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運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征范文1
關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)；膝關(guān)節(jié)；等速向心收縮；跳高；排球
中圖分類號(hào)：G804.66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-7116(2009)03-0105-03
膝關(guān)節(jié)作為人體運(yùn)動(dòng)的主要關(guān)節(jié)，其工作能力和效率往往制約著許多項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)水平和良好運(yùn)動(dòng)成績(jī)的獲得，掌握不同項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)的力學(xué)特征，探索在不同速度下肌肉活動(dòng)的規(guī)律，對(duì)科學(xué)指導(dǎo)力量訓(xùn)練、提高運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練水平等具有非常重要的意義。本文旨在通過應(yīng)用等速技術(shù)對(duì)跳高、排球運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)肌力的測(cè)試。找出其主要差異和各自的肌力特征，以了解不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員同一肌群的肌肉工作特點(diǎn)，從而為運(yùn)動(dòng)員的選拔及輔助訓(xùn)練手段的使用提供科學(xué)依據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及方法
1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象
成都體育學(xué)院22名排球運(yùn)動(dòng)員和28名跳高運(yùn)動(dòng)員，均為一級(jí)運(yùn)動(dòng)員。
1.2 實(shí)驗(yàn)儀器
采用美國(guó)Lumex公司的Cybex-6000測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行膝關(guān)節(jié)屈、伸肌力測(cè)試，此測(cè)力系統(tǒng)由等速動(dòng)力儀(Dynamometer)、測(cè)試條凳(U.B.X.T)、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等組成。測(cè)試前對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)校正。
1.3 測(cè)試方法
測(cè)試前對(duì)等速測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)標(biāo)定，受試者測(cè)試前進(jìn)行常規(guī)10min熱身，測(cè)試部位為雙側(cè)膝關(guān)節(jié)的股四頭肌和繩肌，測(cè)試時(shí)，受試者坐在測(cè)試椅上，雙手環(huán)抱胸前，上體及大腿均用寬帶固定，坐位的角度約為110°，膝關(guān)節(jié)的軸心與動(dòng)力臂的軸心一致，動(dòng)力臂末端的阻力墊固定在踝關(guān)節(jié)內(nèi)踝上緣3cm處，設(shè)置關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍0°～90°。測(cè)試前儀器系統(tǒng)校準(zhǔn)。股四頭肌、繩肌等速向心收縮測(cè)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(cè)試間隔2.5min。測(cè)試時(shí)先進(jìn)行3次練習(xí)，然后進(jìn)行5次正式測(cè)試。
相對(duì)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(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，應(yīng)用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行不同組之間測(cè)試結(jié)果比較。
2 結(jié)果及分析
2.1 排球、跳高運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)屈肌和伸肌相對(duì)峰力矩
從表1可知，跳高運(yùn)動(dòng)員優(yōu)勢(shì)腿、非優(yōu)勢(shì)腿股四頭肌相對(duì)峰力矩在360(O)／s和90(O)／s上均大于排球運(yùn)動(dòng)員(P＜0.05)，而排球運(yùn)動(dòng)員繩肌相對(duì)峰力矩與跳高運(yùn)動(dòng)員無明顯差異(p＞0.05)。隨著測(cè)試速度的變化(90～360(O)／s)，相對(duì)峰力矩測(cè)試值呈下降趨勢(shì)。
2.2 排球、跳高運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)膝關(guān)節(jié)肌力差異比較
每次測(cè)試中的峰力矩將作為計(jì)算雙側(cè)肌力差異的參數(shù)，雙側(cè)肌力差異計(jì)算公式：(優(yōu)勢(shì)腿峰力矩一非優(yōu)勢(shì)腿峰力矩)／優(yōu)勢(shì)腿峰力矩×100％，從表2可知，排球運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)股四頭肌峰力矩差異程度與跳高運(yùn)動(dòng)員相近(p＞0.05)，排球運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)繩肌峰力矩(360(O)／s)差異程度與跳高運(yùn)動(dòng)員相近(p＞0.05)，而排球運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)腦繩肌峰力矩(90(O)／s)差異程度顯著小于跳高運(yùn)動(dòng)員(P＜0.05)。
2.3 排球、跳高運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)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(yùn)動(dòng)員在90(O)／s的速度下測(cè)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(yùn)動(dòng)員(P＜0.05)，而360(O)／s的速度下測(cè)得的股四頭肌與胭繩肌峰力矩比值(H／Q)與跳高運(yùn)動(dòng)員無明顯差異(p＞0.05)。隨著角速度的變化(90～360(O)／s)，排球運(yùn)動(dòng)員和跳高運(yùn)動(dòng)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(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代后期，首先由Hislop和Perrine提出等速運(yùn)動(dòng)的概念，被認(rèn)為是肌力測(cè)試和訓(xùn)練的一項(xiàng)革命。目前，國(guó)外已普遍將等速測(cè)力結(jié)果用來作為評(píng)價(jià)被試者肌肉系統(tǒng)的機(jī)能狀態(tài)的指標(biāo)。在運(yùn)動(dòng)生理學(xué)研究中，主要用來評(píng)價(jià)不同專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員完成主要技術(shù)動(dòng)作所需肌肉的功能狀況以及受傷肢體的康復(fù)狀況。等速測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，實(shí)際上最常用的是峰力矩(peak torque，PT)，峰力矩指肌肉收縮產(chǎn)生的最大力矩輸出，即力矩曲線上最高點(diǎn)處的力矩值。在等速測(cè)試中，PT值具有較高的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，被視為等速肌力測(cè)試的黃金指標(biāo)和參考值。
本研究中跳高運(yùn)動(dòng)員優(yōu)勢(shì)腿、非優(yōu)勢(shì)腿股四頭肌相對(duì)峰力矩在360(O)／s和90(O)／s上均大于排球運(yùn)動(dòng)員，而排球運(yùn)動(dòng)員繩肌峰力矩與跳高運(yùn)動(dòng)員無明顯差異，這提示：跳高運(yùn)動(dòng)員伸肌快速和慢速收縮時(shí)，其最大肌力均好于排球運(yùn)動(dòng)員，分析認(rèn)為，跳高項(xiàng)目對(duì)股四頭肌向心收縮肌力要求更高。隨著測(cè)試速度的增快，跳高、排球運(yùn)動(dòng)員的膝關(guān)節(jié)屈伸肌峰力矩呈下降趨勢(shì)，原因可能是收縮元中的橫橋斷開時(shí)損失肌力，在收縮過程中再形成橫橋時(shí)也要損失肌力；而速度的增加造成收縮元和結(jié)締組織中的黏滯阻力增加也會(huì)影響屈伸峰力矩的大小。
膝屈伸肌力量的平衡是保持關(guān)節(jié)穩(wěn)定的主要因素。膝關(guān)節(jié)屈肌和伸肌峰力矩比值(H／Q)是評(píng)價(jià)膝關(guān)節(jié)屈伸肌力平衡的重要指標(biāo)，對(duì)判斷膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性有重要意義。一般認(rèn)為在膝關(guān)節(jié)康復(fù)過程中，除了肌力絕對(duì)值恢復(fù)外，H／Q值的重建可能是康復(fù)及預(yù)防再受傷的重要指標(biāo)。國(guó)外學(xué)者認(rèn)為H／Q的正常范圍為60％～67％，國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)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(fā)育史角度來看，股四頭肌在克服地心引力、承擔(dān)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(guān)節(jié)穩(wěn)定性角度來看，當(dāng)膝關(guān)節(jié)伸直以及微屈時(shí)，體重作用于膝關(guān)節(jié)伸屈軸的后面，使膝關(guān)節(jié)趨向于進(jìn)一步屈曲，此時(shí)便需要股四頭肌的收縮來對(duì)抗此運(yùn)動(dòng)。另一方面，如果膝關(guān)節(jié)過度伸展，就會(huì)很快被膝后關(guān)節(jié)囊和有關(guān)韌帶所限制，同時(shí)由于此時(shí)屈肌受到牽拉而引發(fā)肌牽張反射也會(huì)抑制膝關(guān)節(jié)的過度伸展。本研究中跳高運(yùn)動(dòng)員在90(O)／s的速度下測(cè)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(yùn)動(dòng)員(p＜0.05)。造成這種結(jié)果的原因可能是跳高運(yùn)動(dòng)員伸肌峰力矩顯著大于排球運(yùn)動(dòng)員，而屈肌峰力矩與排球運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員。運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行股四頭肌力量訓(xùn)練的同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)繩肌力量訓(xùn)練以保持拮抗肌與主動(dòng)肌力量的平衡，這對(duì)提高運(yùn)動(dòng)能力、防治運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷有重要作用。測(cè)試結(jié)果還表明，隨著角速度的變化(90～360(O)／s)，排球運(yùn)動(dòng)員和跳高運(yùn)動(dòng)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(jié)果一致。
運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征范文2
摘要：隨著力學(xué)著手于生物體，尤其是人體相關(guān)運(yùn)動(dòng)研究的開展，生物力學(xué)成為交叉領(lǐng)域中重要的學(xué)科體系，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是基于生物力學(xué)學(xué)科之上，結(jié)合體育科學(xué)體系產(chǎn)生的一門新興學(xué)科，它的產(chǎn)生和發(fā)展，在我國(guó)此學(xué)科在理論、研究方法、測(cè)量分析等方面均取得了一定的發(fā)展。但考察分析運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)和生物力學(xué)的現(xiàn)狀，在喜悅于長(zhǎng)足進(jìn)步的同時(shí)，不得不承認(rèn)，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的基礎(chǔ)理論并不完備，發(fā)展趨勢(shì)仍有局限。
關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)
我國(guó)現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)出現(xiàn)于上世紀(jì)五十年代末期,開始階段只有少數(shù)幾個(gè)體育學(xué)院開了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)講座或選修課,國(guó)家體委科研所成立了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究組。由于眾所周知的原因,運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在這一時(shí)期發(fā)展緩慢，到現(xiàn)在雖然有了質(zhì)的飛躍，但是不能忽視這門學(xué)科本身還是有待完善的。本文就運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在我國(guó)的研究方法、研究領(lǐng)域和方向及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述和分析，并對(duì)我國(guó)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)作出一些展望。
一、我國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究現(xiàn)狀
1.研究方法
（1）常用的研究方法及儀器。在中國(guó)體育科學(xué)學(xué)會(huì)和原國(guó)家體委科教司的支持下,運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分會(huì)組織國(guó)內(nèi)多名本學(xué)科的專家、教授討論、撰寫成的《運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測(cè)量方法》一書編入了當(dāng)前運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究中使用的主要方法和儀器。包括運(yùn)動(dòng)學(xué)方法中的平面定機(jī)、平面跟蹤、立體定機(jī)攝影攝像測(cè)量方法;動(dòng)力學(xué)方法中的三維測(cè)力臺(tái)測(cè)試方法、等速測(cè)力儀測(cè)試方法;生物學(xué)方法中的人體形態(tài)學(xué)測(cè)量方法、人體重心測(cè)量方法、肌電測(cè)量方法等。另外還收入了一些國(guó)內(nèi)使用尚不普及和少量國(guó)外新近使用的測(cè)量方法,包括運(yùn)動(dòng)學(xué)方法中的立體跟蹤攝影攝像測(cè)量方法、紅外光點(diǎn)攝像、激光測(cè)試儀、分段計(jì)時(shí)測(cè)量方法;動(dòng)力學(xué)方法中的A.K.M 和B.K.M 測(cè)力儀測(cè)力方法、T.K.K 測(cè)力儀測(cè)力方法、賽艇多參數(shù)遙測(cè)分析系統(tǒng)測(cè)試方法、動(dòng)態(tài)力的應(yīng)變測(cè)試方法、人體運(yùn)動(dòng)能量測(cè)量方法。此外,還有多機(jī)同步測(cè)量方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析方法、數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)仿真方法以及運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測(cè)試資料的統(tǒng)計(jì)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(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用: 高清晰度、高速度(100～200 場(chǎng)/s以上) 的攝機(jī)和錄像解析系統(tǒng)。圖像自動(dòng)識(shí)別儀器開始應(yīng)用。高精度的紅外光點(diǎn)遙測(cè)分析系統(tǒng)已用于研究實(shí)踐。運(yùn)動(dòng)專項(xiàng)的測(cè)試儀器和運(yùn)動(dòng)器材的研制。磁感應(yīng)測(cè)量?jī)x器研制成功。數(shù)學(xué)力學(xué)模型和人體運(yùn)動(dòng)仿真在體育運(yùn)動(dòng)技術(shù)研究中的應(yīng)用。運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析的“專家系統(tǒng)”與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已經(jīng)應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)技術(shù)研究。肌電圖測(cè)試分析向定量化邁進(jìn)［2］。
2.目前我國(guó)的研究領(lǐng)域
（1）優(yōu)化運(yùn)動(dòng)技術(shù)。針對(duì)某一特定運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目（ 如田徑、球類、速滑等）進(jìn)行分析，改善運(yùn)動(dòng)技術(shù)的表現(xiàn)。如《對(duì)我國(guó)4名優(yōu)秀短道女運(yùn)動(dòng)員彎道技術(shù)的生物力學(xué)分析》、《用力學(xué)原理分析直道滑跑技術(shù)》、《排球前后排扣球運(yùn)動(dòng)學(xué)分析》等［3］。這些研究以使運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練科學(xué)化，符合力學(xué)原理，符合人體規(guī)律，從而獲得最佳的技能表現(xiàn)。
（2）改進(jìn)人體基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)如走、跑、跳、推、拉等，除此之外，還包括區(qū)別于競(jìng)技運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目動(dòng)作、動(dòng)作系的研究。如《走步運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榕懿絼?dòng)作下肢和骨盤之運(yùn)動(dòng)學(xué)變化分析》、《步態(tài)生物力學(xué)研究進(jìn)展》等［4］。大眾體育和學(xué)校體育受到的重視遠(yuǎn)遜于競(jìng)技體育，實(shí)際上，這些研究是非常重要的，因?yàn)檫@些技術(shù)研究只有專業(yè)的運(yùn)動(dòng)員和教練員才會(huì)用得上，對(duì)于大多數(shù)人而言，充分體現(xiàn)“ 民本思想”，改善人體基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)、改善健康的研究才是真正需要的。
（3）數(shù)學(xué)模式與模擬。這類數(shù)學(xué)模式模擬及電腦模擬的研究針對(duì)運(yùn)動(dòng)技術(shù)及人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，此類研究有別于一般儀器進(jìn)行測(cè)量的方法，所以單分為一類［5］。
（4）運(yùn)動(dòng)器材設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)。主要關(guān)于運(yùn)動(dòng)器材設(shè)計(jì)及力學(xué)特征分析，如網(wǎng)球拍、運(yùn)動(dòng)鞋、訓(xùn)練器材等。這方面的研究如《不同勁度網(wǎng)球拍對(duì)恢復(fù)系數(shù)的影響》、《不同質(zhì)地泳衣對(duì)速度的影響分析》等。
（5）運(yùn)動(dòng)傷害的研究。主要對(duì)運(yùn)動(dòng)傷害機(jī)制及運(yùn)動(dòng)護(hù)具進(jìn)行研究，避免運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生。如《體能動(dòng)力損傷機(jī)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(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究方法、測(cè)試方法來分析造成傷害的動(dòng)作規(guī)律，與人體結(jié)構(gòu)結(jié)合總結(jié)得出預(yù)防運(yùn)動(dòng)傷害的方法［6］。
（6）人體測(cè)量學(xué)的研究由清華大學(xué)、白求恩醫(yī)大和國(guó)家體科所合作，采用CT測(cè)試方法結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理分析系統(tǒng)，于1995年正式完成了中國(guó)成年人人體慣性參數(shù)的測(cè)定。
二、我國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)
通過對(duì)第六屆全國(guó)體育科學(xué)大會(huì)和第十八屆國(guó)際運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)年會(huì)的對(duì)比分析，可以大致看出我國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。
（1） 計(jì)算機(jī)是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)發(fā)展的核心。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的理論研究將偏重于計(jì)算方法的準(zhǔn)確和簡(jiǎn)煉、理論研究的系統(tǒng)性和完整性。借助電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)快速精確的測(cè)量和實(shí)時(shí)處理人體運(yùn)動(dòng)的各種力學(xué)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合分析和聯(lián)機(jī)分析，以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制是科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。
（2） 競(jìng)技體育方面的研究更加依賴高新技術(shù)。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究將更加注重訓(xùn)練實(shí)踐，研究成果要能為競(jìng)技體育服務(wù)，運(yùn)動(dòng)測(cè)試儀器的專項(xiàng)化以及高新技術(shù)和高新材料和儀器的創(chuàng)新和發(fā)展是這一發(fā)展方向的具體體現(xiàn)。
（3）運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)的研究將更加深入，而且與運(yùn)動(dòng)專項(xiàng)結(jié)合更加緊密，肌肉生物力學(xué)已成為熱門課題，對(duì)預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷的研究也將是一個(gè)熱門課題，但對(duì)于分子生物力學(xué)方面的研究成果還很少，今后，應(yīng)廣泛結(jié)合運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)和生物學(xué)、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等學(xué)科中的研究方法，共同解決人體運(yùn)動(dòng)中的有關(guān)問題。
（4）研究對(duì)象更加廣泛，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究除繼續(xù)對(duì)競(jìng)技體育進(jìn)行研究外，還應(yīng)向青少年、老年人、殘疾人的體育運(yùn)動(dòng)、軍事技術(shù)動(dòng)作以及與人體有關(guān)的一些設(shè)備。
三、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的展望
從以上運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)學(xué)科體系現(xiàn)狀的分析，不難看出運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的發(fā)展仍存在一定的問題。學(xué)科可以研究的內(nèi)容很多，任務(wù)也不盡相同，但為適應(yīng)生物力學(xué)的發(fā)展和體育科學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的發(fā)展應(yīng)有所側(cè)重。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)還有許多有待于解決的問題，它的實(shí)用價(jià)值也只剛剛顯露初紅。
（1）提高動(dòng)作技術(shù)不再局限于表層研究分析動(dòng)作技術(shù)，更多應(yīng)著手于研究并提出技術(shù)訓(xùn)練的具體方案（有關(guān)如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)化動(dòng)作結(jié)構(gòu)）；研制設(shè)計(jì)專用或通用的輔助訓(xùn)練動(dòng)作、設(shè)施及器械。
（2）基礎(chǔ)理論的建設(shè)將為運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)發(fā)展鞏固根基，開拓視野，擴(kuò)展研究與應(yīng)用領(lǐng)域。
（3）深入研究運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制，模擬分析運(yùn)動(dòng)損傷過程，設(shè)計(jì)合理的運(yùn)動(dòng)設(shè)備（器材、服裝、鞋等）以防止運(yùn)動(dòng)損傷。
（4）計(jì)算機(jī)模擬、仿真技術(shù)是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的重要手段。（云南師范大學(xué)體育學(xué)院；云南；昆明；650031）
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運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征范文3
關(guān)鍵詞 高爾夫 揮桿 生物力學(xué)
高爾夫球運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)以球桿擊球入洞的體育運(yùn)動(dòng)，被公認(rèn)為世界上可接觸時(shí)間最長(zhǎng)、溫和而智能的運(yùn)動(dòng)。高爾夫球曾作為正式的比賽項(xiàng)目參加了1900年和1904年兩屆奧運(yùn)會(huì)，1904年之后由于場(chǎng)地和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的限制，高爾夫球退出了奧運(yùn)會(huì)的賽場(chǎng)。2009年國(guó)際奧委會(huì)宣布高爾夫球?qū)⒆鳛檎降谋荣愴?xiàng)目回歸2016年里約熱內(nèi)盧奧運(yùn)會(huì)，高爾夫回歸奧運(yùn)會(huì)的決議無疑是對(duì)高爾夫球運(yùn)動(dòng)在全球發(fā)展的一次巨大的推動(dòng)。揮桿技術(shù)是高爾夫球的基本動(dòng)作，技術(shù)水平高低決定成敗，因此運(yùn)用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究高爾夫球的揮桿技術(shù)將成為國(guó)內(nèi)外科研的重點(diǎn)之一。
一、高爾夫球揮桿技術(shù)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究現(xiàn)狀
國(guó)外學(xué)者利用紅外線捕捉、高速攝像等采集到的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做成高爾夫自動(dòng)分析軟件、模擬軟件，使技術(shù)動(dòng)作得到極大的改進(jìn)。我國(guó)對(duì)高爾夫球揮桿技術(shù)研究起步較晚。
（一）高爾夫球揮桿技術(shù)生物學(xué)分析
肌電是生物學(xué)研究的重要手段，肌電圖能夠分析人體完成運(yùn)動(dòng)動(dòng)作時(shí)肌肉參與活動(dòng)的強(qiáng)度、參與工作時(shí)間的順序及相互協(xié)作的關(guān)系。劉新明通過肌電測(cè)試儀和環(huán)節(jié)受力分析法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)全揮桿技術(shù)動(dòng)作肌肉工作特征進(jìn)行了比較，得出全揮桿動(dòng)作肌肉最大用力時(shí)刻的出現(xiàn)晚于擊球時(shí)刻。
（二）高爾夫球揮桿技術(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
國(guó)內(nèi)對(duì)高爾夫揮桿技術(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析較為常用的是APAS艾利爾運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析軟件及DLT生物力學(xué)三維錄像分析方法。張吾龍等[1]對(duì)我國(guó)高爾夫職業(yè)選手張連偉短推技術(shù)進(jìn)行了分析，得出揮桿是由肩膀與兩臂做動(dòng)作，上桿軌跡略帶弧度，下桿時(shí)擊球加速，左手引導(dǎo)下桿動(dòng)作，右手在后輔助向前推。阮哲[3]通過對(duì)梁文沖等四名國(guó)際優(yōu)秀高爾夫選手的揮桿技術(shù)的三維錄像和解析，得出揮桿過程中髖關(guān)節(jié)率先啟動(dòng)與加速，并引導(dǎo)肩部迅速向旗桿方向加速直至擊球瞬間，上肢關(guān)節(jié)完成類似鞭打動(dòng)作擊球。車旭升等[6]對(duì)不同水平的高爾夫球員的木桿揮桿技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行分析，得出高水平高爾夫球運(yùn)動(dòng)員的上、下桿揮桿節(jié)奏用時(shí)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(diǎn)。孫勝[5]運(yùn)用三維技術(shù)動(dòng)作分析系統(tǒng)對(duì)職業(yè)男子高爾夫運(yùn)動(dòng)員的推桿技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行了研究，進(jìn)而揭示推桿頭部在時(shí)間和空間上整個(gè)動(dòng)作沒有像鐘擺一樣擺動(dòng)，但像鐘擺一樣有節(jié)奏的擺動(dòng)推桿的訓(xùn)練會(huì)有很大幫助。李淑媛等[9]對(duì)男子高爾夫運(yùn)動(dòng)員全揮一號(hào)木桿技術(shù)動(dòng)作進(jìn)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(shí)都在1s左右；下桿階段高速組比低速組用時(shí)更短；高速組上桿過程中，保持右膝關(guān)節(jié)角基本不變，而低速組則呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；高速組軀干角由瞄球準(zhǔn)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(tǒng)對(duì)一名高爾夫教練揮桿動(dòng)作進(jìn)行了正面的定點(diǎn)拍攝，對(duì)所得運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行量化與分析，得出揮桿時(shí)要放松肌肉，揮桿時(shí)肩部以及揮臂的力量要與轉(zhuǎn)體的力量保持平衡狀態(tài)；下桿擊球時(shí)手腕的力量要保留到最后再進(jìn)行釋放。
（三）高爾夫球揮桿技術(shù)動(dòng)力學(xué)分析
目前應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)量手段主要有三維測(cè)力臺(tái)。葉強(qiáng)等[4]對(duì)技術(shù)定型期球手進(jìn)行試驗(yàn)，得出上桿初期、后期和下桿初期時(shí)間比為7：6：3，通過使用壓力板觀測(cè)擊球過程中重量轉(zhuǎn)移的變化，得出桿頂點(diǎn)時(shí)刻雙足維持均衡，身體扭轉(zhuǎn)相對(duì)更充分。
（四）高爾夫揮桿技術(shù)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論分析
李睿[2]用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的碰撞理論和鞭打原理糾正了揮桿擊球中的技術(shù)錯(cuò)誤，得出高爾夫球的擊打特點(diǎn)：擊球時(shí)桿頭速度越大，給予球的初速度越大。揮桿時(shí)手臂擺動(dòng)若要兼具“環(huán)繞”的力量和“鞭抽”的力量。
二、趨向預(yù)測(cè)
隨著高爾夫球運(yùn)動(dòng)技術(shù)研究工作的進(jìn)展，將運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的方法手段同現(xiàn)代科技手段結(jié)合，采用多機(jī)同步測(cè)試、錄像視頻分析系統(tǒng)進(jìn)行適時(shí)的監(jiān)控和反饋技術(shù)動(dòng)作的研究將會(huì)越來越多。可以預(yù)見的是，對(duì)高爾夫球運(yùn)動(dòng)發(fā)展的研究將達(dá)到一個(gè)前所未有的高度。
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運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征范文4
1膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立
有限元仿真計(jì)算是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步而逐漸發(fā)展起來的一種有效地?cái)?shù)值方法，而用有限元法進(jìn)行生物力學(xué)分析是近年來發(fā)展起來的一種生物力學(xué)研究方法。伍中慶等[4]結(jié)合X線片用XCT對(duì)尸體膝關(guān)節(jié)進(jìn)行掃描，利用Ansys有限元軟件，對(duì)膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型進(jìn)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(xué)特性提供了模型基礎(chǔ)。汪強(qiáng)[56]的結(jié)果提示三維模型較以往兩維平面有限元模型有明顯優(yōu)點(diǎn)：①模型網(wǎng)格劃分更細(xì)，建立的單元和節(jié)點(diǎn)更多，模型更接近解剖學(xué)實(shí)際。②圖像數(shù)據(jù)直接來自CT掃描，避免了圖像生成、轉(zhuǎn)化與存取中的信息丟失，且圖像精確。③嚴(yán)格區(qū)分了半月板與關(guān)節(jié)軟骨。王光達(dá)等[7]通過一名男性健康志愿者的膝關(guān)節(jié)掃描，通過有限元軟件處理成功建立了一個(gè)完整的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，包括脛骨、股骨、髕骨、內(nèi)外側(cè)副韌帶、前后交叉韌帶，髕韌帶及雙側(cè)半月板。模型可以任意角度旋轉(zhuǎn)觀察，整體外形及各組成部件均與實(shí)體標(biāo)本具有滿意的相似性，黃建國(guó)等[8]通過了MSCMARC建立膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型，得到脛骨骨折患者的膝模型，認(rèn)為對(duì)脛骨平臺(tái)骨折的診斷，手術(shù)策劃和治療具有較大的指導(dǎo)作用。模型確立后可以為膝關(guān)節(jié)的創(chuàng)傷、骨折的力學(xué)分析及人工關(guān)節(jié)的開發(fā)提供方法學(xué)的支持。姜華亮等[9]在MRI基礎(chǔ)上建立膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，包括膝關(guān)節(jié)所涉及的幾乎所有骨骼、軟骨，半月板和韌帶等基本力學(xué)的模型，并認(rèn)為MRI比CT對(duì)軟組織顯像更清晰。重建的模型更逼真、客觀，能夠更真實(shí)地反映膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生物力學(xué)屬性。
2有限元在膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究中的應(yīng)用
人體膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)復(fù)雜多樣，更多的力學(xué)反映在運(yùn)動(dòng)過程中，受力特點(diǎn)更加復(fù)雜。因此，應(yīng)用三維有限元方法建立膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型，無創(chuàng)、快速地研究膝關(guān)節(jié)力學(xué)特性、損傷的機(jī)理，對(duì)指導(dǎo)臨床工作有現(xiàn)實(shí)意義。有研究認(rèn)為膝關(guān)節(jié)伸直時(shí)應(yīng)力主要分布于ACL近股骨上點(diǎn)處。說明ACL是對(duì)抗脛骨前移的主要結(jié)構(gòu)，其與臨床上ACL損傷多發(fā)生在股骨上點(diǎn)處相一致。膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)，PCL是對(duì)抗脛骨前移的首要結(jié)構(gòu)，且應(yīng)力主要集中在近脛骨止點(diǎn)處，這與臨床PCL斷裂多發(fā)生在脛骨止點(diǎn)處相一致。同時(shí)對(duì)模型施加內(nèi)外翻應(yīng)力，分別在LCL腓骨上點(diǎn)和MCL近股骨上點(diǎn)應(yīng)力較大，說明MCL、LCL是對(duì)抗膝外、內(nèi)翻的主要結(jié)構(gòu)。與臨床內(nèi)、外側(cè)副韌帶損傷位置一致。進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元方法的有效性和可靠性[10]。汪強(qiáng)等[5]通過對(duì)膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立，同時(shí)研究了加載后，得到膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)關(guān)節(jié)面典型節(jié)點(diǎn)Von Mises應(yīng)力值，提示正常膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)面應(yīng)力呈前、后部大，中部小分布；外側(cè)關(guān)節(jié)面應(yīng)力呈前部大，中后部稍小分布，且較內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)面分布均勻。姚杰等[11]利用膝關(guān)節(jié)有限元模型和模擬跳傘著陸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)半蹲式跳傘著陸過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析膝關(guān)節(jié)損傷的機(jī)理。結(jié)果顯示，關(guān)節(jié)內(nèi)組織的應(yīng)力水平隨著跳落高度的增加而增加，外側(cè)半月板和關(guān)節(jié)軟骨承受了較大的載荷，前交叉韌帶和內(nèi)側(cè)副韌帶在屈膝角度達(dá)到最大時(shí)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，此時(shí)更易斷裂。吳宇峰等[12]通過有限元模型研究了髕骨在運(yùn)動(dòng)及損傷過程中的受力情況，結(jié)果顯示應(yīng)力集中于髕骨的上極和下極，說明骨折的好發(fā)部位即在髕骨的上下級(jí)，與臨床基本相符。辛力等[13]通過有限元方法對(duì)合并膝關(guān)節(jié)脫位的脛骨平臺(tái)骨折4種內(nèi)固定方法進(jìn)行比較。結(jié)果提示MDP（內(nèi)側(cè)雙鋼板）固定后的應(yīng)力最小，其后依次是BDP（雙側(cè)雙鋼板）與MSP（內(nèi)側(cè)T型單鋼板+拉力螺釘），而LLP（外側(cè)鎖定鋼板+拉力螺釘）固定的應(yīng)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(guān)節(jié)置換相關(guān)有限元分析研究
人工膝關(guān)節(jié)置換是治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的重要手段，每年有大量的患者接受人工膝關(guān)節(jié)置換。三維有限元法是先進(jìn)而有效的生物力學(xué)分析方法，利用該方法從生物力學(xué)角度分析全膝關(guān)節(jié)置換后的應(yīng)力分布情況對(duì)探討全膝置換有重要意義。膝關(guān)節(jié)置換前要對(duì)患者膝關(guān)節(jié)病情有詳細(xì)了解，全面檢查，嚴(yán)格選擇假體類型。根據(jù)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(guān)節(jié)置換的全關(guān)節(jié)假體（雙間隔假體）、全關(guān)節(jié)假體（三間隔假體）。如果術(shù)前對(duì)準(zhǔn)備手術(shù)的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行CT掃描、重建，建立三維有限元模型，然后進(jìn)行逆向工程CAD/CAM，選擇制作適合該關(guān)節(jié)的人工假體必將更適應(yīng)患者，術(shù)后生物力學(xué)性能必將更好，松動(dòng)翻修的機(jī)率將明顯降低[]。術(shù)中選擇置換假體，脛骨和股骨配對(duì)關(guān)系，術(shù)后假體接觸表面的應(yīng)力變化可能增加磨損及松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，有研究[15]將股骨側(cè)3號(hào)鈷鉻合金假體，與脛骨側(cè)25號(hào)（3/25配對(duì)），3號(hào)（3/3配對(duì)），4號(hào)（3/4配對(duì)）鈦合金金屬托及對(duì)應(yīng)尺寸的10 mm厚度聚乙烯墊片配對(duì)。構(gòu)建有限元模型，模擬雙腿站立，平地行走，上樓梯情況下，對(duì)各屈膝角度的最大等效應(yīng)力進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)3/25配對(duì)，3/4配對(duì)假體接觸面最大等效應(yīng)力明顯增高，有增加聚乙烯墊片磨損風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)Liau等[16]研究了假體對(duì)線不齊時(shí)接觸應(yīng)力和Von Mises應(yīng)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(guī)律，短柄假體可引起骨水泥應(yīng)力集中，重建后發(fā)生骨折，骨水泥碎裂風(fēng)險(xiǎn)較高，但過度增加柄長(zhǎng)對(duì)骨的應(yīng)力遮擋水平也相應(yīng)增大[17]。膝關(guān)節(jié)置換后要能負(fù)重行走是最終目標(biāo)，許多靜態(tài)的模型并未涉及其中。最近有研究者對(duì)其關(guān)節(jié)高屈曲活動(dòng)下運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力等動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行了研究。通過建立包括主要骨和軟組織的全膝關(guān)節(jié)置換前后的膝關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)有限元模型，對(duì)天然及全膝置換后膝關(guān)節(jié)下蹲運(yùn)動(dòng)和接觸應(yīng)力分布進(jìn)行分析。結(jié)果表明在膝關(guān)節(jié)過伸和高屈曲時(shí)，在脛骨高分子聚乙烯平臺(tái)的脛骨平臺(tái)輪柱和平臺(tái)前部的交界處，脛骨平臺(tái)內(nèi)后方和輪柱后部3個(gè)區(qū)域發(fā)生較高的接觸應(yīng)力，這些也正是假體發(fā)生較高磨損的部位。這為膝關(guān)節(jié)假體的摩擦學(xué)研究及膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)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(guān)節(jié)外科研究中有諸多優(yōu)點(diǎn)，能重建出與真實(shí)人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)基本一致的模型，重建的模型逼真、客觀，可以自由旋轉(zhuǎn)，添加、調(diào)整相關(guān)參數(shù)可以進(jìn)行人體和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)無法完成的生物力學(xué)研究。但它作為一項(xiàng)仍然沒有成熟的技術(shù)，還有許多不足：①研究所用硬件、軟件多為進(jìn)口，價(jià)格昂貴。②操作過程繁瑣復(fù)雜，作為臨床醫(yī)務(wù)人員，學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)，較難熟練掌握。③人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相互之間關(guān)系密切，互相影響，脫離其他因素，簡(jiǎn)單研究骨骼、韌帶、關(guān)節(jié)軟骨本身就有失偏頗。④將骨骼內(nèi)各向同性，各向異性等同考慮，簡(jiǎn)化操作，明顯不妥。⑤膝關(guān)節(jié)許多特征及生物力學(xué)都是在運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)出來，但許多有限元的研究是靜態(tài)的，未考慮動(dòng)態(tài)研究，影響結(jié)果的準(zhǔn)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(guó)外的文獻(xiàn)，而這是否適用于國(guó)人亦未可知。所有這些問題，希望隨著對(duì)膝關(guān)節(jié)發(fā)病機(jī)理的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)、計(jì)算機(jī)處理能力的進(jìn)一步提高、CT和MRI成像技術(shù)的不斷完善而逐步得到解決，使之更好地為臨床服務(wù)。
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運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征范文5
關(guān)鍵詞：地方病；生物力學(xué)；腰椎壓力
中圖分類號(hào)：TP39；R682.3；R135文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：2095-2163（2015）04-
0引言
氟中毒[1]是一種地方性疾病，輕度的體現(xiàn)為兒童氟斑牙，重度的體現(xiàn)為成人氟骨癥。氟斑牙的調(diào)查對(duì)象一般為8～12歲兒童，診斷時(shí)醫(yī)生通常需彎腰低頭進(jìn)行。由于一次性調(diào)查人數(shù)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(dòng)強(qiáng)度不大，但醫(yī)生腰酸背痛在所難免，還可能引發(fā)慢性腰痛等脊椎病[2-4]。為此，若把領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)特征的階梯式站臺(tái)（“領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)”）應(yīng)用到兒童氟斑牙診斷中，讓待診兒童按個(gè)頭大小分組站于“領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)”接受診斷，則有利于減輕醫(yī)生腰部疲勞。醫(yī)生腰椎壓力等數(shù)據(jù)通過法國(guó)達(dá)索公司的虛擬樣機(jī)軟件CATIA工效學(xué)模塊[5]進(jìn)行“檢測(cè)”。
1構(gòu)建CATIA模型
1.1人體生物力學(xué)
生物學(xué)中，人體處于站姿或坐姿時(shí)，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(jié)頸椎、12節(jié)胸椎和5節(jié)腰椎構(gòu)成，平時(shí)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(shí)現(xiàn)前曲后仰、側(cè)曲、扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，第三、第四腰椎為整個(gè)脊椎骨中受力最大的部位。腰椎的不良力學(xué)行為（如長(zhǎng)時(shí)間壓縮等）[3]將加重腰椎負(fù)擔(dān)，產(chǎn)生疲勞，甚至引發(fā)腰椎間盤損傷等脊椎病[4]。CATIA軟件的工效學(xué)設(shè)計(jì)與分析模塊，應(yīng)用L4～L5[6]非線性三維有限元模型，能夠?qū)ρ祲毫Φ壬锪W(xué)參數(shù)進(jìn)行描述。
1.2人體模型
CATIAV5R20中有美、加、法、日、韓、德、中（臺(tái)）共7個(gè)國(guó)家的人體模型。兒童氟斑牙的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，站姿是醫(yī)生診斷病情的主要姿勢(shì)。本例采用中國(guó)人模型，男性醫(yī)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(xué)分析及改善措施
2.1生物力學(xué)分析（BSAA）
BSAA指生物力學(xué)單一動(dòng)作評(píng)價(jià)，針對(duì)給定姿態(tài)下人體的腰椎、關(guān)節(jié)等處受力（或力矩）等進(jìn)行測(cè)量。以圖1（a）為例，通過“[開始][工效學(xué)設(shè)計(jì)與分析][HumanActivityAnalysis][分析][BiomechanicSingleActionAnalysis…]”即得分析結(jié)果，見圖2。其中L4-L5腰椎壓力由身體負(fù)荷壓力、軸扭曲力和彎曲力三部分組成。
可見，1.75m身高醫(yī)生診斷1.35m、1.50m和1.65m（1.80m僅為分析對(duì)照而設(shè)）身高兒童氟斑牙時(shí)醫(yī)生L4-L5腰椎壓力分別為2369N、2069N、1679N（醫(yī)生正常站姿時(shí)1165N）。隨著接受診斷兒童的身高增大，醫(yī)生工作時(shí)的L4-L5腰椎壓力驟減（彎曲力“貢獻(xiàn)”最大）。
2.2改善措施
設(shè)想兒童在接受診斷時(shí)分組站于“領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)”（見圖4），其嘴巴部位跟醫(yī)生眼睛高度基本平齊（相當(dāng)于醫(yī)生自然站姿），則醫(yī)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(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)”作為兒童接受診斷的地點(diǎn)，可使醫(yī)生能以正常站姿工作。該“領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)”可如下設(shè)計(jì)：
（1）尺寸。三個(gè)臺(tái)面的長(zhǎng)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(zhì)及使用方法。可采用三個(gè)小木匣拼接，便于攜帶（可盛裝工作用品）。
運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征范文6
關(guān)鍵詞：有限元法；手部；建模；生物力學(xué)
1 有限元法的發(fā)展歷史及在人體生物力學(xué)中的運(yùn)用
1.1有限元法的發(fā)展歷史 有限元法（finite elementsmethods，F(xiàn)EM）即有限元素法[1]，是一種在工程科學(xué)技術(shù)中廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)物理方法，用于模擬并解決各種工程力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、生物力學(xué)等問題。其基本思想是把一個(gè)由無限個(gè)質(zhì)點(diǎn)和有無限個(gè)自由度構(gòu)成的連續(xù)體劃分為有限個(gè)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(duì)每個(gè)單元的力學(xué)分析，獲得整個(gè)連續(xù)體的力學(xué)性質(zhì)。有限元法最早可上溯到20世紀(jì)40年代。現(xiàn)代有限法的第一個(gè)成功的嘗試是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)成功應(yīng)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(rèn)識(shí)到它的功效。我國(guó)河海大學(xué)教授徐芝綸院士首次將有限元法引入我國(guó)，對(duì)它的應(yīng)用起了很大的推動(dòng)作用。
1.2有限元法運(yùn)用于人體生物力學(xué)研究 1972年，Brekelmans[2]等首次報(bào)道將有限元分析方法應(yīng)用于生物力學(xué)方面研究。80年代后，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)展到顱面骨、頜骨、股骨、牙齒、關(guān)節(jié)、頸椎、腰椎及其附屬結(jié)構(gòu)等生物力學(xué)研究中。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、分析工具的完善以及實(shí)踐的增多，有限元方法顯示了極大的優(yōu)越性并已逐漸成為研究人體生物力學(xué)的重要手段。人體力學(xué)行為研究基本無法采用傳統(tǒng)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)方式來進(jìn)行，因而有限元建模愈來愈成為深化人體認(rèn)識(shí)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）軟件特性，真實(shí)再現(xiàn)三維人體骨骼、肌肉、血管、器官等組織成為可能，并在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中，通過材料賦值、幾何約束、固定載荷等過程，對(duì)擠壓、拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、三點(diǎn)彎、抗疲勞等力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，能求解獲得給定實(shí)驗(yàn)條件下模型任意部位變形、內(nèi)部能量變化、應(yīng)力/應(yīng)變分布、極限破壞等數(shù)據(jù)[3]。
1.3有限元法在人體生物力學(xué)研究中的建模思路 有限元建模即建立為數(shù)值計(jì)算提供原始數(shù)據(jù)的計(jì)算模型，需要通過建立幾何模型、材料賦值、網(wǎng)格劃分、施加約束與載荷，最后進(jìn)行求解等步驟實(shí)現(xiàn)，是有限元法仿真試驗(yàn)最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。摸型的幾何相擬性直接影響計(jì)算的結(jié)果，醫(yī)學(xué)有限元模型的建立首先需要獲得人體特定部位的幾何數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以從幾何參數(shù)設(shè)定、激光掃描、標(biāo)本切片和磨片以及醫(yī)學(xué)影像圖像獲得。其中醫(yī)學(xué)影像法最為以無創(chuàng)的方式提供了高精度的人體解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)，基于醫(yī)學(xué)影像技術(shù)建模是目前人體有限元建模的主要手段，可以實(shí)現(xiàn)人體解剖結(jié)構(gòu)的可視化乃至生物力學(xué)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(jié)合MRI是新亮點(diǎn)。
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(shù)據(jù)重建三維模型，是一種經(jīng)濟(jì)、可行的方式。但因信息獲取不完整，建模過程復(fù)雜，對(duì)研究者經(jīng)驗(yàn)要求較高，現(xiàn)行醫(yī)學(xué)有限元建模中應(yīng)用較少。還有研究者基于超聲影像技術(shù)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(yīng)力變化方面，運(yùn)用超聲影像圖像建立了二維有限元模型，為心瓣流體力學(xué)研究探索新的方法學(xué)途徑。目前基于超聲的有限元分析研究多集中在機(jī)械制造、土木工程等領(lǐng)域，并多采用二維有限元法分析，還沒有注意到與醫(yī)學(xué)相關(guān)的基本超聲影像技術(shù)的三維有限元研究相關(guān)報(bào)道。這或許是因?yàn)榛诔曈跋窦夹g(shù)的力學(xué)研究本就較少，三維、四維超聲的概念提出較晚，與重點(diǎn)應(yīng)用在工程技術(shù)方面的有限元法結(jié)合運(yùn)用更是鮮有。相較X線與超聲而言，CT/MRI圖像法在醫(yī)學(xué)有限元建模中應(yīng)用更為普遍。MRI技術(shù)具有很高的組織對(duì)比分辨率、解析高以及無離子化輻射等特點(diǎn)，能清晰顯示人體結(jié)構(gòu)的組織學(xué)差異和生化變化。基于MRI圖像能獲得細(xì)致的幾何模型。但MRI偏向于對(duì)肌腱、韌帶等軟組織的分辨，對(duì)骨的分辨不如CT清晰。此外，目前國(guó)內(nèi)常用的核磁共振機(jī)掃描層厚和掃描間距一般都在2mm以上，無法獲得更詳細(xì)的幾何數(shù)據(jù)，影響到重建圖像的清晰度精確性。基于CT掃描獲得幾何數(shù)據(jù)的建模的方法目前應(yīng)用最為廣泛。CT根據(jù)密度不同來確定信號(hào)的強(qiáng)弱，可以通過調(diào)節(jié)掃描條件，使任何復(fù)雜形態(tài)和各種密度的組織都有較高的分辨率，適用于任何復(fù)雜形態(tài)和各種密度的三維結(jié)構(gòu)。可清晰顯示骨與軟組織的邊界，通過醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)能獲得骨骼比較準(zhǔn)確的幾何數(shù)據(jù)，其不足之處在于對(duì)軟組織的分辨率相對(duì)較低，無法從醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)獲得準(zhǔn)確的肌肉、韌帶、腔等組織幾何數(shù)據(jù)，須參考相關(guān)解剖資料。CT/MRI數(shù)據(jù)重建的三維模型，能夠真實(shí)的再現(xiàn)被掃描對(duì)象的表面特征及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，CT的空間分辨率高于MRI，CT對(duì)骨組織與軟組織邊界顯示更為清晰，而MRI的對(duì)比分辨率高于CT，特別是軟組織對(duì)比明顯優(yōu)于CT。通過CT結(jié)合MRI法將能融合二者優(yōu)勢(shì)，但對(duì)研究者圖像處理技術(shù)有更高的要求。通過文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，目前CT提取骨組織結(jié)合MRI提取軟組織方法的研究報(bào)道較少。徐志才[6]等基于CT影像數(shù)據(jù)構(gòu)建了包含股骨、脛骨和腓骨的實(shí)體模型，并基于MRI影像數(shù)據(jù)構(gòu)建了包含股骨軟骨、脛骨軟骨、內(nèi)外側(cè)半月板和內(nèi)外側(cè)副韌帶的三維實(shí)體模型。將CT和MRI影像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)融合，獲得包含骨性和非骨性結(jié)構(gòu)的膝關(guān)節(jié)三維實(shí)體模型。
2 有限元建模的常用軟件
人體生物力學(xué)有限元模型的精確性對(duì)有限元分析結(jié)果的合理性有直接影響。三維重建技術(shù)與有限元方法及其他虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合是未來發(fā)展的方向，這有賴于這些集成強(qiáng)大圖像處理功能的有限元軟件的發(fā)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(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理建立3D模型，然后對(duì)表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分以應(yīng)用在有限元分析中。它還可基于掃描數(shù)據(jù)的亨氏單位對(duì)體網(wǎng)格進(jìn)行材質(zhì)分配。MIMICS的網(wǎng)格重劃功能能方便地將不規(guī)則三角片轉(zhuǎn)化成趨近于等邊的三角片，顯著提高STL模型的質(zhì)量和處理速度，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行最大限度的優(yōu)化，目前版本已發(fā)展到MIMICS17.0。現(xiàn)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(fā)展到Ansys15.0。
3 手部三維有限元的運(yùn)用進(jìn)展
手部因其解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)靈活精細(xì)、力學(xué)分析困難的周圍組織對(duì)手部力學(xué)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(lǐng)域方面，楊德偉[7]等基于CT掃描數(shù)據(jù)結(jié)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(jiǎn)化處理得到，建立的手模型簡(jiǎn)化為以皮膚、肌肉、神經(jīng)、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(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)未曾細(xì)化。抓握功能通過參數(shù)約束、程序運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制下實(shí)現(xiàn)，而并非基于神經(jīng)肌電活動(dòng)模擬，也非通過骨、肌肉施加荷載得到，本模型在工程領(lǐng)域有一定實(shí)用價(jià)值，但遠(yuǎn)不能滿足醫(yī)學(xué)研究的需要；陳志翔[8]等在研究機(jī)器人虛擬手過程中，通過參考手部解剖結(jié)構(gòu)，建立手部肌肉模型，并以程序設(shè)計(jì)約束指間運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通過控制肌肉收縮量來實(shí)現(xiàn)手指運(yùn)動(dòng)，較好的擬真了手指運(yùn)動(dòng)機(jī)理。但模型基于數(shù)學(xué)方程人為控制，而非通過人手實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)獲得。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(nèi)的手腕關(guān)節(jié)復(fù)合模型；國(guó)外的Ko等和國(guó)內(nèi)的郭欣等[10]都建立了腕管的三維有限元模型，為進(jìn)一步探討腕部結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為提供了一個(gè)可操作的平臺(tái)；Anderson等[11]最早通過腕關(guān)節(jié)三維有限元模型模擬了創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎病理改變；Bajuri MN[12]等通過CT掃描，參照診斷標(biāo)準(zhǔn)，建立了首例類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者腕關(guān)節(jié)三維有限元模型。國(guó)內(nèi)其它學(xué)者也以解決臨床問題為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)手的部分結(jié)構(gòu)三維有限元模型的建立進(jìn)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(nèi)固定治療情形，研究?jī)煞N治療方法優(yōu)劣問題；董謝平等[14]以中國(guó)力學(xué)可視人原始資料為依據(jù)，構(gòu)建帶軟組織的正常手腕和佩帶腕保護(hù)器手腕的三維有限元模型，驗(yàn)證了腕保護(hù)器防護(hù)腕部骨折的有效性；顏冰珊等[15]建立了正常下尺橈關(guān)節(jié)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(xiàn)有個(gè)人電腦平臺(tái)，建立了腕關(guān)節(jié)有限元模型，進(jìn)一步證明利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件和三維重建軟件準(zhǔn)確、快捷地構(gòu)建腕關(guān)節(jié)的三維有限元模型有可行性。
4 小結(jié)
手部建模是虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，在工程領(lǐng)域主要是機(jī)器人手的擬真研究，尤重抓握功能，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更多涉及腕關(guān)節(jié)這一部分結(jié)構(gòu)，囊括手部骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉、韌帶、筋膜、血管、神經(jīng)、皮膚等組織結(jié)構(gòu)較完整的手部有限元模型尚未見諸報(bào)道。手部的骨骼、關(guān)節(jié)數(shù)目較多、相互關(guān)聯(lián)較復(fù)雜，是一個(gè)復(fù)合性的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在建模時(shí)要同時(shí)考慮到骨骼、關(guān)節(jié)面、韌帶、肌腱及其它周圍組織在生物力學(xué)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(tǒng)一的建模標(biāo)準(zhǔn)。如何將三維可視化手建成物理手的有限元模型是現(xiàn)階段研究難點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)虛擬生理手模型建立的必然階段，相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步及多學(xué)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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