生物力学
骨科生物力学实验室研究的现状和发展趋势
北京中医药大学附属护国寺中医医院|北京协和医院作者：邱贵兴 2009-1-7 20:50:02
针对人类直立行走的特点，人类疾病病因学的研究单纯依靠动物实验的结果来分析是不够的。美国哈佛大学的一位物理学博士采用非生物学材料，以力学原理分析生物细胞为什么都是近似圆形的，以及为什么细胞构筑会如此安排的原因，为我们打开了新的视野。所以说，如果我们能迈出传统的医学范畴，客观分析人体的生物力学性能，就能远远超出传统解剖学的认知水平，认识人类，推动临床医学的发展。
生物力学是研究力和能量对生物系统的作用和影响的一门分支科学。——摘自“骨科基础科学—骨关节肌肉系统生物学和生物力学-2003年”。它的研究内容包括，将牛顿的力学定律应用于生物体模型，以分析其特性和功能。研究对象包括，骨、软骨、生长板、韧带、半月板、滑液以及肌腱组织内部和它们之间相互作用的力、力矩，与组织运动和变形之间的关系。目的在于，描述组织和器官的正常和病理状态下结构和功能；通过对关节稳定性、步态的病理特征和骨折愈合特点等的研究，揭示特定的病理状况；对肌腱中的力的传递过程的分析，韧带修复过程中的运动学研究，关节置换的有限元分析等是用于评价恢复正常力学状态的外科临床治疗方案的关键。主要研究方向有，生物材料的力学特性；生物的力学特性（动力学特性，静力学特性，运动学特性等）。
骨科生物力学测试技术——实验生物力学测试包括电测法、光测法及计算生物力学测试中的有限元法。电测法，灵敏度与精确度高；可以用于现场测定和模拟测定，具有测试方法比较直接的优点。但它不能直观得到构件上应力分布的全貌。光测法，是一种全场性测量法，可了解到结构物内应力(或位移) 分布的全貌,获得的图像信息可长期储存。人体结构的复杂性，骨骼结构的不规则性决定了光测法仍将在骨科生物力学研究中继续发挥其重要作用。有限元方法，涉及了骨骼系统的应力分析、内外固定系统的研究，以及各种人工假体的设计与优化。目前，有限单元法在国内得到了普遍发展，并取得了大量的成果。各学科临床医生从不同角度出发，针对不同的研究方向，建立不同的力学模型，用来模拟分析各种临床实际问题，这些研究结果对临床工作很有帮助，具有一定的指导意义；有限元技术的应用使计算生物力学技术与实验生物力学技术有机结合，相辅相成，互为补充，缺一不可。
骨科生物力学实验室是根据临床医学实践的需要逐渐创立和发展起来的，它与临床实践是密不可分的。是临床实践工作的基础和理论依据，指导着临床实践的发展，同时临床实践发展的需要也带动着生物力学实验室的进一步完善和向更深、更广度发展。
在生物力学实验研究中，离不开各种实验模型。各种尸体模型、动物模型的设计和制备对临床和基础研究的发展提供了有利条件：各种在体和离体模型的生物力学实验室研究，通过对一些创伤过程的模拟和再现，揭示了它们的损伤机制，同时，离体模型的生物力学实验还可以对于一些矫形内固定方法进行生物力学评价，生物力学实验对于一些内固定器材，内置物的研究发明和完善发挥着不可替代的作用。
从Meyer (1867) 、Wolff (1869) 和Roux (1881) 时代以来，生物力学经历了一个多世纪的艰难跋涉。我国的生物力学是在生物力学开创者冯元桢教授（1965）推动下从无到有发展起来的，以血管残余应力的研究为起点，发展到现在，研究工作已深入到生物力学的大部分领域。
吉林大学的朱庆三教授（2002），采用一套脊柱的加载装置和测试系统，进行多种离体的三维、动态脊柱生物力学研究。在国内的生物力学研究中，首次实现了连续加载、动态测量的全过程。同时使之完成逐级加载、静态测量。它满足离体标本三维、六个自由度的运动要求，可单独测量主动运动，也可同时测量主动运动及伴随运动，即测量脊柱的耦合运动。这套系统即可用来研究多个节段，也可进行单节段测量。而且通过调节，还能完成轴向不加载及不同程度加载等多种条件测量，通过平行布置两枚传感器后，可研究两枚以上的椎体因受剪切力后的相对运动，分析椎体脱位的可能性。并通过大量的研究结果提出：针对脊柱损伤类型与无骨折脱位型脊髓损伤的关系，颈椎后伸时，黄韧带的“扣带”机制；椎板和椎体后缘间的“钳夹”机制是造成无骨折脱位型脊髓损伤的重要原因等；另外，中央管受压是造成原始和继发性损伤程度不同的原因；成年期，无骨折脱位型脊髓损伤的病理基础是原发病变的存在，如，颈椎间盘突出，颈椎管狭窄（病理解剖）的基础上的。从而为各种颈椎手术方法和内植物、内固定物的使用奠定了理论和实验室基础。科学的论证了手术的适应症的原则。明确了治疗方向。正确引导疾病向好的方向转归。
北京协和医院骨科（2003）通过对20余年来所进行的大量特发性脊柱侧凸病例的实验室研究及临床治疗观察和随访总结，提出理想的特发性脊柱侧凸分型应具备的特点，⒈通用性，尽可能包括常见的侧凸类型；⒉三维性，从人的整体出发，考虑到三维畸形；⒊科学性与先进性，分性的建立应有完备的理论基础与临床研究基础，并且要代表当代最先进的理论与技术；⒋结构合理性，既要简便易行，又要针对每型侧凸提出相应的治疗方法；⒌开放性，分型系统应具备开放性结构，可随时作相应的补充与修正。并提出，治疗特发性脊柱侧凸必须遵守以下原则，⒈矫正畸形；⒉获得稳定；⒊维持平衡；⒋尽可能的减少融合范围。同时提出，特发性脊柱侧弯的新的分型方法PUMC(协和) 分型系统，并应用此系统来指导临床医疗活动。当然，现代病因学认为，脊柱侧弯发病机理可能是一个多因素的病理过程。但，发病后，力学因素成为脊柱侧弯发展的一个主要原因。因此，对于脊柱侧弯病因学的研究还是一个长期艰苦的过程，需要更多的专家学者的努力参与。
骨折的内固定材料学和手术学一直是骨科研究的一个大方向，它的研究工作既有对原有手术技术的改进，又有新技术的研究开发和完善。但是，在临床工作中仍必须遵守骨科手术总则。它能够在治疗疾病的同时对由此带来的额外的风险进行评价。生物力学研究的深入对于内固定的设计和改进和最终的临床效果改善都有重要的作用，更可以帮助临床医生选择最有力的治疗方案。
在二十世纪末，无论是在内固定的材料学还是在手术学方向上的发展都有巨大的飞跃，AO、BO等内固定理论也得到了逐步完善；在我国，刘一等，建立了股骨干骨折钢板固定的三维有限元模型，分析单、双肢站立负重状态下的应力场分布，并结合光弹实验和模拟电源实验对模型进行校核，证明此模型可以用于骨折内固定系统的应力分析。在第二军医大学生物力学实验室对动力记忆合金的研究，使记忆合金内固定器在临床上的应用成为现实，如“天鹅记忆合金接骨器”，在四肢长管状骨骨折中的应用；“镍钛聚髌器”设计研究和临床应用，结束了粉碎型髌骨骨折的治疗的“部分与全部切除”的历史，而使粉碎型髌骨骨折获得了稳定的内固定，促进骨折的愈合。张美超等，从临床应用出发，利用有限元法对颈前路蝶型钢板进行生物力学模拟分析，求解钢板各部分应力、应变分布，并与疲劳实验的结果对比，得到了与其相同的易断裂部位的预测，弥补了后者内部细节与过程分析的不足。张海强等在胸腰椎前、中柱损伤有限元模型上分别进行了Z - plate 和K - plate 钢板固定，分析在前屈、后伸及侧弯运动下钢板的应力分布，证明了Z -plate 钢板系统在重建失稳胸腰椎稳定性的同时，存在一定的应力集中。
由于内固定物的使用存在着或多或少的局限性，易发生断裂，以及易造成局部应力不均，在相邻椎体，易造成应力遮挡，在钢板或内固定物下方的骨质疏松等，从而推动了相关领域的发展。徐义春与第一军医大学生物力学实验室合作，通过建立人工间盘的腰椎三维有限元模型，研究了人工椎间盘置换前后腰椎关节在各种体位下的生物力学特性的变化，从人工间盘、椎体及后部小关节三个方面入手，系统考察了人工椎间盘置换术在临床上的可行性及存在的问题。
人工内置物的相关研究及临床应用表明，大多数疗效是肯定。David (1996 ,法) 对10 例超过十年的L4-5和L5-S1用CharitéⅢ人工椎间盘进行MRI 观察,发现L3-4椎间盘在T2 加权上仍为正常信号强度，表明这种人工椎间盘能保持良好的椎间活动度，从而保护了邻近节段的椎间盘，避免其过早发生退变。Le M aire (1997，法) 观察了最早100 例人工间盘置换的患者，平均随访8 年的结果，有89 ％患者返回工作岗位，其中60 ％恢复原工作，包括较重的体力劳动。
在人工关节方面，最早将人工关节在人体应用的是Gluck，于1891年首先报告，但是直到20世纪60年代 Charnley 通过大量临床实践和基础研究，确立了人工关节假体设计中的低摩擦原理，选择了金属-
高密度聚乙烯组合来替代金属-金属组合和现代骨水泥技术，才使得人工关节置换术的临床效果出现较大的进步。20世纪70年代以来,人工关节在基础研究、设计生产和临床应用三方面的发展十分迅速,关节置换手术广泛开展。随着新世纪的到来，我国的人工关节也较快地与世界接轨,某些方面已经接近或达到了国际先进水平,个别也有创新。
实验室相关组织工程学研究的开展，应该说，已具相当规模，并且，也有许多研究成果成为现代临床医学常规应用的治疗手段，如，某些基因疗法，内置生物复合体移植物等，但其远期疗效还有待于进一步观察。同时，组织工程学的研究成果还揭示了一些疾病的病因，使得临床上对于这些疾病的治疗不再局限
于对证治疗，而是对因治疗，这就大大提高了治疗效果，并且长期随访疗效满意。
另外，生物力学的实验室研究不仅仅局限于骨科的范围内，它还包括：生物固体力学；人类- 环境系统动力学；运动系统的力学研究；生物体运动力学等。例如，季白桦等研究的失重状态下人体的动力学方程，从动量守恒原理出发，应用矢量力学和多刚体动力学方法建立起失重状态下人体的动力学模型所得的方程是一阶的，适用于计算机编程。洪水棕等研究的人体在平地行走时的足跖骨的动态应力变化，结果表明，第二、三跖骨跖面上中段产生较大的拉应力，导致“疲劳骨折”，并指出这种骨折更容易发生在病理足上，解决了传统医学的人体足“三点运动支撑”观点所难以解释的问题。杨志焕等探讨的冲击伤复合高速破片致伤的损伤特点及复合材料对冲击伤的保护效果，结果表明，肢体高速破片致伤对肺冲击伤具有加重作用，加重效应主要发生在原发冲击伤部位，加重效应的机理可能与压力波引起的血液扰动有关。程秀生进行的人体胸部侧向碰撞伤程度的试验研究。利用假人和滑车碰撞试验台所进行的模拟汽车侧向碰撞下人体胸部损伤的试验为基础，分析了车门侧壁与乘员之间不同性质的吸能材料对胸部损伤程度的影响等。除此之外，生物力学在口腔科学、耳鼻喉科等领域研究方面也得到了长足的发展。
在未来，继续对一些疾病的病因学研究中，在揭示一些生命现象和开辟新的治疗途径时，生物力学实验室将发挥它更大的作用。未来生物力学实验室的发展应紧密的与临床实践相结合，与科学技术发展相结合，并且，使生物力学与计算机应用技术相结合，大体生物力学与分子生物学等相关学科有机结合，也推动骨科内固定，内置物，人工关节等系统不断向前发展。
在生物力学实验室的建设发展过程中培养人才，更重要的是培养他们的科研意识和科研作风为骨科事业的发展做准备。这些具有扎实生物力学基础的骨科医生，不仅能够利用生物力学的观点对疾病进行病因学和治疗学的分析，科学的分析和使用内固定器械。同时，他们正确的判断，也促使疾病向好的方向转归。缩短疾病的治疗时间，提高治愈率。
我国生物力学实验室要发展，单靠一个人，一个团队的力量是有限的，要全国的生物力学实验室团结起来，发挥各自的特长，同时做到资源的整合和资源共享，大家一起努力，共同进步，才能跻身世界先进的行列中，才能领导世界的潮流。
参考文献：
1、Joseph A. Buckwalter. MD, MS Thomas A. Einhorn, MD et al.主编，陈启明，梁国穗，秦岭等主译. 骨科基础科学——骨关节肌肉系统生物学和生物力学. 人民卫生出版社，2003年：735
2、邱贵兴.特发性脊柱侧凸分型研究的回顾与展望。[J] 中华骨科杂志 2003，23，№1：10-13
3、朱庆三. 吉林大学博士学位论文，颈椎颈随损伤和颈间盘突出症的临床治疗及相关基础理论研究。200 2，4
4、董福慧.骨生物力学回顾. [J]中国骨伤2000 ， 13（6）：323
5、康庆林，张春才，高堂成. 天鹅记忆节骨器对长骨干骨折愈合的影响。[J] 中华骨科杂志 2004，24：1 13-118
6、胡凯，方竞. 北京大学博士后研究工作报告，人颞下颌关节受力状况的三围非线性有限元模拟与分析. 2 001年.
7、许硕贵，张春才，苏佳灿等. 天鹅记忆节骨器治疗肱骨干骨折和骨不连的生物力学研究。[J]第二军医大学学报，2002， 22：946-948
8、李鉴铁，朱清安，原林等. 颈椎终板结构的生物力学研究。[J]中华骨科杂志，2004，24：108-112.
9、关振鹏，吕厚山，孙铁铮等. 人工关节置换术后肺栓塞的早期诊断和处理。[J] 中华外科杂志 2003，4 1：73
10、季白桦, 袁修干. 航天员活动的计算机仿真人体动力学模型 [J ] . 北京航空航天大学学报, 199
7 , 23 (5) : 540～545.
11、林循泓, 孔维赠. 一种水平激扰侧向作用于人本的响应[J ]. 振动与冲击, 1997 , 16(3) ：73～77.
12、洪水棕, 顾方. 人体在平地行走时的足跖骨的动态应力变化[J ] . 中国生物医药工程学报. 199
7 , 16 (3) : 243～246.
13、杨志焕, 黄建钊. 冲击伤复合高速破片致伤的损伤和冲击伤防护[J ] . 爆炸与冲击, 1998 , 18 (2) : 162～166.
14、程秀生. 人体胸部侧向碰撞伤程度的试验研究[J ] . 兵工学报, 1999 , 20(1) : 72～75.
15、李起鸿. 人工关节置换术的现状及其进展[J]. 中华创伤杂志 2002，18：56
16、Grant JP, Oxland TR, Dvorak MF, et al. Mapping the structural properties of the lumbosac ral vertebral endplates. Spine, 2001,26:889-896.
17、Lim TH, Kwon H, Jeon CH, et al. Effect of endplate conditions and bone mineral density o n the compressive strength of the graft-endplate interface in anterior cervical spine fusio n, 2001,26:951-956.
18、 Xu Shuo - gui ,Zhang Chun - cai ,Wang Jia - lin ,et al. Three -dimensional photoelastic ity analysis of nitinol patellar concentrator for treating patellar fracture〔J〕. J Med Col l PLA , 2000 ,15(2) : 115
生物力学试验机
主要用途
主要用于各种材料的生物力学性能试验，包括用于人造血管、软组织、骨头、接骨板、椎间融合器、膝关节、脊柱固定器、金属涂层、髋关节、髓内钉等材料的拉伸、压缩、弯曲、扭转等机械性能测试和力学鉴定。可根据国家标准及ISO、DIN等标准进行试验和提供数据，自动绘制各种试验曲线，自动打印试验报告及试验曲线，是科研院所、大专院校、医学、生物工程等部门的理想试验设备。
功能特点
◎根据需要可随时对负荷、变形、位移测量通道进行手动或自动清零。
◎试验过程中可根据实际情况自动选择量程，且仍保证测量精度。
◎控制方式根据需要可以选择负荷、变形、位移或应力、应变等加荷控制方式。
◎停机返回：断裂自动停机，并高速返回到初始位置。
◎动横梁位置微调：配国产手动控制器可以理想的完成这一功能。
◎监测试验过程：对试验过程中的数据曲线可以实时的显示。
◎自动存盘：试验条件、试验数据自动存盘．必要时可以调出，不丢失。
◎结果再现：试验结果可任意存取，可对曲线进行再分析。◎曲线选取：可根据需要可选择应力-应变、负荷-变形、负荷-时间、负荷-位移、位移-时间、变形-时间等曲线显示、打印。◎曲线遍历：可用鼠标在曲线点激力与变形值，以求得各种参量◎结果对比：可对多个试群特性曲线进行叠加、再现、局部放大、实现待分析、样品特性的比对。◎批量试验：试验条件设定后，可依次完成一批样品的试验．试验条件和样件参数可存储，随时调用。
生物力学试验机[1]
生物力学材料试验机拉力固定装置，电子不易滑脱冷冻式夹持夹具，关键是用半导体制冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。是利用半导体材料的Peltier效应。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量,可以实现制冷的目的。在生物力学实验中经常会碰到生物软组织夹持固定的难题。以往的夹持方法都是采用坚硬的金属夹具对组织块进行钳夹,对于硬度高的组织如骨还可行,但对于生物软组织如肌肉、肌腱、韧带、血管、神经、黏膜、骨膜、腹膜、肠膜、皮肤、胶原蛋白、水凝胶等就很难。软组织柔软湿滑的特性使其被稳固夹持非常困难。传统方法是利用夹具与软组织之间接触面产生的摩擦力来发挥作用的,如手动式或气动是拉伸固定装置，而生物软组织具有强烈的黏弹特性,摩擦力仅仅是作用于其表面,其内部受力与外部受力是不同的。在夹持固定的过程中势必形成应力集中导致软组织的打滑脱落和损伤,所以必须有一种均衡应力的无创夹持方法来解决这一问题。运用冷冻技术提高软组织硬度使之与夹头牢固结合成一体是一种有效的方法。软组织被冷冻后硬度明显提高,夹具的作用力可以较均衡地传递到冻结区域的软组织,并通过冻结区域将应力均匀传递到非冻结区。冷冻夹持是靠液膜冰或四周溶液冰紧固,紧固力均匀一致,不会让材料夹伤变形,冷冻本身能消除钳夹应力,可提高材料与夹头稳固连接。这就为过去难以加工的韧、黏性材料,难以夹持的工件,特别是成型件的加工提供了新的解决途径
1.屈服点（σs）钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点σs =Ps/Fo(MPa)，MPa称为兆帕等于N（牛顿）/mm2，（MPa=106Pa，Pa：帕斯卡=N/m2）
2.屈服强度（σ0.2）有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2 。
3.抗拉强度（σb）材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示钢材抵抗断裂的能力大小。与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯强度等。设Pb为材料被拉断前达到的最大拉力，Fo为试样截面面积，则抗拉强度σb= Pb/Fo （MPa）。
4.伸长率（δs）材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百
分比叫伸长率或延伸率。 5.屈强比（σs/σb）钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75合金结构钢为0.84-0.86。 6.硬度硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。⑴布氏硬度（HB）以一定的载荷（一般3000kg）把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。
⑵洛氏硬度（HR）当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示： HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）。 HRB：是采用100kg 载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。⑶维氏硬度（HV）以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除载荷值，即为维氏硬度值（HV）
生物力学概念
生物力学概念：是研究人体运动规律的科学，它是体育科学的重要组成部分。 人体运动器系：是由若干可以相对运动的部分组合而成的整体。 载荷的表现形式：拉伸、压缩、剪切、弯曲、扭转和复合载荷。 变形的概念：物体在爱到外力作用时，其中任意两点间的距离和任意两直线或两平行面间的夹角会发生变化，它们反映了物体的尺寸和几何形状的改变。 力的可传性原理：力可沿某作用线任意移动而不改变其对物体的作用效应。 拳击的形式：直拳、勾拳、摆拳、刺拳。 组成肌肉的基本单位：肌原纤维。 肌肉收缩和舒张的基本单位：横桥 肌肉的三种收缩形式： 1、缩短收缩（向心收缩） 特点：张力大于外加阻力，肌长度缩短。 作用：是肌肉运动的主要形式，是实现动力性运动的基础（如挥臂、高抬腿等）。 （1）等张收缩：外加阻力恒定，当张力发展到足以克服外加阻力后，张力不再发生变化。但在不同的关节角度时，肌肉收缩产生的张力则有所不同。在关节运动的整个范围内，肌肉用力最大的一点称为“顶点”。在此关节角度下，骨杠杆效率最差。 如：推举杠铃，关节角度在120°时肱二头肌收缩张力最大，关节角度在30°时肱二头肌收缩张力最小。 最大等长收缩时，只有在“顶点”即骨杠杆效率最差的关节角度下，肌肉才有可能达到最大收缩。而在其他关节角度下，肌肉收缩均小于自身最大力量。 在整个关节活动的范围内，肌肉做等张收缩时所产生的张力往往不是肌肉的最大张力。 （2）等动收缩：在整个关节活动范围内，肌肉以恒定速度进行的最大用力收缩。但器械阻力不恒定。 等动练习器： 在离心制动器上连一条尼龙绳，由于离心制动作用，扯动绳子越快，器械产生的阻力就越大。 特点：器械产生的阻力与肌肉用力的大小相适应。 等动收缩的优点： 外加阻力能随关节活动的变化而精确地进行调整，使肌肉在整个关节活动范围内都能产生最大的肌张力。 2、拉长收缩（离心收缩）特点：张力小于外加阻力，肌长度拉长。 作用：缓冲、制动、减速、克服重力。 如：蹲起运动、下坡跑、下楼梯、从高处跳落等动作，相关肌群做离心收缩可避免运动损伤。 3、等长收缩 特点：张力等于外加阻力，肌长度不变。 作用：支持、固定、维持某种身体姿势。其固定功能还可为其他关节的运动创造适宜条件。 如：站立、悬垂、支撑等动作。 支持面：由各支撑面部位的表面及它们所包围的面积 稳定角：是重力作用线同重心与支撑面相应边界的连线之间的夹角 平衡角：指某个方位上所有稳定角之和。 稳定系数（K）：稳定力矩（重力矩）与翻倒力矩（外力矩）之比称为稳定系数。 影响身体平衡的生物力学因素：1、人体不能绝对静止；2、人体有效支撑面小余支撑面； 2、人体姿势的改变调节平衡；4、心理因素的影响。 举重的生物力学因素： 举重有抓举、挺举（提铃至胸、上挺{[重心降低]屈膝、伸髋、伸臂} 举重的原则：1、近(1、有利于平衡和稳定，越落在支撑面以外越不利于身体的平衡与稳定。2、有利于发挥人体的最大力量；3、有利于省力；)2、快；3、低 跳的生物力学分析： 一般原理：H=VVsinαsinα/2g| S=VV/g(sin2α/2+cosαsinαsinα+2gh/vv V是跳的腾起速度不是助跑速度。α为腾起角（双脚的运动方向与地面的角度） 影响跳的因素主要有：1、双脚腾起的初速度；2、腾起角。跳的过程：1、起跳前的准备（助跑、助跑与起跳的衔接）2、起跳；3、腾空；4、落地。 助跑与起跳间的衔接要求：1、加快步频，快速的向起跳点跑进使之能与快速起跳适应；2、在最后的2-3步要尽量降低身体重心（可以有足够我蹬伸时间使α变小，使向下消耗的能量转变为向上的能量。） 起跳的三个步骤：着地、缓冲、蹬伸。 影响H的因素：增加位移。 影响跳远的因素：1、踏板是否准确；2、身材；3、腾在空中的姿势；4、腾起速度；5、腾起角度；6、空气阻力； 7、落地姿势；8、落地动作。
生物力学研究生复试题
1、什么是运动中的内力和外力？体育运动中的主要外力有哪些？请 举例说明！ 内力：若将人体整体看做一个力学系统，则人体内部各部分的相互作用，称为内力。（骨骼肌张力、关节约束力、韧带张力等，其中骨骼肌的张力是人体内力中的主动力。） 外力：外界作用于人体的力称为外力。（重力、摩擦力、机械的惯性力、弹力等） 2、简述测量人体总重心的力矩合成法原理和步骤 ①原理 重力是地球对物体的引力，人体整体所受的合重力的作用点就是人体重心的位置。在运动生物力学研究中，人体重心的轨迹、位移、速度以及加速度等指标是评价人体运动状况的重要指标，所以，掌握人体重心的测量方法是非常必要的。 依据静力学中的力矩平衡原理进行人体重心位置的测定。图1为人体一维重心测量板，空板时秤的读数为M0，人体重为W，人躺在板上后（两足紧贴抵足板，足背屈）体重秤读数为M，设人体总重心至A点的距离为AC，板重W B，板长为AD，板的重心至A点的距离为AB，则根据力矩平衡原理有 图1 一维重心测量板示意图
空板称量时 AD M AB 0?=?B W （1） 人躺在板上时 AD M AC AB ?=?+?W W B （2） 整理得 AD M M AC 0?-=W （3） 上式中的AC 为被试标准站立姿势时的总重心的绝对高度。 为了便于比较，可计算人体总重心的相对高度，即重心绝对高度与身高的比值，该指标可消去身高的影响，其公式为 %100h AC %100?=?=身高重心绝对高度重心相对高度 （4） 式中h 为身高。 一般来说，人体重心的位置受人体体型、性别、年龄等因素的影响。长期从事运动训练也可引起人体重心位置的改变。 ②实验仪器与材料 一维重心测量板、体重秤、身高计等。 ③实验方法与步骤 1. 学生两人为一组。 2. 用体重秤、身高计分别测量每人赤足的体重W 、身高h 。 3. 安装好一维重心测量板，并记录空板时体重秤的读数M 0以及板长AD 。 被试者以标准解剖姿势平躺在测量板上，另一学生读出体重秤 数并记录在登记表内。然后被试分别做两臂平举和两臂上举，并记录体重秤读数。 4. 依据上述原理和测量结果，分别算出不同姿势的人体重心高度 和标准解剖位的相对重心高度。 5. 根据测量结果写出实验报告。
立定跳远的运动生物力学分析
立定跳远的运动生物力学分析立定跳远成绩通常被作为评定学生身体素质好坏的一个重要指标，同时它也 经常作为运动员选材的一个重要依据。运动生物力学是一门理论与实践密切结合 的应用科学,?它直接为增强人民体质和提高运动技术水平服务。以运动力学原理来分析立定跳远各个阶段的动作技术,找出提高立定跳远技术的途径,寻求最佳立定跳远技术,以帮助提高立定跳远的成绩。换句话说,就是从这个角度来分析立定跳远应该怎么跳,为什么要这么做,如何提高立定跳成绩。立定跳远属于抛射点与落地点在同一水平面上的抛射运动,?根据远度公式得知,影响抛射远度的主要因素是腾起初速度,又根据动量定理,?要求练习者在预蹲后应立即摆臂,蹬地跳起,蹬地应快猛干脆利落。因此,在进行完整连贯地练习立定跳远时应注意以下一些动作技术方面的问题。 动作各阶段分析 1、预蹲预摆阶段。双腿预蹲与双臂预摆是同时进行且运动方向完全相反。当双腿下蹲时，双臂由前下方经体侧向后上方摆动，上体稍前倾。这个阶段应注意四个问题。 （1）下蹲的程度，是微蹲、半蹲或是全蹲应明确。立定跳远时下蹲程度要求是微蹲，这时，人体的肌肉初长度被拉长达到了最适宜的程度。若是半蹲或全蹲就不符合人体肌肉的工作特点，变成了有意识地放慢下蹲的速度而延长力的作用时间，这样会降低肌肉的收缩力量，不利于形成强大的肌肉收缩力即爆发力。 (2)预蹲摆后能不能停顿。立定跳远动作要求是不能停顿的，当预蹲预摆后应接着迅速完成蹲地动作的，其主要原因是：停顿是把连贯的动作变成静力性动作，而静力性动作较连贯性动作易使肌体产生疲劳。。 (3)摆臂的程度。预蹲时双臂后摆应做到自然，不能强扭使摆幅加大，蹬地时双臂前摆应尽力前上方摆起，以最大程度地提高身体重心。 (4)明确预蹲摆的次数是不是越多越有利于起跳。立定跳远要求只预蹲摆一至二次，并不需要进行多次的重复。多次的重复预蹲预摆不利于充分利用肌肉的弹性，同时由于肌肉松驰现象的存在，不利于肌肉产生最大收缩强力。 2蹬地结束后人体腾空到最高点阶段。预蹲结束应立即摆臂与蹬地跳起，蹬直双腿，上体尽量前送，人体在达到最高点时成一斜线，这时候整个人体也应该是遵循角动量守恒定律的。 3人体从最高点到安全落地阶段。人体蹬离地面后，由于上体尽量前倾，在最高点时，是成一条斜线根据角动量守恒定律，当人体在腾空后，在不改变外力矩作用时，身体某一环节若以一定大小的动力矩绕转轴向某一方向产生转动，必然导致身体其他环节以等量大小的动力矩绕转轴向相反方向发生转动。这时，若不急剧挥臂，向前屈体并做收腹举腿，必然导致人体按原来斜线状态落地。为保证安全落地，必定要使下肢向反方向发生转动，并且小腿前伸着地，保证了上肢上体与下肢转动的动量矩矢量和为零，才能顺利地落地。 为了提高立定跳远的成绩，在进行动作练习时还应注意以下一些训练方法的问题： 1从抛射原理的射程公式中我们可得知：初速度与远度是成正比的，初速度是影响远度的主要因素。因此，在训练中必须着重提高初速度以提高远度。由于
运动生物力学研究方法综述
运动生物力学研究方法综述 摘要：采用文献资料法、逻辑分析法,根据现代运动生物力学发展的规律与特点,对现代运动生物力学研究方法进行一定层次的归纳分类、特征分析,认为现代运动生物力学研究方法具有科学化特征、实用性特征和实验研究与辩证思维分析相结合特征,并进一步提出应用现代运动生物力学研究方法应注意的主要问题与建议。 关键词：运动生物力学;研究方法;测量手段 一、运动生物力学的发展过程 1 启蒙阶段 早在公元前,就有很多自然科学家和哲学家对日常生活中人和动物的力学问题产生了浓厚的兴趣,15世纪末,意大利著名科学家列奥纳多·达·芬奇(Leonardo Da Vinci)用人的尸体研究解剖学,并在此基础上借助力学研究人体的各种姿势和运动,指出人体运动符合力学定律,奠定了运动生物力学的雏形。 1 . 2 初步形成 20世纪,由于体育学及医学的飞速发展,很多运动中的力学问题日益凸显并亟待解决,随着各类电子设备、精密仪器等测试工具的发明为解决这些问题创造了前提条件。结合解剖学、物理学使运动生物力学这门边缘学科应运而生。 1 . 3 发展阶段 1967年苏黎世召开了第一届国际生物力学会议,1973年8月在美国宾夕法尼亚大学召开的第四届国际生物力学会议上将运动生物力学从生物力学中划分出来,成立了国际运动生物力学学会(简称ISBS),运动生物力学正式成为独立的一门学科。1982年6月20日,在美国加利福尼亚召开第一次国际运动生物力学会议,从此,运动生物力学的研究工作在全世界蓬勃开展。我国于1980年成立了下属中国体育科学学会的运动生物力学分会,并于2005年在北京成功举办了第23届国际运动生物力学会议。 二、运动生物力学研究方法的分类 从研究的形式上，可分为理论研究方法和实验研究方法两大类，实验研究方法又分实验室测量法和运动测量法。从研究的领域上，可分为物理学研究方法、生物学研究方法和系统研究方法。从研究材料的来源上可分为原始资料数据的采集整理和资料分析方法。研究运动项目主要以运动学和动力学研究方法为主，生物学的研究方法为辅，综合运用多种实验手段[3]。 美国的理查德·C.尼尔森把运动生物力学的研究方法大致概括为如下五种：（1）研究特定的运动项目或其中的某一环节的生物力学，这种主要对于运动员、尤其是只对某一运动专项感兴趣的教练员非常有用。（2）研究多个运动项目中共同包含的运动动作（如着地、起跑等动作）的生物力学。最大好处是建立一种一般性的理论，这个理论是建立在经典力学定律之上，或是建立在共同的神经控制模式之上。（3）被称为运动生物力学的评定方法，如从能耗观点去评价运动技术的优劣等。（4）指对某一专项运动所涉及的生理学、运动学、动力学以及专项特点等有关方面进行综合考虑。（5）讨论在运动中人体器官的生物力学。 中国的周里将研究的方法分为高速摄影（二维与三维）、录像、测力、肌电、肌力测试系统、同步测试、理论分析和CT、核磁共振其他方法[4]。 三、运动生物力学研究方法的现状分析
生物学评价模版
医疗器械生物学评价报告 一、医疗器械生物学评价的策略和所含程序 该评价是对XX公司所生产的YY产品进行的医疗器械生物学评价。所有YY产品采用同样的材料进行生产（若为系列产品）。 列出GB/T16886.1给出的评价流程图。 医疗器械生物学评价方法选择流程图 本产品的医疗器械生物学评价方法流程如下（根据产品情况，对本产品所走路线进行说明，下为四种不同情况举例说明，不适合进行生物学评价的情况不包括在内）： （1）该器械与人体直接接触或间接接触――需要对材料进行定性――材料与市场上器械所用材料相同――该器械与市场上器械具有相同特性，包括：生产、人体接触和灭菌――最终评价（具有生物学等同性，因此符合GB16886标准的要求） （2）该器械与人体直接接触或间接接触――需要对材料进行定性――材料与市场上器械所用材料相同――该器械与市场上器械不具有相同特性，从生产、人体接触和灭菌方面进行说明――有足够的证明和/或可提供的试验数据――最终评价（符合GB16886标准的要求） （3）该器械与人体直接接触或间接接触――需要对材料进行定性――材料与市场上器械所用材料相同――该器械与市场上器械不具有相同特性，从生产、人体接触和灭菌方面进行说明――没有有足够的证明和/或可提供的试验数据――进行生物学评价――对器械进行定性，按照GB/T16886.1生物学评价试验和选择表1和表2，说明器械与人体的接触性质和时间（例如：表面接触――皮肤；一时接触）――需要进行的生物学评价试验的选择（按照GB/T16886.1生物学评价试验和选择表1和表2）――试验和/或原理的阐述和证明――最终评价（符合GB16886标准的要求） （4）该器械与人体直接接触或间接接触――需要对材料进行定性――材料与市场上器械所用材料不同――进行生物学评价――对器械进行定性，按照GB/T16886.1生物学评价试验和选择表1和表2，说明器械与人体的接触性质和时间（例如：表面接触――皮肤；一时接触）――需要进行的生物学评价试验的选择（按照GB/T16886.1生物学评价试验和选择表1和表2）――试验和/或原理的阐述和证明――最终评价（符合GB16886标准的要求） 二、医疗器械所用材料的描述 XX公司生产的YY产品采用ZZ材料，包括A、B和C组分。ZZ材料被广泛应用于….的生产中，已经有….年的历史。 ZZ材料的特性，使其适用于….产品，包括…特性、…特性、…特性（例如无细胞毒性、无刺激性、无热原性、无致癌性….）（可根据需要引用文献）。
肌肉骨骼系统基础生物力学.doc
肌肉骨骼系统基础生物力学（第3版翻译版）【(美)Margareta Nordin 等著邝适存郭霞译 本书分3篇18章，深入讨论了肌肉骨骼系统的组织结构、关节力学及 临床应用，包括对肌肉骨骼的发育、组成结构、功能及功能评定、创伤 的力学机制、临床力学结构重建等相关的最新研究信息。同时也涉及肌 肉骨骼系统的分子和细胞生物学的研究进展 郭霞 博土早年毕业于北京医科大学，曾做过骨科临床医生，后在德国从事骨科临床及基础研究工作多年。现任职于香港理工大学康复医疗科学系，从事骨科康复研究及教学工作。她文通中英语，学贯骨科临床与基础，具备了编写这部词书的优越条件。本书编校人员本着治学严谨的原则，用六年时间参阅了中英文有关名词的权威性著作8部，相关的临床及科研期刊7种，专业网址4个编辑成此书。初稿完成后又广泛征求意见，反复推敲内容，最后定稿。序言 生物力学是了解人类肌肉骨骼系统的根基，用以协助医科和康复专业人士进行有效的评估，设计实证治疗方案，为肌肉骨骼疾病患者提供有效的治疗服务。 本书的英文原著深受学生、老师、研究员和临床医师的欢迎，是学习生物力学的热门教科书。课本内容按组织类型、结构和关节三大篇章依序编辑，大大方便了读者掌握不同课题的概念和原理；课本也收进了几篇有关生物力学应用的文章，以解决常见的临床问题。这样的内容编排迎合了医科和康复科学生及临床医师们的学习需求。本书内容丰富，附有详细图解，适合专业学习及深造研究之用，并且透过实例解析，加深读者对生物力学的概念。 这本教科书的中文译本由香港理工大学康复治疗科学系的副教授邝适存博士和郭霞博士领导编译。邝博士专攻生物工程，郭博士则专长研究骨骼成长与修复。出版中文译本的原意与本系的学术理念非常相符，同样着重可转化和以实证为本的临床研究。作为亚洲区内康复治疗科学领域的学术先锋，中文译本的出版，让以中文为母语的学生和临床医师们，能够学习和应用生物力不于医科和康复治疗领域，获益良多。
运动鞋的生物力学分析
运动鞋的生物力学分析 班级：本硕121 姓名：孟宪章学号：5702112111 摘要：运动鞋科技的每一项进步都离不开生物力学研究。无论国际品牌Nike和Adidas， 还是以李宁为代表的国内一线品牌，其核心技术的创新都必须遵循人体运动的生物力学原理。足的结构与力学功能问题、“足—鞋—地”相互作用的力学问题、鞋体材料与结构的运动功效问题以及足的骨结构生物力学模型问题，一直以来都是运动鞋生物力学研究的主题。国内外的品牌运动鞋的核心技术也都大同小异，主要是：模拟裸足、足跟控制、缓震减震。能量回归。 1 足的生物力学研究 足作为下肢的末端环节，通过直接或间接与外界接触，并发生力的相互作用，从而改变人体的运动状态。因此，足的结构与运动功能的生物力学问题是运动鞋生物力学研究的基础。足的生物力学研究主要涉及足的结构与形态分析、足的运动学测量分析、足的动力学测量分析和足的生物力学建模分析。 1．1足的形态与结构分析 足的形态与结构测量，借助了现代影像技术及电子技术，如三维足部扫描系统、X光、CT和MRI动态扫描系统等都早已运用于不同功能运动鞋的设计与制作。基于CAD计算机辅助设计并结合数字化技术的脚型测量系统，则使脚型测量更加简单快捷，个性化运动鞋的设计已变得十分方便。 1．2足的运动学测量分析 Siegler等研究了人体踝关节和距下关节的三维运动学特征，提出的重要结论对认识踝关节、距下关节以及在旋转、内翻等足运动过程中的作用具有指导意义。Sammarco利用瞬时旋转中心的方法考察了踝关节在背屈和内翻动作中的运动学特征。EIlgsbe利用有限螺旋轴法研究了跟距关节的三维运动学特征。Root等不仅提出了足部形态结构影响足部运动功能的观点，而且，采用三维影像技术研究了足的运动学特征，为足的运动学测量分析提供了理论与方法基础。 1．3足的动力学测量分析 Vlorton是最早利用复印技术记录足部压力分布的学者，他所设计的运动图像技术，其原理是利用橡胶的弹性把压力转换为相应比例的变形。随后，出现了用铝箔取代墨水和纸张作为复印介质的改进技术。之后通过记录即时压力曲线，并获得足底压力分布的运动图像技术随后开始出现。Elfamu的自动压力计便是这一技术的应用成果，第二代自动压力计使用了显示器和图像处理技术，可以通过黑白或彩色图像进行局部压力分析。此后，研究人员又利用光弹性作为压力转换方式，研制出新的压力显示系统。Cavanagh和Miehiyoshi采用类似的技术，并通过计算机处理得到了足底准三维压力曲线，曲线上各点的纵向坐标值与足底该点处的压力成比例，可以更直观地反映足底压力及其分布状况。近年来，随着计算机和图像处理技术的不断发展，其应用领域不断扩大，足底动态压力分布的测量与分析技术已经广泛应用于足与鞋底的动力学测量。压力板技术多采用力-电转换技术，足底压力被转换为可以方便测量的电信号。从而得到相当精确的结果，但其电延迟性不利于动态研究。而具有较好的精确性、良好的动态响应和较高的灵敏度的压电晶体技术就成为很好的替代，而且，电工学的发展解决了长期困扰该技术的充电泄漏问题，使其成为足底压力测量的有力工具。1．4足的生物力学建模研究 足的生物力学建模研究，起初关注的重点是建立足结构的数学模型，通过对足部骨骼解
生物力学用于假肢性能评价的研究进展
?综述?生物力学用于假肢性能评价的研究进展 赖卿1,2,曹学军1,2 [摘要]生物力学研究方法用于假肢性能评价的方法主要有接受腔/残肢界面应力测试,接受腔计算机辅助设计制造,有限元分析在假肢研究中的应用,假肢三维刚体动力学模型的应用,假肢步态分析、足底受力系统等的应用,并对未来假肢接受腔设计系统的特点进行展望。 [关键词]生物力学;假肢;计算机辅助设计制造;有限元;综述 E valu ation in Prostheses’Perform ance Using Biomechanical Method(review)L A I Qing,CA O X ue2j un.Ca pital Medical Universit y School of Rehabilitation Medicine,B ei j ing Charit y Hos pital,China Rehabilitation Research Cent re,B ei j i ng100068,China Abstract:The gradually developing study methods included the application of socket2limb interface stress test,socket computer aided design and manufacture,finite element method,the building of prosthesis3D2rigid body kinetic model,gait analysis,and the footplate force system. K ey w ords:biomechanics;prosthesis;computer aided design and manufacture;finite element method;review [中图分类号] R496[文献标识码] A[文章编号] 100629771(2010)0120040202 [本文著录格式] 赖卿,曹学军.生物力学用于假肢性能评价的研究进展[J].中国康复理论与实践,2010,16(1):40—41. 假肢接受腔是将假肢连接到残肢的重要部件,其设计的合理性直接影响假肢使用的舒适性和方便程度。在临床上,接受腔需要假肢矫形师针对使用者的具体情况进行个体化设计。一个功能性、舒适性都满足要求的假肢往往要在使用者反馈其使用效果和使用后进行评测的基础上,经过一定修改(有时要修改多次)才能得到。 现有的大量研究表明,残端和接受腔接触面上的应力分布是影响接受腔设计的关键因素[1]。自1954年以来,研究者们陆续建立了多种测量残端/接受腔接触面应力分布的实验方法,为了解残端和接受腔接触面上的应力分布起到了重要的作用。但这些实验方法必须针对已成型的接受腔模型;同时,测到的结果往往只是个别部位的应力分布,而无法得到整体的信息,因此无法用实验方法对个体化接受腔设计的效果进行直接预测。从上世纪80年代开始,计算机辅助设计制造(computer2 aided design/computer2aided manufacturing,CAD/CAM)技术开始应用于接受腔的设计中,优化设计的接受腔并非简单地以残肢为模板,而必须根据功能性和舒适性的要求进行形状修正(socket rectification)。数字仿真可以较好地克服实验方法的局限,有限元法是目前普遍应用的分析方法[2]。但由于有限元建模是一个相对繁杂的过程,目前的研究停留在基础性的机理研究阶段,还难以直接应用于面向患者的假肢接受腔的CAD/ CAM中[324]。 1接受腔/残肢界面应力测试 接受腔/残肢界面应力测量数据的首次报道是在20世纪50年代,其测量方法是用装满空气的传感器采样相对较大的面积(25cm2)。虽然在人体/支撑面之间应力测量使用的传感器有很多种,关于接受腔应力分布的报道却很少,尤其对大腿残肢的应力分布更缺乏可参考的数据。在现有的资料中,Appoldt 和Bennett使用微小的压力传感器结合附有4个半导体应变片 作者单位:1.首都医科大学康复医学院,北京市100068;2.中国康复研究中心康复工程研究所,北京市100068。作者简介:赖卿(19852),女,江西赣州市人,硕士研究生,主要研究方向:康复工程学。通讯作者:曹学军。的压力敏感薄膜来测量大腿接受腔/残肢界面的应力分布。Lee等应用了一种嵌入接受腔壁的传感器,这种传感器和接受腔内表面紧密结合,不会增加附加厚度,从资料显示来看,其测量精度相对较高,是一种新型的测量方法[5]。 2接受腔CAD/CAM 假肢接受腔的CAD/CAM早在20世纪60年代的早期就已经提出了。然而,世界上第1个这样的系统一直到1983年才在英国伦敦大学学院(University College London,UCL)、加拿大英属哥伦比亚大学(University of British Columbia,UBC)等大学的合作下面世[6]。研究残肢参数模型以及接受腔和残肢界面压力分布规律,建立假肢适配性评价准则,使接受腔CAD/ CAM能够完全不依赖于假肢技师经验自动修型,是假肢接受腔研究的热点和难点[7]。 CAD/CAM系统应用的优点首先在于提高了假肢矫形师们的效率,因为在传统的工艺中,修形必须在阳模完成之后;而在CAD/CAM系统中,一旦扫描得到残肢形状,即可进行修形。CAD/CAM系统的另一个优点在于显著降低了成本,因为它省去了许多中间取模的过程。但值得注意的是,许多假肢师仍然倾向于使用传统的设计方法[8]。因此,最理想的状态就是在现有的CAD/CAM中增加一个判断系统,能在接受腔成型之前就预测它的合理性,并能对接受腔的修整提供指导性意见或更进一步的定量化参数[9]。这首先需要建立起评价接受腔合理性的方法。 尽管当前的CAD/CAM系统可以较为准确地得到残肢的外轮廓形状,但优化设计的接受腔绝不完全以残肢为模板,而是能以得到理想的表面应力分布模式为目标[10]。因此,首先必须了解在各种因素作用下,残肢表面的应力分布(包括压力和剪应力),软组织内部应力分布以及滑移、摩擦以及骨与接受腔之间的相对位移等,其中残肢表面的压力分布往往是假肢师们所最关心的。研究方法包括两大类:实验研究和数字仿真。 3有限元分析 有限元法是固体力学中的一种重要方法,其原理是把连续系统转变为离散型的结构,即先将物体假想地分成(离散化)诸多子单元,各个单元是由结点联系在一起的;再对每个单元用
短跑运动控制的生物力学分析
文章编号:1000 677X(2010)09 0037 07体育科学 2010年(第30卷)第9期 CH INA S PORT SCIENCE Vol.30,No.9,37 43,2010.短跑运动控制的生物力学分析 Biomechanical Analysis on Movement Control during Sprint Running 魏书涛1,刘 宇1,傅维杰1,李 庆2,钟运健1 WEI Shu tao1,LIU Yu1,FU Wei jie1,LI Qing2,ZH ONG Yun jian1 摘 要:目的:通过建立短跑最高速阶段下肢的生物力学模型,探讨短跑运动下肢肌肉在多 关节运动中协调、控制功能的生物力学机制,为短跑技术分析、技术最佳化提供依据。方法: 使用三维红外高速摄像系统(300H z)、三维测力台(1200Hz)采集8名高水平短跑运动员 在塑胶跑道上全力跑动时的数据。使用环节互动动力学分析短跑最高速时一个步态周期的 运动学、动力学数据。研究结果:1)触地初期,地面反作用力通过膝关节和髋关节前方,在 膝、髋关节处产生伸膝、屈髋力矩的外力矩(EXF),此时肌肉力矩(M US)的主要作用是对抗 地面反作用力产生的外力矩(EXF)。此时,膝、髋关节处最大MU S分别为203.40 93.60 Nm和455.24 198.72Nm;蹬伸末期,在髋关节处出现较大的由大腿加速度和髋线加速度 产生的惯性力矩(INT),在离地后小腿后摆运动中起到积极作用;2)摆动初期,小腿的后摆 主要是惯性力矩引起的;摆动末期肌肉力矩(M US)与惯性力据(IN T)出现最大值,膝关节处 为249.32 38.81Nm、194.01 30.90Nm,髋关节处为650.81 101.06Nm、410.80 78.67N m。结论:支撑期,肌肉力矩(M U S)和地面反作用力产生的外力矩(EXF)是主要控 制下肢运动的主要力矩。支撑末期,大腿加速度及髋线加速度在髋关节处产生较大的惯性 力矩(INT),为离地后小腿的积极后摆提供帮助;腾空期,摆动腿的运动主要受肌肉力矩 (MU S)和惯性力矩(INT)控制,其中,惯性力矩(IN T)主要由小腿的角加速度产生的,两力 矩相互作用,以控制与完成下肢的目标动作。 关键词:环节互动动力学;运动控制;关节力矩;短跑 Abstract:T he pur po se of this study was to analyze the movement contr ol of the low er extr emi ty by using bio mechanical model dur ing spr int r unning and prov ide the basis for technical anal ysis and o pt imization of spr int running.M etho ds:T hr ee dimensional v ideo g raphic and g ro und reactio n fo rce(GRF)data wer e co llect ed fr om8outstanding male sprint runners perfo rming spr int running at their max imum effor t.T he inter seg mental dy namics w as quant ified and the kinemat ics,the g ro und r eact ion f orce were analyzed dur ing a r unning gait cycle of the max imal speed phase in sprinting.R esult s:Dur ing the initial stag e o f stance phase,t he g round r eaction for ce passes t hr ough in fr ont of knee and hip joint,pro duces a knee ex tension tor que and hip flex io n to rque.T o co unteract the to rque of GRF,the hamstring muscle co nt racted and pr oduced a f lex ion tor que at knee(203.40 93.60N m)and an extension t orque at hip(455.24 198.72N m).At the hip joint,T he IN T due to thig h ang ular accelerat ion and hip velocity has contributio ns to back swing of leg dur ing later stance phase.Dur ing initial sw ing phase,T he IN T due to leg and thig h angular acceler at ion and hip acceleration has contributio ns to back swing o f leg.T he M U S and the IN T are the dominating tor ques and their maximal v alues wer e 249.32 38.81N m,194.01 30.90Nm at knee joint and650.81 101.06N m,410.80 78.67N m at hip joint respectiv ely dur ing later sw ing.Conclusio ns:D ur ing st ance phase,the muscle to rques and the gr ound reactio n t orques ar e the ma in t orques that tends to counter act each o ther for contro lling t he mo vement.T he IN T due to thig h ang ular acceleration and hip ve locity has contr ibutio ns t o back sw ing of leg during later stance phase.D ur ing sw ing phase, segment mo vement is co nt rolled mainly by active muscle t orques and motion dependent to rques (due to leg angular acceleratio n),and their functions w ere o pposite and canceled out. Key words:seg ment inter action;movement contr ol;j oint tor que;s p r int r unning 中图分类号:G804.6 文献标识码:A
生物力学
生物力学 摘要：生物力学作为一个新兴的力学学科，在现代医药、体育等学 科的推动下发展迅猛并体现出了巨大地发展潜力。同时作为高端学 科，受制于其他学科的研究成果，又面临着许多制约其发展的难题。 关键词：生物力学，发展历程，分支学科简介，未来发展，面临问 题 一、引言 生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。其研究范围从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。依研究对象的不同可分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。 生物固体力学中关于骨的研究，可以追溯到19世纪，大量的研究者对骨组织进行了研究，直到19世纪末，Wolff提出了著名的Wolf's Law. 他认为骨组织是一种自优化的组织，其结构会随着外载的变化而逐渐变化，从而达到最优的状态。以后，研究者进行了大量研究，基于此定律提出了不少的理论及数学模型。其中较为著名教授有S.C Co win ,D. R Carter , Huskies。在国内，吉林大学的朱兴华教授也做了大量工作。20世纪70年代以来，对骨骼的力学性质已有许多理论与实践研究，如组合杆假设，二相假设等，有限元法、断裂力学以及应力套方法和先测弹力法等检测技术都已应用于骨力学研究。骨是一种复合材料，它的强度不仅与骨的构造也与材料本身相关。骨是骨胶原纤维和无机晶体的组合物，骨板由纵向纤维和环向纤维构成，骨质中的无机晶体使骨强度大大提高。体现了骨以最少的结构材料来承受最大外力的功能适应性。 在人体运动中，应用层动学和动力学的基本原理、方程去分析计算运动员跑、跳、投掷等多种运动项目的极限能力，其结果与奥林匹克运动会的记录非常相近。在创伤生物力学方面，以动力学的观点应用有限元法，计算头部和颈部受冲击时的频率响应并建立创伤模型，从而改进头部和颈部的防护并可加快创伤的治疗。人体各器官、系统，特别是心脏—循环系统和肺脏—呼吸系统的动力学问题、生物系统和环境之间的热力学平衡问题、特异功能问题等也是当前研究的热点。生物力学的研究，不仅涉及医学、体育运动方面，而且已深入交通安全、宇航、军事科学的有关方面。 中国的生物力学研究，有相当一部分与中国传统医学结合。因而在骨骼力学、脉搏波、无损检测、推拿、气功、生物软组织等项目的研究中已形成自己的特色。通过更科学的研究，为中国传统中医注入了新鲜血液。 如今颈椎、腰椎等疾病人群日益增多，生物力学正提供了一个更科学，更有效的研究方法。同时生物力学也必将对困扰人们多年的心脑血管疾病的治疗带来曙光。所以对于生物力学这一新兴学科的研究具有重要意义。 二、生物力学各分支的概述
生物力学
一、名词解释 相向运动：身体某一部分向某一方向活动时，身体的另一部分会同时产生相反方向的活动的运动形式称为相向运动 肢体的鞭打动作：在克服阻力或自身移位的过程中，上肢诸环节依次加速和制动，使末端环节产生极大速度的运动形式称肢体的鞭打动作 惯性参考系：把相对于地球静止或相对于地球做匀速直线运动的物体作为参标准的参考系超重现象：指物体的一种运动状态，当物体处于超重状态时，物体具有向上的力的速度或向上的加速度 肌肉松弛：被拉长的肌肉，其张力随着时间的延长而下降的特性，这一特性称肌肉松弛 牵连运动：动参考系相对于静参考系的运动 最佳运动技术：是考虑了个人的身体形态、机能、心理素质和训练水平来应用一般技术原理，以达到最理想的运动成绩 运动生物力学：是研究体育运动中人体机械运动规律的科学 运动相对性：物体的运动取决于参考物体选取的性质叫做运动相对性。 质点：只有质量没有大小的点 刚体：由相互间距离始终保持不变的许多质点组成 稳定角：所谓稳定角就是中心垂直投影线或重心至支撑边缘相应点的连线间的夹角。 稳定角系数：倾倒力开始作用时稳定力矩与倾倒力矩的比值 平衡角：等于某方经平面上稳定角的总和。 转动惯量：描述物体转动时保持原来运动状态能力的物理量 失重现象：物体对支持物的压力小于物体所受的重力的现象 肌肉的激活状态：在神经脉冲的影响下，肌肉的收缩成分出现激活状态。因此把肌肉兴奋时收缩成分的力学状态称肌肉的激活状态 肌肉的平衡长度：肌肉被动张力为零时，肌肉所能达到的最大长度 肌肉的静息长度：收缩元表现最大张力时的长度称肌肉的静息长度 绝对运动：运动着的质点相对于静参考系的运动 相对运动：动点相对于动参考系的运动 二、填空题 1、把人体简化为质点，按质点运动轨迹可分为直线运动和曲线运动 2、按机械运动的形式可将人体运动分为平动、转动和复合运动 3、骨骼的受力形式有拉伸、压缩、弯曲、扭转和剪切 4、运动学量的特征：瞬时性、相对性、矢量性、独立性 5、力的三要素：力的大小、力的方向、力的作用点 6、平衡力的条件：合外力为零、所受的合外力矩为零 7、下支撑静力性运动稳定性的参量 ⑴支撑面、⑵重心的高度、⑶稳定角、⑷平衡角、⑸稳定系数 平衡种类可分为：⑴上支撑平衡⑵下支撑平衡、 9 平衡、⑵不稳定平衡、⑶随遇平衡、⑷有限度的稳定平衡 10、影响人体转移惯量大小的因素主要有：⑴人体的质量、⑵身体的形态、⑶身体的姿势⑷转轴的位置等。 11、为增大肢体的转动效果，通常采用以下途径：⑴增加肌肉对骨杠杆的拉力矩、⑵减小肢
脊柱生物力学基本知识
青少年脊柱侧凸 概述 脊柱侧弯的经典定义为“脊柱在额状面上发生的侧方弯曲”，实际上应为一种复杂的三维畸形。额状面上畸形大于10 度的传统标准仍然适用于现行的脊柱侧弯定义。然而由于近来对力偶合认识的加深，目前我们知道侧弯的脊柱不仅在矢状面和额状面上存在有差异，在横断面上亦存在有畸形。因此在脊柱侧弯的诊断和治疗过程中一定要对人体的三维平面进行评估。 脊柱侧弯的患病率 患病率是指在某一时点检查时可能发生某病的一定人群中患有某病的频率。由于侧弯严重程度的不同，脊柱侧弯的患病率而有所差别，角度大的侧弯发生率较低，世界范围内各种类型脊柱侧弯的患病率约为1%，且在各种群中相对恒定。勿将患病率与发病率相混淆。发病率是指在观察期内（通常为一年），可能发生某种疾病的一定人群中新发生该病的频率。绝大多数研究所涉及的是脊柱侧弯的患病率。
脊柱侧凸的病因学 脊柱侧弯的病因多种多样。Moe 在其经典的教科书中列举的病因多达50 余种。我们将其粗略地将脊柱侧弯分为以下四类： ?神经肌肉性侧弯 ?先天性侧弯 ?某些疾患（疾病，肿瘤和创伤）导致的侧弯 神经肌肉性侧弯 神经肌肉性侧弯通常在儿童期发病。 神经病性和肌病性。然而， 为脊柱侧弯。 多数神经肌肉性侧弯患者需接受脊柱融合手术。 上并能够拥有较好的生活质量。坐立有助于改善患儿的肺通气， 减少肺部并发症。 神经病性疾患使神经系统受累。神经病性侧弯包括脑瘫， 碍及脊髓灰质炎。 肌性侧弯的病因在于肌肉组织疾患。Duchenne 肌萎缩和关节弯曲是肌 性疾患的典型病例，并有可能导致脊柱侧弯。 先天性侧弯
先天性侧弯是由于发育过程中胚胎受到损伤而造成的椎体或椎节 这种先天性脊柱缺陷可分为以下三个基本类型： ? 形成不良 ? 分节不全 ? 混合型 形成不良可累及单一椎体或多个椎体，指脊柱在宫内发育过程中，一个椎 体的部分或全部不能完整发育成型。形成不良最常见的情况是半椎体。该种畸形在侧弯中较为常见，并可使侧弯畸形加重。若脊柱后部结构发生形成不良，可导致脊柱裂或脊髓脊膜突出。右方插图显示的形成不良为半椎体。 混合型是指形成不良和分节不全同时发生。这一类型较难判别和评估，需加以定期随访。混合型最重的情况通常为脊柱的一侧存在有多个未分节的骨桥，而另一侧则为半椎体。单纯的形成不良或分节不全较为少见，相反大多数患者表现为形成不良和分节不全两者并存。 某些疾患造成的侧弯 某些全身性疾患也可导致脊柱侧弯的发生，如：感染、肿瘤或创伤。诸如间质病变的 Marfan 综合征和遗传性结缔组织病变的 神经纤维瘤病往往同时伴随有脊柱侧弯的发生。但并非这类疾病都有脊柱侧弯的发生。 急性和慢性感染（例如：结核）有可能造成明显的脊柱侧弯。脊柱肿瘤及楔变的骨折，最终也会导致脊柱侧弯，但这些情况在儿童中罕见。多节段椎板切除术往往造成医源性侧弯，此在成年中亦较为常见。
材料的生物学性能及其评价
一、名词解释 细胞外基质：由胶原、弹性蛋白、糖蛋白组成，具有抗压性、弹性，分布于细胞和组织之间，构成组织和器官，连城有机整体。 溶胀、降解：溶胀是游离分子扩散，破坏材料内部分子间作用力，降解是聚合物最终断裂为小分子单体的过程。 浸析、腐蚀：溶胀过程中伴有内部物质丢失，使得材料的质量减少称为浸析，聚合物分子断裂形成的齐聚物和小分子单体脱离聚合物引起材料损失的过程称为腐蚀。 炎症：血管系统的活体组织对损伤银子的刺激所发生的一种以防御反应为主的基本病理过程。 医疗器械：指用于诊断、治疗。预防、监护、缓释的，用于人体的任何仪器、设备、器具、材料等。 参照样品：材料或物质的一种或多种性能是完全均质的，并经过鉴定，可满足仪器的校正、测量方法的评价或确定材料的性能。 浸提液：按一定试验条件，浸提试验材料得到的液体。 环氧乙烷（EO）：最常用的灭菌剂之一，其性质活泼，二次生成物主要是当EO与Cl接触时，产生毒性更大的氯乙醇（ECH）。 细胞毒性：由细胞或化学物质引起的单纯的细胞杀伤。 血液相容性：血液对外源性物质或材料产生合乎要求的反应。 内毒素：细菌细胞壁的一种成分，叫脂多糖，对宿主有毒性，只有当细菌死亡溶解或用人工方法破坏菌细胞后才释放出来。 生物相容性：指材料与生物体之间相互作用后产生的各种生物、物理、化学等反应。 阴性对照：当按规定步骤试验时，证明试验过程具有再现性，试验系统应呈现阴性、无反应
或无背景影响的物质。 阳性对照：当按规定步骤试验时，证明试验过程具有再现性，试验系统应呈现阳性反应的物质。 浸提介质：试验中的适宜溶剂。 二、填空题 材料的生物学环境指生物医用材料在生物体系中所处部位的情况，接触的体液包含有有机大分子、酶、自由基及细胞等。 细胞外基质（胶原、弹性蛋白、糖蛋白、氨基聚糖）是机体发育过程中由细胞分泌到细胞外的各种生物大分子，分布于细胞和组织之间、细胞周围或形成细胞的基膜，构成组织与器官，连成有机整体。它不仅参与组织结构的维持，而且对细胞的存活、形态、代谢、增殖、分化和迁移等基本生命活动具有全方位的影响。 炎症是指具有血管系统的活体组织对损伤因子所发生的复杂的防御反应。 免疫系统包括中枢免疫器官（胸腺、骨髓），外周免疫器官（淋巴结、脾），免疫细胞（T细胞、B细胞、自然杀伤细胞） CMI是T细胞介导的免疫应答，称为细胞免疫，B细胞介导的免疫应答，称为体液免疫。免疫排斥反应类型：①超急排斥反应（24h内）②急性排斥反应（数天到几个月）③慢性排斥反应（数月至数年）。 降解类型包括光降解、热降解、机械降解、化学降解。 金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀。陶瓷的降解与其化学成分和显微结构相关。 医疗器械分类：非接触器械、表面接触器械、外部接入器械、植入器械或短期接触、长期接触、持久接触。