验进行不同组之间测试结果比较。
2 结果及分析
2.1 排球、跳高运动员膝关节屈肌和伸肌相对峰力矩
从表1可知，跳高运动员优势腿、非优势腿股四头肌相对峰力矩在360(O)／s和90(O)／s上均大于排球运动员(P＜0.05)，而排球运动员绳肌相对峰力矩与跳高运动员无明显差异(p＞0.05)。随着测试速度的变化(90～360(O)／s)，相对峰力矩测试值呈下降趋势。
2.2 排球、跳高运动员双侧膝关节肌力差异比较
每次测试中的峰力矩将作为计算双侧肌力差异的参数，双侧肌力差异计算公式：(优势腿峰力矩一非优势腿峰力矩)／优势腿峰力矩×100％，从表2可知，排球运动员双侧股四头肌峰力矩差异程度与跳高运动员相近(p＞0.05)，排球运动员双侧绳肌峰力矩(360(O)／s)差异程度与跳高运动员相近(p＞0.05)，而排球运动员双侧脑绳肌峰力矩(90(O)／s)差异程度显著小于跳高运动员(P＜0.05)。
2.3 排球、跳高运动员膝关节股四头肌与胭绳肌峰力矩比值(H／Q)功比较
从表3可知，排球运动员在90(O)／s的速度下测得的股四头肌与胭绳肌峰力矩比值(H／Q)要显著低于跳高运动员(P＜0.05)，而360(O)／s的速度下测得的股四头肌与胭绳肌峰力矩比值(H／Q)与跳高运动员无明显差异(p＞0.05)。随着角速度的变化(90～360(O)／s)，排球运动员和跳高运动员股四头肌与绳肌峰力矩比值(H／Q)均随之增大(P＜0.05)。
3 讨论
等速技术的发展始于20世纪60年代后期，首先由Hislop和Perrine提出等速运动的概念，被认为是肌力测试和训练的一项革命。目前，国外已普遍将等速测力结果用来作为评价被试者肌肉系统的机能状态的指标。在运动生理学研究中，主要用来评价不同专项运动员完成主要技术动作所需肌肉的功能状况以及受伤肢体的康复状况。等速测试评价指标较多，实际上最常用的是峰力矩(peak torque，PT)，峰力矩指肌肉收缩产生的最大力矩输出，即力矩曲线上最高点处的力矩值。在等速测试中，PT值具有较高的准确性和可重复性，被视为等速肌力测试的黄金指标和参考值。
本研究中跳高运动员优势腿、非优势腿股四头肌相对峰力矩在360(O)／s和90(O)／s上均大于排球运动员，而排球运动员绳肌峰力矩与跳高运动员无明显差异，这提示：跳高运动员伸肌快速和慢速收缩时，其最大肌力均好于排球运动员，分析认为，跳高项目对股四头肌向心收缩肌力要求更高。随着测试速度的增快，跳高、排球运动员的膝关节屈伸肌峰力矩呈下降趋势，原因可能是收缩元中的横桥断开时损失肌力，在收缩过程中再形成横桥时也要损失肌力；而速度的增加造成收缩元和结缔组织中的黏滞阻力增加也会影响屈伸峰力矩的大小。
膝屈伸肌力量的平衡是保持关节稳定的主要因素。膝关节屈肌和伸肌峰力矩比值(H／Q)是评价膝关节屈伸肌力平衡的重要指标，对判断膝关节稳定性有重要意义。一般认为在膝关节康复过程中，除了肌力绝对值恢复外，H／Q值的重建可能是康复及预防再受伤的重要指标。国外学者认为H／Q的正常范围为60％～67％，国内学者认为H／Q一般在50％～60％，H／Q值具有一定的范围可能有以下两方面原因：首先从人类发育史角度来看，股四头肌在克服地心引力、承担肢体重量方面起着重要作用，因此，伸肌力量要大于屈肌力量；其次从膝关节稳定性角度来看，当膝关节伸直以及微屈时，体重作用于膝关节伸屈轴的后面，使膝关节趋向于进一步屈曲，此时便需要股四头肌的收缩来对抗此运动。另一方面，如果膝关节过度伸展，就会很快被膝后关节囊和有关韧带所限制，同时由于此时屈肌受到牵拉而引发肌牵张反射也会抑制膝关节的过度伸展。本研究中跳高运动员在90(O)／s的速度下测得的股四头肌与胭绳肌峰力矩比值(H／Q)要显著高于排球运动员(p＜0.05)。造成这种结果的原因可能是跳高运动员伸肌峰力矩显著大于排球运动员，而屈肌峰力矩与排球运动员无明显差异，所以股四头肌与绳肌峰力矩比值(H／Q)要低于跳高运动员。运动员在进行股四头肌力量训练的同时应加强绳肌力量训练以保持拮抗肌与主动肌力量的平衡，这对提高运动能力、防治运动创伤有重要作用。测试结果还表明，随着角速度的变化(90～360(O)／s)，排球运动员和跳高运动员股四头肌与绳肌峰力矩比值(H／Q)均随之增大。这与吴毅等的研究结果一致。
运动生物力学特征范文2
摘要：随着力学着手于生物体，尤其是人体相关运动研究的开展，生物力学成为交叉领域中重要的学科体系，运动生物力学是基于生物力学学科之上，结合体育科学体系产生的一门新兴学科，它的产生和发展，在我国此学科在理论、研究方法、测量分析等方面均取得了一定的发展。但考察分析运动生物力学和生物力学的现状，在喜悦于长足进步的同时，不得不承认，运动生物力学的基础理论并不完备，发展趋势仍有局限。
关键词：运动生物力学；发展现状；发展趋势
我国现代运动生物力学出现于上世纪五十年代末期,开始阶段只有少数几个体育学院开了运动生物力学讲座或选修课,国家体委科研所成立了运动生物力学研究组。由于众所周知的原因,运动生物力学在这一时期发展缓慢，到现在虽然有了质的飞跃，但是不能忽视这门学科本身还是有待完善的。本文就运动生物力学在我国的研究方法、研究领域和方向及发展趋势进行简单的阐述和分析，并对我国的运动生物力学作出一些展望。
一、我国运动生物力学的研究现状
1.研究方法
（1）常用的研究方法及仪器。在中国体育科学学会和原国家体委科教司的支持下,运动生物力学分会组织国内多名本学科的专家、教授讨论、撰写成的《运动生物力学测量方法》一书编入了当前运动生物力学研究中使用的主要方法和仪器。包括运动学方法中的平面定机、平面跟踪、立体定机摄影摄像测量方法;动力学方法中的三维测力台测试方法、等速测力仪测试方法;生物学方法中的人体形态学测量方法、人体重心测量方法、肌电测量方法等。另外还收入了一些国内使用尚不普及和少量国外新近使用的测量方法,包括运动学方法中的立体跟踪摄影摄像测量方法、红外光点摄像、激光测试仪、分段计时测量方法;动力学方法中的A.K.M 和B.K.M 测力仪测力方法、T.K.K 测力仪测力方法、赛艇多参数遥测分析系统测试方法、动态力的应变测试方法、人体运动能量测量方法。此外,还有多机同步测量方法、神经网络模型分析方法、数学模型与计算机仿真方法以及运动生物力学测试资料的统计处理与分析方法等［1］。
（2）新的研究方法及仪器。高精度的高速摄像测量系统的应用: 高清晰度、高速度(100～200 场/s以上) 的摄机和录像解析系统。图像自动识别仪器开始应用。高精度的红外光点遥测分析系统已用于研究实践。运动专项的测试仪器和运动器材的研制。磁感应测量仪器研制成功。数学力学模型和人体运动仿真在体育运动技术研究中的应用。运动技术分析的“专家系统”与神经网络模型已经应用于人体运动技术研究。肌电图测试分析向定量化迈进［2］。
2.目前我国的研究领域
（1）优化运动技术。针对某一特定运动项目（ 如田径、球类、速滑等）进行分析，改善运动技术的表现。如《对我国4名优秀短道女运动员弯道技术的生物力学分析》、《用力学原理分析直道滑跑技术》、《排球前后排扣球运动学分析》等［3］。这些研究以使运动员训练科学化，符合力学原理，符合人体规律，从而获得最佳的技能表现。
（2）改进人体基础运动如走、跑、跳、推、拉等，除此之外，还包括区别于竞技运动项目动作、动作系的研究。如《走步运动转变为跑步动作下肢和骨盘之运动学变化分析》、《步态生物力学研究进展》等［4］。大众体育和学校体育受到的重视远逊于竞技体育，实际上，这些研究是非常重要的，因为这些技术研究只有专业的运动员和教练员才会用得上，对于大多数人而言，充分体现“ 民本思想”，改善人体基础运动、改善健康的研究才是真正需要的。
（3）数学模式与模拟。这类数学模式模拟及电脑模拟的研究针对运动技术及人体运动进行分析，此类研究有别于一般仪器进行测量的方法，所以单分为一类［5］。
（4）运动器材设备开发设计。主要关于运动器材设计及力学特征分析，如网球拍、运动鞋、训练器材等。这方面的研究如《不同劲度网球拍对恢复系数的影响》、《不同质地泳衣对速度的影响分析》等。
（5）运动伤害的研究。主要对运动伤害机制及运动护具进行研究，避免运动损伤的发生。如《体能动力损伤机制理论研究分析》。这类研究主要是在研究的过程中部分借助于运动生物力学的研究方法、测试方法来分析造成伤害的动作规律，与人体结构结合总结得出预防运动伤害的方法［6］。
（6）人体测量学的研究由清华大学、白求恩医大和国家体科所合作，采用CT测试方法结合计算机图像处理分析系统，于1995年正式完成了中国成年人人体惯性参数的测定。
二、我国运动生物力学的发展趋势
通过对第六届全国体育科学大会和第十八届国际运动生物力学年会的对比分析，可以大致看出我国运动生物力学的发展趋势。
（1） 计算机是运动生物力学发展的核心。运动生物力学的理论研究将偏重于计算方法的准确和简炼、理论研究的系统性和完整性。借助电子计算机实现快速精确的测量和实时处理人体运动的各种力学参数，实现综合分析和联机分析，以及实现自动化控制是科技发展的必然趋势。
（2） 竞技体育方面的研究更加依赖高新技术。运动生物力学的研究将更加注重训练实践，研究成果要能为竞技体育服务，运动测试仪器的专项化以及高新技术和高新材料和仪器的创新和发展是这一发展方向的具体体现。
（3）运动损伤康复的研究将更加深入，而且与运动专项结合更加紧密，肌肉生物力学已成为热门课题，对预防运动损伤的研究也将是一个热门课题，但对于分子生物力学方面的研究成果还很少，今后，应广泛结合运动生物力学和生物学、运动生理学、运动医学等学科中的研究方法，共同解决人体运动中的有关问题。
（4）研究对象更加广泛，运动生物力学研究除继续对竞技体育进行研究外，还应向青少年、老年人、残疾人的体育运动、军事技术动作以及与人体有关的一些设备。
三、运动生物力学的展望
从以上运动生物力学学科体系现状的分析，不难看出运动生物力学的发展仍存在一定的问题。学科可以研究的内容很多，任务也不尽相同，但为适应生物力学的发展和体育科学的发展，现在运动生物力学的发展应有所侧重。运动生物力学还有许多有待于解决的问题，它的实用价值也只刚刚显露初红。
（1）提高动作技术不再局限于表层研究分析动作技术，更多应着手于研究并提出技术训练的具体方案（有关如何实现优化动作结构）；研制设计专用或通用的辅助训练动作、设施及器械。
（2）基础理论的建设将为运动生物力学发展巩固根基，开拓视野，扩展研究与应用领域。
（3）深入研究运动损伤机制，模拟分析运动损伤过程，设计合理的运动设备（器材、服装、鞋等）以防止运动损伤。
（4）计算机模拟、仿真技术是运动生物力学研究的重要手段。（云南师范大学体育学院；云南；昆明；650031）
参考文献：
［1］ 王向东.运动生物力学方法研究现状及发展趋势［J］.中国体育科技,2003,39（2）:15-23
［2］ 洪友廉.第18 届国际运动生物力学会议论文集［C ］.香港: 香港中文大学出版社,2000.
［3］ 李毅均.排球后排扣球空中击球动作的三维高速录像分析［J］.西安体育学院学报,1997,(9):105-108.
［4］ 郭静如.中国运动生物力学的进展［J］.天津体育学院学报,1996,(6):89-92.
运动生物力学特征范文3
关键词 高尔夫 挥杆 生物力学
高尔夫球运动是一项以球杆击球入洞的体育运动，被公认为世界上可接触时间最长、温和而智能的运动。高尔夫球曾作为正式的比赛项目参加了1900年和1904年两届奥运会，1904年之后由于场地和水质标准的限制，高尔夫球退出了奥运会的赛场。2009年国际奥委会宣布高尔夫球将作为正式的比赛项目回归2016年里约热内卢奥运会，高尔夫回归奥运会的决议无疑是对高尔夫球运动在全球发展的一次巨大的推动。挥杆技术是高尔夫球的基本动作，技术水平高低决定成败，因此运用运动生物力学研究高尔夫球的挥杆技术将成为国内外科研的重点之一。
一、高尔夫球挥杆技术运动生物力学研究现状
国外学者利用红外线捕捉、高速摄像等采集到的运动学数据进行分析，做成高尔夫自动分析软件、模拟软件，使技术动作得到极大的改进。我国对高尔夫球挥杆技术研究起步较晚。
（一）高尔夫球挥杆技术生物学分析
肌电是生物学研究的重要手段，肌电图能够分析人体完成运动动作时肌肉参与活动的强度、参与工作时间的顺序及相互协作的关系。刘新明通过肌电测试仪和环节受力分析法进行实验，对全挥杆技术动作肌肉工作特征进行了比较，得出全挥杆动作肌肉最大用力时刻的出现晚于击球时刻。
（二）高尔夫球挥杆技术运动学分析
国内对高尔夫挥杆技术运动学分析较为常用的是APAS艾利尔运动技术分析软件及DLT生物力学三维录像分析方法。张吾龙等[1]对我国高尔夫职业选手张连伟短推技术进行了分析，得出挥杆是由肩膀与两臂做动作，上杆轨迹略带弧度，下杆时击球加速，左手引导下杆动作，右手在后辅助向前推。阮哲[3]通过对梁文冲等四名国际优秀高尔夫选手的挥杆技术的三维录像和解析，得出挥杆过程中髋关节率先启动与加速，并引导肩部迅速向旗杆方向加速直至击球瞬间，上肢关节完成类似鞭打动作击球。车旭升等[6]对不同水平的高尔夫球员的木杆挥杆技术动作进行分析，得出高水平高尔夫球运动员的上、下杆挥杆节奏用时比例接近于80：20，击球瞬间高水平球员的身体重心都非常接近原点。孙胜[5]运用三维技术动作分析系统对职业男子高尔夫运动员的推杆技术动作进行了研究，进而揭示推杆头部在时间和空间上整个动作没有像钟摆一样摆动，但像钟摆一样有节奏的摆动推杆的训练会有很大帮助。李淑媛等[9]对男子高尔夫运动员全挥一号木杆技术动作进行信息采集、量化分析：以最大杆头线速度高低划分组别，得出各组上杆阶段用时都在1s左右；下杆阶段高速组比低速组用时更短；高速组上杆过程中，保持右膝关节角基本不变，而低速组则呈现增大趋势；高速组躯干角由瞄球准备到击球几乎保持不变。毛建勋[8]利用二维摄像法和人体录像解析系统对一名高尔夫教练挥杆动作进行了正面的定点拍摄，对所得运动参数进行量化与分析，得出挥杆时要放松肌肉，挥杆时肩部以及挥臂的力量要与转体的力量保持平衡状态；下杆击球时手腕的力量要保留到最后再进行释放。
（三）高尔夫球挥杆技术动力学分析
目前应用于动力学参数的测量手段主要有三维测力台。叶强等[4]对技术定型期球手进行试验，得出上杆初期、后期和下杆初期时间比为7：6：3，通过使用压力板观测击球过程中重量转移的变化，得出杆顶点时刻双足维持均衡，身体扭转相对更充分。
（四）高尔夫挥杆技术运动生物力学理论分析
李睿[2]用运动生物力学的碰撞理论和鞭打原理纠正了挥杆击球中的技术错误，得出高尔夫球的击打特点：击球时杆头速度越大，给予球的初速度越大。挥杆时手臂摆动若要兼具“环绕”的力量和“鞭抽”的力量。
二、趋向预测
随着高尔夫球运动技术研究工作的进展，将运动生物力学的方法手段同现代科技手段结合，采用多机同步测试、录像视频分析系统进行适时的监控和反馈技术动作的研究将会越来越多。可以预见的是，对高尔夫球运动发展的研究将达到一个前所未有的高度。
参考文献：
[1] 张吾龙，陈观云.我国高尔夫职业选手张连伟短推技术的运动学分析[J].武汉体育学院学报.2006.40（3）.
[2] 李睿.高尔夫挥杆技术常见错误分析[J].长治学院学报.2008.25（2）.
[3] 阮哲.世界高水平高尔夫运动员挥杆动作中肩髋关节生物力学分析[J].北京体育大学学报.2010.33（11）.
[4] 叶强，曹全军.高尔夫球挥杆击球过程中重量转移的足底压力分析[J].南京体育学院学报（自然科学版）.2012.11（5）.
[5] 孙胜.职业高尔夫球运动员推杆技术动作的运动学分析[J].中国体育科技.2012.48（1）.
[6] 车旭升，金春光.高尔夫木杆挥杆技术动作的运动力学分析[J].河北体育学院学报.2012.26（4）.
[7] 叶强，曹全军.高尔夫球挥杆击球过程中重量转移的足底压力分析[J].南京体育学院学报（自然科学版）.2012.11（5）.
运动生物力学特征范文4
1膝关节三维有限元模型的建立
有限元仿真计算是随着计算机技术不断进步而逐渐发展起来的一种有效地数值方法，而用有限元法进行生物力学分析是近年来发展起来的一种生物力学研究方法。伍中庆等[4]结合X线片用XCT对尸体膝关节进行扫描，利用Ansys有限元软件，对膝关节的三维有限元模型进行重建，包括股骨、胫骨、髌骨及半月板，重建的几何体逼真、客观，为分析股骨、胫骨、髌骨和半月板的力学特性提供了模型基础。汪强[56]的结果提示三维模型较以往两维平面有限元模型有明显优点：①模型网格划分更细，建立的单元和节点更多，模型更接近解剖学实际。②图像数据直接来自CT扫描，避免了图像生成、转化与存取中的信息丢失，且图像精确。③严格区分了半月板与关节软骨。王光达等[7]通过一名男性健康志愿者的膝关节扫描，通过有限元软件处理成功建立了一个完整的膝关节三维有限元模型，包括胫骨、股骨、髌骨、内外侧副韧带、前后交叉韧带，髌韧带及双侧半月板。模型可以任意角度旋转观察，整体外形及各组成部件均与实体标本具有满意的相似性，黄建国等[8]通过了MSCMARC建立膝关节的三维有限元模型，得到胫骨骨折患者的膝模型，认为对胫骨平台骨折的诊断，手术策划和治疗具有较大的指导作用。模型确立后可以为膝关节的创伤、骨折的力学分析及人工关节的开发提供方法学的支持。姜华亮等[9]在MRI基础上建立膝关节三维有限元模型，包括膝关节所涉及的几乎所有骨骼、软骨，半月板和韧带等基本力学的模型，并认为MRI比CT对软组织显像更清晰。重建的模型更逼真、客观，能够更真实地反映膝关节的结构特点和生物力学属性。
2有限元在膝关节生物力学研究中的应用
人体膝关节生物力学复杂多样，更多的力学反映在运动过程中，受力特点更加复杂。因此，应用三维有限元方法建立膝关节生物力学模型，无创、快速地研究膝关节力学特性、损伤的机理，对指导临床工作有现实意义。有研究认为膝关节伸直时应力主要分布于ACL近股骨上点处。说明ACL是对抗胫骨前移的主要结构，其与临床上ACL损伤多发生在股骨上点处相一致。膝关节屈曲时，PCL是对抗胫骨前移的首要结构，且应力主要集中在近胫骨止点处，这与临床PCL断裂多发生在胫骨止点处相一致。同时对模型施加内外翻应力，分别在LCL腓骨上点和MCL近股骨上点应力较大，说明MCL、LCL是对抗膝外、内翻的主要结构。与临床内、外侧副韧带损伤位置一致。进一步验证了有限元方法的有效性和可靠性[10]。汪强等[5]通过对膝关节三维有限元模型的建立，同时研究了加载后，得到膝关节内外侧关节面典型节点Von Mises应力值，提示正常膝关节内侧关节面应力呈前、后部大，中部小分布；外侧关节面应力呈前部大，中后部稍小分布，且较内侧关节面分布均匀。姚杰等[11]利用膝关节有限元模型和模拟跳伞着陆实验数据，对半蹲式跳伞着陆过程进行数值模拟，并分析膝关节损伤的机理。结果显示，关节内组织的应力水平随着跳落高度的增加而增加，外侧半月板和关节软骨承受了较大的载荷，前交叉韧带和内侧副韧带在屈膝角度达到最大时产生明显的应力集中，此时更易断裂。吴宇峰等[12]通过有限元模型研究了髌骨在运动及损伤过程中的受力情况，结果显示应力集中于髌骨的上极和下极，说明骨折的好发部位即在髌骨的上下级，与临床基本相符。辛力等[13]通过有限元方法对合并膝关节脱位的胫骨平台骨折4种内固定方法进行比较。结果提示MDP（内侧双钢板）固定后的应力最小，其后依次是BDP（双侧双钢板）与MSP（内侧T型单钢板+拉力螺钉），而LLP（外侧锁定钢板+拉力螺钉）固定的应力最高。给临床治疗类似骨折选择治疗方案提供参考。
3膝关节置换相关有限元分析研究
人工膝关节置换是治疗膝关节骨性关节炎的重要手段，每年有大量的患者接受人工膝关节置换。三维有限元法是先进而有效的生物力学分析方法，利用该方法从生物力学角度分析全膝关节置换后的应力分布情况对探讨全膝置换有重要意义。膝关节置换前要对患者膝关节病情有详细了解，全面检查，严格选择假体类型。根据假体的使用部位将假体分为单髁假体（单间隔假体）、不包括髌股关节置换的全关节假体（双间隔假体）、全关节假体（三间隔假体）。如果术前对准备手术的膝关节进行CT扫描、重建，建立三维有限元模型，然后进行逆向工程CAD/CAM，选择制作适合该关节的人工假体必将更适应患者，术后生物力学性能必将更好，松动翻修的机率将明显降低[]。术中选择置换假体，胫骨和股骨配对关系，术后假体接触表面的应力变化可能增加磨损及松动的风险，有研究[15]将股骨侧3号钴铬合金假体，与胫骨侧25号（3/25配对），3号（3/3配对），4号（3/4配对）钛合金金属托及对应尺寸的10 mm厚度聚乙烯垫片配对。构建有限元模型，模拟双腿站立，平地行走，上楼梯情况下，对各屈膝角度的最大等效应力进行研究。发现3/25配对，3/4配对假体接触面最大等效应力明显增高，有增加聚乙烯垫片磨损风险。同时Liau等[16]研究了假体对线不齐时接触应力和Von Mises应力大幅度增加。定制假体尽管重建保肢符合人体生物力量规律，短柄假体可引起骨水泥应力集中，重建后发生骨折，骨水泥碎裂风险较高，但过度增加柄长对骨的应力遮挡水平也相应增大[17]。膝关节置换后要能负重行走是最终目标，许多静态的模型并未涉及其中。最近有研究者对其关节高屈曲活动下运动和应力等动态特征进行了研究。通过建立包括主要骨和软组织的全膝关节置换前后的膝关节的动态有限元模型，对天然及全膝置换后膝关节下蹲运动和接触应力分布进行分析。结果表明在膝关节过伸和高屈曲时，在胫骨高分子聚乙烯平台的胫骨平台轮柱和平台前部的交界处，胫骨平台内后方和轮柱后部3个区域发生较高的接触应力，这些也正是假体发生较高磨损的部位。这为膝关节假体的摩擦学研究及膝关节假体设计提供有力的分析工具[18]。
4问题与展望
尽管有限元分析方法在膝关节外科研究中有诸多优点，能重建出与真实人体膝关节结构基本一致的模型，重建的模型逼真、客观，可以自由旋转，添加、调整相关参数可以进行人体和动物实验无法完成的生物力学研究。但它作为一项仍然没有成熟的技术，还有许多不足：①研究所用硬件、软件多为进口，价格昂贵。②操作过程繁琐复杂，作为临床医务人员，学习周期长，较难熟练掌握。③人体膝关节结构复杂，相互之间关系密切，互相影响，脱离其他因素，简单研究骨骼、韧带、关节软骨本身就有失偏颇。④将骨骼内各向同性，各向异性等同考虑，简化操作，明显不妥。⑤膝关节许多特征及生物力学都是在运动中表现出来，但许多有限元的研究是静态的，未考虑动态研究，影响结果的准确性。⑥载荷和边界条件的选择，基本都是人为确定的，很多参考国外的文献，而这是否适用于国人亦未可知。所有这些问题，希望随着对膝关节发病机理的进一步认识、计算机处理能力的进一步提高、CT和MRI成像技术的不断完善而逐步得到解决，使之更好地为临床服务。
参考文献
[1]Li W， Abram F Human hip joint cartilage： MRI quantitative thickness and volume measurements discriminating acetabulum and femoral head. IEEE Trans Biomed Eng，2008，55（12）：27312740.
[2]杨玉海，崔谊，崔允峰，等螺旋CT三维重建评价膝关节创伤的临床应用价值 医学影像学杂志，2004，（1）：45.
[3]Ben djaballah MZ， ShiraziAdl A， Zukor DJFinite dement analysis of human knee joint in varusvalgus Clin Biomech （Bristol，Avon），1997，12 （3）：139.
[4]伍中庆，吴宇峰，苏培基，等膝关节三维有限元模型的建立中华实用中西医杂志，2004，4（17）：297071.
[5]汪 强，孙俊英，赖震，等膝关节三维有限元模型的建立陕西医药杂志，2007， 36（3）：210212.
[6]Hirokawa，S， Tsuruno，R， Threedimensional deformation and stress distribution in an analytical/computational modelof the anterior cruciate ligament. Journal of Biomechanics，2000，33：10691077.
[7]王光达，张祚福，齐晓军，等膝关节三维有限元模型的建立及生物力学分析中国组织工程研究与临床康复，2010，（52）：97029705.
[8]黄建国，史庆南，严继康，等.膝关节三维有限元模型的重建.中华医学研室杂志，2006，6（4）：415416.
[9]姜华亮，华锦明，许新忠，等正常人膝关节三维有限元模型的建立.苏州大学学报（医学版），2008；28（3）：421422.
[10]G Limbert， MTaylor， JMiddleton Threedimensional finite element modeling of the human ACL： simulation of passive knee flexion with a stressed and stressfree ACL. Journal of Biomechanics，2004，37：17231731.
[11]姚杰， 牛文鑫，王旸，等跳伞着陆过程中膝关节损伤的有限元研究 医用生物力学，2010，25（4）：244248.
[12]吴宇峰，苏培基，伍中庆，等髌骨的三维有限元重建及初步力学分析 中国中医骨伤科杂志，2004，12 （2）：13.
[13]辛力，王业华 合并膝关节脱位的胫骨内侧平台骨折4种内固定方法的生物力学性能静态有限元分析徐州医学院学报，2008，28（8）：533536.
[]Bougherara H， Zdero R， Mahboob Z，et alThe biomechanics of a validated finite element model of stress shielding in a novel hybrid total knee replacement Proc Inst Mech Eng H，2010，224（10）：120919.
[15]Completo A， Rego A， Fonseca F， et al Biomechanical evaluation of proximal tibia behaviour with the use of femoral stems in revision TKA： an in vitro and finite element analysis Clin Biomech （Bristol， Avon），2010，25（2）：15965.
[16]liau J J， Cheng C K， Huang C H， et al The efect of malalignment on stresses in polyethylene component of total knee prosthesesa finite element analysis Clinical Biomechanics，2002，17：06.
运动生物力学特征范文5
关键词：地方病；生物力学；腰椎压力
中图分类号：TP39；R682.3；R135文献标识号：A文章编号：2095-2163（2015）04-
0引言
氟中毒[1]是一种地方性疾病，轻度的体现为儿童氟斑牙，重度的体现为成人氟骨症。氟斑牙的调查对象一般为8～12岁儿童，诊断时医生通常需弯腰低头进行。由于一次性调查人数较多（碘缺乏病中检查甲状腺的情况与之类似），所以尽管劳动强度不大，但医生腰酸背痛在所难免，还可能引发慢性腰痛等脊椎病[2-4]。为此，若把领奖台特征的阶梯式站台（“领奖台”）应用到儿童氟斑牙诊断中，让待诊儿童按个头大小分组站于“领奖台”接受诊断，则有利于减轻医生腰部疲劳。医生腰椎压力等数据通过法国达索公司的虚拟样机软件CATIA工效学模块[5]进行“检测”。
1构建CATIA模型
1.1人体生物力学
生物学中，人体处于站姿或坐姿时，身体由脊椎、髋骨、腿和脚支撑，主要靠腰椎和髋骨支撑上身体重。其中人体脊椎由7节颈椎、12节胸椎和5节腰椎构成，平时靠肌肉维持其“S”形，腰椎粗大且硬，几乎承受着人体上身的全部重量，并实现前曲后仰、侧曲、扭转等运动，第三、第四腰椎为整个脊椎骨中受力最大的部位。腰椎的不良力学行为（如长时间压缩等）[3]将加重腰椎负担，产生疲劳，甚至引发腰椎间盘损伤等脊椎病[4]。CATIA软件的工效学设计与分析模块，应用L4～L5[6]非线性三维有限元模型，能够对腰椎压力等生物力学参数进行描述。
1.2人体模型
CATIAV5R20中有美、加、法、日、韩、德、中（台）共7个国家的人体模型。儿童氟斑牙的现场调查中，站姿是医生诊断病情的主要姿势。本例采用中国人模型，男性医生身高1.75m，待诊儿童身高取样1.35m、1.50m和1.65m，如图1所示。
（a）1.35m（b）1.50m（c）1.65m
2生物力学分析及改善措施
2.1生物力学分析（BSAA）
BSAA指生物力学单一动作评价，针对给定姿态下人体的腰椎、关节等处受力（或力矩）等进行测量。以图1（a）为例，通过“[开始][工效学设计与分析][HumanActivityAnalysis][分析][BiomechanicSingleActionAnalysis…]”即得分析结果，见图2。其中L4-L5腰椎压力由身体负荷压力、轴扭曲力和弯曲力三部分组成。
可见，1.75m身高医生诊断1.35m、1.50m和1.65m（1.80m仅为分析对照而设）身高儿童氟斑牙时医生L4-L5腰椎压力分别为2369N、2069N、1679N（医生正常站姿时1165N）。随着接受诊断儿童的身高增大，医生工作时的L4-L5腰椎压力骤减（弯曲力“贡献”最大）。
2.2改善措施
设想儿童在接受诊断时分组站于“领奖台”（见图4），其嘴巴部位跟医生眼睛高度基本平齐（相当于医生自然站姿），则医生L4-L5压力分别比原来减少50.8%、43.7%和30.6%，如图3所示。
“领奖台”作为儿童接受诊断的地点，可使医生能以正常站姿工作。该“领奖台”可如下设计：
（1）尺寸。三个台面的长度、宽度均分别为0.6m、0.30m，高度依次为0.30m、0.45m、0.15m；
（2）材质及使用方法。可采用三个小木匣拼接，便于携带（可盛装工作用品）。
运动生物力学特征范文6
关键词：有限元法；手部；建模；生物力学
1 有限元法的发展历史及在人体生物力学中的运用
1.1有限元法的发展历史 有限元法（finite elementsmethods，FEM）即有限元素法[1]，是一种在工程科学技术中广泛应用的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学、生物力学等问题。其基本思想是把一个由无限个质点和有无限个自由度构成的连续体划分为有限个小单元体组成的集合体，用离散化的有限单元模型代替原有物体。通过对每个单元的力学分析，获得整个连续体的力学性质。有限元法最早可上溯到20世纪40年代。现代有限法的第一个成功的尝试是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时成功应用有限元法求解。1960年，Clough第一次提出了"有限元法"概念，使人们认识到它的功效。我国河海大学教授徐芝纶院士首次将有限元法引入我国，对它的应用起了很大的推动作用。
1.2有限元法运用于人体生物力学研究 1972年，Brekelmans[2]等首次报道将有限元分析方法应用于生物力学方面研究。80年代后，应用范围逐步扩展到颅面骨、颌骨、股骨、牙齿、关节、颈椎、腰椎及其附属结构等生物力学研究中。随着计算机技术的发展、分析工具的完善以及实践的增多，有限元方法显示了极大的优越性并已逐渐成为研究人体生物力学的重要手段。人体力学行为研究基本无法采用传统的力学实验方式来进行，因而有限元建模愈来愈成为深化人体认识的有效措施。基于有限元软件日益完善的建模功能及兼融其它计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件特性，真实再现三维人体骨骼、肌肉、血管、器官等组织成为可能，并在虚拟现实实验中，通过材料赋值、几何约束、固定载荷等过程，对挤压、拉伸、弯曲、扭转、三点弯、抗疲劳等力学实验进行模拟，能求解获得给定实验条件下模型任意部位变形、内部能量变化、应力/应变分布、极限破坏等数据[3]。
1.3有限元法在人体生物力学研究中的建模思路 有限元建模即建立为数值计算提供原始数据的计算模型，需要通过建立几何模型、材料赋值、网格划分、施加约束与载荷，最后进行求解等步骤实现，是有限元法仿真试验最关键环节。摸型的几何相拟性直接影响计算的结果，医学有限元模型的建立首先需要获得人体特定部位的几何数据，数据可以从几何参数设定、激光扫描、标本切片和磨片以及医学影像图像获得。其中医学影像法最为以无创的方式提供了高精度的人体解剖结构形态，基于医学影像技术建模是目前人体有限元建模的主要手段，可以实现人体解剖结构的可视化乃至生物力学仿真的有限元模型。包括X射线、超声、CT、MRI等途径，其中CT扫描是主流方式，CT结合MRI是新亮点。
通过X射线照片方式建模是指利用不同方位的多幅X射线照片获得几何数据重建三维模型，是一种经济、可行的方式。但因信息获取不完整，建模过程复杂，对研究者经验要求较高，现行医学有限元建模中应用较少。还有研究者基于超声影像技术建模，如赵婷婷[4]等基于超声建立了乳腺有限元模型；张桂敏[5]等在研究二尖瓣狭窄患者二尖瓣下游湍流剪应力变化方面，运用超声影像图像建立了二维有限元模型，为心瓣流体力学研究探索新的方法学途径。目前基于超声的有限元分析研究多集中在机械制造、土木工程等领域，并多采用二维有限元法分析，还没有注意到与医学相关的基本超声影像技术的三维有限元研究相关报道。这或许是因为基于超声影像技术的力学研究本就较少，三维、四维超声的概念提出较晚，与重点应用在工程技术方面的有限元法结合运用更是鲜有。相较X线与超声而言，CT/MRI图像法在医学有限元建模中应用更为普遍。MRI技术具有很高的组织对比分辨率、解析高以及无离子化辐射等特点，能清晰显示人体结构的组织学差异和生化变化。基于MRI图像能获得细致的几何模型。但MRI偏向于对肌腱、韧带等软组织的分辨，对骨的分辨不如CT清晰。此外，目前国内常用的核磁共振机扫描层厚和扫描间距一般都在2mm以上，无法获得更详细的几何数据，影响到重建图像的清晰度精确性。基于CT扫描获得几何数据的建模的方法目前应用最为广泛。CT根据密度不同来确定信号的强弱，可以通过调节扫描条件，使任何复杂形态和各种密度的组织都有较高的分辨率，适用于任何复杂形态和各种密度的三维结构。可清晰显示骨与软组织的边界，通过医学成像系统能获得骨骼比较准确的几何数据，其不足之处在于对软组织的分辨率相对较低，无法从医学成像系统获得准确的肌肉、韧带、腔等组织几何数据，须参考相关解剖资料。CT/MRI数据重建的三维模型，能够真实的再现被扫描对象的表面特征及内部结构，CT的空间分辨率高于MRI，CT对骨组织与软组织边界显示更为清晰，而MRI的对比分辨率高于CT，特别是软组织对比明显优于CT。通过CT结合MRI法将能融合二者优势，但对研究者图像处理技术有更高的要求。通过文献检索发现，目前CT提取骨组织结合MRI提取软组织方法的研究报道较少。徐志才[6]等基于CT影像数据构建了包含股骨、胫骨和腓骨的实体模型，并基于MRI影像数据构建了包含股骨软骨、胫骨软骨、内外侧半月板和内外侧副韧带的三维实体模型。将CT和MRI影像数据进行配准融合，获得包含骨性和非骨性结构的膝关节三维实体模型。
2 有限元建模的常用软件
人体生物力学有限元模型的精确性对有限元分析结果的合理性有直接影响。三维重建技术与有限元方法及其他虚拟现实技术的结合是未来发展的方向，这有赖于这些集成强大图像处理功能的有限元软件的发展。常用的建模辅助软件有：MIMlCS、MATLAB、CAD、Geomagic Studio等软件。其中最常用的是MIMlCS软件，它的FEA模块可以将扫描输入的数据进行快速处理建立3D模型，然后对表面进行网格划分以应用在有限元分析中。它还可基于扫描数据的亨氏单位对体网格进行材质分配。MIMICS的网格重划功能能方便地将不规则三角片转化成趋近于等边的三角片，显著提高STL模型的质量和处理速度，对输入数据进行最大限度的优化，目前版本已发展到MIMICS17.0。现常用有限元软件有：Ansys、ABAQUS、NASTRAN、COSMOS等。其中最常用的是Ansys软件，目前版本已发展到Ansys15.0。
3 手部三维有限元的运用进展
手部因其解剖结构复杂、运动灵活精细、力学分析困难的周围组织对手部力学因素有重要影响等方面原因，研究较人体其它部位明显偏少。在工程领域方面，杨德伟[7]等基于CT扫描数据结合ABAQUS软件建立了手抓握模型。几何模型通过人手CT扫描后简化处理得到，建立的手模型简化为以皮肤、肌肉、神经、血管等软组织为整体的软组织模型和手部骨骼模型两部分，手部复杂的组织结构未曾细化。抓握功能通过参数约束、程序运动规划控制下实现，而并非基于神经肌电活动模拟，也非通过骨、肌肉施加荷载得到，本模型在工程领域有一定实用价值，但远不能满足医学研究的需要；陈志翔[8]等在研究机器人虚拟手过程中，通过参考手部解剖结构，建立手部肌肉模型，并以程序设计约束指间运动关系，通过控制肌肉收缩量来实现手指运动，较好的拟真了手指运动机理。但模型基于数学方程人为控制，而非通过人手实际解剖结构获得。在医学领域方面，Carrigan等[9]通过CT扫描，最先建立了包括韧带、软骨、8块骨骼在内的手腕关节复合模型；国外的Ko等和国内的郭欣等[10]都建立了腕管的三维有限元模型，为进一步探讨腕部结构的力学行为提供了一个可操作的平台；Anderson等[11]最早通过腕关节三维有限元模型模拟了创伤性关节炎病理改变；Bajuri MN[12]等通过CT扫描，参照诊断标准，建立了首例类风湿性关节炎患者腕关节三维有限元模型。国内其它学者也以解决临床问题为出发点，对手的部分结构三维有限元模型的建立进行了积极的探索，如孟立民[13]建立了第一、二掌骨和大多角骨三维有限元模型，并模拟Bennett骨折和微型外固定器外固定及克氏针内固定治疗情形，研究两种治疗方法优劣问题；董谢平等[14]以中国力学可视人原始资料为依据，构建带软组织的正常手腕和佩带腕保护器手腕的三维有限元模型，验证了腕保护器防护腕部骨折的有效性；颜冰珊等[15]建立了正常下尺桡关节三维有限元模型研究了前臂桡骨骨折的临床问题；张浩[16]等基于现有个人电脑平台，建立了腕关节有限元模型，进一步证明利用医学图像处理软件和三维重建软件准确、快捷地构建腕关节的三维有限元模型有可行性。
4 小结
手部建模是虚拟现实领域研究的热点之一，在工程领域主要是机器人手的拟真研究，尤重抓握功能，在医学领域更多涉及腕关节这一部分结构，囊括手部骨骼、关节、肌肉、韧带、筋膜、血管、神经、皮肤等组织结构较完整的手部有限元模型尚未见诸报道。手部的骨骼、关节数目较多、相互关联较复杂，是一个复合性的机械结构，在建模时要同时考虑到骨骼、关节面、韧带、肌腱及其它周围组织在生物力学中的作用。目前，手部有限元建模研究较人体其它部位少，还没有形成较完整、成熟的模型，更没有统一的建模标准。如何将三维可视化手建成物理手的有限元模型是现阶段研究难点，也是实现虚拟生理手模型建立的必然阶段，相信随着计算机技术的进步及多学科更好的融合，手部有限元模型研究将有更为广阔的前景。
参考文献：
[1]江见鲸，何放龙.有限元法及其应用[M].北京：机械工业出版社，2006：1.
[2]Brekelmans Wam，Rybicki EF，Burdeaux BD.A new method to analyze the mechanical behavior of skeletal parts[J].ACTa Ortho Scand，1972，43：301-305.
[3]Ibarz E， Herrera A，Mas Y， et al.Development and kinematic verification of a finite element model for the lumbar Spine：application to disc degeneration[J].Biomed Res Int，2013，7（5）：185.
[4]赵婷婷，严碧歌.有限元仿真分析超声弹性成像[J].生物医学工程学杂志，2011，28（1）：138-141.
[5]张桂敏，石应康.与多谱勒相结合的人体二尖瓣狭窄下游湍流剪应力二维有限元分析[J].医用生物力学，2001，16（4）：203-209.
[6]徐志才，胡广洪.胫骨模型对膝关节有限元分析结果影响的探讨[J].数字医学研究与应用，2014，4（9）：69-72.
[7]杨德伟.基于ABAQUS的三维有限元抓握手模型的建立与研究[J].机械设计与制造工程，2013，42（11）：18-21.
[8]陈志翔.虚拟人食指肌肉控制及运动约束研究[J].计算机科学与探索，2013，11：1040-1047.
[9]Carrigan SD， Whiteside RA.Development of a three-dimensional finite element model for carpal load transmission in a static neutral posture[J].Ann Biomed Eng，2003，31（6）：718-725.
[10]郭欣，樊瑜波，李宗明.掌向拉伸力作用下腕管的三维有限元分析[J].中国生物医学工程学报，2007，26（4）：561-566.
[11]Anderson DD，Deshpande BR，Daniel TE，et al.A three-dimensional finite element model of the radiocarpal joint：distal radius fraCTure step-off and stress transfer[J].Iowa Orthop J，2005，25：108-117.
[12]Bajuri MN，Kadir MR，Amin IM，Ochsner A. Biomechanical analysis of rheumatoid arthritis of the wrist joint [J].Proc Inst Mech Eng H，2012，226（7）：510-20.
[13]孟立民，苏啸天，张银光.微型外固定支架和克氏针治疗Bennett骨折的三维有限元分析[J].中国组织工程研究，2012，16（9）：1626-1630.
[14]董谢平，王冬梅，何剑颖.腕保护器抗冲击载荷的有限元分析[J].中国组织工程研究与临床康复，2011，15（30）：5531-5534.
