运动生物力学的研究方法
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运动生物力学的研究方法范文第1篇
中图分类号：G804.6文献标识码：B文章编号：1007-3612(2007)10-1381-03
随着现代科技水平的不断提高，运动生物力学研究手段与方法也不断地更新，研究内容和层次不断深入、系统，运动生物力学的研究方法在许多运动项目中有了广泛的应用，对于认识运动项目技术的规律和提高运动技术水平，起到了重要的作用。
对于运动生物力学的原理和方法在乒乓球运动项目中的应用，国内外已进行了许多研究，但已有的研究不够系统和深入，所用的运动生物力学研究方法比较单一，乒乓球专项化的运动生物力学仪器很少，对于乒乓球与球台或球拍碰撞的原理、乒乓球飞行的运动状态、乒乓球动作技术原理等有些方面揭示得还不够全面或尚未揭示，对于运动器材、服装的研究很少。
近年来，国际乒联对乒乓球竞赛规则的三大改革，以及现代世界乒乓球技术的迅猛发展，都要求我们要借助于科技的力量和手段，更加全面地、深刻地认识乒乓球运动的规律，不断地更新观念，技术上不断创新进步，训练方法上要更加科学合理，以促进乒乓球运动的发展。本文根据乒乓球运动专项运动生物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋势、以及乒乓球运动发展的实际需求，对运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究领域和研究方法的发展趋势进行展望，以期对乒乓球运动规律有更加深刻而全面的认识，为运动生物力学如何更好地结合乒乓球专项特点为乒乓球运动实践服务提供借鉴。
1运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究领域的展望
从运动生物力学角度来看，乒乓球运动是通过乒乓球和球拍位置的变化（平动和转动）与运动员机体的活动相结合的一项运动。运动员的击球动作使球拍和球碰撞后，击出的球以一定的动量、动量矩落到对方台面，与台面发生碰撞，反弹后再与对方的球拍相碰撞。归纳起来，乒乓球项目中的运动包括：运动员的运动（动作技术）、乒乓球在空中的运动（速度、旋转、弧线）、乒乓球的碰撞运动（乒乓球与球台或球拍碰撞）。对乒乓球这三个方面的运动生物力学研究分析需要一定的设备仪器与方法。与乒乓球运动相关联的还有球、球台、球拍等器材以及运动员的服装。
以往对乒乓球运动的运动生物力学研究在上述方面已进行过一定的研究，但对于乒乓球与球台或球拍碰撞的原理、乒乓球飞行的运动状态、乒乓球动作技术原理等有些方面尚未揭示，或揭示得还不够全面，对于运动器材、服装的研究很少。根据运动生物力学和乒乓球运动的发展趋势，运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究领域，可以预计运动技术研究仍将会占较大比例，同时，在全民健身、运动医学、康复医学、运动器材、服装及实验仪器设备等方面也会开展研制。具体可以开展以下几个方面的研究：
1） 动作技术诊断；
2） 乒乓球与球拍碰撞、与球台碰撞的研究；
3） 对乒乓球拍运动的研究；
4） 乒乓球拍、乒乓球运动鞋的研制与优化；
5） 乒乓球运动员肌肉、骨骼力学特性的研究；
6） 乒乓球专项测试仪器的开发；
7） 乒乓球运动员损伤机理和预防的研究。
2运动生物力学研究方法在乒乓球运动中的应用与展望
按研究方法划分，运动生物力学应用在乒乓球运动中的研究大体可分为两类: 一是力学理论研究方法，二是实验研究方法。两者应当紧密结合，才能使运动生物力学更好地在运动实践中应用。
2.1运动生物力学的力学理论研究方法在乒乓球运动项目中的应用与展望该研究方法因为是通过模拟手段对人体运动仿真，一般包括5个步骤：1) 确定运动恃征，建立目标函数；2) 选择模型确定刚体的自由度；3) 建立动力学模型（拉氏方法、Kane方法、雅各宾法等）；4) 实测已知数据并求解；5) 根据求解结果解释运动规律，这一步骤是将求得的数学规律化为体育运动语言对运动技术进行合理的指导。
纵观运动生物力学在乒乓球运动中应用的现状，可以看到，以往用的最多的是运用力学原理对一些现象进行解释。而利用力学理论研究的方法却很少。根据此研究方法，可以对乒乓球中许多问题进行研究。
如对于乒乓球运动员的伤病的研究，至今还没有在击球过程中对腕、肘、肩关节、颈椎、腰椎等的关节力和力矩的定量分析，而对其认识有助于对乒乓球运动员运动损伤的认识和预防。可以利用力学理论研究的方法对关节力和力矩进行推算。以计算上肢各关节的关节力和力矩为例。首先确定乒乓球运动员击球过程中上肢的运动特征。二、建立上肢模型，整个上肢可分为上臂、前臂和手（包括器械）三个部分，根据上肢实际的生理结构和以往生物力学建模的经验，可将人体上肢简化为3刚体7自由度的物理模型。三、运用多刚体系统动力学理论中的Kane方法，建立系统运动学和动力学方程，四、通过摄像的方法获取上肢的运动学参数以及郑秀媛公布的人体环节参数，求出腕、肘、肩关节的关节力和力矩。五、根据关节力和力矩对乒乓球运动员的伤病进行认识。
2.2运动生物力学的实验研究方法在乒乓球运动中的应用和展望运动生物力的实验研究方法在乒乓球运动项目中应用现状是，动力学研究几乎没有，运动学测试也不多，所运用到的生物力学仪器很少。所以实验研究方法在乒乓球运动项目中有极大的发展空间。
2.2.1常用的生物力学仪器将在乒乓球项目中的广泛应用许多已经在其他专项中运用较为广泛的生物力学仪器在乒乓球运动项目中尚未广泛使用。比如，三维测力台，肌电仪，足底压力鞋垫。
三维测力台可以反映地面对人体的反作用力。运动员击球的力最终是通过人体蹬地面，同时地面给人体的反作用力而实现的。而对乒乓球运动员地面反作用力的动力学特征的描述至今尚无。
通过在运动员的鞋子里放上压力鞋垫，可以得出在移动过程中，脚底压力的分布图，可以为乒乓球运动员鞋子的设计提供参数。
通过肌电仪可对完成某动作所参与的肌肉活动的强度和时间进行描述，确定主要的参与肌群。用在乒乓球运动员身上，就可以很清楚的知道完成某动作的肌肉用力顺序是什么，哪些是主动肌，哪些是被动肌，可为力量训练提供参考。
2.2.2开发乒乓球专项化、反馈快速化的运动技术测试仪器这是运动生物力学测试仪器的发展趋势，至今为止，在乒乓球界中尚无有此类测试仪器的研发成功。近年来其他运动项目共用运动学、动力学及生物学指标，测试仪器的质量、功能、效率不断提高，同时，某些运动项目专用的测试仪器不断出现。例如，体操项目单杠、双杠、高低杠、跳马、吊环的测力系统、赛艇多参数遥测分析系统、起跑蹬力测试系统、蹬冰力测试系统、游泳出发测力系统等。
其他专项的研究可为乒乓球专项化的测试仪器提供借鉴，比如考虑是否可以在乒乓球拍上安装加速度传感仪。随着科学技术的迅速发展，加速度传感器体积和质量都可以做到非常小，精度可以达到很高，此仪器可以实时监控球拍三个方向上的速度、加速度和角速度，并可据此推算球拍的受力情况，以及击打乒乓球后，球体获得的初速度。而对乒乓球拍的运动情况的所做的研究非常之少。
如果这些设想可以实现的话，将丰富乒乓球理论知识，对乒乓球运动的实践将会有快捷的帮助。
2.2.3多机同步测试的研究多机同步测试研究是运动生物力学研究的发展趋势。人体运动十分复杂，因此，多机同步测试方法对各项运动技术研究十分重要。由于多机同步测试研究需要的仪器多、经费多、时间长、技术人员多，而且多数动力学指标和生物学指标的测试在正式大赛中很难进行，所以，多机同步研究的报道较少。随着科学技术的进步和对运动技术研究的深入，多机同步测试研究将会得到较快发展。
对于乒乓球这项精密的运动，以往的研究多是从一维的视角来进行的，对乒乓球运动的生物力学的研究应朝着多维的研究视角发展。比如，将摄像系统和测力台系统同步的测试方法，综合运动学和动力学的数据对乒乓球运动进行更加深入、全面的认识。
2.2.4生物反馈技术将在乒乓球运动技术训练中应用运动生物力学测试中提供给运动员、教练员的技术动作的速度、幅度、方向、力量等指标数据，运动员在训练中很难掌握，如将测试的数据转换成声、光信号直接提示给运动员，表示其当前的动作是否达到了要求或某个范围，运动员接收到声、光信号后，便马上做出反应，调整动作的幅度、强度、速度等就容易得多。这方面研究在其他专项中已经取得了一定进展，例如北京体育大学金季春教授指导其博士生闫松华所研制的用于短跑训练的“测试鞋”，对每一步的着地时间和腾空时间进行实时监控，正朝着生物反馈的方向发展。
生物反馈技术在乒乓球运动技术训练中的应用也是乒乓球运动项目生物力学发展的趋势。
2.3将力学理论研究方法和实验研究方法紧密结合是运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究方法的发展趋势力学理论研究方法的基础是经典力学理论，并应用它解释分析生物体运动及探索其运动规律。力学理论研究方法优点是能使研究工作更加严谨和深人，但由于模拟研究目标和对运动数学化描述的困难，这类研究难度很大，且研究结果与运动实践尚有一定的距离。所以力学理论研究方法必须辅之实验和经验，才能使它在实际应用方面的作用得以发挥，力学理论方法与实验测试方法两者应当紧密结合。前者提供了运动普遍规律，对分析有理论指导意义，后者是理论研究与实际应用的桥梁，能使研究更好地为运动实际服务。实验研究方法，通过各种实验手段，测试记录体育运动过程，并以此作为依据，结合经验，对运动技术进行分析对比，从而提出改进技术的意见和建议。这种研究方式是以具体运动员的具体动作作为研究对象。
实验通常用高速摄影、录像、测力台测得运动学和外力参数，用肌电测试仪测得人体内力参数，然后通过数据处理和分析，来诊断运动技术的优劣及动作的合理性。这种方法以实验手段为主，与运动实践联系紧密，能对运动员的技术训练直接施加影响。但由于该方法研究和实验的对象是具有个体特征的人，不可避免地造成对共性的运动规律研究的困难，从而使研究结论难以达到理论升华。因此实验方法必须和力学理论研究共同发展、相辅相成，才能使运动生物力学学科渐趋深入完善。
用理论力学理论研究方法和实验研究的方法对乒乓球运动进行运动生物力学的研究，将提供认识乒乓球运动规律的多维视角，会对乒乓球运动规律有更加深刻而全面的认识，进而可使运动生物力学更好地为乒乓球实践服务。是运动生物力学在乒乓球运动中应用的发展趋势。
3总结
根据乒乓球运动专项运动生物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋势、以及乒乓球运动发展的实际需求，运用多种运动生物力学的理论力学和实验研究相结合的方法，对乒乓球运动中的多个领域进行分析和研究，是运动生物力学在乒乓球运动项目中的研究发展趋势。
参考文献：
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运动生物力学的研究方法范文第2篇
摘 要 采用文献综述法对运动生物力学在体育教学中的作用进行综述，结果发现：运动生物力学能够减少学生活动过程中微损伤，促进学生健康锻炼；运动生物力学能够有效将体育动作细化，促进学生科学锻炼；运动生物力学理论教学与实践相结合，促进学生体能、身体形态、身体素质协调发展。因此运动生物力学在体育教学中起到决定性作用，同时促进合理科学终身体育锻炼。
关键词 运动生物力学 体育教学 作用
一、运动生物力学在体育教学过程的作用
（一）运动生物力学在径赛运动项目应用
以时间计算的运动项目称为径赛运动[1]。体育教学过程中运动生物力学能够帮助学生学习技术动作原理，促进学生科学理解体育技术动作重要性，减少学生锻炼过程中微损伤。走、跑是体育动作中最基本技术，Jim L认为跑、走除了与两脚与地面接触后交叉时间有关系外，还与脚与地面接触的反作用力有关，作用力如果不按合力F方向传导，就会出现外“八”、内“八”、拖地、螺旋等错误的跑、走动作。体育教学中蹲踞式起跑运动生物力学原理可以发现，膝关节角度前腿在90-111°之间、后腿在118-136°之间有助于启动时合速度达到最大值，提高运动成绩和减少膝盖前交叉和后交叉韧带的微损伤[3]。体育教学中弯道跑应用的公式：F向心力=M（质）×g（重加速）×Tagα等于F圆周向心力=M（质）×V2/R，弯道上F向心力与所跑的半径（R）成反比，与V2、角度、M成正比[2，4]。因此合理控制F向心力能够有效调控身体锻炼时协调能力，保证身体平衡，减少体育课堂中学生快速弯道跑造成的摔伤。
（二）运动生物力学在田赛运动项目应用
以高度或远度计算的项目称田赛运动[1]。田赛运动是体育教学过程应用运动生物力学较多的运动项目，如跳高、铅球等。有研究发现跳跃类的运动项目包含了F水平和F垂直、F合三方面的作用力。跳高是跳跃类里典型的运动，它由F水平力、F垂直力、F合构成，助跑是由F水平力，起跳是由F垂直力，腾空过杆是由F合构成，三者构成跳高完整力学系统，但他们都与速度、角度、质量有关，合理分析运动生物力学有助于学生学习，减少错误动作带来的机体的损伤。铅球是发展力量素质练习的一项重要的考核指标，根据运动生物力S=V0/g[sin2α/2+cos]公式学分析铅球远度，结果发现铅球V0、角度、H有关系[5]。因此可以发现，合理利用生物力学，能够促进学生学习兴趣，也能帮助学生科学合理的锻炼力量素质。
二、运动生物力学理论教学与实践相结合作用
运动生物力学可以直接利用到体育教学课程中，促进体育教学动作的细分，为科学合理体育运动奠定基础，使竞技体育成绩提高和方法的内源理论基础提供保障，同时作为交叉学科在实践中必不可少缺少。著名的铅球教练帕克根据运动生物力学原理制定训练计划，促使21岁的巴恩斯创造23.12米世界纪录。迈克・鲍威尔於采用力学分析原理，对跳远动作细分，找到提高动作途径，最终在1991年东京奥运会上创造了8.95米世界纪录。随着科学发展，生物力学越来越被人重视，有人提出DLT，Kistler，AMTL三维测力平台系统、等速测力仪测试系统，力学测量有测角仪、惯性传感器、加速度仪、位移传感器、力传感器等，以满足不同运动项目的多种需要，此外图像自动识别仪器、高精度红外光点遥测分析系统、磁感应仪器、数学力学模型。因此，可以发现运动生物力学器材出现有助于体育教学过程多远化的发展，同时推动了运动生物力学与教学实践相结合，改善了不合理运动规律，有助于评价学生的身体机能和素质。
三、运动生物力学在体育教学中决定性作用
运动生物力学是研究运动与身体锻炼受力关系，它能够贯穿每个动作即运动模型。每个动作都是符合解剖学、运动生物力学、运动规律，运动模型将力与身体运动轨迹看作了质点运动，分析人体各结构运动与运动规律之间关系，成为体育教学中重要的理论依据[6]。运动生物力能够细化动作技术原理，促进体育教学工作，优化教学课程内容。把运动生物力学与田赛或径赛的运动项目相结合，增强了学生体能、身体形态、身体素质协调发展，使教学过程更为丰富，达到通俗易懂。因此，运动生物力学在体育教学中起到决定性的作用。
四、小结与展望
运动生物力学在体育教学过程中作用不容忽视，它驱动体育教学力学原理，加强了学生科学合理的锻炼身体，促进了体育教学过程多元化，丰富课程教学内容。运动生物力学细化的体育教学过程中动作，使体育教学内容简单性，通俗易懂，增强学生身体形态、素质、体能的协调发展。运动生物力学能够把解剖学、运动规律、动作运行轨迹紧密结合起来，这在体育教学过程中起到决定性作用。
随着时代进步，运动生物力学作为一门交叉学科已在国内多个体育院校开展，但该学科数学和物理知识较多，体育专业学生学起来比较吃力，因此如何使该门学科得到充分的发展还需要进一步探讨。国内运动生物力学的人才比英、美、意大利等国家参与社会实践活动要少，建议教育部门让更多运动生物力学人才到社会实践中指导各阶层的人科学合理锻炼，促进终身体育观念。在体育教学过程中尽量淡化考核成绩，注重体育运动生物力学在教学过程，提高学习的兴趣。
参考文献：
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运动生物力学的研究方法范文第3篇
（一）国家社会科学基金对体育理论和竞技体育学研究导向不强
作为国家体育类最高级别的科研基金项目，国家社科基金项目体育学立项资助基金项目，从宏观上反映了我国体育学科研究的热点、难点、重点及发展方向［1］，对体育学科学研究提供了导向，起统领作用，反映了国家对体育学科学研究的宏观指导，其课题研究居于国内重大理论问题和实践问题之前沿，研究成果在一定程度上代表了我国体育学科学研究的最高水平。调查统计得知，竞技体育学14年来在国家社会科学基金立项58项，约占立项总数的11．65％，位列第四；体育理论立项55项，约占立项总数的11．04％，位列第五，而社会体育学立项99项，约占立项总数的19．88％，位列第一，同时体育社会学立项63项，约占立项总数的12．65％，位列第二，社会体育学和体育社会学两学科立项约占立项总数的32．53％。从数据中我们不难看出，从立项单位到体育工作者，都把研究重心放在了社会体育学、体育社会学、体育管理学，忽视了体育基础理论和竞技体育学的研究。体育基础理论在体育学研究中具有基础性的地位和作用，它是我们客观、深入、全面、系统地认识体育的知识基础，也是实现体育跨越式发展和应用研究创新的“基石”。社会体育的发展不仅需要有“文”，更需要“理”的基础来支持。
（二）国家自然科学基金入口窄立项难
近年来，自然科学基金资助方式随着社会、经济和科技的发展，呈现出多元化趋势。体育学科申报自然科学基金较晚，调查显示，截止到2009年，仅有国家体育总局运动医学研究所在2006年申请的立项被立项为化学科学部的重点项目，资助经费180万元，8年来体育学科的立项课题多数为面上项目，共计40项，青年科学基金项目仅立项3次，体育学在自然科学基金上的立项相对其他基金项目较少，并且资助率较低，立项难度非常大，如历年来获得面上项目立项最多的北京体育大学，8年间申请了约69个立项课题，被批15个，资助率21．74％，且大部分都是面上项目。体育学科学研究也隶属于自然科学研究范畴，我国体育院校的体育工作者多是以体育教育训练学专业为主，如何从生物科学和化学科学的角度，充分重视体育基础理论知识（运动生理学、运动生物力学、运动解剖学）去实践科学研究，是当前亟须解决的重大问题。竞技体育、学校体育、社会体育、体育产业等学科应在运动解剖学、运动生理学、运动生物力学、运动医学、运动营养学等基础理论学科的指导下进行科学体育实践活动，体育的每项技术动作都与运动解剖学、运动生理学、运动生物力学、运动生物化学、运动医学等基础理论学科密切联系，没有基础研究的体育学科学研究，其两脚只能悬在空中，没有基础学科做坚实的保障我们无法探寻科学研究的本质。
二、体育科学研究的对策
（一）科学研究理念与时俱进
当以技术革命为基本核心推动工业革命向更深的层次和更广的领域发展的时候，人们在不知不觉中就以科学信息技术体系为基本框架，从而建构了一个全新的人类社会发展蓝图———随着科学发展的日新月异，运动解剖学、运动生理学、运动生物力学等基础保障学科的发展在信息技术的支撑下取得了长足的发展，对于我们进一步研究人体运动系统———骨关节、肌肉等深层次、细致的研究，提供了技术支持和保障，运用玛雅技术和ANSYS有限元分析软件的结合，可使将来体育能够脚踏实地的在运动解剖学、运动生理学、运动生物力学等基础保障学科上去研究教育学、训练学、运动医学、运动营养、运动与养护、运动与健康等学科，去发展和完善体育学科，进一步深层次地探究人的全面发展，否则以教育和训练结合为主导的体育科学研究体系则显得十分苍白。体育科学研究是体育软实力的重要组成部分［2］，因此应充分发挥体育软实力的重要作用，把握好体育软实力的导向作用，加强对体育学深入、细致的研究，逐步争强对国家自然科学基金体育学立项研究，充分发挥现有的经验优势，多争取国家自然科学基金的立项。
（二）重视体育学科中运动生物力学等基础学科的作用
通过对国家社科基金和自然科学基金的统计分析，我们可以看出体育工作者很少有从基础学科的角度去研究、去探索体育学。例如，运动生物力学是一门实践性很强的学科，它的研究领域非常广泛，既有对人体自身器官如骨骼、肌肉生物力学特性的研究，也有对人体整体运动如各种项目动作技术的诊断，既有对人体模型的力学分析，又有对人体运动的实验测试。近些年来，随着现代科学技术的日新月异，尤其是电子学、机械学、材料学、光学、玛雅技术、ANSYS有限元分析技术、激光技术、传感器技术、计算机技术等相关学科的飞速发展以及社会需求的不断增长，运动生物力学的研究领域也在不断拓展，如对人与体育仪器器材关系的研究正朝着又一个新兴的边缘学科———体育工程学发展。人们不仅关注竞技体育，也开始重视全民健身，这为运动生物力学的发展提供了一个良好的氛围和契机。但就是如此重要的基础学科，在近几年的体育科学研究中却寥寥无几，我国在竞技体育及其他领域取得的成绩，总结其规律、探讨其本质时很难进行科学的量化和评价。
（三）优化课程结构
运动生物力学的研究方法范文第4篇
1膝关节三维有限元模型的建立
有限元仿真计算是随着计算机技术不断进步而逐渐发展起来的一种有效地数值方法，而用有限元法进行生物力学分析是近年来发展起来的一种生物力学研究方法。伍中庆等[4]结合X线片用XCT对尸体膝关节进行扫描，利用Ansys有限元软件，对膝关节的三维有限元模型进行重建，包括股骨、胫骨、髌骨及半月板，重建的几何体逼真、客观，为分析股骨、胫骨、髌骨和半月板的力学特性提供了模型基础。汪强[56]的结果提示三维模型较以往两维平面有限元模型有明显优点：①模型网格划分更细，建立的单元和节点更多，模型更接近解剖学实际。②图像数据直接来自CT扫描，避免了图像生成、转化与存取中的信息丢失，且图像精确。③严格区分了半月板与关节软骨。王光达等[7]通过一名男性健康志愿者的膝关节扫描，通过有限元软件处理成功建立了一个完整的膝关节三维有限元模型，包括胫骨、股骨、髌骨、内外侧副韧带、前后交叉韧带，髌韧带及双侧半月板。模型可以任意角度旋转观察，整体外形及各组成部件均与实体标本具有满意的相似性，黄建国等[8]通过了MSCMARC建立膝关节的三维有限元模型，得到胫骨骨折患者的膝模型，认为对胫骨平台骨折的诊断，手术策划和治疗具有较大的指导作用。模型确立后可以为膝关节的创伤、骨折的力学分析及人工关节的开发提供方法学的支持。姜华亮等[9]在MRI基础上建立膝关节三维有限元模型，包括膝关节所涉及的几乎所有骨骼、软骨，半月板和韧带等基本力学的模型，并认为MRI比CT对软组织显像更清晰。重建的模型更逼真、客观，能够更真实地反映膝关节的结构特点和生物力学属性。
2有限元在膝关节生物力学研究中的应用
人体膝关节生物力学复杂多样，更多的力学反映在运动过程中，受力特点更加复杂。因此，应用三维有限元方法建立膝关节生物力学模型，无创、快速地研究膝关节力学特性、损伤的机理，对指导临床工作有现实意义。有研究认为膝关节伸直时应力主要分布于ACL近股骨上点处。说明ACL是对抗胫骨前移的主要结构，其与临床上ACL损伤多发生在股骨上点处相一致。膝关节屈曲时，PCL是对抗胫骨前移的首要结构，且应力主要集中在近胫骨止点处，这与临床PCL断裂多发生在胫骨止点处相一致。同时对模型施加内外翻应力，分别在LCL腓骨上点和MCL近股骨上点应力较大，说明MCL、LCL是对抗膝外、内翻的主要结构。与临床内、外侧副韧带损伤位置一致。进一步验证了有限元方法的有效性和可靠性[10]。汪强等[5]通过对膝关节三维有限元模型的建立，同时研究了加载后，得到膝关节内外侧关节面典型节点Von Mises应力值，提示正常膝关节内侧关节面应力呈前、后部大，中部小分布；外侧关节面应力呈前部大，中后部稍小分布，且较内侧关节面分布均匀。姚杰等[11]利用膝关节有限元模型和模拟跳伞着陆实验数据，对半蹲式跳伞着陆过程进行数值模拟，并分析膝关节损伤的机理。结果显示，关节内组织的应力水平随着跳落高度的增加而增加，外侧半月板和关节软骨承受了较大的载荷，前交叉韧带和内侧副韧带在屈膝角度达到最大时产生明显的应力集中，此时更易断裂。吴宇峰等[12]通过有限元模型研究了髌骨在运动及损伤过程中的受力情况，结果显示应力集中于髌骨的上极和下极，说明骨折的好发部位即在髌骨的上下级，与临床基本相符。辛力等[13]通过有限元方法对合并膝关节脱位的胫骨平台骨折4种内固定方法进行比较。结果提示MDP（内侧双钢板）固定后的应力最小，其后依次是BDP（双侧双钢板）与MSP（内侧T型单钢板+拉力螺钉），而LLP（外侧锁定钢板+拉力螺钉）固定的应力最高。给临床治疗类似骨折选择治疗方案提供参考。
3膝关节置换相关有限元分析研究
人工膝关节置换是治疗膝关节骨性关节炎的重要手段，每年有大量的患者接受人工膝关节置换。三维有限元法是先进而有效的生物力学分析方法，利用该方法从生物力学角度分析全膝关节置换后的应力分布情况对探讨全膝置换有重要意义。膝关节置换前要对患者膝关节病情有详细了解，全面检查，严格选择假体类型。根据假体的使用部位将假体分为单髁假体（单间隔假体）、不包括髌股关节置换的全关节假体（双间隔假体）、全关节假体（三间隔假体）。如果术前对准备手术的膝关节进行CT扫描、重建，建立三维有限元模型，然后进行逆向工程CAD/CAM，选择制作适合该关节的人工假体必将更适应患者，术后生物力学性能必将更好，松动翻修的机率将明显降低[]。术中选择置换假体，胫骨和股骨配对关系，术后假体接触表面的应力变化可能增加磨损及松动的风险，有研究[15]将股骨侧3号钴铬合金假体，与胫骨侧25号（3/25配对），3号（3/3配对），4号（3/4配对）钛合金金属托及对应尺寸的10 mm厚度聚乙烯垫片配对。构建有限元模型，模拟双腿站立，平地行走，上楼梯情况下，对各屈膝角度的最大等效应力进行研究。发现3/25配对，3/4配对假体接触面最大等效应力明显增高，有增加聚乙烯垫片磨损风险。同时Liau等[16]研究了假体对线不齐时接触应力和Von Mises应力大幅度增加。定制假体尽管重建保肢符合人体生物力量规律，短柄假体可引起骨水泥应力集中，重建后发生骨折，骨水泥碎裂风险较高，但过度增加柄长对骨的应力遮挡水平也相应增大[17]。膝关节置换后要能负重行走是最终目标，许多静态的模型并未涉及其中。最近有研究者对其关节高屈曲活动下运动和应力等动态特征进行了研究。通过建立包括主要骨和软组织的全膝关节置换前后的膝关节的动态有限元模型，对天然及全膝置换后膝关节下蹲运动和接触应力分布进行分析。结果表明在膝关节过伸和高屈曲时，在胫骨高分子聚乙烯平台的胫骨平台轮柱和平台前部的交界处，胫骨平台内后方和轮柱后部3个区域发生较高的接触应力，这些也正是假体发生较高磨损的部位。这为膝关节假体的摩擦学研究及膝关节假体设计提供有力的分析工具[18]。
4问题与展望
尽管有限元分析方法在膝关节外科研究中有诸多优点，能重建出与真实人体膝关节结构基本一致的模型，重建的模型逼真、客观，可以自由旋转，添加、调整相关参数可以进行人体和动物实验无法完成的生物力学研究。但它作为一项仍然没有成熟的技术，还有许多不足：①研究所用硬件、软件多为进口，价格昂贵。②操作过程繁琐复杂，作为临床医务人员，学习周期长，较难熟练掌握。③人体膝关节结构复杂，相互之间关系密切，互相影响，脱离其他因素，简单研究骨骼、韧带、关节软骨本身就有失偏颇。④将骨骼内各向同性，各向异性等同考虑，简化操作，明显不妥。⑤膝关节许多特征及生物力学都是在运动中表现出来，但许多有限元的研究是静态的，未考虑动态研究，影响结果的准确性。⑥载荷和边界条件的选择，基本都是人为确定的，很多参考国外的文献，而这是否适用于国人亦未可知。所有这些问题，希望随着对膝关节发病机理的进一步认识、计算机处理能力的进一步提高、CT和MRI成像技术的不断完善而逐步得到解决，使之更好地为临床服务。
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运动生物力学的研究方法范文第5篇
胸腰段后凸畸形的病因主要有先天性脊柱畸形、胸腰段脊柱骨折、强直性脊柱炎、Scheuermanns病、老年性脊柱后凸、脊柱结核椎体破坏、椎体肿瘤、软骨发育不全等〔1、2〕，除了脊柱本身的因素外，胸腰段后凸畸形可由腹部肿瘤引起〔3〕。脊柱曲度正常时，身体重力线应通过各节段生理弯曲的交界处。胸腰段以上重心位于胸椎的前部，胸腰段后凸畸形所造成的成角的或短弧形后凸畸形使损伤平面以上躯体的重心更趋前移，必将进一步加重后凸畸形〔4〕。随着我国进入老龄化社会，胸腰段后凸畸形的患者不断增多，胸腰段后凸畸形常出现局部不稳定，脊柱支撑功能丧失，从而引发腰痛，且多并发上腰椎的失稳及加速腰椎间盘退变，从而给患者造成极大的痛苦，有些患者通过保守治疗无效，常需要手术治疗，给患者家庭和社会造成了巨大的负担。下面笔者就目前国内外胸腰段后凸畸形影响腰椎诸节段矢状面稳定性的研究情况进行综述。
1 脊柱胸腰段及腰骶椎的解剖及生物力学特点
胸腰椎移行部与腰椎及腰骶椎相比其形态和生物力学特性大不相同。该部位是后凸的胸椎与前凸的腰椎的移行区，生理弧度变直，这一区域恰好位于活动度较小、稳定性较强的胸椎与活动度较大、稳定性相对较差的腰椎之间；T11、12肋骨为浮肋，抵止在相应的椎体上而不是椎体间，不参与垂直载荷；从T10～12L1关节突关节的关节面的倾斜则发生很大变化，即左右旋转和左右侧屈的ROM大大降低，而前后屈曲ROM较胸椎明显增大；正常情况下，该部脊柱前方的垂直载荷分担率远远大于后方。在T11及T12胸椎，上关节突表现为胸椎上关节突的形态特征，而下关节突的形态特征却与腰椎相近，其前、后方无胸肋关节和肋横突关节的加强，且仅与一个椎体相关节，这些均构成了胸腰椎容易损伤的解剖学基础〔5〕。因此，脊柱的压缩性或爆裂性骨折常发生在胸腰段，从而造成胸腰段后凸畸形。从胸腰椎至腰骶椎，前后屈曲ROM逐渐增大，腰骶椎髂腰韧带的存在使该部位的运动和稳定性与L4、5以上有所不同〔6〕。
Abumi等〔7〕通过人尸体腰椎节段的破坏模型证实，棘上韧带、棘间韧带损伤甚至双侧关节突关节内侧半部分切除难以造成腰椎失稳，而单侧或双侧关节突关节完全切除则可导致椎间旋转和屈曲的失稳。椎间孔部的减压易导致关节突间（峡部）的分离。单侧时由于有椎弓的存在，两侧关节突关节还可发挥其功能。
2 目前利用动物脊柱标本进行的生物力学研究
王新伟等〔8〕利用出生1周以内的小牛胸腰椎新鲜标本，研究了小牛胸腰椎前路模型中的相关解剖，并与人体相关数据进行比较，发现：与人体相比，小牛脊柱椎体及椎间盘更接近圆柱状，椎间盘高度占脊柱高度的比例更大。又进行了生物力学实验，测试屈曲、伸展及侧屈状态下的载荷-应变、载荷-位移关系、最大载荷时的应力强度及屈曲、伸展、侧屈及扭转状态下的轴向刚度，最后进行极限力学性能测试。发现出生1周内的小牛胸腰椎标本在人生理载荷范围内，呈线形变化，与人体一致。
王向阳等〔9〕收集12具新鲜猪T10～L4节段胸腰椎脊柱标本，制造不同程度前中柱骨折模型，分为2组，分别安放椎弓根螺钉内固定器和内固定加前路植骨重建，每种状态依次在CMT4104多功能力学试验机上进行轴向压缩和前屈压缩测试，分别计算每组的完整标本、骨折内固定标本和植骨内固定标本的轴向压缩刚度和前屈压缩刚度。发现：胸腰椎前中柱骨折后经椎弓根螺钉系统固定不能使其恢复至原来的力学性能，椎体骨折累及范围越大，固定后力学性能越差；前中柱重建是减少后路内固定器械承载的关键。
周有礼等〔10〕利用羊的整条脊柱标本，对胸腰椎爆裂骨折后的局部载荷进行了研究。发现：在胸腰椎结合区域有较大的应变值表示该区域局部所承受的力量较大，在实验上脊柱承受牵引时，在胸腰椎接合之区域会承受较大的拉力。
3 利用在体动物模型进行的研究
Oda等〔11〕利用在体羊脊柱腰段后凸畸形模型，研究脊柱损伤和后凸畸形对相邻运动节段的影响，他们将活体羊分为对照组、L3～5原位融合组及L3～5Cobbs角为30°的后凸畸形融合组，进行了影像学、生物力学及组织学的研究分析，结果证实：脊柱后凸畸形导致头侧邻近节段的后方韧带复合结构的前凸性挛缩；L2椎板在屈伸活动下所承受的应力在后凸畸形组更为明显，提示更多的载荷转移向后柱；后凸畸形组邻近的头侧关节突关节有明显的退变性骨关节病改变，邻近的尾侧关节突关节亦有轻微的退变性骨关节病改变，而在原位融合组退变轻微。
Nielsen LW等〔12〕利用幼年猪制作了Scheuermanns病的脊柱后凸畸形模型，利用病理学、放射影像学、血液生化等方法进行研究，发现猪的Scheuermanns病胸腰段后凸畸形模型，与人Scheuermanns病导致的胸腰段脊柱后凸畸形有可比性。
Lowe TG〔13〕等利用未成年羊的Scheuermanns病模型，进行了一项在体实验，他将羊的胸腰段至下腰椎用椎弓根钉和聚乙烯绳在后面进行拴系，不融合，进行了13个月的观察后，处死羊，取其脊柱进行生物力学研究，发现模型矢状面上的非融合调整，能有效地减少椎体楔形变的程度，此方法可能成为治疗青少年Scheuermanns病的一种可行办法。
4 利用人的尸体新鲜脊柱标本进行的研究
Birnbaum等〔14〕利用11具新鲜尸体躯干标本（含胸廓），制造了胸椎后凸畸形模型，对前路松解前、后的矢状面矫形效果进行了解剖学及生物力学研究，结果发现：单纯前路松解（开放或经胸腔镜辅助）矫形效果良好，且能有效地改善矢状面平衡。
赵必增等〔15〕利用新鲜尸体胸腰椎标本，探讨了椎体成形强化后对邻近椎间盘、椎体的力学影响，发现强化椎体后，对邻近椎体造成的应力集中很小，而对邻近椎间盘有一定的影响。
5 利用三维有限元分析进行胸腰段后突畸形研究
有限元素法（FEM）是一个求偏微分方程式的数值方法。随着个人计算机功能的完善，有限元素法的使用也越来越简单，在医用生物力学方面应用更是越来越普遍〔16〕。
Liebschner MA等〔17〕对19例人的尸体胸腰段椎体标本进行CT扫描，建立三维有限元模型，进行有限元分析；同时对标本实体进行解剖学测量以及生物力学试验分析，最后将二者测得的数据进行对比研究，进行统计学分析，发现：用恒定0.35层厚和457 MPa有效模量，结合CT重建的椎体几何模型与骨小梁特性，进行椎体外壳的建模，能精确的预测整个椎体的生物力学特性。
程立明等〔18〕就胸腰段后突畸形对相邻椎间盘力学影响进行了三维有限元分析研究。他们选取结构正常的脊柱作为实验材料，通过CT扫描获取脊柱的二维图像，然后进行三维重建，转化为有限元模型（FEM），利用Free Form成形软件构建胸椎后凸畸形模型，分别对正常结构和胸椎后凸的脊柱有限元模型进行载荷试验，分别比较椎间盘和小关节应力分布情况，总结出以下结论：脊柱胸腰段后凸畸形改变了相应椎间盘的载荷应力应变分布，这可能加快椎间盘退变及使后方纤维环易受损破坏。
6 利用影像学进行的临床研究
Seel EH等〔19〕使用Oxford Cobbometer对椎体骨折导致胸腰段后凸畸形的Cobbs角进行测量，发现与传统的测量方法相比，其测量的结果更简便、准确、可行。
吉立新等〔20〕收集12例具备胸腰椎和腰骶椎正侧位X线片的胸腰段后凸畸形病例，与20例正常对照组进行相应比较，进行分析研究。发现患病组平均腰椎前凸角度与正常对照组相比有极显著性差异。患病组单节段腰椎前凸角度以上腰椎变化更为明显。从而认为：胸腰段的后凸畸形，使病损平面以上躯体的重心更趋前移，增加了致畸负荷，必将进一步加重后凸畸形。为维持直立下躯干重心的平衡，就需要调整头、颈、胸和腰部的曲度甚至髋部和膝部的位置使重心后移，其中最主要是通过腰椎的前凸加大来实现这一目的。腰段所发生的代偿性改变比腰骶段更为明显，而腰段的代偿性改变又更多地集中在上腰椎，而且椎体的后滑移也发生在上腰椎，表明胸腰段后凸畸形对上腰椎有更大的影响。
陈仲强等〔21〕测量14例后凸畸形截骨手术治疗前后的胸腰段后凸角和腰椎的前凸角以及椎体滑移情况，对所得结果与正常组进行对比分析。发现：胸腰段后凸畸形可导致腰椎过度前凸及椎体向后方滑移，尤其在上腰椎更为明显，可能是引发腰背疼痛的重要原因之一：矫正胸腰段后凸畸形可减小腰椎的过度前凸和椎体滑移倾向，可明显减轻患者的腰背疼痛；前后方联合截骨更安全，矫正后凸畸形效果更好。
7 问题与展望
综上所述，对于胸腰段后凸畸形，国内外学者从解剖、动物标本模型、在体模型、人尸体标本模型、有限元分析模型及影像学临床等不同角度出发，进行了生物力学及其他方面的研究。研究更多的是解剖、标本模型、有限元分析及影像学方面。解剖学属于形态学范畴，研究历史较长；动物标本易于取材，但与人的生物力学特性还是有差异的；相对实验分析而言，有限元分析的优点在于它对分析参数控制的绝对性和简易性，及完整多样的结果数据。现阶段有限元素分析，必须要配合恰当的实验数据或临床现象比对，结合有经验的临床及力学人员，有限元素分析才能发挥它最大的功效。而由于受各方面条件的限制，在体动物生物力学模型与人新鲜尸体生物力学模型的研究，国内外报道的很少，尤其是利用人新鲜尸体对胸腰段后凸畸形影响腰椎诸节段矢状面稳定性进行生物力学的研究，目前国内外尚是一个空白，这方面还有很大的研究空间。 【参考文献】
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