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生物力学测试方法范文1
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：
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［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.
生物力学测试方法范文2
(1451医院整形外科 西安710054 2.第四军医大学西京医院整形外科中心 西安710032)
[摘 要] 目的:观察皮肤伸展作用后生物力学特性和组织学的改变。方法:取4只体重20 kg左右的猪为实验动物,采用自身对照方式进行,对伸展作用侧及对照侧皮肤标本分别进行拉伸断裂强度、拉伸断裂伸长百分率、皮肤本构关系等生物力学指标的测定及组织学的检查。结果:伸展皮肤的粘弹性下降。组织学观察可见伸展后表皮细胞层次增多,真皮层稍变薄。结论:皮肤伸展作用后,其生物力学性质及组织学均有明显变化。临床上可采用皮肤伸展术,以缩短疗程,提高疗效。
[关键词] 皮肤伸展术 生物力学特性 组织学检查
[中图分类号]R622 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455(2000)09-0244-03
BIOMECHANICAL AND HISTOMORPHOLOGICAL CHANGES IN STRETCHED PIG SKIN
ZHOU Li-an LI Zhun GUO Shu-zhong et al
Depart.Plastic surgery,451 Hospital,(Xian 710054)
[Abstract] Objective:The study was designed to observe the biomechanical and histomorphological changes in stretched pig skin.Methods:On 4 pigs.stretched skin was compared with non-stretched control skin from the opposite side of the animal,using a paired t-test.The biomechanical and histomorphological properties were determined in stretched and non-stretched control skin.By using tensometer,the sin was evaluated for stress strain and parameters of strength.Result:The biomechanical properties of the stretched skin were different from the control skin.Histomorphological examination revealed that the epidermis layer increase.There was thinning of dermis,the dermal collagen bundles were thicker than those of controle.Conclusion:We concluded that the biomechanical properties and histomorphological changes were different from that of the unstretched skin.It was shown that the skin stretching technique might be accepted in the practice.
[Key words] Skin stretching technique Biomechanical property Histomorphological examination
皮肤伸展术始于1976年,Barrer[1]等采用了固位桥装置用于关闭伤口,它是通过施加于皮缘的直接外力,线性牵引创面两侧的皮肤组织,使之产生皮肤增量,达到关闭创面的目的,作者对此已进行部分临床及实验研究[2-7],该方法近年来在国外受到普遍关注,认为是一种"有把握的关闭"(Sure-closure)[4]方法。但也有学者提醒使用该方法应防止用力过大造成真皮纤维的断裂等并发症[8]。
因此皮肤伸展术中的安全性仍是人们关心的问题,真皮决定着皮肤的生物力学性质,反之生物力学的变化也反映真皮的结构特征[9]。
本研究对伸展作用后的皮肤及对侧正常皮肤进行了生物力学特性的对比测试并观察了相应的组织形态学变化。
1 材料与方法
1.1 实验动物 选取4只体重20kg左右白色乳猪(第四军医大学实验动物中心提供),雌雄不限,3%戊巴比妥钠(美国Sigma公司)30mg/kg肌注麻醉后,侧胸、腹及背部肥皂水刷洗,剃毛,放置于牵引台架上,术区皮肤常规消毒。
1.2 皮肤伸展方法 在胸背中央画7cm×3.5cm标准面积,长轴为首尾方向,将两根长针插入短边真皮层,两端露于皮外,U型双钩紧贴长针外缘插入皮肤钩住对侧的长针,连接测力计及秤砣盘,并使作用力与皮面保持在同一水平。两侧同时往秤砣盘加载,至短边接触,由测力计读出皮肤此时所承受的应力为11.5kg,将长针用铁丝固定保持短边对合,以达到对假设创面两侧伸展的目的。
1.3 皮肤标本的制备
伸展作用5天后,在伸展作用区及相应的正常对照侧,采用自制的切割装置切取0.6×10cm的皮肤标本,中央修成0.3×1cm的双凹形,切取方向保持一致,剪掉标本上的部分皮下组织,共制备8个皮肤试件。同时取实验及对照侧皮肤,固定包埋后,切片用HE和van Gieson染色,光镜下观察。
2 结果
2.1 测试方法与分析
2.1.1 生物力学指标的测试
所有的测试标本均采用Instron1122万能强力机(英国产),测试温度为15℃,相对湿度40%,夹距10mm,拉伸速度50mm/min。
2.1.2 统计分析采用配对t检验,(第四军医大学统计教研室完成)。
2.2 测试分析结果
2.2.1 离体猪皮肤的拉伸断裂强度(g/mm2)
二种皮肤的最大拉伸断裂强度分别为:对照组为2508.20±36.60g/mm2 实验组为1974.86±20.22g/mm2表明伸展作用后的皮肤强度下降,下降幅度20.6%,相差非常显著(t=55.7,P
2.2.2 离体猪皮肤拉伸断裂伸长百分率
伸展作用后皮肤的拉伸断裂伸长百分率为71.7%±2.5%,较对照组83.5%±2.6%降低。实验组断裂伸长百分率下降幅度为14.3%,相差非常显著(t=47.0,P
2.2.3 离体猪皮肤的本构关系及曲线
典型的实验组与对照组猪皮肤的本构关系及曲线见附表及图5。可以看出,在相同的应力作用下,对照组的应变能力大于实验组
附表 实验组和对照组猪皮肤本构关系(g/mm2)
两种离体猪皮肤本构关系曲线
2.2.4 组织学检查
伸展作用后表皮层厚度保持不变或稍增厚,表皮细胞层次增多,上皮钉突和真皮嵴变钝。真皮层稍变薄,内含有大量平行且排列紧密的胶原纤维束,纤维束粗大、致密。成纤维细胞数量增多且体积增大、胞浆丰富。真皮层血管数量略有增加,主要在真皮层。
3 讨论
伸展作用的皮肤生物力学特性是否能发生有意义的改变,从实验结果可见皮肤经伸展作用后,各项生物力学指标均发生了变化。皮肤软组织的拉伸断裂强度是生物软组织粘弹性指标之一,是通过将试件加载至断裂前的瞬间应力值来表示,由实验结果表明,伸展作用后的皮肤粘弹性下降,降幅为20.6%(P
因此在活体正常皮肤很难出现真皮纤维的断裂,这与伸展力的广泛均匀分布有关。因此能充分保证皮缘血运良好的伸展力不会导致纤维断裂。皮肤软组织的本构关系更能全面反映皮肤在不同应力的作用下组织变形的能力,它也是生物软组织粘弹性的指标之一。同样的应力作用下,变形越大,表明其粘弹性越强。[10]。
从本构曲线的变化趋势可以看出,伸展作用后的皮肤在同一应力的作用下其变形程度下降,这一指标也提示伸展皮肤的粘弹性呈下降的趋势。组织学研究显示,伸展作用后表皮层厚度不变或稍增厚,表皮细胞层次增多。在皮肤扩张术的研究中也证实表皮细胞层增厚,细胞有丝分裂活动增加,作者认为可能是为了恢复表皮细胞的密集状态,抑制有丝分裂[9、11、12]。伸展作用后真皮层稍变薄,内含大量平行且排列紧密的胶原纤维束,纤维束粗大、致密,成纤维细胞数量增多且体积增大,胞浆丰富。扩张术中真皮厚度也变薄[13]。虽已证实成纤维细胞被激活,但去除扩张器后扩张皮肤2年后才能逐渐恢复正常[9、14],因此无论是伸展术还是皮肤软组织扩张术所致的皮肤增加,主要来自皮肤的机械蠕变,而不是生物蠕变。并且伸展皮肤生物力学性质的变化与皮肤快速扩张后的改变相似,说明两种方法作用方式虽然不同,却有着相同的结果[15]。皮肤伸展术一般不行皮下潜行分离,因此不形成皮下创面和纤维包膜,及其中存在的激活的炎性细胞[9、11]。伸展作用后的皮肤,其生物力学特性及组织学变化的恢复是否比软组织扩张术更迅速有待进一步研究。
[参考文献]
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生物力学测试方法范文3
摘 要 采用文献综述法对运动生物力学在体育教学中的作用进行综述，结果发现：运动生物力学能够减少学生活动过程中微损伤，促进学生健康锻炼；运动生物力学能够有效将体育动作细化，促进学生科学锻炼；运动生物力学理论教学与实践相结合，促进学生体能、身体形态、身体素质协调发展。因此运动生物力学在体育教学中起到决定性作用，同时促进合理科学终身体育锻炼。
关键词 运动生物力学 体育教学 作用
一、运动生物力学在体育教学过程的作用
（一）运动生物力学在径赛运动项目应用
以时间计算的运动项目称为径赛运动[1]。体育教学过程中运动生物力学能够帮助学生学习技术动作原理，促进学生科学理解体育技术动作重要性，减少学生锻炼过程中微损伤。走、跑是体育动作中最基本技术，Jim L认为跑、走除了与两脚与地面接触后交叉时间有关系外，还与脚与地面接触的反作用力有关，作用力如果不按合力F方向传导，就会出现外“八”、内“八”、拖地、螺旋等错误的跑、走动作。体育教学中蹲踞式起跑运动生物力学原理可以发现，膝关节角度前腿在90-111°之间、后腿在118-136°之间有助于启动时合速度达到最大值，提高运动成绩和减少膝盖前交叉和后交叉韧带的微损伤[3]。体育教学中弯道跑应用的公式：F向心力=M（质）×g（重加速）×Tagα等于F圆周向心力=M（质）×V2/R，弯道上F向心力与所跑的半径（R）成反比，与V2、角度、M成正比[2，4]。因此合理控制F向心力能够有效调控身体锻炼时协调能力，保证身体平衡，减少体育课堂中学生快速弯道跑造成的摔伤。
（二）运动生物力学在田赛运动项目应用
以高度或远度计算的项目称田赛运动[1]。田赛运动是体育教学过程应用运动生物力学较多的运动项目，如跳高、铅球等。有研究发现跳跃类的运动项目包含了F水平和F垂直、F合三方面的作用力。跳高是跳跃类里典型的运动，它由F水平力、F垂直力、F合构成，助跑是由F水平力，起跳是由F垂直力，腾空过杆是由F合构成，三者构成跳高完整力学系统，但他们都与速度、角度、质量有关，合理分析运动生物力学有助于学生学习，减少错误动作带来的机体的损伤。铅球是发展力量素质练习的一项重要的考核指标，根据运动生物力S=V0/g[sin2α/2+cos]公式学分析铅球远度，结果发现铅球V0、角度、H有关系[5]。因此可以发现，合理利用生物力学，能够促进学生学习兴趣，也能帮助学生科学合理的锻炼力量素质。
二、运动生物力学理论教学与实践相结合作用
运动生物力学可以直接利用到体育教学课程中，促进体育教学动作的细分，为科学合理体育运动奠定基础，使竞技体育成绩提高和方法的内源理论基础提供保障，同时作为交叉学科在实践中必不可少缺少。著名的铅球教练帕克根据运动生物力学原理制定训练计划，促使21岁的巴恩斯创造23.12米世界纪录。迈克・鲍威尔於采用力学分析原理，对跳远动作细分，找到提高动作途径，最终在1991年东京奥运会上创造了8.95米世界纪录。随着科学发展，生物力学越来越被人重视，有人提出DLT，Kistler，AMTL三维测力平台系统、等速测力仪测试系统，力学测量有测角仪、惯性传感器、加速度仪、位移传感器、力传感器等，以满足不同运动项目的多种需要，此外图像自动识别仪器、高精度红外光点遥测分析系统、磁感应仪器、数学力学模型。因此，可以发现运动生物力学器材出现有助于体育教学过程多远化的发展，同时推动了运动生物力学与教学实践相结合，改善了不合理运动规律，有助于评价学生的身体机能和素质。
三、运动生物力学在体育教学中决定性作用
运动生物力学是研究运动与身体锻炼受力关系，它能够贯穿每个动作即运动模型。每个动作都是符合解剖学、运动生物力学、运动规律，运动模型将力与身体运动轨迹看作了质点运动，分析人体各结构运动与运动规律之间关系，成为体育教学中重要的理论依据[6]。运动生物力能够细化动作技术原理，促进体育教学工作，优化教学课程内容。把运动生物力学与田赛或径赛的运动项目相结合，增强了学生体能、身体形态、身体素质协调发展，使教学过程更为丰富，达到通俗易懂。因此，运动生物力学在体育教学中起到决定性的作用。
四、小结与展望
运动生物力学在体育教学过程中作用不容忽视，它驱动体育教学力学原理，加强了学生科学合理的锻炼身体，促进了体育教学过程多元化，丰富课程教学内容。运动生物力学细化的体育教学过程中动作，使体育教学内容简单性，通俗易懂，增强学生身体形态、素质、体能的协调发展。运动生物力学能够把解剖学、运动规律、动作运行轨迹紧密结合起来，这在体育教学过程中起到决定性作用。
随着时代进步，运动生物力学作为一门交叉学科已在国内多个体育院校开展，但该学科数学和物理知识较多，体育专业学生学起来比较吃力，因此如何使该门学科得到充分的发展还需要进一步探讨。国内运动生物力学的人才比英、美、意大利等国家参与社会实践活动要少，建议教育部门让更多运动生物力学人才到社会实践中指导各阶层的人科学合理锻炼，促进终身体育观念。在体育教学过程中尽量淡化考核成绩，注重体育运动生物力学在教学过程，提高学习的兴趣。
参考文献：
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生物力学测试方法范文4
关键词 生物力学 步态 最新进展 应用领域
中图分类号：R743 文献标识码：A
步行是人们在日常生活中最基本的运动方式，而步态是指人类步行的行为特征。步态生物力学研究是运用力学方法和技术，并基于人体机能解剖学和生理学的基本理论对人体行走功能状态进行测量、分析、评价的应用研究。吴剑等（2002）在“步态生物力学研究进展”中对2002年之前的研究进展进行了论述，随着科学技术的发展和三维步态分析仪器开发利用，国内外对步态研究的进程也呈现出逐步加快的趋势，但目前在众多的研究成果中，还没有对新时期步态生物力学的研究进展进行的研究，因此本文通过对步态生物力学的研究进行分析，旨在为促进步态生物力学的研究进程，为以后的研究奠定基础。
1步态的一般生物力学研究进展
1.1步态周期
步态周期是指从一侧足跟着地到该足跟再次着地所构成的周期。一个步态周期分为支撑相与摆动相2个相位。支撑相在整个步态周期中约占60%；摆动相约占40%。而跑动时支撑相约占整个步态周期的65%，摆动相约占35%。一条腿在一个完整的步态周期中经历的状态依次为：足跟着地、足放平、支撑、足尖离地、腿弯曲摆动、腿伸直向外摆动、然后足跟着地，进入新的步态周期。前4个状态是支撑相，后3个状态是摆动相。步态周期与身高的差异不显著。
1.2步长与跨步长
步长是指同侧足跟或足尖到迈步后足跟或足尖之间的距离，正常成人的步长值约为150―160cm。跨步长是指行走时一侧足跟到对侧足跟之间的最大距离，正常成年人的跨步长约为127cm，正常成年人随着年龄的增长，其跨步长与年龄成负相关，与身高成正相关，另外跨步长与步频也有相关关系。
1.3步频与步速
步频是指行走时每分钟迈出的步数，步频=60（s）/步长平均时间（s）。步速是指步行的平均速度（m/s）。对20-39岁、40-59岁、60-79岁三个年龄段的正常成人进行步态分析表明：20-39岁年龄段的正常成人的步频为1.9412，步速为1.2616；40-59岁年龄段的步频为1.8117，步速为1.0514；60-79岁年龄段的步频为1.7621，步速为0.9524 。
1.4身体质心起伏
人起步时，虽然地面作用于人的脚底的静摩擦力对人这一质点组不做功，但这一静摩擦力对人的质心做功，正因为这个功使人的质心动能增大，人才得以起步运行。另一方面，质心动能的获得，是以人体各质点克服静摩擦力相对于质心做功为代价的。这一代价来源于人体各质点间相互作用的非保守力的功。对于一个健康的成人，当其正常行走时，质心起伏的幅度约为4.4cm。
1.5关节角度
人体下肢步态运动可以简化为一个四刚体模型（包括躯干）。对于髋关节和膝关节，围绕静止站立位有曲屈和伸展两个方向，定义伸展为角度负向，弯曲为角度正向；对于踝关节有背屈和跖屈两个方向，定义背屈为角度负方向，跖屈为角度正方向。Grabiner等认为膝关节必须在支撑期完全伸直，在摆动期屈曲大约60是教谋匾跫？
2步态生物力学研究的应用
2.1功能检测与评定
步态生物力学的研究对象为生物体的移动状态，测量参数具有自主控制成分。步行的对称性和圆滑性可以根据步态分析所得的参数（包括：运动学、步态时间―距离参数和动力学参数）进行推测，稳定性和波动性可根据重心位移和力的作用点进行判断，其速度、节奏和持久性的判断则是根据步速、步频和步行的持续距离。从已有的研究中，主要对妊娠期妇女、老年人、“三瘫一截”（脑瘫、截瘫、偏瘫、截肢）的残疾者、肥胖人群的行走人群进行功能检测与评定。
邱纪方等对20例痉挛型脑瘫患儿及青年，连续进行了步态的评测（包括运动分析），其测量指标分别为：屈髋畸形（改良托马斯试验）、膝关节伸展、绳肌长度（角）、比目鱼肌长度、腓肠肌长度等。其结果表明：所有指标均与CCC具有良好的一致性（0.67～0.96）；观测者间一致性随测量指标的改变而有较大改变，CCC为0.34～0.87。髋外伸展的CCC左髋是0.34，右髋为0.42。
李艳霞等采用比利时Footscan USB2平板式足底压测试系统对体质量指数>28 kg/m2的肥胖学生进行动态足底压力测试，以此探索肥胖人群足底压力参数的分布规律。
周有礼等通过对的动力学分析，解决了孕妇完整人体检测资料缺乏的困境，为发现妊娠妇女步态研究奠定了基础，但是缺乏具体的评价指标。
王琳等采用横向比较性研究设计法对中国青春期前BMI（体重指数）小于30 kg/ m2的男性肥胖儿童和体重正常的男性儿童在步态和姿势控制方面是否存在差别进行了研究，结果显示：肥胖儿童在步态的稳定性和姿势控制上均不如正常儿童的稳定。
2.2疾病的预防
生物力学测试方法范文5
关键词：排球；跨步垫球；运动学分析
一、前言
排球跨步垫球及以其为基础的各种低姿势垫球是排球比赛过程中使用频率较高的垫球技术动作，它又是各种低姿垫球动作的基础。现代排球教材中，缺乏对其技术动作科学化的描写和分析，导致在现实教学中，教学标准不统一，教学效果也不理想。因此，本文采用三维高速摄影解析技术对跨步垫球技术特点进行分析研究，旨在探寻跨步垫球技术的动作结构特征，丰富和完善排球技术教学和教材理论，给动作技术教学、训练、评价、诊断提供客观的理论依据。
二、研究对象与方法
1.研究对象
研究对象为湖南师范大学男子排球队的3名和湖南师范大学女子排球队的1名主力运动员。研究内容为排球跨步垫球技术。
2.研究方法
本课题的研究方法主要采用实验法，运用三维高清摄像解析系统对优秀排球运动员的排球跨步垫球技术进行运动学的研究。
（1）文献资料法
查阅了中国期刊全文数据库里近二十年来关于排球垫球技术及运动生物力学相关研究的文献资料、相关论文和著作中对排球技术的研究情况和生物力学的研究进展并形成了文献综述，为本研究打下了扎实的研究基础。
（2）专家访谈法
咨询有关的运动生物力学研究专家和教师，向其请教以往写作过的论文中所涉及的实验方法、设计及数据处理和分析等方面的问题。
（3）实验法
采用三维高清摄影图像解析技术，对技术动作的结构特征进行分析。
（4）数理统计法
数据利用QToolS软件和Excel软件对获得的数据指标进行计算和统计。
3.测试程序
模拟比赛情况，受试者进行充分准备活动后，按实验要求，在专家的指导下让四名受试运动员在测试范围内作跨步垫球动作，每名测试对象完成两次跨步垫球，按规范标准进行拍摄（以右侧跨步动作为例）。由现场专家选定效果较好、技术较规范的两名运动员的跨步垫球动作作为分析对象，然后计算数据的平均值。
4.测试方法
采用三维定点摄像的方法，用两部高清摄影机，对实验测试对象的跨步垫球技术进行三维定点拍摄，运用相应的解析系统对其动作技术进行解析，得出测试指标参数。一部置于运动员的右侧，一部置于运动员的前方，两部摄像机主光轴约成 90度，拍摄频率为50Hz。高清录像拍摄，频率25帧/秒，经奇偶场分离后频率相当于50场/秒。采用2台sony FX-2000E高清摄像机拍摄视频。
标定框架采用国家体育总局体育科学研究所的PEAK辐射式三维标定框架，标定精度高。选择被分析的动作时，选择的整个动作位于框架标定范围内。
使用SIMI motion视频解析系统对技术动作进行解析，采用扎齐奥尔斯基人体模型，人体模型取系统软件自带的人体模型，分析数据包括身体重心、躯干、各关节点位移速度、以及各关节和躯干的角度和各时段的时间等数据，所得数据采用数字化滤波法进行平滑处理，截断频率为10，用EXCEL 2000对视讯系统得到的数据进行坐标转换、计算得到运动学数据，并编辑公式计算人体基本平面方程系数以及关节点在各个平面的投影坐标，再用Q-Tools计算关节角度。用Origin7.0做三维坐标图。对解析出的数据进行对比分析与研究，并做参数间的相关分析，运用相关参数数据描述动作过程，建立整个动作结构相关环节间夹角、角速度、角加速度、速度、身体重心等量化指标和参数，揭示动作过程的运动学特点和规律。
三、动作阶段的划分
动作阶段划分是研究技术动作的重要环节。排球运动员跨步垫球技术是由准备姿势、跨步、垫球、随后动作四个环节组成，而对击球效果起决定作用的是跨步和垫球两个环节。为了确定动作结构和时相划分方便，本文首先确定了不同动作阶段的临界点，它可表征各动作阶段基本力学特征与动作质量。我们依照排球跨步垫球动作的顺序把跨步垫球动作分为：跨步阶段（1.4s-3.3s）、击球阶段（3.3s-4.1s）、随后阶段（4.1s-5.2s）。
四、研究结果与分析
1.排球跨步垫球技术下肢各环节运动学分析
（1）膝关节的运动
膝关节的角度特征如下：
从图1中可以看出左、右膝关节角在0～2.64s时段的变化趋势并不相同。2.64s时刻为跨步脚刚着地的时刻。右膝关节角变化曲线在该阶段有一个明显的先下降后上升的过程，而左膝关节则是一个逐步下降的过程。右膝关节在跨步阶段要向前跨出一步完成跨步动作，在跨步过程中右膝关节先屈曲后伸展。在跨步阶段身体重心落在左脚上，此时左脚起着支撑整个身体的作用，并保持重心稳定性，因此左膝关节角在跨步阶段变化很小。在2.64s后，左、右膝关节的变化趋势完全相同，当跨步脚着地后，左、右膝关节开始同时屈曲，降低身体重心。到击球前屈曲值达到最大，身体重心此时处于最低，随后双脚蹬地，同时双臂上摆击球。
跨步垫球技术在跨步阶段膝关节有一个屈膝重心下降的动作，这个动作是跨步垫球技术的重要组成部分，目的是通过拉伸膝关节蹬伸主动收缩肌群，增大肌肉收缩初长度储备弹性势能，同时增加垫球时的垫球距离，为后继膝关节蹬伸动作做好准备。而且在判断来球的方向和速度后通过跨步动作还能及时调整击球的最佳时机和部位。在跨步垫球技术中左膝最大屈曲角度为60.6°。右膝最大屈曲角度为59.89°。下肢屈膝身体重心下降的动作幅度太大或太小都不能产生最佳的蹬伸效果，不利于整个垫球动作的完成。如果膝关节屈曲幅度过大，就会造成膝关节伸肌群过大的对抗负荷，进而影响膝关节的伸展速度及躯干和上肢各环节的整体配合。反之，膝关节屈曲幅度过小，又不能充分拉长伸膝主动收缩肌群，影响主动收缩前弹性势能的储备，进而影响到蹬伸效果。跨步垫球技术下肢的蹬伸动作主要是使髋关节产生向上的运动，通过下肢的蹬伸带动手臂向上摆动，保证击球时动作的稳定性。由于不同运动员的身材和身体素质的不同，因此不同的运动员最佳膝关节的屈曲角度和身体的下蹲深度也不相同。合理的膝关节屈曲角度有助于运动员发挥最佳技术动作。
（2）踝关节的运动
由图2可知：从跨步开始，右踝关节角度不断增大，而左踝关节角度不断减小，这是由于跨步开始时，身体以左脚为支撑，右脚向前方跨出一步，随后身体重心下移，直至跨步结束。由于右脚向前跨步，右踝关节与左踝关节正好相反，不断增大，直至跨步后右脚脚跟与地面接触时增至最大。
2.排球跨步垫球技术动作整体分析
排球跨步垫球合理的动作节奏应该是身体自下位关节至上位关节的速度依次递增。各运动环节的递增量越大，说明动作的动量传递效果越好。跨步垫球技术动作的跨步阶段，单脚向前跨出一步，同时身体重心下移，躯干稍向前倾，双手手臂伸直下压，为后继击球动作调整好击球的时机和方位，同时储备了弹性势能，增加了肌肉收缩做功距离。击球动作阶段，通过下肢蹬伸、躯干和上肢各运动环节的依次加速与制动，将速度传递至手臂，手臂通过从来球的下部向上抬，以达到最佳的击球速度，将球平稳而有力地击出。击球时身体主要环节的活动顺序为膝―髋―肩―肘和手腕。从完整技术动作上看，跨步垫球是在拉长相关主动收缩肌的条件下，首先由下肢肌肉主动收缩用力，然后是上肢各环节肌肉群的收缩用力，这种动作时序符合垫球技术动作力学原理。合理的技术动作能充分发挥躯干肌肉和下肢肌肉的爆发加速作用，不要过多地单纯依靠上肢运动环节加速，这样才能使上肢肌肉有较大的能量储备，同时保证动作的稳定。在击球动作阶段上肢肌肉感觉敏锐，控制手臂的方位和调控击球时间，并保证击球最佳的击球点和击球时机。因此应加强下肢的蹬伸力量，并在击球时加强下肢的蹬伸作用，从技术上保证下肢和躯干肌肉合理的爆发加速功能，为上肢各环节的依次加速提供运动初速度。
五、结论
1.跨步垫球技术动作结构的分类
本研究对排球跨步垫球技术的尝试性划分是对目前排球跨步垫球技术划分理论的大胆尝试。笔者根据运动生物力学中关于技术动作的阶段划分原理，根据动作结构与动作任务的不同，把排球跨步垫球术分为跨步阶段、击球阶段和击球后的随后阶段。
2.跨步垫球技术下肢的运动学特征
左膝最大屈曲角度为60.6°，左膝最大蹬伸角度为159.5°，左膝关节的活动幅度为98.9°。右膝最大屈曲角度为59.89°，右膝最大蹬伸角度为119.8°，右膝关节的活动幅度为59.1°。膝关节屈曲幅度过大，就会造成膝关节伸肌群过大的对抗负荷，进而影响膝关节的伸展速度及躯干和上肢各环节的整体配合。反之，膝关节屈曲幅度过小又不能充分拉长伸膝主动收缩肌群，影响主动收缩前弹性势能的储备，进而影响到蹬伸效果。
六、结语
跨步垫球技术在比赛中与其他垫球技术相比应用广泛，技术结构较为合理。采用跨步，身体重心位于两支撑脚之间，支撑比较稳定。跨步垫球有利于肌肉用力的控制，也就可以较好地控制来球。
今后应结合三维动力学进行进一步的其他同类研究，通过同步装置，对跨步垫球进行运动学与动力学的同步分析，只有这样才能更全面地分析跨步垫球的技术特征和内在规律。
对于排球运动的技术原理等课题还有待于我们去深入研究，揭示其科学的本质和内在的规律、科学化发展，这样才可以更好地使排球运动得以更广泛的普及和更科学化的发展。
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生物力学测试方法范文6
【摘要】 ［目的］研制一种新型的齿轮撑开式脊柱复位固定板装置（GDP），进行生物力学测试并评价其生物力学性能。［方法］采用医用钛合金制成GDP植入物，用不锈钢制成专用工具。18具新鲜小牛腰椎标本随机分为3组，对GDP组内固定进行载荷－应变、载荷－位移、强度、刚度、扭转强度及极限承载能力测试，并与对照组（CD、Steffee）对比分析。［结果］齿轮撑开式脊柱复位固定板（GDP）组在载荷－应变、载荷－位移、强度、刚度、扭转强度及极限承载能力方面均优于对照组，统计学分析有显著性差异（P
【关键词】 齿轮撑开式； 脊柱复位固定板（GDP）； 内固定； 生物力学
Abstract：［Objective］A new device of geardistraction plate (GDP) for spine reduction and fixation was designed and its biomechanical characteristics was evaluated.［Method］The GDP implants were made of titanium alloy (TC4，Ti6AL4V) and the instruments were made of stainless steel after design.Eighteen fresh calf lumbar specimens were randomly pided into three groups， the GDP group had a biomechanical test contrast to control group(CD， Steffee) in loadresponsive change， loaddisplacement， strength， stiffness， torsion intensity and ultimate strength.［Result］Results It is better than control group in loadresponsive change， loaddisplacement， strength， stiffness， torsion intensity and ultimate strength， there was a significant difference between them (P
Key words：gear distraction plate (GDP); fixation plate; internal fixation; biomechanics
目前用来治疗脊柱骨折的后路内固定器械主要以钉棒系统为主，板式结构由于撑开作用差，复位骨折椎体的效果欠佳，因此临床应用者愈来愈少，逐渐处于被淘汰的境地。为克服板式结构不能撑开的难题，作者在复习文献的基础上设计出一种新型的可撑开的脊柱后路复位固定板装置即齿轮撑开式脊柱复位固定板（GDP）装置，并通过离体生物力学对比研究了解GDP的生物力学特性，为临床应用提供依据。
1 器械结构
GDP由带齿条的固定板（带有弧度）、齿状撑开螺帽、椎弓根钉、横向连接杆组成（图1）。（1）固定板：为适应脊柱不同节段固定的需要，根据影像学测量固定板的设计长度为55～85 mm，弧度为－6.5°～20°，根据不同椎体的高度及临床压缩的程度，齿条的设计长度为10～30 mm，固定板厚5 mm，宽14 mm，固定板上有连接横向连接杆的滑动槽;（2）齿状撑开螺帽：为撑开椎体的关键部件，其齿轮与固定板的齿条吻合，中空内径为6 mm，壁厚1 mm，齿高、宽各1 mm;（3）椎弓根螺钉：为锥形，基底部与六角锥面的螺母铸为一体，外径35～70 mm，长度20～55mm;（4）横向连接杆为板式，宽4 mm，厚2 mm，长度25～45 mm，内有槽形孔，可以方便与固定板连接。
2 材料与方法
2.1 实验材料
采用新鲜小牛脊柱（T12～S1)标本共18具，平均年龄2.8个月（2～3个月），雄性13具，雌性5具，均属随机取样，并剔除病理标本，X线片显示为正常标本。
图1 齿轮撑开式脊柱复位固定板装置结构图
2.2 标本制备
截取标本后仔细剔除局部附着肌肉，保留韧带及关节突，然后密封保存在－20℃的冰柜中，测试前逐步解冻，实验标本上下两端浇灌骨水泥平台，以便于精确加载，两平台之间平行度≤1°（图2）。同时在脊柱L3前方（A测试点）和后侧椎弓处（B测试点），按实验力学要求分别粘贴应变式传感器，应变要求预调范围达到2 500 u±2%，灵敏度﹤2 uε，位移测量采用KG－101光栅数显高精度测量仪，精度达到0.01%，并附以千分表监测。
图2 脊柱内固定生物力学测试示意图
2.3 标本分组
将标本分为实验组（GDP）及对照组（CD、Steffee），每组各6具，（三组器械皆为同一厂家相同材料制造，长度相同）。损伤腰椎标本的制作，参照Panjabi［1］方法在标本上造成屈曲型压缩骨折模型，拍摄X线片显示脊柱不稳，然后安装齿轮撑开式脊柱复位内固定板装置加以固定。对照组分别用CD及Steffee钢板固定。
2.4 生物力学测试
标本测试按轴向压缩、前屈、后伸和侧屈4种不同生理工况建立实验力学模型。 腰椎载荷采用分级加载，由0～500 N加生理载荷，以100 N为分级载荷。加载速度应控制在1.4 mm/min的速率，加载重心在腰椎的力学对称轴上。脊柱的垂直及水平位移用KG101高精度数显光栅位移传感器测量，应变由YJ14数字应变仪采集。实验前加预载，以消除脊柱松弛，蠕变等时间效应影响，然后正式测试，30 s内采集一次数据，重复多次以提高精度，试验过程中标本用生理盐水保持湿润新鲜状态。
2.5 数据统计处理
脊柱生物力学试验中的应变、位移、应力、扭矩、扭角等力学量先进行数据处理，从而得到一个满意的估计值和置位区间。然后以线形回归、方差分析，经最小二乘法处理。按数理统计加以检验，计算其相关参数、t检验、精度分析。计算统计分析采用标准的SPSS 10.0软件在计算机上进行，设定显著性水平为P
3 结 果
3.1 脊柱载荷－应变变化
腰椎上A、B测试点在不同载荷下载荷—应变曲线呈线性变化，应变随载荷的增加而增大，卸载后基本恢复原状。腰椎A、B测试点上GDP内固定椎体应变最小，而相应对照组（CD、Steffee）的应变较大，在脊柱不同的生理工况下（垂直压缩、前屈、后伸、侧屈），实验组内固定的平均应变比CD组小13％，比Steffee组小22％。因此GDP器械固定明显占有优势，固定效果最好，并接近于脊柱正常水平，在相同的应变水平下，GDP器械所承受的载荷比其他类型固定要高的多，结果统计具有显著意义（P
3.2 脊柱载荷－位移变化
脊柱在不同内固定器械固定下负荷后，脊柱会发生压缩性位移和水平位移。本实验18具标本在不同生理工况下载荷－位移变化结果发现随着生理载荷的增加，脊柱纵向位移和水平位移呈线性变化增加，卸载后恢复原状。3种不同器械的内固定都能达到牢固固定，引起的位移比较小，GDP组的平均压缩位移比CD组小12％，比Steffee钢板固定组小23％，两两相比有显著性差异（P
3.3 椎体的强度变化
椎体的强度反映在椎体上的应力变化，根据胡克定律：椎体上的应力与应变成正比，而应变值由应变实验而得，如果器械固定好，应力集中小，应力传导通畅，如果固定不好，在椎体上引起的应力集中现象明显且应力很大。本实验中GDP器械组的应力最小，平均7.19 MPa，固定效果最好，最牢固；而CD组8.22 Mpa，Steffee钢板组9.25 MPa，比CD组平均应力小13％，比Steffee钢板组的平均应力小22％，两两相比统计显示具有显著性差异（P
3.4 脊柱的轴向刚度和水平刚度
这里所谓脊柱的轴向刚度是指脊柱在载荷作用下，脊柱抵抗轴向变形能力的大小；同样脊柱的水平刚度是指抵抗水平剪切变形能力的大小。采用GDP器械固定组的轴向刚度最高，而CD固定组相对较差，两者相差15％；与Steffee固定组两者相差23％，两两比较，统计显示两者均显显著性差异（P
3.5 脊柱的扭转力学性能
扭转力学性能是指脊柱扭转强度大小及扭转角大小，它是衡量脊柱扭转力学特性好坏的两个力学变量。不同内固定器械抵抗扭转的强度和刚度各不相同，一般来说，比较好的内固定器械能够具有相当高的扭转强度和刚度，抵抗扭矩能力很强。结果表明，GDP器械内固定在等量扭矩作用下，扭角最小，固定后不容易引起腰椎的扭转变形，它比CD组的扭角变形小10％，比Steffee钢板组的扭角变形小17％，说明GDP器械占有较高的优势，抗变形能力强，抗扭转性能好，统计分析显示具有显著性差异（P
3.6 腰椎的极限力学性能
根据试验可以看到在很大载荷下2000～3000 N，椎体不断压缩变形，椎间盘不断膨出变形，椎体中部向内凹陷，体液不断渗出，在原来骨折处再裂开，发生再骨折，而内固定器械钉杆角明显变小，器械开始变形，螺钉转动发生挛曲变形。而对照组器械松动明显，有的甚至滑动，椎体不断骨折而破坏。结果显示：GDP器械内固定时极限载荷最高为3 750 N，其次是CD组器械的极限载荷为3 050 N，Steffee器械为2 250 N，三者相比互相相差19％和40％，统计显示具有显著性差异（P
4 讨 论
4.1 GDP装置的特点
（1）解决了板式结构撑开困难的缺点，固定板内孔侧壁上有齿条，齿状撑开螺帽在齿条上滚动，螺帽的中孔容纳椎弓根钉的尾部，带动椎弓根钉向一侧移动，这样就实现了板式结构的撑开作用。齿条的长度为撑开间距，根据测量椎体及椎间隙的高度，我们设计齿条的长度为3 cm，保证有足够的撑开间距，这样可充分恢复压缩椎体的高度；（2）固定板本身带有弧度，根据不同脊柱节段，固定板的弧度设计为－5°、0°、5°、10°、15°、20°等多种弧度，使椎弓根钉与固定板之间形成不同的角度即“钉板角”，它对前柱和中柱的纵向撑开复位具有重要的作用。齿状结构及钉板角的设计不仅弥补了以往钉板结构的椎弓根固定器缺乏纵向撑开力的不足，而且改变了以往钉板结构固定器椎弓根钉水平承载为仰角承载，分解了椎弓根钉头端的压缩负荷，这对减少术后弯钉、断钉有重要意义［2］。GDP利用钢板的弧度与脊柱骨折后凸畸形之间的凸面失偶现象，通过椎弓根钉的反牵作用，对脊柱产生一个过伸折顶复位（图3）；加上齿状撑开螺帽的纵向撑开复位作用，两种复合力的结合，使GDP将传统的椎弓根固定器以纵向撑开复位为主改变为折顶复位和纵向撑开复位的联合复位。这种复位机制的改变不仅实现了均称的三柱前凸牵开复位，而且同时降低了在复位过程中椎弓根钉的压缩负荷，减少了术中复位引起的弯钉与钉的疲劳。术后GDP对固定区域的椎体仍产生一个持续向前的推力，增加后伸力矩来抵抗外伤后脊柱后凸所致的前屈力矩，这对防止后凸畸形复发，维持腰椎生理前凸均有重要意义。GDP在骨折椎体的折顶复位着力点并不是在椎板而是在椎弓根。椎弓根是椎体最坚固的部位，堪称为“力核支柱”，一般不易发生骨折，是承受折顶复位的可靠基础。因此对合并椎板骨折或实施椎板减压后并不影响GDP的使用。
4.2 GDP生物力学特点
（1）GDP本身带有圆滑的弧度，使应力传导均匀；固定板与螺钉之间采用嵌入式连接，连接牢固且切迹低，使固定板紧贴脊柱后柱，有利于力的传导；实验证明在相同载荷下其载荷－应变，载荷－位移均较对照组小，而其轴向刚度与水平刚度高于对照组，统计分析显示均有显著性差异（P
本内固定板系统和目前临床上应用的钉棒系统复位原理不尽相同，它不需要折弯和转棒，属于短节段固定器械，固定节段少，保留了脊柱大部分功能活动。
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