導(dǎo)語：如何才能寫好一篇運動生物力學(xué)的作用，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

摘 要 采用文獻(xiàn)綜述法對運動生物力學(xué)在體育教學(xué)中的作用進(jìn)行綜述，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：運動生物力學(xué)能夠減少學(xué)生活動過程中微損傷，促進(jìn)學(xué)生健康鍛煉；運動生物力學(xué)能夠有效將體育動作細(xì)化，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)鍛煉；運動生物力學(xué)理論教學(xué)與實踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生體能、身體形態(tài)、身體素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展。因此運動生物力學(xué)在體育教學(xué)中起到?jīng)Q定性作用，同時促進(jìn)合理科學(xué)終身體育鍛煉。

關(guān)鍵詞 運動生物力學(xué) 體育教學(xué) 作用

一、運動生物力學(xué)在體育教學(xué)過程的作用

（一）運動生物力學(xué)在徑賽運動項目應(yīng)用

以時間計算的運動項目稱為徑賽運動[1]。體育教學(xué)過程中運動生物力學(xué)能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)技術(shù)動作原理，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)理解體育技術(shù)動作重要性，減少學(xué)生鍛煉過程中微損傷。走、跑是體育動作中最基本技術(shù)，Jim L認(rèn)為跑、走除了與兩腳與地面接觸后交叉時間有關(guān)系外，還與腳與地面接觸的反作用力有關(guān)，作用力如果不按合力F方向傳導(dǎo)，就會出現(xiàn)外“八”、內(nèi)“八”、拖地、螺旋等錯誤的跑、走動作。體育教學(xué)中蹲踞式起跑運動生物力學(xué)原理可以發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)角度前腿在90-111°之間、后腿在118-136°之間有助于啟動時合速度達(dá)到最大值，提高運動成績和減少膝蓋前交叉和后交叉韌帶的微損傷[3]。體育教學(xué)中彎道跑應(yīng)用的公式：F向心力=M（質(zhì)）×g（重加速）×Tagα等于F圓周向心力=M（質(zhì)）×V2/R，彎道上F向心力與所跑的半徑（R）成反比，與V2、角度、M成正比[2，4]。因此合理控制F向心力能夠有效調(diào)控身體鍛煉時協(xié)調(diào)能力，保證身體平衡，減少體育課堂中學(xué)生快速彎道跑造成的摔傷。

（二）運動生物力學(xué)在田賽運動項目應(yīng)用

以高度或遠(yuǎn)度計算的項目稱田賽運動[1]。田賽運動是體育教學(xué)過程應(yīng)用運動生物力學(xué)較多的運動項目，如跳高、鉛球等。有研究發(fā)現(xiàn)跳躍類的運動項目包含了F水平和F垂直、F合三方面的作用力。跳高是跳躍類里典型的運動，它由F水平力、F垂直力、F合構(gòu)成，助跑是由F水平力，起跳是由F垂直力，騰空過桿是由F合構(gòu)成，三者構(gòu)成跳高完整力學(xué)系統(tǒng)，但他們都與速度、角度、質(zhì)量有關(guān)，合理分析運動生物力學(xué)有助于學(xué)生學(xué)習(xí)，減少錯誤動作帶來的機(jī)體的損傷。鉛球是發(fā)展力量素質(zhì)練習(xí)的一項重要的考核指標(biāo)，根據(jù)運動生物力S=V0/g[sin2α/2+cos]公式學(xué)分析鉛球遠(yuǎn)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉛球V0、角度、H有關(guān)系[5]。因此可以發(fā)現(xiàn)，合理利用生物力學(xué)，能夠促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，也能幫助學(xué)生科學(xué)合理的鍛煉力量素質(zhì)。

二、運動生物力學(xué)理論教學(xué)與實踐相結(jié)合作用

運動生物力學(xué)可以直接利用到體育教學(xué)課程中，促進(jìn)體育教學(xué)動作的細(xì)分，為科學(xué)合理體育運動奠定基礎(chǔ)，使競技體育成績提高和方法的內(nèi)源理論基礎(chǔ)提供保障，同時作為交叉學(xué)科在實踐中必不可少缺少。著名的鉛球教練帕克根據(jù)運動生物力學(xué)原理制定訓(xùn)練計劃，促使21歲的巴恩斯創(chuàng)造23.12米世界紀(jì)錄。邁克?鮑威爾於采用力學(xué)分析原理，對跳遠(yuǎn)動作細(xì)分，找到提高動作途徑，最終在1991年東京奧運會上創(chuàng)造了8.95米世界紀(jì)錄。隨著科學(xué)發(fā)展，生物力學(xué)越來越被人重視，有人提出DLT，Kistler，AMTL三維測力平臺系統(tǒng)、等速測力儀測試系統(tǒng)，力學(xué)測量有測角儀、慣性傳感器、加速度儀、位移傳感器、力傳感器等，以滿足不同運動項目的多種需要，此外圖像自動識別儀器、高精度紅外光點遙測分析系統(tǒng)、磁感應(yīng)儀器、數(shù)學(xué)力學(xué)模型。因此，可以發(fā)現(xiàn)運動生物力學(xué)器材出現(xiàn)有助于體育教學(xué)過程多遠(yuǎn)化的發(fā)展，同時推動了運動生物力學(xué)與教學(xué)實踐相結(jié)合，改善了不合理運動規(guī)律，有助于評價學(xué)生的身體機(jī)能和素質(zhì)。

三、運動生物力學(xué)在體育教學(xué)中決定性作用

運動生物力學(xué)是研究運動與身體鍛煉受力關(guān)系，它能夠貫穿每個動作即運動模型。每個動作都是符合解剖學(xué)、運動生物力學(xué)、運動規(guī)律，運動模型將力與身體運動軌跡看作了質(zhì)點運動，分析人體各結(jié)構(gòu)運動與運動規(guī)律之間關(guān)系，成為體育教學(xué)中重要的理論依據(jù)[6]。運動生物力能夠細(xì)化動作技術(shù)原理，促進(jìn)體育教學(xué)工作，優(yōu)化教學(xué)課程內(nèi)容。把運動生物力學(xué)與田賽或徑賽的運動項目相結(jié)合，增強(qiáng)了學(xué)生體能、身體形態(tài)、身體素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，使教學(xué)過程更為豐富，達(dá)到通俗易懂。因此，運動生物力學(xué)在體育教學(xué)中起到?jīng)Q定性的作用。

四、小結(jié)與展望

運動生物力學(xué)在體育教學(xué)過程中作用不容忽視，它驅(qū)動體育教學(xué)力學(xué)原理，加強(qiáng)了學(xué)生科學(xué)合理的鍛煉身體，促進(jìn)了體育教學(xué)過程多元化，豐富課程教學(xué)內(nèi)容。運動生物力學(xué)細(xì)化的體育教學(xué)過程中動作，使體育教學(xué)內(nèi)容簡單性，通俗易懂，增強(qiáng)學(xué)生身體形態(tài)、素質(zhì)、體能的協(xié)調(diào)發(fā)展。運動生物力學(xué)能夠把解剖學(xué)、運動規(guī)律、動作運行軌跡緊密結(jié)合起來，這在體育教學(xué)過程中起到?jīng)Q定性作用。

隨著時代進(jìn)步，運動生物力學(xué)作為一門交叉學(xué)科已在國內(nèi)多個體育院校開展，但該學(xué)科數(shù)學(xué)和物理知識較多，體育專業(yè)學(xué)生學(xué)起來比較吃力，因此如何使該門學(xué)科得到充分的發(fā)展還需要進(jìn)一步探討。國內(nèi)運動生物力學(xué)的人才比英、美、意大利等國家參與社會實踐活動要少，建議教育部門讓更多運動生物力學(xué)人才到社會實踐中指導(dǎo)各階層的人科學(xué)合理鍛煉，促進(jìn)終身體育觀念。在體育教學(xué)過程中盡量淡化考核成績，注重體育運動生物力學(xué)在教學(xué)過程，提高學(xué)習(xí)的興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫慶祝.體育測量與評價[M].高等教育出版社.2006.7.

[2] 陸愛云.運動生物力學(xué)[M].人民教育出版社.2010.6.

[3] 唐斥非.蹲踞式起跑運動生物力學(xué)分析[J].宜春學(xué)院學(xué)報.2008.30（4）：125-126.

[4] 尹明月，徐燕來.彎道跑的力學(xué)原理與技術(shù)特點[J].科教導(dǎo)刊.2012.12.

篇2

關(guān)鍵詞：乒乓球；運動生物力學(xué)；研究方法；研究領(lǐng)域

中圖分類號：G804.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1007-3612(2007)10-1381-03

隨著現(xiàn)代科技水平的不斷提高，運動生物力學(xué)研究手段與方法也不斷地更新，研究內(nèi)容和層次不斷深入、系統(tǒng)，運動生物力學(xué)的研究方法在許多運動項目中有了廣泛的應(yīng)用，對于認(rèn)識運動項目技術(shù)的規(guī)律和提高運動技術(shù)水平，起到了重要的作用。

對于運動生物力學(xué)的原理和方法在乒乓球運動項目中的應(yīng)用，國內(nèi)外已進(jìn)行了許多研究，但已有的研究不夠系統(tǒng)和深入，所用的運動生物力學(xué)研究方法比較單一，乒乓球?qū)ｍ椈倪\動生物力學(xué)儀器很少，對于乒乓球與球臺或球拍碰撞的原理、乒乓球飛行的運動狀態(tài)、乒乓球動作技術(shù)原理等有些方面揭示得還不夠全面或尚未揭示，對于運動器材、服裝的研究很少。

近年來，國際乒聯(lián)對乒乓球競賽規(guī)則的三大改革，以及現(xiàn)代世界乒乓球技術(shù)的迅猛發(fā)展，都要求我們要借助于科技的力量和手段，更加全面地、深刻地認(rèn)識乒乓球運動的規(guī)律，不斷地更新觀念，技術(shù)上不斷創(chuàng)新進(jìn)步，訓(xùn)練方法上要更加科學(xué)合理，以促進(jìn)乒乓球運動的發(fā)展。本文根據(jù)乒乓球運動專項運動生物力學(xué)研究的現(xiàn)狀、運動生物力學(xué)學(xué)科發(fā)展趨勢、以及乒乓球運動發(fā)展的實際需求，對運動生物力學(xué)在乒乓球運動中應(yīng)用的研究領(lǐng)域和研究方法的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，以期對乒乓球運動規(guī)律有更加深刻而全面的認(rèn)識，為運動生物力學(xué)如何更好地結(jié)合乒乓球?qū)ｍ椞攸c為乒乓球運動實踐服務(wù)提供借鑒。

1運動生物力學(xué)在乒乓球運動中應(yīng)用的研究領(lǐng)域的展望

從運動生物力學(xué)角度來看，乒乓球運動是通過乒乓球和球拍位置的變化（平動和轉(zhuǎn)動）與運動員機(jī)體的活動相結(jié)合的一項運動。運動員的擊球動作使球拍和球碰撞后，擊出的球以一定的動量、動量矩落到對方臺面，與臺面發(fā)生碰撞，反彈后再與對方的球拍相碰撞。歸納起來，乒乓球項目中的運動包括：運動員的運動（動作技術(shù)）、乒乓球在空中的運動（速度、旋轉(zhuǎn)、弧線）、乒乓球的碰撞運動（乒乓球與球臺或球拍碰撞）。對乒乓球這三個方面的運動生物力學(xué)研究分析需要一定的設(shè)備儀器與方法。與乒乓球運動相關(guān)聯(lián)的還有球、球臺、球拍等器材以及運動員的服裝。

以往對乒乓球運動的運動生物力學(xué)研究在上述方面已進(jìn)行過一定的研究，但對于乒乓球與球臺或球拍碰撞的原理、乒乓球飛行的運動狀態(tài)、乒乓球動作技術(shù)原理等有些方面尚未揭示，或揭示得還不夠全面，對于運動器材、服裝的研究很少。根據(jù)運動生物力學(xué)和乒乓球運動的發(fā)展趨勢，運動生物力學(xué)在乒乓球運動中應(yīng)用的研究領(lǐng)域，可以預(yù)計運動技術(shù)研究仍將會占較大比例，同時，在全民健身、運動醫(yī)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)、運動器材、服裝及實驗儀器設(shè)備等方面也會開展研制。具體可以開展以下幾個方面的研究：

1） 動作技術(shù)診斷；

2） 乒乓球與球拍碰撞、與球臺碰撞的研究；

3） 對乒乓球拍運動的研究；

4） 乒乓球拍、乒乓球運動鞋的研制與優(yōu)化；

5） 乒乓球運動員肌肉、骨骼力學(xué)特性的研究；

6） 乒乓球?qū)ｍ棞y試儀器的開發(fā)；

7） 乒乓球運動員損傷機(jī)理和預(yù)防的研究。

2運動生物力學(xué)研究方法在乒乓球運動中的應(yīng)用與展望

按研究方法劃分，運動生物力學(xué)應(yīng)用在乒乓球運動中的研究大體可分為兩類: 一是力學(xué)理論研究方法，二是實驗研究方法。兩者應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合，才能使運動生物力學(xué)更好地在運動實踐中應(yīng)用。

2.1運動生物力學(xué)的力學(xué)理論研究方法在乒乓球運動項目中的應(yīng)用與展望該研究方法因為是通過模擬手段對人體運動仿真，一般包括5個步驟：1) 確定運動恃征，建立目標(biāo)函數(shù)；2) 選擇模型確定剛體的自由度；3) 建立動力學(xué)模型（拉氏方法、Kane方法、雅各賓法等）；4) 實測已知數(shù)據(jù)并求解；5) 根據(jù)求解結(jié)果解釋運動規(guī)律，這一步驟是將求得的數(shù)學(xué)規(guī)律化為體育運動語言對運動技術(shù)進(jìn)行合理的指導(dǎo)。

縱觀運動生物力學(xué)在乒乓球運動中應(yīng)用的現(xiàn)狀，可以看到，以往用的最多的是運用力學(xué)原理對一些現(xiàn)象進(jìn)行解釋。而利用力學(xué)理論研究的方法卻很少。根據(jù)此研究方法，可以對乒乓球中許多問題進(jìn)行研究。

如對于乒乓球運動員的傷病的研究，至今還沒有在擊球過程中對腕、肘、肩關(guān)節(jié)、頸椎、腰椎等的關(guān)節(jié)力和力矩的定量分析，而對其認(rèn)識有助于對乒乓球運動員運動損傷的認(rèn)識和預(yù)防?？梢岳昧W(xué)理論研究的方法對關(guān)節(jié)力和力矩進(jìn)行推算。以計算上肢各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力和力矩為例。首先確定乒乓球運動員擊球過程中上肢的運動特征。二、建立上肢模型，整個上肢可分為上臂、前臂和手（包括器械）三個部分，根據(jù)上肢實際的生理結(jié)構(gòu)和以往生物力學(xué)建模的經(jīng)驗，可將人體上肢簡化為3剛體7自由度的物理模型。三、運用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的Kane方法，建立系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)方程，四、通過攝像的方法獲取上肢的運動學(xué)參數(shù)以及鄭秀媛公布的人體環(huán)節(jié)參數(shù)，求出腕、肘、肩關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力和力矩。五、根據(jù)關(guān)節(jié)力和力矩對乒乓球運動員的傷病進(jìn)行認(rèn)識。

2.2運動生物力學(xué)的實驗研究方法在乒乓球運動中的應(yīng)用和展望運動生物力的實驗研究方法在乒乓球運動項目中應(yīng)用現(xiàn)狀是，動力學(xué)研究幾乎沒有，運動學(xué)測試也不多，所運用到的生物力學(xué)儀器很少。所以實驗研究方法在乒乓球運動項目中有極大的發(fā)展空間。

2.2.1常用的生物力學(xué)儀器將在乒乓球項目中的廣泛應(yīng)用許多已經(jīng)在其他專項中運用較為廣泛的生物力學(xué)儀器在乒乓球運動項目中尚未廣泛使用。比如，三維測力臺，肌電儀，足底壓力鞋墊。

三維測力臺可以反映地面對人體的反作用力。運動員擊球的力最終是通過人體蹬地面，同時地面給人體的反作用力而實現(xiàn)的。而對乒乓球運動員地面反作用力的動力學(xué)特征的描述至今尚無。

通過在運動員的鞋子里放上壓力鞋墊，可以得出在移動過程中，腳底壓力的分布圖，可以為乒乓球運動員鞋子的設(shè)計提供參數(shù)。

通過肌電儀可對完成某動作所參與的肌肉活動的強(qiáng)度和時間進(jìn)行描述，確定主要的參與肌群。用在乒乓球運動員身上，就可以很清楚的知道完成某動作的肌肉用力順序是什么，哪些是主動肌，哪些是被動肌，可為力量訓(xùn)練提供參考。

2.2.2開發(fā)乒乓球?qū)ｍ椈?、反饋快速化的運動技術(shù)測試儀器這是運動生物力學(xué)測試儀器的發(fā)展趨勢，至今為止，在乒乓球界中尚無有此類測試儀器的研發(fā)成功。近年來其他運動項目共用運動學(xué)、動力學(xué)及生物學(xué)指標(biāo)，測試儀器的質(zhì)量、功能、效率不斷提高，同時，某些運動項目專用的測試儀器不斷出現(xiàn)。例如，體操項目單杠、雙杠、高低杠、跳馬、吊環(huán)的測力系統(tǒng)、賽艇多參數(shù)遙測分析系統(tǒng)、起跑蹬力測試系統(tǒng)、蹬冰力測試系統(tǒng)、游泳出發(fā)測力系統(tǒng)等。

其他專項的研究可為乒乓球?qū)ｍ椈臏y試儀器提供借鑒，比如考慮是否可以在乒乓球拍上安裝加速度傳感儀。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，加速度傳感器體積和質(zhì)量都可以做到非常小，精度可以達(dá)到很高，此儀器可以實時監(jiān)控球拍三個方向上的速度、加速度和角速度，并可據(jù)此推算球拍的受力情況，以及擊打乒乓球后，球體獲得的初速度。而對乒乓球拍的運動情況的所做的研究非常之少。

如果這些設(shè)想可以實現(xiàn)的話，將豐富乒乓球理論知識，對乒乓球運動的實踐將會有快捷的幫助。

2.2.3多機(jī)同步測試的研究多機(jī)同步測試研究是運動生物力學(xué)研究的發(fā)展趨勢。人體運動十分復(fù)雜，因此，多機(jī)同步測試方法對各項運動技術(shù)研究十分重要。由于多機(jī)同步測試研究需要的儀器多、經(jīng)費多、時間長、技術(shù)人員多，而且多數(shù)動力學(xué)指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)的測試在正式大賽中很難進(jìn)行，所以，多機(jī)同步研究的報道較少。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和對運動技術(shù)研究的深入，多機(jī)同步測試研究將會得到較快發(fā)展。

對于乒乓球這項精密的運動，以往的研究多是從一維的視角來進(jìn)行的，對乒乓球運動的生物力學(xué)的研究應(yīng)朝著多維的研究視角發(fā)展。比如，將攝像系統(tǒng)和測力臺系統(tǒng)同步的測試方法，綜合運動學(xué)和動力學(xué)的數(shù)據(jù)對乒乓球運動進(jìn)行更加深入、全面的認(rèn)識。

2.2.4生物反饋技術(shù)將在乒乓球運動技術(shù)訓(xùn)練中應(yīng)用運動生物力學(xué)測試中提供給運動員、教練員的技術(shù)動作的速度、幅度、方向、力量等指標(biāo)數(shù)據(jù)，運動員在訓(xùn)練中很難掌握，如將測試的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成聲、光信號直接提示給運動員，表示其當(dāng)前的動作是否達(dá)到了要求或某個范圍，運動員接收到聲、光信號后，便馬上做出反應(yīng)，調(diào)整動作的幅度、強(qiáng)度、速度等就容易得多。這方面研究在其他專項中已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，例如北京體育大學(xué)金季春教授指導(dǎo)其博士生閆松華所研制的用于短跑訓(xùn)練的“測試鞋”，對每一步的著地時間和騰空時間進(jìn)行實時監(jiān)控，正朝著生物反饋的方向發(fā)展。

生物反饋技術(shù)在乒乓球運動技術(shù)訓(xùn)練中的應(yīng)用也是乒乓球運動項目生物力學(xué)發(fā)展的趨勢。

2.3將力學(xué)理論研究方法和實驗研究方法緊密結(jié)合是運動生物力學(xué)在乒乓球運動中應(yīng)用的研究方法的發(fā)展趨勢力學(xué)理論研究方法的基礎(chǔ)是經(jīng)典力學(xué)理論，并應(yīng)用它解釋分析生物體運動及探索其運動規(guī)律。力學(xué)理論研究方法優(yōu)點是能使研究工作更加嚴(yán)謹(jǐn)和深人，但由于模擬研究目標(biāo)和對運動數(shù)學(xué)化描述的困難，這類研究難度很大，且研究結(jié)果與運動實踐尚有一定的距離。所以力學(xué)理論研究方法必須輔之實驗和經(jīng)驗，才能使它在實際應(yīng)用方面的作用得以發(fā)揮，力學(xué)理論方法與實驗測試方法兩者應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合。前者提供了運動普遍規(guī)律，對分析有理論指導(dǎo)意義，后者是理論研究與實際應(yīng)用的橋梁，能使研究更好地為運動實際服務(wù)。實驗研究方法，通過各種實驗手段，測試記錄體育運動過程，并以此作為依據(jù)，結(jié)合經(jīng)驗，對運動技術(shù)進(jìn)行分析對比，從而提出改進(jìn)技術(shù)的意見和建議。這種研究方式是以具體運動員的具體動作作為研究對象。

實驗通常用高速攝影、錄像、測力臺測得運動學(xué)和外力參數(shù)，用肌電測試儀測得人體內(nèi)力參數(shù)，然后通過數(shù)據(jù)處理和分析，來診斷運動技術(shù)的優(yōu)劣及動作的合理性。這種方法以實驗手段為主，與運動實踐聯(lián)系緊密，能對運動員的技術(shù)訓(xùn)練直接施加影響。但由于該方法研究和實驗的對象是具有個體特征的人，不可避免地造成對共性的運動規(guī)律研究的困難，從而使研究結(jié)論難以達(dá)到理論升華。因此實驗方法必須和力學(xué)理論研究共同發(fā)展、相輔相成，才能使運動生物力學(xué)學(xué)科漸趨深入完善。

用理論力學(xué)理論研究方法和實驗研究的方法對乒乓球運動進(jìn)行運動生物力學(xué)的研究，將提供認(rèn)識乒乓球運動規(guī)律的多維視角，會對乒乓球運動規(guī)律有更加深刻而全面的認(rèn)識，進(jìn)而可使運動生物力學(xué)更好地為乒乓球?qū)嵺`服務(wù)。是運動生物力學(xué)在乒乓球運動中應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

3總結(jié)

根據(jù)乒乓球運動專項運動生物力學(xué)研究的現(xiàn)狀、運動生物力學(xué)學(xué)科發(fā)展趨勢、以及乒乓球運動發(fā)展的實際需求，運用多種運動生物力學(xué)的理論力學(xué)和實驗研究相結(jié)合的方法，對乒乓球運動中的多個領(lǐng)域進(jìn)行分析和研究，是運動生物力學(xué)在乒乓球運動項目中的研究發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 國家體育總局《乒乓長盛考》研究課題組.乒乓長盛的訓(xùn)練學(xué)探索［M］.北京：北京體育出版社：2002.

［2］ 劉卉.上肢鞭打動作技術(shù)原理的生物力學(xué)研究［D］.北京體育院大學(xué)博士論文，2002.

［3］ 王向東，劉學(xué)貞，等.運動生物力學(xué)方法學(xué)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.中國體育科技，2003 (2)：15-18.

［4］ 忻鼎亮.運動生物力學(xué)的力學(xué)理論研究方法［J］.體育科學(xué).1994（4）：37-40.

篇3

關(guān)鍵詞：排球扣球技術(shù)；運動生物力學(xué)

1.上步扣球起跳技術(shù)的生物力學(xué)分析

張清華，華立君，陳剛利用三維錄像法對男子排球運動員四號位上步扣球起跳技術(shù)進(jìn)行生物力學(xué)分析。結(jié)果表明：上步扣球起跳動作可分為緩沖、等長制動和蹬伸三個階段，各階段時間占總起跳時間的比重是影響扣球起跳效果的關(guān)鍵因素；緩沖階段人體重心的水平速度損失，蹬伸階段的垂直位移是影響重心騰起高度的重要因素；在蹬伸時表現(xiàn)出以大關(guān)節(jié)帶動小關(guān)節(jié)，髖、膝、踝三關(guān)節(jié)依次加速蹬伸的特點。通過對得出的生物力學(xué)參數(shù)可以得出以下結(jié)論：（1）排球運動員上步扣球起跳動作起跳緩沖時間與起跳高度成高度負(fù)相關(guān)，說明緩沖時間以較短為宜，但并非越短越好，各階段時間占總起跳時間的比重是影響起跳效果的關(guān)鍵。（2）在扣球起跳時緩沖階段人體重心的水平速度損失，蹬伸階段的垂直位移是影響人體重心的垂直騰起速度和重心騰起高度的重要因素。（3）扣球起跳階段運動員膝關(guān)節(jié)在緩沖階段，有意識的主動完成下沉動作，造成緩沖幅度過大，對動作完成的效果會有一定的影響，在蹬伸時表現(xiàn)出以大關(guān)節(jié)帶動小關(guān)節(jié)，髖、膝、踝三關(guān)節(jié)依次加速蹬伸的特點。

2.排球扣球技術(shù)中滯空動作的運動生物力學(xué)分析

經(jīng)過大量的研究證明，在排球扣球起跳中，優(yōu)秀的排球運動員都會有滯空的現(xiàn)象。王斌，何智美對排球運動中滯空技術(shù)的研究也進(jìn)行了詳細(xì)的論述，他們用美國造的LOCAM、16mm高速攝影機(jī)，以每秒100格的拍攝頻率進(jìn)行拍攝。在正式拍攝前，預(yù)先讓受試隊員學(xué)習(xí)掌握三個技術(shù)動作，第一個動作，按四號位助跑起跳扣球動作，助跑起跳后，當(dāng)跳至或接近最高點時，收腿使小腿與水平線基本平行，在身體下落前放小腿；第二個動作，不擺臂起跳，跳起后直腿；第三個動作，擺臂起跳，跳起后直腿。正式拍攝時，拍攝了三個動作，三個動作均在四號位按強(qiáng)攻的助跑動作助跑、采用二步、斜線助跑，雙腳起跳。通過對這三個動作的研究，可以發(fā)現(xiàn)，只有第一個動作才能產(chǎn)生滯空現(xiàn)象，說明產(chǎn)生滯空的原因與起跳后的姿勢有關(guān)。通過進(jìn)一步對數(shù)據(jù)分析還可以得出，并非跳得越高，就越容易產(chǎn)生滯空，關(guān)鍵是跳在空中，要配合手臂、膝關(guān)節(jié)的收展，才具備了產(chǎn)生滯空的條件。滯空現(xiàn)象的出現(xiàn)，增加了空中的時間，能夠更好的完成揮臂下壓的動作，增加扣球的威力。正確認(rèn)識滯空，首先必須弄清楚騰空并不等于滯空，運動員的騰空時間長短并不能說明他的滯空情況。跳得高，騰空時間長的運動員不等于就有滯空能力。而實際上有的運動員彈跳較高，但空中動作不協(xié)調(diào)，滯空技術(shù)欠佳，仍無滯空表現(xiàn)。彈跳高，騰空時間長只是創(chuàng)造了良好的滯空條件，而要具備滯空能力，必須掌握滯空技術(shù)。

3.排球扣球技術(shù)中起跳后空中姿態(tài)的生物力學(xué)研究

運用生物力學(xué)的方法對排球4號位強(qiáng)攻扣球技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，空中擊球的身體姿態(tài)存在兩種不同類型，根據(jù)其空中背弓與向前折體揮臂擊球的姿態(tài)，將其分別稱為尖括號“

4.排球扣球技術(shù)揮臂動作的生物力學(xué)研究

通過文獻(xiàn)查閱可知排球扣球技術(shù)揮臂動作的正確與否直接影響強(qiáng)攻效果。使用兩臺高速攝像機(jī)和表面肌電儀對7名青年男子年排球運動員強(qiáng)攻扣球手臂揮/擺動作進(jìn)行運動學(xué)和表面肌電學(xué)同步分析；結(jié)果：運動員在引臂后拉期主要由三角肌前束和三角肌后束完成，在甩肴擊打期和擊打作用期，肱三頭肌、背闊肌、前臂屈腕的這些主動肌的電活動明顯增強(qiáng)，起拮杭作用的肱二頭肌和前臂伸腕肌群的電活動也非常強(qiáng)烈，而且，在各個階段每對主動肌/拮抗肌表現(xiàn)為較好的協(xié)調(diào)性；背弓角為1302°±47°、揮臂角為1132°±61°。最后出手球速為235±07m/s；背弓角，揮臂角與最后出手球速的相關(guān)系數(shù)r分別為-0512（p

5.結(jié)論與建議

5.1結(jié)論

5.1.1排球扣球技術(shù)的起跳技術(shù)在整個扣球技術(shù)里面起著舉足輕重的作用。

5.1.2滯空動作與起跳后的姿勢有關(guān)。

5.1.3合理的空中姿態(tài)的形成與好的助跑與起跳技術(shù)密切相關(guān)，可以影響加速和攻球威力。

5.1.4排球扣球技術(shù)揮臂動作的正確與否直接影響強(qiáng)攻效果。

5.2建議

5.2.1上步扣球起跳時膝蓋要緩沖，大關(guān)節(jié)帶動小關(guān)節(jié)，髖、膝、踝三關(guān)節(jié)依次加速蹬伸，要加強(qiáng)下肢專項力量。

5.2.2助跑起跳后，當(dāng)跳至或接近最高點時，收腿使小腿與水平線基本平行，在身體下落前放小腿，掌握滯空技術(shù)

5.2.3提高強(qiáng)攻威力應(yīng)加強(qiáng)妓的柔韌性與背伸肌、腰腹肌及伸展魏關(guān)節(jié)肌群力量的訓(xùn)練，同時，在技術(shù)訓(xùn)練中.應(yīng)從助跑、蹬地、起跳形成初始負(fù)艦角抓起，強(qiáng)調(diào)蹬地時依次充分伸展髓、膝、躁三大關(guān)節(jié)，空中背弓與收腹動作要依靠大肌群連貫、協(xié)調(diào)用力，改變“[”型空中姿態(tài)，以產(chǎn)生“

參考文獻(xiàn)

[1]袁之平.對排球強(qiáng)攻擊球速度的生物力學(xué)分析 [J].浙江林學(xué)院報.1991（3）

[2]王 斌，何智美.運動生物力學(xué)?對排球運動中滯空技術(shù)的生物力學(xué)探討[J]. 四川體育科學(xué).1998（81）

[3]唐金根， 鄧己媛.力學(xué)原理引導(dǎo)排球扣球技術(shù)教學(xué)的實驗研究[A].山西師大體育學(xué)院學(xué)報.2009（3）

[4]謝 誠.論運動生物力學(xué)在排球函授教學(xué)中的運用[A]. 湖北大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報.2001（19）

[5]陳 珂， 倪 偉，徐光榮.排球單腳跳發(fā)弧旋球技術(shù)及生物力學(xué)分析[A].陜西師范大學(xué)學(xué)報.2006（3）

篇4

摘 要 采用文獻(xiàn)資料法、歸納分析對目前舉重科研中使用的運動生物力學(xué)方法進(jìn)行綜述，為豐富發(fā)展舉重教學(xué)和科研提供參考價值。

關(guān)鍵詞 舉重 運動學(xué) 動力學(xué) 生物學(xué)

在中國知網(wǎng)上以舉重、挺舉、生物力學(xué)為關(guān)鍵詞，查閱了國內(nèi)外文獻(xiàn)資料并進(jìn)行歸納總結(jié)。本研究試圖從舉重的運動學(xué)研究、舉重的動力學(xué)研究、舉重的生物學(xué)研究，三個方面對舉重中涉及到的生物力學(xué)科研進(jìn)行綜述，為更好的進(jìn)行舉重運動生物力學(xué)科研提供參考價值。

一、舉重的運動學(xué)研究

國外學(xué)者[1]認(rèn)為在過渡階段和下蹲支撐階段女子和男子相比，屈膝幅度明顯較小，動作也慢。此外，男子在第一發(fā)力階段施加在杠鈴上的功明顯要大于第二發(fā)力階段。相反，女子在兩個動作階段表現(xiàn)出近似的機(jī)械功。約翰·加漢姆爾[2]提出了抓舉技術(shù)“杠心”（杠鈴橫杠中心點，即杠鈴重心所在位置）的最佳軌跡成明顯的“S”形軌跡。張躍[3]通過分析我國優(yōu)秀運動員抓舉技術(shù)在不同動作階段“兩心”在矢狀面和水平面上的偏移，結(jié)合“杠心”最佳軌跡的特點，揭示動作技術(shù)的穩(wěn)定性。劉宗友[4]發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀男子舉重運動員的杠心軌跡穿越重心軌跡，杠心幾乎貼著人體重心向上運行，表現(xiàn)出發(fā)力“近”的特點。單信海[5]等通過研究崔文華抓舉200.5公斤超世界記錄的技術(shù)分析，也發(fā)現(xiàn)杠心軌跡穿越重心軌跡的特點。而WolfgangBaumann[6]等通過研究發(fā)現(xiàn)運動員的杠鈴軌跡均沒有穿越垂直參考線，而是表現(xiàn)為杠鈴向身體的后方運動，最終導(dǎo)致運動員在發(fā)力后的后跳。而這被Vorobyev[7]認(rèn)為是動作技術(shù)不穩(wěn)定的表現(xiàn)。從杠鈴的軌跡及膝關(guān)節(jié)角的變化上看，抓舉動作存在兩次最大伸膝過程和一次屈膝過程[8]。Enoka，R.M指出[9]，舉重的屈膝過程在確定身體姿勢，使杠鈴的運動軌跡更靠近髖關(guān)節(jié)和背部肌有一定意義，允許在一個更加適宜的階段充分利用膝關(guān)節(jié)伸肌的力量。Garhammer，J[10]指出抓舉技術(shù)的優(yōu)秀運動員在過渡階段仍能保持杠鈴垂直速度的繼續(xù)上升。Tadao Isaka[11]、楊斌勝[12]、張躍[13]、Raoul F [14]研究結(jié)果證實了上述觀點，指出：在過渡階段，膝關(guān)節(jié)回屈的同時，為了保持杠鈴垂直速度的繼續(xù)增加，應(yīng)積極快速地伸髖。

二、舉重的動力學(xué)研究

國外學(xué)者[15]通過攝像和測力臺同步測試對10名男子舉重運動員的抓舉技術(shù)的60%和70%強(qiáng)度進(jìn)行了測試，結(jié)果表明在抓舉60%和70%的強(qiáng)度時，受試者在第二發(fā)力階段的地面反作用力明顯大于第一發(fā)力階段和失重階段。艾康偉[16]通過應(yīng)用逆向動力學(xué)的分析方法對抓舉的技術(shù)動作各關(guān)節(jié)的受力和凈矩進(jìn)行計算分析，他們對抓舉動作髖關(guān)節(jié)凈力矩分析表明，對于抓舉，髖關(guān)節(jié)最大凈力矩與對應(yīng)此時刻的髖關(guān)節(jié)角度呈負(fù)相關(guān)。劉平等[17]指出抓舉技術(shù)失敗動作分為杠鈴前掉和后掉，前掉主要和發(fā)力效果因子及接鈴調(diào)整因子有關(guān)，后掉主要是接鈴調(diào)整失敗。杠鈴最大速度、慣性上升高度和發(fā)力最大力量是監(jiān)控發(fā)力效果的主要指標(biāo)，接鈴Fy力變化、跳步距離、引膝Fy力變化是監(jiān)控接鈴的主要指標(biāo)。跳步是影響動作成敗的關(guān)鍵因素，它與杠鈴的橫向運動趨向、接鈴成敗高度相關(guān)，引膝Fy力、發(fā)力彈杠時杠鈴前向運動和發(fā)力杠鈴后向運動是決定跳步距離的主要因素。Yung-Hui Lee等[18]得出在抓舉過程中的兩種典型的地面反作用力曲線：兩種曲線在杠鈴離地前0.2秒到杠鈴離地瞬間這段時間都呈現(xiàn)穩(wěn)定的增長趨勢。Carlock[19]等通過統(tǒng)計學(xué)分析發(fā)現(xiàn)運動員的縱跳能力和舉重表現(xiàn)呈高度相關(guān)。K.Funato[26]發(fā)現(xiàn)高水平運動員與一般運動員相比，在抓舉時的地面反作用力有兩個明顯特征：1.失重時間較短，能夠更好的利用肌肉收縮彈性能；2.在失重期間表現(xiàn)出更大的向前的水平力，說明更好的利用了伸髖肌群的力量。

三、舉重的生物學(xué)研究

陸愛云等[20]認(rèn)為從肌肉的活動順序上來看，股直肌、豎直肌、脛骨前肌是較早動員的肌肉，爾后才是肱三頭肌、三角肌、前臂屈肌及肱二頭肌等，反映出舉重項目是大肌肉先活動再帶動小肌肉的特點。盧德明[21]使用八導(dǎo)遙測肌電儀測試了股四頭?。▋?nèi)、外、直肌），臀大肌、股二頭肌、小腿三頭肌、骶棘肌和背闊肌等8塊肌肉的肌電圖。各動作階段肌電圖曲線的電壓值以校準(zhǔn)信號的電壓值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量、計算得到，各動作階段肌電的振動頻率由該動作階段的時間與振動次數(shù)求得。孫礪等[22]選取8塊在抓舉過程中具有代表性的淺層骨骼肌做同步肌電測量。運用相關(guān)軟件得出8名運動員在3個不同重量的抓舉全過程中8塊骨骼肌活動的先后順序（時序）。龐軍等[23]研究使用Motionanalysis三維分析系統(tǒng)及Norexon 16道肌電儀，對一般水平的運動員在不同重量下進(jìn)行挺舉的動作進(jìn)行了生物力學(xué)方面的瀏試。通過運動學(xué)和肌電圖分析，得出一般運動員在捉舉不同重蚤杠鈴時具有不同的生物力學(xué)特征。

四、小結(jié)與展望

綜上所述，我們發(fā)現(xiàn)：目前對于舉重項目的研究，以抓舉為主，挺舉相對較少。特別對于挺舉的運動學(xué)研究文獻(xiàn)相對匱乏，其中還以女子挺舉為主，對于優(yōu)秀男子舉重運動員的挺舉研究不多。同時運動學(xué)、動力學(xué)及肌電學(xué)敏感數(shù)據(jù)之間相關(guān)性研究尚未發(fā)現(xiàn)，未來以期為突破口，這將豐富和發(fā)展運動生物力學(xué)在舉重科研中的理論。

參考文獻(xiàn)：

[1] Comparative 3-dimensional kinematic analysis of the snatch technique in elite male and female greek weightlifters[J]. Journal of Strength & Conditioning Research.2002.8.16（3）：359-366.

[2] 約翰·加漢姆爾.國際運動生物力學(xué)專輯[M].國家體委科教司.1988.

[3] 張躍，蔡國均等.抓舉運動“兩心”的運動規(guī)律及人體做功的功率和效率[J].體育科學(xué).1990.3（5）：35-37.

[4] 劉宗友.切爾諾梅爾金197.5kg抓舉技術(shù)分析[J].湖北體育科技.2004.3（2）：45-48.

[5] 單信海，嚴(yán)政，張政.崔文華抓舉200.5kg超世界記錄的技術(shù)分析[J].北京體育大學(xué)學(xué)報.1999.5（4）：62-65.

[6] Wolfgang. The Snatch Technique of World Class Weightlifters at the 1985 World Championships[J]. International Journal of Sport Biomechanics.1988（4）.

[7] Vorobyev， A.N. Weightlifting[J].Budapest：IWF.1978.

[8] 章旌紅.舉重提鈴動作的運動力學(xué)分析[J].武漢體育學(xué)院學(xué)報.1999.8（4）：36-39.

[9] Enoka，R.M. The Pull in Olympic weightlifting[J]. Medicine and Science in Sports.1979.11.

[10]Garhammer，J. Biomechanical Profiles of Olympic weightlifters[J]. International Journal of Sport Biomechanics.1985（1）.

[11] Tadao Isaka. Kinematic Analysis of the Barbell During the Snatch Movement of Elite Asian Weight lifters[J]. Journal of Applied Biomechanics.1996.12.

[12] 楊斌勝.吳數(shù)德創(chuàng)128kg抓舉世界記錄的技術(shù)[J].中國體育科技.1986.8（2）：66-67.

[13] 張躍，蔡國鈞，劉偉民.從三維立體空間看李順柱抓舉技術(shù)的生物力學(xué)特征[J].體育與科學(xué).1988.7（5）：51-54.

[14] Raoul F， PhD U.S. Olympic Committee Colorado Springs， Colorado Science and Technology to Enhance Weightlifting Performance： The Olympic Program.Strength and Conditioning[J]. 1996.8.

[15] Ground reaction forces during the power clean[J]. Journal of Strength & Conditioning Research.2002.8.16（3）：423-427.

[16] 艾康偉，李方祥等.舉重抓舉和下蹲翻運動學(xué)比較和用力特征分析[J].體育科學(xué).2005.25（7）：62-66.

[17] 劉平，張貴敏等.我國優(yōu)秀男子舉重運動員抓舉技術(shù)結(jié)構(gòu)研究[J].體育科學(xué).2005.25（1）：51-55.

[18] Yung-Hui Lee， Chin-Yang Huwang， and Yang-Hwei Tsuang. Biomechanical Characteristics of Preactivation and Pulling Phases of Snatch Lift[J]. Journal of applied biomechanics.1995.11：288-298.

[19] Jon M. Carlock. The Relationship Between Vertical Jump Power Estimates and Weightlifting Ability： A Field-Test Approach[J]. The Journal of Strength and Conditioning Research.2004（Vol.18，No.3）：534–539.

[20] Ground reaction forces related to athletic performance between international and national weightlifters[J].

[21] 陸愛云，龐軍等.不同重量下男子抓舉動作的生物力學(xué)特征[J].上海體育學(xué)院學(xué)報.2000.6（3）：62-67.

[22] 盧德明.影響運動技術(shù)訓(xùn)練水平提高的幾個難題[A].香山科學(xué)會議第174次學(xué)術(shù)討論會文集：中國數(shù)字化虛擬人體的科技問題[C].北京.2001：67-68.

篇5

關(guān)鍵詞：足底壓力分布、踝關(guān)節(jié)、專項運動

生物力學(xué)的研究范圍包括整個人體，足部生物力學(xué)的研究是其中重要的一部分。由于體育運動中，運動損傷的多發(fā)性使其成為眾多科研項目的焦點內(nèi)容。其中，踝關(guān)節(jié)損傷是所有運動損傷中最常見的運動損傷之一。這類損傷經(jīng)常發(fā)生在籃球、排球和足球等通常需要迅速敏捷地跑動、急停和跳起的項目中。因此，不同專項足踝部的傷病發(fā)生機(jī)制與防治已成為學(xué)術(shù)界研究的熱點。此外，隨著專項運動員和教練員對專項運動鞋的防傷能力和功能表現(xiàn)力的要求越來越高，對不同專項動作中足踝部的生物力學(xué)特征研究就顯得尤為緊迫和重要。本文在閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用目前最先進(jìn)的足底壓力分布測試系統(tǒng)，對網(wǎng)球、足球2個專項的6名男子大學(xué)生運動員進(jìn)行了2個特征動作的足部的生物力學(xué)分析。試圖通過不同項目指標(biāo)的對比分析得出不同專項的足底壓力和運動學(xué)特征，從而為足踝部損傷研究和運動鞋專項化的相關(guān)領(lǐng)域提供實驗依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1.研究方法：

1.1文獻(xiàn)資料法

1.2實驗法

1.3對比分析法

2.研究對象：本研究選取湖北大學(xué)體育學(xué)院6名本科生為研究對象，其中三名為足球?qū)ｍ棧?名為網(wǎng)球?qū)ｍ棥?名受試者均無下肢足底足踝病痛史。

3.實驗器材：1.Novel Pedar system （鞋墊式足底壓力測量系統(tǒng)）――垂直壓力測量/靜止?fàn)顟B(tài)和運動狀態(tài). 2.身高、體重測量器

4.實驗步驟：

4.1.進(jìn)行Novel Pedar system 足底壓力分布測試系統(tǒng)的連接和調(diào)試。

4.2要求受試者均穿著運動服裝、體操鞋，測量受試者身高、體重后登記受試者情況。

4.3選擇符合各受試者鞋內(nèi)底尺碼的測試鞋墊，確保測試鞋墊邊緣無折痕，鞋墊大小與鞋內(nèi)底邊緣吻合，配戴測試設(shè)備后，受試者進(jìn)行3-5分鐘適應(yīng)性動作練習(xí)。

4.4采集網(wǎng)球、足球2個項目運動員各自專項特征動作的足底壓力分布數(shù)據(jù)，共2個特征動作分別是網(wǎng)球項目中網(wǎng)前急停反手截?fù)羟颍ㄓ沂謭?zhí)拍）， 足球項目中的急停轉(zhuǎn)身跑左轉(zhuǎn)90度，每人每個動作測試三次，2次動作間隔2分鐘。

5.測試指標(biāo)：

壓力峰值：分區(qū)內(nèi)所有傳感器在測試階段內(nèi)受到的最大合力。

壓強(qiáng)峰值：分區(qū)內(nèi)每個傳感器在測試階段內(nèi)所受壓強(qiáng)的最大值。

壓力峰值百分比：某分區(qū)壓力峰值占前中后足的壓力峰值總和的百分比。

6.實驗數(shù)據(jù)處理：

6.1采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

6.2選取網(wǎng)球和足球受試者三次動作取平均值進(jìn)行分析。

6.3將每只鞋墊分為前足區(qū)、中足區(qū)、后足區(qū)三個分區(qū)，這三個分區(qū)覆蓋了整個足底，此外在定前足區(qū)內(nèi)義了三個特定區(qū)域，第一跖趾關(guān)節(jié)區(qū)、趾區(qū)、除趾外其他四趾^。

7.實驗結(jié)果與分析：

7.1網(wǎng)球（網(wǎng)前急停反手截?fù)羟颍?/p>

在網(wǎng)球急停反手截?fù)魟幼髦袕呐軇?、急停到最后的截?fù)舨饺匀灰郧白愕某休d為主趾區(qū)的壓力峰值尤其顯著、后足尤其是支撐腳后足的受力從跑動截?fù)暨^程有不斷增大的趨勢，中足幾乎不受力，支撐腳的足底壓力峰值普遍大于發(fā)力腳，急停和截?fù)舨阶愕资芰Υ笥谂軇硬健?/p>

7.2足球（急停左轉(zhuǎn)向跑）

由跑動到急停，足球運動員的前足受力面積變小，前足受力集中到前足的局部。

在跑動步離地蹬伸階段，趾對身體向前移動起著舉足輕重的作用，但在急停步的落地緩沖階段，趾的作用減弱，其他四趾對地的制動作用增大。我們從左腳和右腳的跑動步和急停步對足球急停左轉(zhuǎn)向跑動作的足底壓力進(jìn)行分析可以看出從跑動步到急停步，前足壓力峰值明顯降低后足的壓力峰值明顯增大，但前足內(nèi)側(cè)的壓強(qiáng)峰值始終維持較高的水平。

兩個項目足底壓力分布的對比：

1.第一跖趾關(guān)節(jié)和趾的足底受力模式。第一跖趾關(guān)節(jié)區(qū)和趾區(qū)是前足受力明顯的兩個特殊區(qū)域，這兩個位于前足內(nèi)側(cè)的區(qū)域通常是各個動作中前足壓力峰值和壓強(qiáng)峰值發(fā)生的區(qū)域。此外，比起緩沖階段它們在足部主動發(fā)力的離地蹬伸階段起著更重要的推動人體向前的作用。

2.網(wǎng)球運動中，趾區(qū)的足底壓力峰值表現(xiàn)顯著，顯示了網(wǎng)球運動中趾作為推動人體重心移動的最后一個小關(guān)節(jié)，其支撐穩(wěn)定性和關(guān)節(jié)力量比起第一跖趾關(guān)節(jié)更為重要，足球運動中不論是第一跖趾關(guān)節(jié)區(qū)還是趾區(qū)都表現(xiàn)出2個項目動作中最大的壓強(qiáng)峰值。比較2個項目前足內(nèi)側(cè)壓強(qiáng)峰值情況，可以得到足球項目動作前足內(nèi)側(cè)壓強(qiáng)峰值較大，網(wǎng)球項目動作較小。

3.對比網(wǎng)球急停反手截?fù)羟蚝妥闱蚣蓖＾D(zhuǎn)向跑動作，從跑動到急停時后足均有受力增大的變化趨勢，因此急停階段后足明顯的受力增大趨勢是由于急停階段為了增大身體重心向后的加速度，運動員必須增大對地受力面積以增大對地反作用力從而達(dá)到急停的目的，盡管后足受力增幅較大并且分擔(dān)了前足載荷的很大部分但是從壓力峰值百分比上仍然可以看出，前足依然是急停階段最主要的承載區(qū)域。

8.結(jié)論：

8.1足部承擔(dān)離地蹬伸任務(wù)時前足承擔(dān)主要載荷，中后足受力不顯著，足部承擔(dān)落地緩沖任務(wù)時后足和中足受力增大，前、中、后足共同承擔(dān)身體載荷。

8.2足球項目前足內(nèi)側(cè)壓強(qiáng)峰值最大，網(wǎng)球相對較小。

8.3網(wǎng)球運動中，趾區(qū)的壓強(qiáng)峰值超過第一跖趾關(guān)節(jié)區(qū)，足球運動中，第一跖趾關(guān)節(jié)區(qū)和趾區(qū)壓強(qiáng)峰值大。

9.建議：

綜上所述我們從運動生物力學(xué)的角度出發(fā)，對2個專項的運動鞋設(shè)計提出以下建議：

9.1網(wǎng)球運動網(wǎng)前截?fù)舻葎幼餍枰鋵ｍ椥紤]到指在網(wǎng)球特征動作中的重要作用和影響應(yīng)當(dāng)增大鞋底跖趾關(guān)節(jié)部位的靈活性以及趾區(qū)域足底支撐的穩(wěn)定性，以利于趾部位在網(wǎng)球動作中更好的充當(dāng)最后關(guān)節(jié)支撐面的作用。

9.2足球運動專項鞋應(yīng)當(dāng)具備良好的前足減震緩沖能力并提供穩(wěn)定性來抵抗踝關(guān)節(jié)在跖屈位置時的內(nèi)翻力，通過對鞋面材料進(jìn)行加厚和加固以增加運動員踢球的舒適度同時提供正常的距下關(guān)節(jié)靈活性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王蘭美， 郭業(yè)民， 潘志國. 人體足底壓力分布研究與應(yīng)用[J]. 機(jī)械制造與自動化， 2005， 34（1）：35-38.

篇6

1、正確技術(shù)與合理技術(shù)區(qū)別統(tǒng)一

在教學(xué)訓(xùn)練中，什么是正確的技術(shù)呢?可能有人會說，世界冠軍選手的技術(shù)動作最正確，其實不然。從運動技能學(xué)和運動生物學(xué)的觀點來看，絕對正確的技術(shù)是不存在的，只有合理技術(shù)(或動作)。所謂合理技術(shù)，就其動作結(jié)構(gòu)首先要符合力學(xué)原理，其次是要符合其自身解剖學(xué)特征，換言之，就是要符合每個運動員的自身特點。因為，每個運動員的身體形態(tài)，結(jié)構(gòu)比例不同，骨杠桿所產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)也不同。那種不考慮自身的特點而一味去模仿他人的技術(shù)動作顯然是不可取的。美國著名短跑選手劉易斯的教練湯姆•雷特茲博士曾說過：“對劉易斯進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)即把生物力學(xué)原理應(yīng)用于他的訓(xùn)練，教給他適合他身體條件的動作和符合力學(xué)原理的姿勢?！庇纱?，我們可以看出，在教學(xué)訓(xùn)練中應(yīng)教會學(xué)生掌握合理的技術(shù)動作，而不是所謂的模仿他人的“正確”技術(shù)。在合理掌握動作的基礎(chǔ)上，盡量使學(xué)生結(jié)合自身的身體形態(tài)、機(jī)能和運動素質(zhì)的特點去改進(jìn)和掌握技術(shù)動作。對于那些跑得快、跳得遠(yuǎn)而動作不規(guī)范的學(xué)生運動員，不必過分地強(qiáng)調(diào)動作的規(guī)范程度，而應(yīng)讓他保持自身的動作結(jié)構(gòu)。因為在某種程度上講，需要改進(jìn)的只是那些受力不合理的動作。

2、運用生物力學(xué)的原理講解分析技術(shù)動作，指導(dǎo)訓(xùn)練

講解的目的是使學(xué)生了解技術(shù)動作及構(gòu)成動作的內(nèi)在因素。因此，在講解中僅對技術(shù)動作做外在的描述，不利于運動員理解和掌握動作，無法分析技術(shù)動作的優(yōu)劣，要講清動作結(jié)構(gòu)的實質(zhì)，分析技術(shù)動作的內(nèi)在因素，必須從力學(xué)原理去分析描述技術(shù)動作。恰當(dāng)?shù)姆治鲋v解有助于學(xué)生理解和掌握動作的本質(zhì)屬性，使之知道我為什么要這樣做。如在短跑教學(xué)訓(xùn)練中，對影響跑速二因素的講解，當(dāng)今大多數(shù)短跑研究指出，對于短距離跑(50-200m)步頻和步幅的提高主要在著地階段。因此，步頻和步幅的提高關(guān)鍵是處理好著力腳的著地點與身體重心投影點之間的距離。如果腳的著力點與身體重心投影點的距離大，雖然可以增大步長，但支撐腿的運動范圍大，則著力時間就長，人體受前支撐反作用力的平阻力就大。從而產(chǎn)生減速現(xiàn)象，使步頻降低。反之，如果腳的著地點與身體重心投影點的距離適中，前支撐反作用力的水平阻力就小，腳著地時間就短，使身體重心向前運動的沖量增加，從而達(dá)到在不影響步頻的基礎(chǔ)上，增大步長的目的。這樣的講解分析，使運動員理解了那種為增大步長而采取踢小腿的跑法是不可取的，同時也加深了運動員對“擺髖”和“積極扒地”技術(shù)的理解。又如在跨欄跑教學(xué)中，我們對跨欄技術(shù)的講解：跨欄實質(zhì)是短跑，只不過在跑進(jìn)過程中要越過障礙而已。因此，怎樣才能在保持跑速的情況下，順利地越過欄架呢?關(guān)鍵是跨欄步技術(shù)。上欄時，擺動腿大小腿充分折疊高抬前擺，可以縮短擺動半徑，減少阻力，加快上欄速度，提高起跨腿的支撐反作用力，增加起跨力量，過欄時起跨腿大小腿充分折疊又能小跨腿繞髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動半徑，從而減少轉(zhuǎn)動慣性，提高角速度：加快起跨腿的向前提位。下欄時，擺動腿積極主動快速下壓上體迅速抬起，可促使起跨腿的向前提拉(相向運動)，更主要的是縮短擺動腳著力點與身體投影點之間的距離，減少落地制動力，加快人體重心快速向前移動，很快而自然地轉(zhuǎn)入欄間跑。

在跳遠(yuǎn)教學(xué)訓(xùn)練中，發(fā)現(xiàn)有的隊員跳挺身式還沒有跳蹲距式效果好。通過分析原因，我教學(xué)的對象大都是12―14歲的少年選手，他們的身體素質(zhì)各方面都還未達(dá)到跳挺身式的要求，所以在教學(xué)中我利用生物力學(xué)原理力求抓好蹲距式跳遠(yuǎn)技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，注重擺動腿的快速大幅度前擺。一方面可克服蹲距式跳遠(yuǎn)中空中上體前旋。另外，通過屈膝擺動動作可使擺動環(huán)節(jié)的質(zhì)量向上移動，因而使人體總質(zhì)心的相對位置升高。提高重心相對高度(其升高的數(shù)值的點起跳后人體重心騰起高度的25%左右)，通過擺動可增加起跳力(當(dāng)擺環(huán)節(jié)質(zhì)心做豎直向上加速運動時，必然對施力部位產(chǎn)生反作用力，通過起跳腿的肌肉用力作用于地面，從而增大了直跳力，進(jìn)一步推動人體重心飛得更遠(yuǎn))。

篇7

關(guān)鍵詞：生物力學(xué)；骨質(zhì)疏松；腰椎；模型；體層攝影術(shù)

脊柱的生物力學(xué)試驗可以通過體內(nèi)和體外試驗兩種方式進(jìn)行。近年來有限元分析法作為一種骨科生物力學(xué)的研究方法越來越受到關(guān)注。有限元分析不僅能模擬脊柱的各種運動方式，還能模擬正常人、患者和手術(shù)后的脊柱外形，從而計算出相應(yīng)的各個結(jié)構(gòu)的受力和位移情況。腰椎的有限元模型可以為骨質(zhì)疏松椎體彌補(bǔ)以上試驗的不足，為骨質(zhì)疏松椎體的生物力學(xué)試驗提供良好的試驗?zāi)Ｐ?。擬建立包含多個完整的功能脊柱單位（Functional spinal unite，F(xiàn)SU）骨質(zhì)疏松腰椎的三維有限元模型，模型包括四個椎體和三個個椎間盤。模型將用于骨質(zhì)疏松的椎體的治療評價的生物力學(xué)試驗。

1 資料與方法

1.1  一般資料：①志愿者1名：根據(jù)國人解剖學(xué)數(shù)值選取1個有代表性的健康成年男性志愿者，35歲，身高175 cm，體重73 kg；②General Electrics 64層螺旋CT機(jī)；③計算機(jī)工作站：Intel（R）Xeon（TM）CPU 3.00 G 雙核四節(jié)點（8 cpu），內(nèi)存：16 G，硬盤：320 G；④醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 10.0（Materialise's interactive medical image control system 10.0）：一款由比利時Materialise 公司開發(fā)的介于醫(yī)學(xué)與機(jī)械領(lǐng)域之間的一套逆向軟件，可以快捷的將CT或是MRI的斷層掃瞄的二維圖像轉(zhuǎn)化為機(jī)械領(lǐng)域中CAD/CAM軟件或完全的三維模型；⑤有限元分析軟件MSC.PATRAN 2005：MSC.PATRAN最早由美國宇航局（NASA）倡導(dǎo)開發(fā)的，是工業(yè)領(lǐng)域最著名的并行框架式有限元前后處理及分析系統(tǒng)，其開放式、多功能的體系結(jié)構(gòu)可將工程設(shè)計、工程分析、結(jié)果評估、用戶化身和交互圖形界面集于一身，構(gòu)成一個完整CAE集成環(huán)境；⑥有限元分析軟件ABAQUS：ABAQUS由美國公司開發(fā)，是世界知名的高級有限元分析軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS包括一個十分豐富的、可模擬任意實際形狀的單元庫。

1.2  方法與步驟：模型的建立：①螺旋CT掃描：采用General Electrics 64層螺旋CT對已經(jīng)選定的對象進(jìn)行螺旋掃描及斷層圖像處理。掃描時志愿者采取仰臥位靜止不動，盡量保持掃描斷面與身體長軸垂直。掃描參數(shù)如下：層厚0.699 mm，球管電流200 mA、電壓120 kV。②CT圖像處理及保存：在CT工作站中，通過調(diào)整圖灰度、增加對比度等，對圖像觀察細(xì)節(jié)進(jìn)行處理，得到清晰的骨窗斷層圖像，并將其保存為DICOM格式，刻錄為光盤保存。③CT圖像處理及胸腰段三維圖像的重建：將DICOM格式的圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics。在MIMICS中逐層分割提取已選取的CT圖像，去除骨骼周圍軟組織圖像，盡量把胸腰椎T11～T12～L1～L2段從背景中分割。得到處理后每一個斷層的CT圖像，然后重建出胸腰段的三維圖像。④胸腰段椎體三維實體模型的建立和光滑處理：把生成的三維圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Magic rp軟件，利用Remesh模塊對模型進(jìn)行光滑處理，生成光滑和幾何高度近似，具有較好面網(wǎng)格質(zhì)量的模型以便導(dǎo)入Patran前處理軟件，構(gòu)建有限元模型。⑤胸腰段三維模型的前處理：將優(yōu)化的面網(wǎng)格文件導(dǎo)入MSC Patran前處理軟件，生成正常T11～T12～L1～L2段椎體的四面體單元。并在體單元的基礎(chǔ)上根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)的材料屬性不同，把椎體分割成皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎體后部3個部分，其中皮質(zhì)骨厚度約為1～2 mm。⑥T11/T12、T12/L1、L1/L2椎間盤的建模過程：在已有的椎體四面體單元的基礎(chǔ)上生成椎間盤和終板模型，采用六面體單元劃分。椎間盤髓核被模擬為不可壓縮的體單元（Hybird）。髓核的體積約占椎間盤體積的35%～45%，靠近中后部1/3。椎間盤的上下表面由1.0 mm 厚的軟骨終板構(gòu)成。⑦關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎間盤纖維、韌帶的建模過程：選擇關(guān)節(jié)軟骨，并把關(guān)節(jié)軟骨層的表面接觸選用面-面接觸單元模擬（無摩擦的滑動表面接觸單元），關(guān)節(jié)囊使用三維Truss單元模擬。纖維環(huán)纖維由只承受拉應(yīng)力的Truss單元構(gòu)建，纖維在環(huán)狀體中呈剪刀狀方式走行，并與椎間盤平面成平均25°～40°的夾角。有限元模型包含的前縱韌帶、后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、橫突間韌帶以及黃韌帶均采用只受拉力Truss單元模擬。⑧賦予各結(jié)構(gòu)材料學(xué)參數(shù)：對整個胸腰段有限元模型單元材料相關(guān)屬性進(jìn)行設(shè)定，構(gòu)建與實際模型在材料參數(shù)和力學(xué)行為上相吻合的三維有限元模型，其中纖維、韌帶、關(guān)節(jié)囊為只受拉應(yīng)力的線彈性材料。各部位的材料屬性見表1。

表1  正常胸腰段有限元模型的材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)彈性模量（MPa）泊松比截面積（mm2）皮質(zhì)骨    12 0000.30

松質(zhì)骨1000.2

關(guān)節(jié)軟骨100.4

L5-椎體后部3 5000.25

終板1 0000.4

椎間盤纖維環(huán)基質(zhì)4.20.45

椎間盤髓核0.20.4999

纖維環(huán)纖維500非線性

前縱韌帶200.33 8.0后縱韌帶700.320.0黃韌帶500.360.0棘間韌帶280.335.5棘上韌帶280.335.5橫突間韌帶500.310.0關(guān)節(jié)囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41

骨質(zhì)疏松的材料模型為在正常模型材料參數(shù)的基礎(chǔ)上，皮質(zhì)骨、終板、后部結(jié)構(gòu)模量減少33%，松質(zhì)骨減少66%，同時考慮髓核脫水，彈性模量增加1倍，其他結(jié)構(gòu)保持不變。見表2。

表2  骨質(zhì)疏松胸腰段有限元模型的材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)彈性模量（MPa）泊松比截面積（mm2）皮質(zhì)骨    8 0400.30

松質(zhì)骨340.2

關(guān)節(jié)軟骨100.4

L5-椎體后部2 3450.25

終板6700.4

椎間盤纖維環(huán)基質(zhì)4.20.45

椎間盤髓核0.40.4999

纖維環(huán)纖維500非線性

前縱韌帶200.338.0后縱韌帶700.320.0黃韌帶500.360.0棘間韌帶280.335.5棘上韌帶280.335.5橫突間韌帶500.310.0關(guān)節(jié)囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41

2 結(jié)果

正常脊柱胸腰段三維有限元模型已經(jīng)建立起來。完整的脊柱胸腰段三維有限元模型包括共276 580個四面體單元，8 532個六面體單元，673個桿單元，總計共95 219個結(jié)點。見表3。

表3  正常胸腰椎有限元模型的單元劃分

結(jié)構(gòu)單元類型數(shù)量節(jié)點

95 219椎體骨四面體單元276 580椎間盤、終板六面體單元8 532韌帶、關(guān)節(jié)囊、纖維三維桿單元673

建成后的三維有限元模型與實體組織具有良好的幾何相似性。

完全按照上述步驟我們利用有限元軟件Patran前處理功能，對不同組織的物理特性進(jìn)行定義，皮質(zhì)骨、終板、后部結(jié)構(gòu)模量減少33%，松質(zhì)骨減少66%，同時考慮髓核脫水，彈性模量增加1倍，其他結(jié)構(gòu)保持不變?；痉险鎸嵉纳锪W(xué)要求，真實模擬了骨質(zhì)疏松椎體的材料特性，成功建立了T11～L1的骨質(zhì)疏松有限元模型。見圖1。

圖1  建立關(guān)節(jié)囊、纖維、韌帶的正常胸腰段脊柱有限元模型

3 討論

1974年，Belytschko首先將有限元分析法應(yīng)用于脊柱力學(xué)研究，建立二維椎間盤模型，標(biāo)志著有限元在骨科生物力學(xué)分析中應(yīng)用的開端[1]。Liu等在1975年首次提出三維有限元模型，將其用于椎間盤生物力學(xué)研究并將理論結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行了比較。由于有限元法在求解過程中條理清晰，步驟同一，通用性強(qiáng)，特別適合計算機(jī)仿真計算。隨著電腦軟硬件技術(shù)的發(fā)展，有限元法在骨結(jié)構(gòu)生物力學(xué)及醫(yī)療研究中愈顯重要且前景廣闊。

有限元分析不僅能模擬脊柱的各種運動方式，還能模擬正常人、患者和手術(shù)后的脊柱外形，從而計算出相應(yīng)的各個結(jié)構(gòu)的受力和位移情況。脊柱某些結(jié)構(gòu)的外在位移用普通試驗方法容易測得，但內(nèi)在應(yīng)力的改變則需要復(fù)雜的測試技術(shù)，利用有限元分析能夠精細(xì)地得到模型內(nèi)部地受力變化。這比外在位移來說更具有深遠(yuǎn)地意義。而計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步及功能完善的專用軟件的問世，為確保有限元模型的精確性奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)今的研究成果使有限元模型不僅能逼真地模擬椎骨、椎間盤，還能將脊柱周圍的韌帶、肌肉直接或者間接地加入模型，使模型更加真實完善。正因為如此，近年來有限元分析法作為一種骨科生物力學(xué)的研究方法越來越受到關(guān)注。有限元模型最大的優(yōu)勢在于可以反映集體內(nèi)部的應(yīng)力變化情況，這是其他試驗方法難以做到的。

3.1  骨質(zhì)疏松腰椎三維有限元模型的建立：有限元建模有多種方法，由于人體結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，同時CT、MRI機(jī)器普及，圖像建模的方法比較適合于臨床生物力學(xué)的研究，目前多數(shù)臨床相關(guān)的研究是通過此方法建模的[2-3]。

在本試驗中，我們采用General Electrics 64層螺旋CT對已經(jīng)選定的對象進(jìn)行薄層螺旋掃描及斷層圖像處理。得到清晰的胸腰段椎體骨窗斷層圖像，并將其保存為DICOM格式，再將DICOM格式的圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics。這樣通過CT建立的胸腰段椎體有限元仿真模型與真實的胸腰段脊柱在幾何上就近似人體骨形態(tài)。并且我們建立的是四面體椎體模型，四面體相比六面體，對復(fù)雜幾何體的形狀擬和較好。脊柱六面體有限元模型和本課題建立的四面體椎體加六面體椎間盤的胸腰段有限元模型示意圖：見圖2～3。

圖2  脊柱六面體有限元模型

圖3  胸腰段六面體、四面體混合有限元模型

另外，由于韌帶從生理結(jié)構(gòu)上，只承受拉力作用，不受壓力作用，因此，本試驗中采用只受拉力作用的線彈性材料模型，采用三維桿單元模擬，一定程度上符合韌帶的生理特性。由于CT無法建立椎間盤模型（因為在CT上椎間盤的灰度和周圍軟組織的灰度重疊無法取值）且椎間盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，文章根據(jù)椎間盤的生理結(jié)構(gòu)，通過CAD構(gòu)建了簡化的椎間盤模型。椎間盤被固定在相鄰的椎體之間，分散來自椎體的壓力，通過與雙側(cè)軟骨終板結(jié)合的纖維環(huán)和髓核使椎體間具有一定的活動度。

3.1.1 三維胸腰椎體幾何模型的準(zhǔn)確性：我們研究所建立的有限元模型是骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折好發(fā)的脊柱胸腰段，更符合臨床實際情況。模型的建立選擇健康成年人的胸腰段脊柱作為基礎(chǔ)，應(yīng)用螺旋CT掃描獲得胸腰段脊柱的詳細(xì)輪廓數(shù)據(jù)，經(jīng)Materialise Mimics逆向處理軟件，建立胸腰段脊柱的三維實體模型。本研究采用基于CT原始數(shù)據(jù)的先進(jìn)逆向建模技術(shù)，解決了CAD傳統(tǒng)正向建模技術(shù)無法構(gòu)建骨骼等復(fù)雜幾何體的問題，從而保證了幾何高度近似，為下一步的研究提供了良好的三維模型。

3.1.2 三維胸腰椎體網(wǎng)格模型的優(yōu)點：在對胸腰椎體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，考慮到椎體的幾何復(fù)雜性，對椎體采用自適應(yīng)四面體網(wǎng)格劃分方法，并對在著重考察和形狀非常不規(guī)則的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，保證了網(wǎng)格模型和幾何模型的高度近似性。因此，本研究的網(wǎng)格模型更加細(xì)化和逼真，保證了計算的準(zhǔn)確性。同時對于椎間盤模型，采用六面體模型，保證了椎間盤纖維模型的合理構(gòu)建。采用椎體骨四面體和椎間盤六面體的復(fù)合網(wǎng)格模型，即保證了網(wǎng)格模型的幾何逼真，又保證了胸腰椎各解剖部位的合理構(gòu)建，為胸腰椎生物力學(xué)的研究提供了良好的網(wǎng)格模型。

3.1.3 胸腰椎模型材料屬性的可靠性：因為試驗條件的限制，本研究胸腰段脊柱有限元模型各部位的材料屬性及基本參數(shù)采用了國外學(xué)者在胸腰椎材料力學(xué)研究中的試驗結(jié)果，并已被不同研究學(xué)者引用進(jìn)行胸腰脊柱的有限元模擬分析[4-6]。雖然因為研究的方法、試驗的條件以及力學(xué)標(biāo)本來自不同地區(qū)人種的關(guān)系，不同研究學(xué)者的材料試驗造成材料屬性有所偏差，但是本研究采用同一學(xué)者的研究結(jié)果，對不同模型進(jìn)行力學(xué)分析，從縱向上進(jìn)行定性比較分析，是合理的。

3.2  胸腰椎模型建立的臨床意義：很多老年病如椎間盤退變，椎體的壓 縮性骨折等都與老年性的骨質(zhì)疏松有關(guān)，而很多的骨質(zhì)疏松椎體的病因和治療均與其生物力學(xué)有關(guān)，因此，分析不同的手術(shù)及創(chuàng)傷對骨質(zhì)疏松的腰椎的影響是十分關(guān)鍵的。精確的生物力學(xué)試驗可以幫助選擇準(zhǔn)確的植入物和手術(shù)方法，指導(dǎo)患者的術(shù)后康復(fù)和鍛煉[7-8]。目前，很多學(xué)者通過有限元模型來進(jìn)行骨科研究，并取得了好的成果[9-12]。本試驗建立的有限元模型可以在計算機(jī)上隨意的對椎體產(chǎn)生變形，可以模擬椎體骨折的模型，分析骨折后的生物力學(xué)變化，同時可對目前治療骨質(zhì)疏松骨折的新技術(shù)如椎體成型和后凸成型做比較，以及椎體疏松后內(nèi)固定松動的問題，還可用于腰椎退變性滑脫，能夠很好的模擬腰椎的生物力學(xué)試驗。我們建立此模型想利用此模型觀察骨質(zhì)疏松椎體骨折后椎體成形后的相鄰椎體骨折的問題，最近越來越多的報道認(rèn)為這種骨折與椎體剛度和強(qiáng)度的增強(qiáng)有關(guān)。是否椎體成形術(shù)后的相鄰椎體的骨折是由椎體的生物力學(xué)的改變引起，目前尚無定論。以往試驗利用有限元的方法對椎體增強(qiáng)后的相鄰椎體的生物力學(xué)進(jìn)行了報道，但得出的結(jié)論不一致。這些生物力學(xué)試驗均證明了椎體剛度的增強(qiáng)是目前相鄰椎體骨折的原因[13-14]，認(rèn)為相鄰椎體的骨折與骨水泥增強(qiáng)椎體的彈性模量有關(guān)，但部分學(xué)者認(rèn)為相鄰椎體的骨折和椎體的增強(qiáng)沒有關(guān)系[15]。我們將利用建立的有限元模型對目前比較關(guān)注的椎體成型手術(shù)后的相鄰椎體的骨折問題進(jìn)行進(jìn)一步的探討。通過更精確的模型來排除其他因素對增強(qiáng)椎體周圍椎體的影響。

3.3  試驗的局限性及展望：有限元模型材料參數(shù)的獲得是通過生物試驗得到的，但是到目前為止，退變組織的材料參數(shù)的獲得對于我們模擬退變的三維有限元模型來說仍是個難以解決的問題，不同研究學(xué)者對材料屬性的定義有所偏差。另外，雖然近年來建立的生物力學(xué)有限元模型越來越接近客觀實體，并且對生物力學(xué)機(jī)制有更深入的理解和預(yù)測。但有限元法是一種理論性的分析，只有在更好地結(jié)合臨床檢測與試驗觀察之后，才能最真實地反映脊柱的受力狀況，為疾病的發(fā)生、發(fā)展分析及疾病的治療提供準(zhǔn)確的參考。

今后，我們還將做深入的研究。包括進(jìn)一步完善有限元模型的設(shè)計，特別是退變椎間盤和髓核的有限元模擬，并考慮肌肉力的影響；探討KP治療中骨水泥最佳的注射容積量；骨水泥在治療椎中不同的分布對治療椎體及相鄰椎體的生物力學(xué)的影響；使用不同性質(zhì)的骨水泥對脊柱的生物力學(xué)的影響；把有限元分析和生物試驗的方法良好的結(jié)合起來。

本研究建立的骨質(zhì)疏松腰椎三維有限元模型接近真實的生物力學(xué)標(biāo)本，是理想的研究骨質(zhì)疏松腰椎生物力學(xué)的數(shù)字化模型，可應(yīng)用于胸腰段骨質(zhì)疏松后凸成形術(shù)相關(guān)的有限元生物力學(xué)研究。

4 參考文獻(xiàn)

[1] Belytschko T,Andriacchi rip,Schultz AB,et a1.Analig studies of forces in the human spine computational techniques[J].J Biomech,2002,6(2):36l.

[2] Ng HW,Teo EC,Lee KK,et a1.Finite element analysis of cervical spinal instability under physiologic loading[J].Journal of Spinal Disorders and Techniques,2003,16(1):55.

[3] Natarajan RN,Andersson GBJ.The influence of lumbar disc height and cross-sectional area on the mechanical response of the disc tophysiologic loading[J].spine,1999,24(9):1873.

[4] Polikeit A,Nolle LP,Ferguson SJ.The efect of cement augmentation on the load transfer in an osteoporotic funetional spinal unit:finite-element analysis[J].Spine,2003,28(10):991.

[5] Silva MJ,Wang C,Keaveny TM,et al.Direct and computed tomography thickness measurements of the human,lumbar vertebral shell and endplate[J].Bone,1994,15(3):409.

[6] Mosekilde L.Vertebral structure and strength in vivo and in vitro[J].Calcif Tissue Int,1993,53(1):121.

[7] Crawf RE,Keaveny TM.Relationship between axial and bending behaviors 0f tlle human thoracolumbar vertebra[J].Spine,2004,29(20):2248.

[8] Rohlmann A,Zander T,Bergmann G.Comparison of tlle biomechanical effects 0f posterior and anterior spine·stabilizing implants[J].Eur spine J,2005,l4(5):445.

[9] Imai K,Ohnishi I,Bessho M,et al.Nonlinear finite element model predicts vertebral bone strength and fracture site[J].Spine,2006,31(9):1789.

[10] Kazuhiro Imai,Isao Ohnishi,Seizo Yamamoto.In vivo assessment of lumbar vertebral strength in elderly women using computed tomography-based nonlinear finite element model[J].Spine,2008,33(1):27.

[11] Sairyo K,Goel VK,Masuda A,et al.Three dimensional finite element analysis of the pediatric lumbar spine Part Ⅱ:biomechanical change as the initiating factor for pediatric isthmic spondylolisthesis at the growth plate[J].Eur Spine J,2006,15(6):930.

[12] Chosa E,Totoribe K,Tajima N.A biomechanical study of lumbar spondylolysis based on a three-dimensional finite element method[J].J Orthop Res,2004,22(1):158.

[13] Belkoff SM,Mathis JM,Jasper LE,et al.The biomechanics of vertebroplasty·the effect of cement volume on mechanical behavior[J].Spine,2001,26(14):1537.

篇8

關(guān)鍵詞：有限元 醫(yī)學(xué) 仿真實驗

Research of experimental of medical's Finite Element Analysis（FEA） simulation

Niu Xiaodong， Lu Lirong

Shanxi Changzhi medical college， Changzhi， 046000， China

Abstract： It will solve many complex problems if apply FEA to medical research， and these problems are difficult to solve but need to be solved in the physics of medical applications. So that it can provides theoretical guidance and scientific foundation for medical research and clinical treatment. Have the experimental course of medical’s FEA simulation， medical colleges have a very important significance for student’s study， teacher’s teaching and research， cooperation of college and affiliated hospitals.

Key words： FEA； medical； experimental of simulation

有限元分析是一種廣泛應(yīng)用于工程科學(xué)技術(shù)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)等物理場問題。1956年Turner等人提出有限元（Finite Element，F(xiàn)E）的概念。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。

隨著計算機(jī)技術(shù)的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計和分析中得到越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計算問題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)大多數(shù)設(shè)計制造已離不開有限元分析計算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、生物醫(yī)學(xué)研究等各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

1 醫(yī)學(xué)有限元國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

有限元方法最早應(yīng)用于骨科研究，開始于脊柱生物力學(xué)[1]。幾十年來其在解決生物力學(xué)問題上得到了廣泛應(yīng)用，尤其近年來，隨著數(shù)字及計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，有限元法本身已不再是相對獨立地研究生物力學(xué)性質(zhì)，它越來越多地與各種動力學(xué)模型、參數(shù)優(yōu)化選擇、臨床放射學(xué)與實物測量、有機(jī)化學(xué)、組織學(xué)與免疫組化等方法巧妙結(jié)合，使結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，成為生物力學(xué)研究中的一種重要工具。有限元方法在醫(yī)學(xué)上的研究主要包括以下四個方面。

1.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立，直接影響有限元仿真實驗結(jié)果的精度、計算機(jī)計算過程、計算時間的長短，且模型建立的優(yōu)劣與建模人員的專業(yè)素質(zhì)和有限元知識分不開?，F(xiàn)有研究的模型包括：人眼[2]、牙齒及矯正器[3]、脊柱[4]、顱腦骨骼[5]、胃[6]等人體骨骼及器官的三維有限元模型。

1.2 力學(xué)實驗仿真

A.Pandolfi，F(xiàn).Manganiello對所建立的人眼角膜模型進(jìn)行了力學(xué)分析[7]。Tammy L HD等對建立的脛股關(guān)節(jié)三維有限元模型分析了骨骼變形對關(guān)節(jié)面接觸行為的影響以及約束關(guān)節(jié)運動對接觸應(yīng)力的影響等[8]。

脊柱生物力學(xué)仿真是有限元法在生物力學(xué)中研究最早、分析最多、臨床上應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。杜東鵬等則對腰椎間盤膨隆的力學(xué)機(jī)制與腰椎疲勞骨折分別進(jìn)行了探討[9]。

頭顱及顳下關(guān)節(jié)也是有限元在生物力學(xué)中研究的重點。呂長生等對建立的足部骨組織模型進(jìn)行有限元分析，為運動損傷或運動鞋的評價等提供了依據(jù)[10]。王芳等建立并驗證中國人全頸椎有限元模型，用于揮鞭樣損傷分析[11]。米那瓦爾?阿不都熱依木采用有限元方法，對頜面外科手術(shù)術(shù)后的顏面軟組織形態(tài)變化進(jìn)行預(yù)測[12]。

1.3 醫(yī)療器械的力學(xué)性能評價及優(yōu)化設(shè)計

牙科是有限元法在臨床應(yīng)用中的一大領(lǐng)域，相應(yīng)的各種牙科固定器材得以研制開發(fā)，這些器材的力學(xué)性能又是研制過程中重點解決的問題。蔡玉惠等研究了RPA卡環(huán)在游離端義齒應(yīng)用中支持組織的應(yīng)力分布狀況，對RPA卡環(huán)的臨床應(yīng)用具有力學(xué)上的指導(dǎo)作用[9]。

在內(nèi)固定鋼板方面，張美超等從臨床應(yīng)用出發(fā)，利用有限元法對頸前路蝶型鋼板進(jìn)行生物力學(xué)模擬分析，得到了與其一致的易斷裂部位預(yù)測[9]。

在人工關(guān)節(jié)方面，Heegaard JH等建立了髕骨的計算模型，并且模擬了在人工膝關(guān)節(jié)中去掉股骨假體對髕骨活動的影響[13]。王永書等對患者胸腰椎爆裂性骨折節(jié)段（T12～L2）部位利用有限元進(jìn)行手術(shù)模擬，均與標(biāo)本模型及術(shù)后CT掃描基本相符[14]。

1.4 血流動力學(xué)CFD應(yīng)用

Tarbell JM用FIDAP和Fluent軟件進(jìn)行了血管壁中組織液流動的數(shù)值研究[15]。喬愛科等利用有限元分析方法得出冠狀動脈搭橋術(shù)中對稱雙路搭橋比單路搭橋具有更合理的血流動力學(xué)，可以避免動脈粥樣硬化的危險性血流動力學(xué)因素，從而減少手術(shù)再狹窄的發(fā)生[16]。楊金有應(yīng)用CFD計算流體力學(xué)軟件進(jìn)行人體主動脈內(nèi)血流數(shù)值模擬分析，為闡明血管疾病的發(fā)病機(jī)理提供理論依據(jù)[17]。姚偉用計算流體力學(xué)軟件Fluent計算人體小腿骨間膜組織間隙中蛋白質(zhì)非均勻分布情況下組織液流動[18]。

2 醫(yī)學(xué)有限元仿真實驗方法

通過上述醫(yī)學(xué)有限元研究可得醫(yī)學(xué)仿真實驗的方法主要分為四步：（1）通過螺旋CT技術(shù)，采集大量的樣本圖像。運用現(xiàn)有醫(yī)用物理實驗室計算機(jī)對樣本圖像進(jìn)行建模處理，并進(jìn)行相關(guān)的有限元分析。（2）通過查閱相關(guān)國內(nèi)外資料，針對所需建立模型的生理、物理等參數(shù)特性，在幾種常用圖像處理軟件（Mimcs，Proe等）中選取較為合理準(zhǔn)確的有限元建模軟件。（3）在常用有限元分析軟件（ANSYS，F(xiàn)luent等）中選取較為合理準(zhǔn)確的軟件對模型進(jìn)行有限元分析。（4）將有限元分析結(jié)果與實際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析有限元模型的準(zhǔn)確性。

3 有限元法在醫(yī)學(xué)研究中的優(yōu)勢

有限元法在醫(yī)學(xué)研究中具有四個方面的突出優(yōu)勢：（1）可根據(jù)需要產(chǎn)生各種各樣的標(biāo)本，對模型進(jìn)行實驗條件仿真，模擬拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等各種力學(xué)實驗，可以在不同實驗條件下模擬任意部位變形、應(yīng)力/應(yīng)變分布、內(nèi)部能量變化、極限破壞分析等情況。（2）標(biāo)本也可以進(jìn)行修正以模擬任何病理狀態(tài)。同一個標(biāo)本在虛擬計算中可進(jìn)行無數(shù)次加載或組合而不會被損壞。（3）其結(jié)果不受實驗條件的影響，也排除了實驗條件造成的誤差，而且可以重復(fù)計算，節(jié)約成本。（4）利用有限元法進(jìn)行的模擬實驗具有實驗時間短、費用少、可模擬復(fù)雜條件、力學(xué)性能測試全面及可重復(fù)性好等優(yōu)點。

4 醫(yī)學(xué)院校開展醫(yī)學(xué)有限元仿真實驗的意義

在醫(yī)學(xué)院校開展醫(yī)學(xué)有限元仿真實驗，可以使學(xué)生將相關(guān)醫(yī)學(xué)、物理、生物等課程的知識綜合應(yīng)用于仿真實驗中，給生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計提供更為廣闊的范圍，使研究具有更高的水平；激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和熱情，使學(xué)生在自主科研創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，設(shè)計相關(guān)仿真實驗加以驗證、研究。同時，開展仿真實驗要求教師不僅需要對本專業(yè)知識做到“了如指掌”，而且需要教師具有仿真實驗相關(guān)的醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等非本專業(yè)學(xué)科的專業(yè)知識，還要求教師必須掌握螺旋CT掃描技術(shù)，Mimics，ANSYS等建模、仿真軟件的計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。這些知識對于教師實驗教學(xué)、科研水平的提高具有十分重要而深遠(yuǎn)的意義。在開展醫(yī)學(xué)仿真實驗的基礎(chǔ)上，建設(shè)醫(yī)學(xué)仿真實驗室，不僅可以為學(xué)生提供畢業(yè)實習(xí)條件，加強(qiáng)實習(xí)基地建設(shè)，而且與醫(yī)院相關(guān)科室進(jìn)行合作，可以在生物力學(xué)基礎(chǔ)上預(yù)測手術(shù)中、長期效果，對醫(yī)生手術(shù)具有較為科學(xué)的指導(dǎo)，加強(qiáng)了學(xué)校與醫(yī)院的合作。

5 結(jié)束語

建立醫(yī)學(xué)有限元實驗有兩個關(guān)鍵的問題：（1）醫(yī)用有限元模型快速準(zhǔn)確的建立。模型的快速準(zhǔn)確建立可以減少仿真實驗所需時間、降低費用、增加仿真的準(zhǔn)確性和可信性。（2）建立通用的有限元模型庫，為進(jìn)一步的實驗教學(xué)和科研打下堅實的基礎(chǔ)。因此需要在具體實驗實踐中逐步探索和積累。

將工程有限元分析同醫(yī)學(xué)結(jié)合開設(shè)實驗課，屬于多學(xué)科之間的交叉領(lǐng)域，不僅可以提高學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的綜合運用能力，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)與學(xué)習(xí)深造的競爭力，而且可以加強(qiáng)多學(xué)科教師的教學(xué)和科研合作，提高教師的教學(xué)科研水平。同時提高相關(guān)實驗室的利用率，為學(xué)生自主開展創(chuàng)新實驗提供平臺，加強(qiáng)學(xué)校和附屬醫(yī)院的教學(xué)科研合作，為醫(yī)學(xué)院校提供更為廣闊的教學(xué)和科學(xué)研究領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] Brekelmans WAM，Rybicki EF， Burdeaux BD. A new method to analysis the mechanical behavior ofskeletal parts[J].Acta Ortho Scand，1972，43（5）：301-317.

[2] 楊浩.人眼球物理建模及結(jié)合青光眼的生物力學(xué)分析初探[D].廈門：廈門大學(xué)，2006.

[3] 傅曉峰.上頜牙列及MBT直絲弓矯治器三維有限元模型的建立[J].口腔醫(yī)學(xué)，2006，26（5）：354-355.

[4] 劉耀升.腰椎L4～L5活動節(jié)段有限元模型的建立與驗證[J].第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報，2006，27（6）：665-669.

[5] 何葉松.利用快速成型技術(shù)制造仿真人顱腦骨骼模型[J].中國醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，2008，37（6）：828-830.

[6] 李悅溪.人體胃部三維有限元模型的建立[D].浙江：浙江大學(xué)，2007.

[7] A.Pandolfi，F(xiàn).Manganiello.A model for the human cornea：constitutive formulation and numerical analysis[J]. Biomechan Model Mechanobiol（2006） DOI10.1007/s10237-005-0014-x.

[8] Tammy L HD，Hull M L. A finite element model of the human knee joint for the study of tibia： femoral contact[J].Journal of Biomechanical Engineering，2002，124（3）：273-280.

[9] 張美超.國內(nèi)生物力學(xué)中有限元的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].解剖科學(xué)進(jìn)展，2003，9（1）：53-56.

[10] 呂長生.計算機(jī)輔助活體足建模生物力學(xué)方法研究[J].光學(xué)技術(shù)，2008（34）：236-237.

[11] 王芳.揮鞭樣仿真全頸椎有限元模型的建立和驗證[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床，2008，12（1）：13-16.

[12] 米那瓦爾?阿不都熱依木.計算機(jī)輔助頜面外科手術(shù)患者的面部軟組織有限元模型研究[D].新疆：新疆醫(yī)科大學(xué)，2008.

[13] Heegaard J H， Leyvraz P E， Hovey C B. A computer model to simulate patellar biomechanics following total knee replacement：the effects of femoral component alignment[J].Clinical Biomechanics， 2001，16（5）：415-423.

[14] 王永書.嚴(yán)重胸腰椎三柱損傷后路270°減壓內(nèi)固定術(shù)的數(shù)字三維可視化手術(shù)模型研究[J].浙江創(chuàng)傷外科，2009，14（1）：1-3.

[15] Tada S， Tarbell JM. Internal elastic lamina affects the distribution of macromolecules in the arterial wall： a computational study[J].American J Physiology-heart and Circulatory Physiology，2004，287（2）：905-913.

[16] 喬愛科.單路和雙路CABG中血流動力學(xué)的比較[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2006，23（2）：295-299.

篇9

1、短跑中擺臂動作的重要性

在短跑運動中,兩臂與兩腿由于受神經(jīng)系統(tǒng)的支配作用,必須按同一速率運動,協(xié)同一致。所以擺臂質(zhì)量直接影響兩腿的活動。一個優(yōu)秀運動員一側(cè)腿的支撐時間僅占一個復(fù)步時間的22.1%,而擺動時間占77.9%,兩者相比為1:3.5。因此,在新的短跑技術(shù)觀念上要突出擺臂技術(shù)的重要性,在訓(xùn)練結(jié)構(gòu)上要加強(qiáng)擺臂動作的研究,掌握擺臂技術(shù)的規(guī)律和生物力學(xué)的特征,為正確理解擺臂技術(shù)提供生物力學(xué)依據(jù)。我國傳統(tǒng)的半握拳擺臂姿勢,是否科學(xué)合理有待進(jìn)一步分析研究。擺臂在跑的支撐階段起著控制軀干縱軸旋轉(zhuǎn)的作用,如果擺臂幅度及力度不夠,軀干的縱軸旋轉(zhuǎn)幅度也會隨速度的加快而增大,這樣就可能過多的消耗體能,直接影響速度的發(fā)揮和跑的質(zhì)量。擺臂動作技術(shù)一直是我國短跑運動員的弱點,教練也常常忽略發(fā)展運動員的上肢力量,過多地注意了發(fā)展下肢的力量,而由于手臂動作無力,上體平衡動作穩(wěn)定性差,導(dǎo)致兩腿前擺不足。另外,擺臂動作的質(zhì)量對步頻有直接的影響,手臂的速度加快,能帶動腿的擺動加快。

臂的擺動方向、速度和幅度等因素的變化都對人體產(chǎn)生不同的作用力,擺臂和后蹬是協(xié)調(diào)配合的,擺臂的速度越快、越有力,產(chǎn)生的動力也越大,位移速度也越快,對后蹬腿產(chǎn)生的附加力也就越大,后蹬的效果越好,步長也隨之增大,有利于伸直后蹬腿的3個關(guān)節(jié),促進(jìn)骨盆扭轉(zhuǎn)的靈活性。

2、短跑中擺臂的要求

在起跑瞬間后,兩臂屈肘用力地前后擺動,使身體向前上方運動,軀干前傾的角度與水平線成15°～20°角。起跑后加速度跑段的兩臂有力的前后擺具有重要意義,在開始幾步身體處于很大的前傾時,重心移動的初速度較小。因此,加速度跑段應(yīng)更加有力地大幅度地擺臂。跑段中要對手臂擺動的幅度加大,使身體略為前傾,這樣更省力。

3、短跑中手指自然伸直擺臂的生物力學(xué)分析

在短跑技術(shù)中,為了發(fā)揮最大的運動潛力,對身體姿勢,各部分運動的協(xié)調(diào)配合,必須更趨于完善,使已經(jīng)積累的速度、力量、能力與應(yīng)當(dāng)達(dá)到的運動成績相和諧。在擺臂動作中,手指半握拳會導(dǎo)致手指、手腕的速度放松和手腕下壓,增加了前臂內(nèi)側(cè)肌群的收縮力,形成手腕下拉而產(chǎn)生分力。如果手指自然伸直,作用力的方向相同,沒有產(chǎn)生分力,那么它是省力的。其二,如果手指成半握拳,手臂在擺動過程中受的空氣阻力要大于手指自然伸直。其三,根據(jù)上肢骨骼的解剖學(xué)原理,我們的肩、肘、腕、手指各關(guān)節(jié)的自由度明顯大于軸性關(guān)節(jié)。所以手指自然伸直擺臂是符合力學(xué)原理的。人體關(guān)節(jié)周圍總有作用方向不同的肌肉群,當(dāng)屈肌收縮時,伸肌充分放松,減少屈肌收縮的阻力。如果屈肌收縮時伸肌放松不充分,那么屈肌的力量,就有一部分要為伸肌緊張所抵消,而當(dāng)擺臂前擺結(jié)束后,向后擺臂時手指自然伸直,指尖朝下,有利于血液的回心。

總的來說,從理論上認(rèn)為,人體的上肢屈肌群力量一般都大于伸肌群,伸直手掌擺臂能加強(qiáng)伸肌群的工作能力,同時使屈肌群得到伸張,從而使肩關(guān)節(jié)放松,增大擺臂幅度和力量。伸掌擺臂技術(shù),由于以肩關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動軸,使杠桿臂的工作距離加強(qiáng),轉(zhuǎn)動慣量加大,同時也要求肩關(guān)節(jié)屈肌和伸肌都需要加強(qiáng)有力的收縮,從而增加擺臂的效果。

眾所周知,100m短跑是在很短的時間內(nèi)完成全程跑,要提高0.01秒的成績,也都要付出巨大的代價。半握拳時,手指運動不靈活,動作僵硬,勢必影響整個擺臂動作完成的連貫性。許多外國選手因打破半握拳式傳統(tǒng)觀念,采用手指自然張開的用力擺臂動作而取得優(yōu)異成績。

篇10

【摘要】

目的 評價踝關(guān)節(jié)骨折修復(fù)下脛腓前韌帶的生物力學(xué)穩(wěn)定性。方法 采集國人新鮮足標(biāo)本一具，截取踝關(guān)節(jié)以上15 cm下肢小腿橫行截斷，暴露下脛腓前韌帶。載荷實現(xiàn)分級加載，選用小腿極限載荷(踝關(guān)節(jié)負(fù)重力為4.5 BW)20％作為生理載荷，即以0、100、200、300、400、500 N為分級載荷。萬能材料試驗機(jī)(WD5)的加載速率為1.40 mm/min，以準(zhǔn)靜態(tài)方式加載，載荷施加于下肢脛腓骨上。并模擬足運動中立位、跖屈位(30°)、背屈位(20°)、旋后外旋位等四種生理運動狀況，正常足及切除下脛腓前韌帶測定踝關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化、距骨的移位變化及軸向剛度數(shù)據(jù)。結(jié)果 標(biāo)本在正常足及切斷下脛腓前韌帶的不同功能位上，踝關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化、距骨的移位變化及軸向剛度，統(tǒng)計學(xué)有顯著性差異(P＜0.05)。結(jié)論 在對內(nèi)、外踝滿意固定后，下脛腓前韌帶的修復(fù)能更好恢復(fù)踝關(guān)節(jié)的生物彈性，最大限度恢復(fù)其原來的結(jié)構(gòu)和功能，避免晚期創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】 下脛腓前韌帶 生物力學(xué) 踝關(guān)節(jié)骨折

Abstract：Objective To evaluate the biomechanical stability of restoration of anterior lower tibiofibular ligament in ankle fracture.Methods Collect a fresh foot sample of Chinese，cut off transversely of the shank 15 cm above the ankle joint，operate carefully around the ankle joint as per the clinic procedures，to expose the anterior lower tibiofibular ligament，calcaneofibular ligament，anterior and posterior talofibular ligament for the test.The entire structural simulation is based on the fresh foot sample of normal human corpse and in the phased loading，with 20％ of the shank limit load(the bearing capacity of ankle joint at 4.5 BW) as the physiological load，i.e.the phased load of 0，100，200，300，400 and 500N.The loading rate of the universal material tester (WD5) is 1.40 mm/min，and with the quasistatic loading mode.The load is applied on tibiofibular bone of the shank to simulate the 4 physiological movement status of the foot，i.e.neutral position，metastarsal bending position(30°)，posterior bending position(20°) and esternally rotated position.The normal foot and amputation of anterior lower tibiofibular ligament was used to test the stress change of ankle joint，displacement and axial rigidity of astragalus.Results The sample is placed in the different functional positions of the normal foot and when cutting off anterior lower tibiofibular ligament，it is significantly different in the stress change of ankle joint，displacement and axial rigidity of astragalus and in 2 status(normal foot and cutting off anterior lower tibiofibular ligament)(P＜0.05).Conclusion Upon the satisfactory fixation of the interior and exterior ankle，restoration of anterior lower tibiofibular ligament can better restore the biological flexibility of the ankle joint，maximally recover its original structure and function and avoid the occurrence of late traumatic arthritis.

Key words：anterior lower tibiofibular ligament；biomechanics；ankle fracture

踝關(guān)節(jié)骨折、脫位是創(chuàng)傷骨科常見的一種損傷［1］。目前認(rèn)為，三角韌帶、下脛腓全部韌帶及部分骨間膜同時損傷時可出現(xiàn)下脛腓分離、距骨向外脫位。然而，臨床上占多數(shù)的WeberB(旋后外旋)型踝關(guān)節(jié)骨折，在距骨的強(qiáng)力外旋下，首先產(chǎn)生的是下脛腓前韌帶損傷，隨后產(chǎn)生外踝的螺旋骨折。由此看來下脛腓前韌帶對踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定作用是不容忽視的。

我院自1999年以來，對該類骨折在內(nèi)、外踝的堅強(qiáng)固定基礎(chǔ)上，常規(guī)探查修復(fù)下脛腓前韌帶，取得了良好效果。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行針對下脛腓前韌帶的生物力學(xué)研究。本研究對下脛腓前韌帶在完整和損傷踝關(guān)節(jié)標(biāo)本上進(jìn)行生物力學(xué)實驗［2］，觀察下脛腓前韌帶的損傷，對踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的影響，為臨床提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 標(biāo)本來源及制作 采集國人新鮮足標(biāo)本1具，截取踝關(guān)節(jié)以上15 cm下肢小腿橫行截斷。大體測量標(biāo)本尺寸(見表1)。并進(jìn)行X線正側(cè)位攝片，確認(rèn)無疾病，無踝關(guān)節(jié)損傷、先天性畸形、骨折、嚴(yán)重退行性變等病理性變化，在小腿上部切除肌肉暴露脛腓骨并用骨水泥固定做上端夾具。按照臨床方法在踝關(guān)節(jié)周圍小心行手術(shù)，暴露下脛腓前韌帶、跟腓韌帶、距腓前韌帶和后韌帶備用。同時制作足踝運動夾具，固定足底，能達(dá)到足的三維運動允許進(jìn)行伸、屈、旋轉(zhuǎn)和外翻活動。

標(biāo)本制作完成后立即進(jìn)行生物力學(xué)實驗，實驗結(jié)束或轉(zhuǎn)換另一實驗需維持新鮮狀態(tài)，用雙層塑料袋在－30℃冰柜內(nèi)保存。在下一實驗前，需24 h解凍后進(jìn)行其他實驗，注意冷凍保持足始終維持中立位狀態(tài)。表1 新鮮國人下肢尸體標(biāo)本的一般資料

1.2 實驗力學(xué)模型的建立 所有實驗標(biāo)本在結(jié)構(gòu)模擬、載荷、高度、材料力學(xué)性質(zhì)、加載方式上均保持一致，以提供精度［3］。全部結(jié)構(gòu)模擬均以正常人尸體新鮮足標(biāo)本為標(biāo)準(zhǔn)，載荷實現(xiàn)分級加載，選用小腿極限載荷(踝關(guān)節(jié)負(fù)重力為4.5 BW)20％作為生理載荷，即以0、100、200、300、400、500 N為分級載荷。萬能材料試驗機(jī)(WD5)的加載速率為1.40 mm/min，以準(zhǔn)靜態(tài)方式加載，載荷施加于下肢脛腓骨上，并模擬足運動中立位、跖屈位(30°)、背屈位(20°)、旋后外旋位等四種生理運動狀況，正常足及切除下脛腓前韌帶觀察踝關(guān)節(jié)失穩(wěn)情況。

標(biāo)本實驗前，應(yīng)對標(biāo)本的踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中距骨、脛骨遠(yuǎn)端、腓骨遠(yuǎn)端進(jìn)行材料力學(xué)性質(zhì)測量［3］，測量結(jié)果如表2所示。在測試時用等滲鹽水紗布濕敷，以免標(biāo)本干燥。踝關(guān)節(jié)的位置模擬步態(tài)站立相的中期(約為步態(tài)周期的28％)，此時為單肢負(fù)重中期，踝關(guān)節(jié)處于中立位(90°)，負(fù)重約為一倍體重左右(設(shè)60 kg)，加載每次持續(xù)5 s。

實驗前在內(nèi)踝、脛腓骨遠(yuǎn)端前方、外踝和脛腓骨遠(yuǎn)端后方A、B、C、D四處粘貼電阻應(yīng)變片，用以測量踝關(guān)節(jié)內(nèi)外踝負(fù)重應(yīng)變變化規(guī)律，并在踝關(guān)節(jié)脛骨、腓骨、距骨設(shè)測量位移標(biāo)記點a、b、c。所有這些應(yīng)變測試和位移測試應(yīng)進(jìn)行應(yīng)變溫度補(bǔ)償、防潮處理，以保證每具標(biāo)本具有良好的傳導(dǎo)性和高靈敏度。表2 踝關(guān)節(jié)距骨、脛腓骨的材料力學(xué)性質(zhì)測量結(jié)果

1.3 生物力學(xué)測試 一切準(zhǔn)備就緒后，將應(yīng)變片接入YJK14數(shù)字式電阻應(yīng)變儀，實驗前應(yīng)予載50N以消除骨的時間效應(yīng)，即骨的松弛、蠕變等粘彈性影響。實驗時依次加載100 N等級，控制好機(jī)器速率1.40 mm/min，按不同生理運動情況循環(huán)加載，依次切斷踝關(guān)節(jié)相關(guān)韌帶，測量踝關(guān)節(jié)的應(yīng)變、移位變化和穩(wěn)定性［4］。

1.4 數(shù)據(jù)處理 將所有數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計學(xué)方法計算各參數(shù)均值及標(biāo)準(zhǔn)差，用統(tǒng)計分析軟件SPSS 11.0方差分析進(jìn)行評價，確定P＜0.05為有顯著性差異。

2 結(jié)

果

標(biāo)本在正常足及切斷下脛腓前韌帶兩種狀態(tài)下的不同功能位上，踝關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化、距骨的移位變化及軸向剛度，均有統(tǒng)計學(xué)的顯著性差異(P＜0.05)。詳細(xì)情況見表3～6。

3 討

論

3.1 實驗結(jié)果分析

3.1.1 踝關(guān)節(jié)在不同功能位下的應(yīng)力變化 正常足在中立位時內(nèi)、外踝上的應(yīng)變分別為(21±1.30) uε和(189±12.28) uε，脛腓前、后關(guān)節(jié)上應(yīng)變分別為(142±9.23) uε和(78±5.09) uε。當(dāng)足處于背屈20°狀態(tài)下，內(nèi)、外踝上應(yīng)變比中立位分別增加29％和34％，在脛腓前、后關(guān)節(jié)上分別增加5％和38％。當(dāng)足處于跖屈30°狀態(tài)，內(nèi)踝應(yīng)變比正常中立位增加78％，外踝應(yīng)變未增加，而在脛腓前、后處，特別在后部應(yīng)變表3 正常踝關(guān)節(jié)不同生理運動位置時應(yīng)變值情況表4 下脛腓前韌帶損傷情況下踝關(guān)節(jié)不同生理運動位置時應(yīng)變值情況表5 踝關(guān)節(jié)下脛腓前韌帶損傷時不同功能位的距骨移位變化情況 表6 踝關(guān)節(jié)在不同功能位下脛腓前韌帶損傷時的軸向剛度情況增加78％，有明顯變化。當(dāng)足處于旋后外旋狀態(tài)時，內(nèi)踝應(yīng)變增加74％，外踝應(yīng)變反而減小，在脛腓聯(lián)合前、后處應(yīng)變增加明顯，達(dá)到72％。這說明此狀態(tài)踝關(guān)節(jié)受力增大，應(yīng)變增加明顯，容易導(dǎo)致失穩(wěn)。

手術(shù)切斷下脛腓前韌帶后，足在不同功能位上的應(yīng)力變化比正常足在功能位上的應(yīng)變起了明顯的變化。此時在中立位，內(nèi)外踝的應(yīng)變增加不明顯，而在脛腓前后聯(lián)合處應(yīng)變比正常時分別增加了38％和69％(P＜0.05)，增加很明顯。當(dāng)足處于背屈20°狀態(tài)下，內(nèi)外踝上應(yīng)變增加同樣不明顯，相反有所下降，而在脛腓聯(lián)合前后處分別增加48％和69％(P＜0.05)，應(yīng)變增加十分明顯。當(dāng)足處于跖屈30°狀態(tài)，同樣內(nèi)外踝上應(yīng)變變化不明顯，而在脛腓聯(lián)合前后處應(yīng)變分別增加50％和29％(P＜0.05)，增加明顯。當(dāng)足在內(nèi)翻外旋位時，這時對外踝應(yīng)變影響明顯，應(yīng)變增加74％(P＜0.05)，而內(nèi)踝影響不明顯(僅10％)，在脛腓聯(lián)合處前后應(yīng)變反而減小26％和18％(P＜0.05)，但均有所影響。此時踝關(guān)節(jié)處于半失穩(wěn)狀態(tài)。

3.1.2 踝關(guān)節(jié)在不同功能位下脛腓前韌帶損傷距骨的移位變化 在正常足負(fù)重時，即踝關(guān)節(jié)500 N作用下，足處于中立位時，踝關(guān)節(jié)距骨的移位，即距骨的縱向垂直移位和水平方向移位分別為(1.86±0.12) mm和(0.26±0.02) mm；當(dāng)足處于背屈20°時，其移位分別比中立位大5％和7％；當(dāng)足處于跖屈30°時，其移位分別比中立位大6％和76％。但當(dāng)足在旋后外旋位時，其距骨移位分別達(dá)到(2.07±0.17) mm和(1.30±0.11) mm，比中立位分別高10％和80％，距骨來回晃動在水平方向比較大。

當(dāng)下脛腓前韌帶損傷之后，使距骨與脛骨接觸不再十分密切，間隙增大，增大了距骨產(chǎn)生水平移動和垂直移動引起的轉(zhuǎn)動。在損傷狀態(tài)下，足處于中立位時，其距骨的位移分別為(2.04±0.16) mm和(0.29±0.02) mm，比足踝韌帶完好無損狀態(tài)下的中立位位移增大9％和10％(P＜0.05)，背屈20°時比正常足背屈20°時的位移分別增大8％和18％(P＜0.05)，跖屈30°時比正常足的位移分別增加8％和26％(P＜0.05)，在旋后外旋狀況下，比正常足的位移分別增加11％和20％(P＜0.05)，位移明顯增大足踝關(guān)節(jié)開始處于不穩(wěn)定狀態(tài)，以實驗中觀察到距骨運動范圍明顯增大。

3.1.3 踝關(guān)節(jié)的軸向剛度 正常足踝關(guān)節(jié)的軸向剛度在中立位時為(268.81±17.50) N/mm，背屈20°時為(284.09±19.90) N/mm，跖屈30°時為(252.53±19.22) N/mm，旋后外旋位時為(241.55±19.40) N/mm，此時的軸向剛度完全能滿足人體各種功能運動所需的剛度要求，足踝關(guān)節(jié)是相當(dāng)穩(wěn)定、堅固。

但當(dāng)下脛腓前韌帶切除之后，踝關(guān)節(jié)的軸向剛度有了變化，明顯出現(xiàn)下降趨勢。這表示它抵抗變形能力衰減，即使在中立位時軸向剛度也下降了9％，其他不同功能位下降了8％～11％，與正常相比有一定的差異(P＜0.05)。

3.2 WeberB踝關(guān)節(jié)骨折現(xiàn)有術(shù)式及優(yōu)缺點 在20世紀(jì)60年代，學(xué)者們認(rèn)為構(gòu)成踝穴的內(nèi)踝極其重要，因此在治療時，把重點放在內(nèi)踝上。20世紀(jì)70年代起，人們逐漸覺察到外踝是治療關(guān)節(jié)損傷的關(guān)鍵。隨著對踝關(guān)節(jié)骨折的深入研究，腓骨的重要性也更加明顯［5］。踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，需要結(jié)構(gòu)完整的踝穴，而踝穴又依賴下脛腓聯(lián)合保持其完整性。此外證實腓骨骨折后的短縮和外側(cè)移位是發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎最常見的原因。目前優(yōu)先整復(fù)腓骨骨折的移位，然后再整復(fù)內(nèi)踝和下脛腓韌帶聯(lián)合，已成為手術(shù)的常規(guī)程序［6］。榮國威等［7］通過尸體標(biāo)本分別觀察下脛腓韌帶、骨間膜、腓骨、內(nèi)踝和三角韌帶等損傷與下脛腓聯(lián)合分離的關(guān)系，結(jié)果表明形成下脛腓分離必須具備三個條件，即內(nèi)踝或三角韌帶損傷、下脛腓韌帶損傷、腓骨與骨間膜在同一水平的損傷。將內(nèi)踝與腓骨內(nèi)固定以后，即使施加外翻、外旋應(yīng)力，也不會出現(xiàn)下脛腓分離。因此，如果內(nèi)側(cè)損傷是內(nèi)踝骨折所致，可將內(nèi)踝與腓骨行內(nèi)固定治療，而不需要進(jìn)行下脛腓聯(lián)合固定。

目前廣泛接受的觀點是，下脛腓聯(lián)合分離不應(yīng)當(dāng)行堅強(qiáng)固定，以往曾流行的下脛腓關(guān)節(jié)融合或者用拉力螺釘固定下脛腓聯(lián)合都是不可取的。因為這將限制腓骨相對于脛骨干的位移和旋轉(zhuǎn)，從而影響踝穴對距骨的順應(yīng)性調(diào)節(jié)［8］。WeberB型踝關(guān)節(jié)骨折即LangeHansen分型的旋后－外旋型，距骨的外旋使外踝受到向后向外的應(yīng)力，使下脛腓前方的韌帶受力最大。下脛腓前方的分離是下脛腓聯(lián)合的部分?jǐn)嗔?，就像展開一本書一樣［9］。外踝的解剖復(fù)位固定，必然使下脛腓聯(lián)合復(fù)位，經(jīng)距骨受傷時的慣性外旋依然作用于下脛腓前韌帶，勢必造成距骨的輕度外移及踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定。因為距骨外移1 mm能減少20％～40％脛距關(guān)節(jié)負(fù)重面的作用，移位5 mm能減少80％的作用，關(guān)節(jié)負(fù)重時會疼痛，長時間導(dǎo)致創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎［10，11］。

3.3 WeberB踝關(guān)節(jié)骨折修復(fù)下脛腓前韌帶的臨床意義 通過臨床實踐及生物力學(xué)研究，作者認(rèn)為在對內(nèi)、外踝滿意固定后，下脛腓前韌帶的修復(fù)能更好恢復(fù)踝關(guān)節(jié)的生物彈性，最大限度恢復(fù)其原來的結(jié)構(gòu)和功能，避免晚期創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。