人体运动生物力学研究精选(九篇)

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第1篇：人体运动生物力学研究范文

一、运动生物力学的定义：

运动生物力学的定义（国内）是运动生物力学是一门新兴学科，现在比较通用的定义是“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”。国外对这门学科的定义也大相径庭究，有些国家把运动生物力学认为是人体内部运动器系运动和外部人体整体运动的力学特性，尽管运动生物力学在国内外还没有形成统一的定义，但是运动生物力学的作用和研究意义已被各个国家所重视。

二、在技术教学中的重要地位

在体育运动中任何一项身体练习都由一定的动作及动作体系构成，而完成每个动作及整套动作都存在着最合理的运动技术。合理的运动技术以运动生物力学理论为依据，并富含运动生物力学原理。而运动生物力学又以其分析科学性，结构合理性为体育技术教学提供理论和方法上的指导，它可以通过对形形体育动作差别原因的分析，探讨出获得良好技术的各种力学条件，从而使学生更完善地认识、学习和掌握合理的运动技术动作。

三、对技术教学的积极影响

在技术教学中，及时而有针对性地向学生传授运动生物力学原理，往往能引起学生对学习和掌握运动技术的兴趣，并使复杂的技术简单化，从而有利于学生及时纠正自己的错误动作，并防止由于错误动作而带来的运动损伤。

（一）提高学习运动技术的兴趣

随着新科技、新技术的不断地推动着体育科学技术的发展，新的运动技术取代旧的运动技术，或高级运动技术取代低级运动技术，已成为当今社会的总体趋势。新的运动技术比旧的运动技术更科学、更合理、更实效，并且更符合人体特点。因此，新技术总能吸引更多的人去研究和学习。在体育技术教学中，如何引起学生对新技术的兴趣是学习的第一动力。比如，我们所说的站立式起跑和蹲踞式起跑，相对以往而言站立式起跑比蹲踞式起跑要舒适，运动员一般都采用站立式起跑。随着科学的发展，运动生物力学这门学科逐渐进入了人们的视角，从生物力学的角度来剖析站立式起跑和蹲踞式起跑的区别，蹲踞式起跑更有利于起跑，对于短距离的起跑和起跑后的加速跑这两个阶段从实效性和经济性这两个角度而言作用最大，同时也为短距离途中跑和冲刺跑奠定了一定的能源物质基础，当今在全国乃至世界在短距离运动项目中全部必须采用蹲踞式起跑。如此，学生就会对蹲踞式起跑产生浓厚的兴趣，大有跃跃欲试的欲望，从而在技术教学中就会主动、积极地参与并思考、体会技术细节，进而缩短掌握技术动作的时数，有利于提高技术教学效果。

（二）使复杂的技术问题简单化

相对于以往的体育教学中，当体育教师对某一项较为复杂的技术过程讲解时，学生常会因为技术动作太复杂而影响学习，但如果教师能用适当的力学知识加以分析和运动生物力学的研究方法往往能使学生“顿悟”，从而激发学生的学习积极性。如：足球的香蕉球是一项较复杂的技术动作，且香蕉球形成的力学原因也极为复杂，但根据球在空中的运行轨迹的力学现象，我们只要在踢球过程中，保证击球点的用力通过球心，且不在一条直线上，就为香蕉球的产生创造了条件。因此我们可以运用运动生物力学中常用的研究方法去解决这个问题，利用高速摄影、电视、录像和数据的分析，把学生、运动员的运动技术进行摄影、录像、高速摄影，然后回放给学生，学生可以从动作回放和慢放中知道动作的运动轨迹，和香蕉球击球点的位置。因此，对复杂的技术动作稍加力学分析，和采用先进的设备便可使复杂问题简单化，便于学生理解并提高教学效果。

（三）减少损伤以利掌握合理技术

第2篇：人体运动生物力学研究范文

关键词 生物力学 步态 最新进展 应用领域

中图分类号：R743 文献标识码：A

步行是人们在日常生活中最基本的运动方式，而步态是指人类步行的行为特征。步态生物力学研究是运用力学方法和技术，并基于人体机能解剖学和生理学的基本理论对人体行走功能状态进行测量、分析、评价的应用研究。吴剑等（2002）在“步态生物力学研究进展”中对2002年之前的研究进展进行了论述，随着科学技术的发展和三维步态分析仪器开发利用，国内外对步态研究的进程也呈现出逐步加快的趋势，但目前在众多的研究成果中，还没有对新时期步态生物力学的研究进展进行的研究，因此本文通过对步态生物力学的研究进行分析，旨在为促进步态生物力学的研究进程，为以后的研究奠定基础。

1步态的一般生物力学研究进展

1.1步态周期

步态周期是指从一侧足跟着地到该足跟再次着地所构成的周期。一个步态周期分为支撑相与摆动相2个相位。支撑相在整个步态周期中约占60%；摆动相约占40%。而跑动时支撑相约占整个步态周期的65%，摆动相约占35%。一条腿在一个完整的步态周期中经历的状态依次为：足跟着地、足放平、支撑、足尖离地、腿弯曲摆动、腿伸直向外摆动、然后足跟着地，进入新的步态周期。前4个状态是支撑相，后3个状态是摆动相。步态周期与身高的差异不显著。

1.2步长与跨步长

步长是指同侧足跟或足尖到迈步后足跟或足尖之间的距离，正常成人的步长值约为150―160cm。跨步长是指行走时一侧足跟到对侧足跟之间的最大距离，正常成年人的跨步长约为127cm，正常成年人随着年龄的增长，其跨步长与年龄成负相关，与身高成正相关，另外跨步长与步频也有相关关系。

1.3步频与步速

步频是指行走时每分钟迈出的步数，步频=60（s）/步长平均时间（s）。步速是指步行的平均速度（m/s）。对20-39岁、40-59岁、60-79岁三个年龄段的正常成人进行步态分析表明：20-39岁年龄段的正常成人的步频为1.9412，步速为1.2616；40-59岁年龄段的步频为1.8117，步速为1.0514；60-79岁年龄段的步频为1.7621，步速为0.9524 。

1.4身体质心起伏

人起步时，虽然地面作用于人的脚底的静摩擦力对人这一质点组不做功，但这一静摩擦力对人的质心做功，正因为这个功使人的质心动能增大，人才得以起步运行。另一方面，质心动能的获得，是以人体各质点克服静摩擦力相对于质心做功为代价的。这一代价来源于人体各质点间相互作用的非保守力的功。对于一个健康的成人，当其正常行走时，质心起伏的幅度约为4.4cm。

1.5关节角度

人体下肢步态运动可以简化为一个四刚体模型（包括躯干）。对于髋关节和膝关节，围绕静止站立位有曲屈和伸展两个方向，定义伸展为角度负向，弯曲为角度正向；对于踝关节有背屈和跖屈两个方向，定义背屈为角度负方向，跖屈为角度正方向。Grabiner等认为膝关节必须在支撑期完全伸直，在摆动期屈曲大约60是教谋匾跫？

2步态生物力学研究的应用

2.1功能检测与评定

步态生物力学的研究对象为生物体的移动状态，测量参数具有自主控制成分。步行的对称性和圆滑性可以根据步态分析所得的参数（包括：运动学、步态时间―距离参数和动力学参数）进行推测，稳定性和波动性可根据重心位移和力的作用点进行判断，其速度、节奏和持久性的判断则是根据步速、步频和步行的持续距离。从已有的研究中，主要对妊娠期妇女、老年人、“三瘫一截”（脑瘫、截瘫、偏瘫、截肢）的残疾者、肥胖人群的行走人群进行功能检测与评定。

邱纪方等对20例痉挛型脑瘫患儿及青年，连续进行了步态的评测（包括运动分析），其测量指标分别为：屈髋畸形（改良托马斯试验）、膝关节伸展、绳肌长度（角）、比目鱼肌长度、腓肠肌长度等。其结果表明：所有指标均与CCC具有良好的一致性（0.67～0.96）；观测者间一致性随测量指标的改变而有较大改变，CCC为0.34～0.87。髋外伸展的CCC左髋是0.34，右髋为0.42。

李艳霞等采用比利时Footscan USB2平板式足底压测试系统对体质量指数>28 kg/m2的肥胖学生进行动态足底压力测试，以此探索肥胖人群足底压力参数的分布规律。

周有礼等通过对的动力学分析，解决了孕妇完整人体检测资料缺乏的困境，为发现妊娠妇女步态研究奠定了基础，但是缺乏具体的评价指标。

王琳等采用横向比较性研究设计法对中国青春期前BMI（体重指数）小于30 kg/ m2的男性肥胖儿童和体重正常的男性儿童在步态和姿势控制方面是否存在差别进行了研究，结果显示：肥胖儿童在步态的稳定性和姿势控制上均不如正常儿童的稳定。

2.2疾病的预防

第3篇：人体运动生物力学研究范文

关键词：运动人体科学；论文选题

中图分类号：G807．0 文献标识码：A 文章编号：1007―3612(2006)09―1231一04

本文对1982―2003年全国体育院校及部分重点大学体育院系、国家体育总局等30多个单位的运动人体科学专业硕士、博士生研究生论文选题进行了分类统计和比较分析，并对其选题方向和特点进行归纳总结，以期为今后运动人体科学学科研究生的论文选题提供参考。

1　研究对象与方法

1．1研究对象 本文共收集1982―2003年运动人体科学专业各研究方向的研究生论文505篇，其各专业的分布情况如下表：

1．2研究方法

1．2．1 文献资料法 本文搜集了研究生论文选题方面的文献并进行了分类整理，获得了相关资料和信息。

1．2．2数理统计法 对论文的题目、研究对象、研究方向、研究内容和特征等指标进行了初步统计，并对统计结果进行了数理分析。

2　结果与分析

2．1 人体运动科学专业论文分布情况 运动生理方向的研究生论文数量占运动人体科学专业研究生论文总数的46．34％(表1)，这与以北京体育大学为代表的一批体育院校运动生理学科点开设较早、而其他学科点开设较晚有关，同时与80年代某些院校只设立运动生理专业硕士的现象也有一定的关系。数据显示：运动生物力学方向的论文数量较少，90年代后有所增加，这主要是由于运动生物力学为一门较为年轻的学科，在我国的起步较晚；而运动解剖学方向的论文数量总数也相对比较少，尤其是进入21世纪后的3年中运动解剖方向的研究生数量急剧减少，其原因主要在于各院系的招生培养结构所致，该学科属基础理论学科，且与运动训练相关性不大所致。

从图形及数量分析可以看出，各研究方向在年代分布上，尽管呈现出一些波动，但总体趋势是各研究方向的数量和总数都在逐渐增多。

统计结果显示，近年来运动生理学研究生的选题方向主要集中在骨骼肌生理、疲劳与恢复、机能评定和心血管等范围内，其数量占运动生理方向研究总数的55．98％，这与目前国内体育期刊上相关领域的研究方向与研究趋势基本相符。其原因是骨骼肌生理，运动性疲劳与恢复，运动员机能评定及心血管等方向与运动训练关系密切，这些研究可以解决运动训练中出现的实际问题。进入21世纪后，内分泌功能的调解、训练效果等与大众健康、全民健身关系密切相关的问题也将受到了重视，其研究生论文数量必然有所增加。

2．2各专业方向研究生论文选题方向分析

2．2．1运动生理专业

2．2．2运动生化专业

如表3所示，营养是运动生物化学方向研究的一个主要方面，其研究生论文数量约占总数的1／3。在运动训练中“没有恢复就没有训练”的新观点提出之后，人们开始逐渐着眼于营养学的相关研究，如何应用合理的营养手段来延缓运动性疲劳的产生，促进运动后恢复已成为体育科研领域中的热点问题。但这些论文的研究对象多采用动物实验，对人体的研究相对较少，而运动营养及合理的恢复段在运动员当中推广使用，还须更多的人体实验作为更直接的依据。随着国民经济的发展和体育健身在我国的开展，近年来针对各种健身锻炼项目的训练效果的研究数量也在逐渐增加，呈现了与运动生理方向相一致的变化趋势。

2．2．3运动解剖学

统计数据显示，儿童少年体质现状和生长发育规律及体育运动在人体塑造方面的作用是运动解剖学方向研究者们所关注的主要问题，其论文数量分别占该研究方向论文总数的37．14％和28．57％。涉及骨骼肌的形态结构与功能的基础性研究也占有一定的比例，而其它方向的论文数量比例均相对较少，呈现出明显的“选题分布极不均衡”的特点，这一现象说明运动解剖学知识领域广泛，可供研究的问题相对比较多，而经过几十年的发展，运动解剖学已经形成了较为固定的研究领域，这也是一个学科发展基本成型的表现。

2．2．4运动医学

统计数据显示，运动医学方向研究生的选题方向主要集中于心血管生理、训练效果、骨骼肌生理及运动损伤等方向，各个方向的科研讨论数量分布均衡，占其方向的百分比均在15％左右，且这些研究相对集中，与运动训练实践结合比较紧密，体现了科学研究服务于训练实践的基本指导思想，和运动医学实用性较强的学科特点。

2．2．5运动生物力学

统计数据显示，运动生物力学方向的研究热点集中在对运动项目的某些技术环节的动作分析上，其研究主要是利用运动生物力学的手段辅以现代化技术手段展开探索研究，从而得到一些敏感指标、数据，并采用计算机评价系统进行分析、评价。其中涉及动作技术分析的占42．86％，而涉及计算机评价系统的研究呈现逐渐增长的趋势，达到生物力学研究生论文总数的23．81％，体现了运动生物力学与计算机科学的联系日趋紧密。随着科学的发展运动生物力与数学、物理、计算机、医学等学科的交叉将逐渐增多。

2．2．6 各专业方向选题特点的分析 从表2～6的数据统计结果显示，各方向的选题方向一方面呈现了各自专业的学科特点，同时各学科之间互相关联，存在一些共同点。

从各自专业方向选题特点来看，运动生理方向选题中骨骼肌生理及疲劳与恢复的内容较多，尤其是在90年代前后，对肌纤维类型、肌纤维组成比例的研究很多，采用无损伤方法测定肌纤维类型，对延迟性肌肉酸痛以及骨骼肌疲劳后超微结构改变的研究，都是这一领域的研究热点。

运动生化方向对运动员营养补充问题以及运动后恢复手段的研究得到越来越多的注视。“没有恢复就没有训练”这一新观点提出之后，营养及其他恢复手段成为竞技体育中的热门问题。

运动解剖学方向论文选题明显集中在“儿童少年体质现状和生长发育规律的研究”、“体育运动对人体器官组织形态结构影响的研究”和“骨骼肌形态结构和功能的研究”这3个方向，占论文总数的80％。

运动医学的选题则集中在创伤、心血管、训练效果及骨骼及生理四方面，而且分布比较均衡，各占该方向论文选题的13．04％、17．39％、15．22％和13．04％。

运动生物力学是相对较为独立的学科，其选题集中在两个方面：动作技术分析(42．86％)，其次是计算机评价系统的研究(23．8l％)；除此之外人体组织力学、动力学及身体素质等方面的论文选题也逐渐受到一定程度的关注。

2．3各专业方向研究生论文的研究对象

统计数据显示，运动人体科学专业的研究对象中动物实验占到总数的41．05％。运动员只占到19．26％左右，位居第

三位的是体院学生，占12．26％。近年来，动物实验的比重越来越大，而人体实验在逐渐减少。

从科学研究的实际应用价值上看，人体实验的科学研究通常具有更直接的实用价值。但是，由于人体实验时，实验条件不一，且实验对象在实验期间难以控制，作为受试对象的人本身个体差异较大，因此在实际实施过程中会造成很大的困难。动物实验的优点是样本个体差异小，条件容易控制，测试结果更为准确，特别适合做一些机制性的研究。其缺点是动物与人的亲缘关系太远，有时候反映在动物身上的变化，未必可以在人体上得到重现。而且，动物采用的运动模型较为单一。从目前来看，常用的动物运动模式为大鼠(或小鼠)游泳，以及在动物跑台。且不说这些运动模型的控制是否严格，从这些运动方式上看，与人体的运动毕竟有一定的差异。而且疲劳点如何确定的问题，一直是动物实验论文中存在争议的问题。

在实际操作中，如何将人体实验与动物实验的优势结合起来，一直是研究生论文需要重点考虑的问题。好的选题不仅在于题目本身，实验设计也是论文成败的关键。

2．4各专业方向研究生采用的研究手段

2．4．1运动生理专业

2．4．2运动生化专业

2．4．4运动医学专业

数据显示，运动生理、生化、解剖和运动医学方向研究生论文中使用的各种研究手段中，运动生化指标的测定占相当大的数量和比例。尤其与运动实践结合比较密切的论文多采用生化指标对受试者进行评定，观察受试者身体机能的变化。如：血乳酸一直是科学训练所关注的主要问题。另外，血常规、血尿素指标以及以血清酶的变化都是运动训练中经常涉及的问题。另外，在一些机制性的研究中，如运动性低血睾，运动性闭经或月经紊乱等问题，都需要对激素及激素受体辅助生化手段进行定性分析。近些年来，随着基因分析手段的日益更新、先进，实用性的基因分析手段逐渐应用到了体育科学研究中来，例如对骨骼肌a―actin基因表达的研究，对β－肾上腺素受体基因表达的研究，对衰老过程中线粒体DNA缺失的研究等等，都是现代基因手段与运动实际相结合的有益尝试。

在研究手段的选取上：运动生理学使用较多的是生化指际、生物电技术和常规生理指标，共占其研究总数的74．99％，近几年来，借助生化指标检测的研究数量逐渐升高。运动生化方向则是生化指标占绝对统治地位，达到总数的85．19％，充分体现了本学科的特点。运动解剖学则较多地应用身体素质指标、组化电镜、生物电技术及常规生理指标等，所采用研究手段相对较多，且分布均匀，即运动解剖学的研究手段呈现多元化。运动医学方向中应用较多是生化指标、常规生理指标和组化电镜及生物电技术，占该方向研究手段总数的89．36％，体现了运动医学监测过程中需要借助生理、生化手段的特点。各方向的研究手段呈现出互不相同特点，归结原因在于不同专业研究的侧重点不同所致。

动作技术分析系统是运动生物力学专业研究中最常用的手段，占生物力学各研究手段总数的42．22％，它是运动生物力学为运动训练直接服务的最常用手段，在近几年随着计算机技术和数码拍摄技术的发展取得了很大的进展。随着计算机技术的不断发展，计算机也逐渐进入体育科学研究领域，其主要运用在计算机分析、评价系统中，这些先进、准确手段的引入对运动训练和科学研究产生了巨大的推动作用。

2．4．6 除运动生物力学外所有专业不同年代研究手段的对比

表13显示，80年代采用较多的是生物电技术、常规生理、生化指标，各占总数的28．87％、25．77％、25．77％，他们之间的分布相对均衡。进入90年代后，随着研究的进一步深入，一些简单手段，如生物电技术和常规生理指标的应用比例逐渐减少，而生化指标等反应受试者机体机理的研究手段所占比例增大，达到总数的52．30％，体现了各学科研究的精确、精细化和定量分析的逐渐增多。随着科学技术的发展，一些前沿科技手段，如基因技术开始在运动人体科学领域中应用。本文所统计的只是2001―2003年的研究生论文，样本量相对较少，但其变化趋势基本和90年代相同，这些变化趋势反映了体育科学研究的不断深入以及研究手段的不断发展，同时也反映了运动人体科学专业学科水平的提高。

3　结 论

第4篇：人体运动生物力学研究范文

关键词：生物力学 跳台跳水 起跳技术

一、前言

竟技体育的目标是“更高、更快、更强”。运动员通过不断 克服自我来提高速度、力量、动作的准确性。除了刻苦的训练 之外,科学的训练方法和手段是提高运动员成绩的有效途径。提高运动技术训练科学化水平的重要前提条件就是吸收各学科最新发展成果,采用先进的测量手段进行定量研究。 信息技术或者计算机技术的广泛深人应用引起了社会的巨大变革,对运动训练和体育科学研究也带来了前所未有 的机遇,正在改变体育科学研究与训练的模式。

二、研究方法与研究对象

1、研究对象河北省跳水队优秀的运动员

2、 研究方法

（1）文献资料法查阅国内外关于高台跳水起跳技术的研究现状，有关计算机模拟的相关文献

（2） 计算机仿真模拟

①以三维方式逼真模拟技术动作。 通过形象化的方式让运动员更容易、更快速地掌握技术动作要领，从而大幅度地提高运动员整体运动技能水平。

②新动作设计与技术动作标准化。可以编辑、修改、设计新动作，通过该工具还可以让教练员设计出自己头脑中“理想”的动作，据此建立标准技术动作库，用于教学与(国际)裁判培训，提高比赛成绩。

③技术动作分析。可以对技术动作做量化分析，并以图形方式展示分析结果。包括位移、速度、力等。在此基础上，可以对“理想”动作与运动员技术动作做深层次的分析，并给出运动员改进技术动作的指导性意见。

④动作编排模拟与设计。从模拟的单个技术动作中，教练可以挑选出需要编排的候选动作，系统将按照教练的意愿模拟编排结果，教练员可以从各种编排结果中挑选最优的编排，从而辅助教练确定方案。

三、分析与讨论

我国跳台跳水技术在世界上已居前列，在重大的国际比赛中我国选手多次获得金牌。跳水技术的发挥是多方面的，其中起跳技术是整个跳水技术的关键。在动作多周翻腾的方向上发展的今天起跳技术，大有改进的潜力。当前国内外选手在跳台跳水动作的起跳技术上都采用助跑2～3步单脚起跳、双脚落地制动缓冲，同时两臂上举，向后弯屈小臂，在蹬地同时两小臂快速向上摆动以增大蹬踏力使身体沿一弧线跃起的技术动作(简称上摆臂式起跳技术)。

设定人体质量不变(同一个人)，在动作技术过程中，水平助跑速度相同，下肢制动缓冲速度也相同，上肢摆动小臂的速度不一样(取上肢重心移动速度的平均值计算)。起跳瞬间身体躯干姿态相同，用体操中的下摆臂起跳技术来模拟跳水的起跳技术。

良好的起跳技术主要是为获得较大的垂直起跳力和绕身体重心的转动力矩，从而保证有较长的滞空时间和翻转角速度。

下摆臂式起跳优于上摆臂式起跳的主要原因是：上摆臂动作主要是小臂在摆动，因此上升距离(小臂重心移动)小，参予摆动的质量也小。而下摆臂动作是上肢进行摆动，蹬伸期间整个上肢重心摆动距离大，参予摆动的质量也大，从而获得较大的蹬踏力。一个高难度旋转动作的优劣，与身体腾空高度相关甚大，蹬踏力越大，腾空越高，腾空时间就越长，就越能保证运动员在该段时间内完成动作。

摆动臂对人体重心的力臂――取起跳瞬间相邻图片两小臂重心连线至总重心距离

人体总质量为50 kg、蹬伸阶段重心位移0.3 m、蹬伸时间0.2 s

从技术要点分析我们把蹬踏力定义为沿脚、髋关节连线方向上行下摆臂式起跳动作蹬踏力偏后，而上摆臂式则偏前，与水平夹角分别为75°86，前者更有利于制动。从表1中看出下摆臂式的起跳比上摆臂式起跳技术能获得更大的转动力矩，当踏跳时间相同时将获得更大的冲量矩。另外上摆臂式起跳动作由于两臂上举人体质量分布距人体质心较远，起跳瞬间的转动惯量大于下摆臂式起跳的转动惯量。根据动量矩定理(MΔt=I2ω2-I1ω1)，当冲量矩不变时，转动惯量大的角速度必然小，也进一步证明了上摆臂式起跳技术不利于获得较大的转动角速度。

总结

力学分析计算证明下摆臂提肘式的助跑前空翻起跳技术比上摆臂式起跳技术能获得更大的前翻冲量矩，对发展向前的多周翻腾动作有利。跳台跳水动作向多周翻腾发展难度时(109C、109B)建议采用下摆臂后提肘式的起跳技术为宜。

参考文献：

[1]丁海曙，等. 人体运动信息检测与处理. 北京宇航出版社，第1版，1992年7月

[2]国家体委科研所生物力学组. 中国亚运会巴赛罗那奥运会跳水运动员参数测试评估. 中国体育科技，1997年7月

[3]袁晋纯. 运动生物力学研究方法. 广州体院出版社，1984

[4]国家体委. 竞技体操竞赛规则. 1994

第5篇：人体运动生物力学研究范文

关键词：排球；跨步垫球；运动学分析

一、前言

排球跨步垫球及以其为基础的各种低姿势垫球是排球比赛过程中使用频率较高的垫球技术动作，它又是各种低姿垫球动作的基础。现代排球教材中，缺乏对其技术动作科学化的描写和分析，导致在现实教学中，教学标准不统一，教学效果也不理想。因此，本文采用三维高速摄影解析技术对跨步垫球技术特点进行分析研究，旨在探寻跨步垫球技术的动作结构特征，丰富和完善排球技术教学和教材理论，给动作技术教学、训练、评价、诊断提供客观的理论依据。

二、研究对象与方法

1.研究对象

研究对象为湖南师范大学男子排球队的3名和湖南师范大学女子排球队的1名主力运动员。研究内容为排球跨步垫球技术。

2.研究方法

本课题的研究方法主要采用实验法，运用三维高清摄像解析系统对优秀排球运动员的排球跨步垫球技术进行运动学的研究。

（1）文献资料法

查阅了中国期刊全文数据库里近二十年来关于排球垫球技术及运动生物力学相关研究的文献资料、相关论文和著作中对排球技术的研究情况和生物力学的研究进展并形成了文献综述，为本研究打下了扎实的研究基础。

（2）专家访谈法

咨询有关的运动生物力学研究专家和教师，向其请教以往写作过的论文中所涉及的实验方法、设计及数据处理和分析等方面的问题。

（3）实验法

采用三维高清摄影图像解析技术，对技术动作的结构特征进行分析。

（4）数理统计法

数据利用QToolS软件和Excel软件对获得的数据指标进行计算和统计。

3.测试程序

模拟比赛情况，受试者进行充分准备活动后，按实验要求，在专家的指导下让四名受试运动员在测试范围内作跨步垫球动作，每名测试对象完成两次跨步垫球，按规范标准进行拍摄（以右侧跨步动作为例）。由现场专家选定效果较好、技术较规范的两名运动员的跨步垫球动作作为分析对象，然后计算数据的平均值。

4.测试方法

采用三维定点摄像的方法，用两部高清摄影机，对实验测试对象的跨步垫球技术进行三维定点拍摄，运用相应的解析系统对其动作技术进行解析，得出测试指标参数。一部置于运动员的右侧，一部置于运动员的前方，两部摄像机主光轴约成 90度，拍摄频率为50Hz。高清录像拍摄，频率25帧/秒，经奇偶场分离后频率相当于50场/秒。采用2台sony FX-2000E高清摄像机拍摄视频。

标定框架采用国家体育总局体育科学研究所的PEAK辐射式三维标定框架，标定精度高。选择被分析的动作时，选择的整个动作位于框架标定范围内。

使用SIMI motion视频解析系统对技术动作进行解析，采用扎齐奥尔斯基人体模型，人体模型取系统软件自带的人体模型，分析数据包括身体重心、躯干、各关节点位移速度、以及各关节和躯干的角度和各时段的时间等数据，所得数据采用数字化滤波法进行平滑处理，截断频率为10，用EXCEL 2000对视讯系统得到的数据进行坐标转换、计算得到运动学数据，并编辑公式计算人体基本平面方程系数以及关节点在各个平面的投影坐标，再用Q-Tools计算关节角度。用Origin7.0做三维坐标图。对解析出的数据进行对比分析与研究，并做参数间的相关分析，运用相关参数数据描述动作过程，建立整个动作结构相关环节间夹角、角速度、角加速度、速度、身体重心等量化指标和参数，揭示动作过程的运动学特点和规律。

三、动作阶段的划分

动作阶段划分是研究技术动作的重要环节。排球运动员跨步垫球技术是由准备姿势、跨步、垫球、随后动作四个环节组成，而对击球效果起决定作用的是跨步和垫球两个环节。为了确定动作结构和时相划分方便，本文首先确定了不同动作阶段的临界点，它可表征各动作阶段基本力学特征与动作质量。我们依照排球跨步垫球动作的顺序把跨步垫球动作分为：跨步阶段（1.4s-3.3s）、击球阶段（3.3s-4.1s）、随后阶段（4.1s-5.2s）。

四、研究结果与分析

1.排球跨步垫球技术下肢各环节运动学分析

（1）膝关节的运动

膝关节的角度特征如下：

从图1中可以看出左、右膝关节角在0～2.64s时段的变化趋势并不相同。2.64s时刻为跨步脚刚着地的时刻。右膝关节角变化曲线在该阶段有一个明显的先下降后上升的过程，而左膝关节则是一个逐步下降的过程。右膝关节在跨步阶段要向前跨出一步完成跨步动作，在跨步过程中右膝关节先屈曲后伸展。在跨步阶段身体重心落在左脚上，此时左脚起着支撑整个身体的作用，并保持重心稳定性，因此左膝关节角在跨步阶段变化很小。在2.64s后，左、右膝关节的变化趋势完全相同，当跨步脚着地后，左、右膝关节开始同时屈曲，降低身体重心。到击球前屈曲值达到最大，身体重心此时处于最低，随后双脚蹬地，同时双臂上摆击球。

跨步垫球技术在跨步阶段膝关节有一个屈膝重心下降的动作，这个动作是跨步垫球技术的重要组成部分，目的是通过拉伸膝关节蹬伸主动收缩肌群，增大肌肉收缩初长度储备弹性势能，同时增加垫球时的垫球距离，为后继膝关节蹬伸动作做好准备。而且在判断来球的方向和速度后通过跨步动作还能及时调整击球的最佳时机和部位。在跨步垫球技术中左膝最大屈曲角度为60.6°。右膝最大屈曲角度为59.89°。下肢屈膝身体重心下降的动作幅度太大或太小都不能产生最佳的蹬伸效果，不利于整个垫球动作的完成。如果膝关节屈曲幅度过大，就会造成膝关节伸肌群过大的对抗负荷，进而影响膝关节的伸展速度及躯干和上肢各环节的整体配合。反之，膝关节屈曲幅度过小，又不能充分拉长伸膝主动收缩肌群，影响主动收缩前弹性势能的储备，进而影响到蹬伸效果。跨步垫球技术下肢的蹬伸动作主要是使髋关节产生向上的运动，通过下肢的蹬伸带动手臂向上摆动，保证击球时动作的稳定性。由于不同运动员的身材和身体素质的不同，因此不同的运动员最佳膝关节的屈曲角度和身体的下蹲深度也不相同。合理的膝关节屈曲角度有助于运动员发挥最佳技术动作。

（2）踝关节的运动

由图2可知：从跨步开始，右踝关节角度不断增大，而左踝关节角度不断减小，这是由于跨步开始时，身体以左脚为支撑，右脚向前方跨出一步，随后身体重心下移，直至跨步结束。由于右脚向前跨步，右踝关节与左踝关节正好相反，不断增大，直至跨步后右脚脚跟与地面接触时增至最大。

2.排球跨步垫球技术动作整体分析

排球跨步垫球合理的动作节奏应该是身体自下位关节至上位关节的速度依次递增。各运动环节的递增量越大，说明动作的动量传递效果越好。跨步垫球技术动作的跨步阶段，单脚向前跨出一步，同时身体重心下移，躯干稍向前倾，双手手臂伸直下压，为后继击球动作调整好击球的时机和方位，同时储备了弹性势能，增加了肌肉收缩做功距离。击球动作阶段，通过下肢蹬伸、躯干和上肢各运动环节的依次加速与制动，将速度传递至手臂，手臂通过从来球的下部向上抬，以达到最佳的击球速度，将球平稳而有力地击出。击球时身体主要环节的活动顺序为膝―髋―肩―肘和手腕。从完整技术动作上看，跨步垫球是在拉长相关主动收缩肌的条件下，首先由下肢肌肉主动收缩用力，然后是上肢各环节肌肉群的收缩用力，这种动作时序符合垫球技术动作力学原理。合理的技术动作能充分发挥躯干肌肉和下肢肌肉的爆发加速作用，不要过多地单纯依靠上肢运动环节加速，这样才能使上肢肌肉有较大的能量储备，同时保证动作的稳定。在击球动作阶段上肢肌肉感觉敏锐，控制手臂的方位和调控击球时间，并保证击球最佳的击球点和击球时机。因此应加强下肢的蹬伸力量，并在击球时加强下肢的蹬伸作用，从技术上保证下肢和躯干肌肉合理的爆发加速功能，为上肢各环节的依次加速提供运动初速度。

五、结论

1.跨步垫球技术动作结构的分类

本研究对排球跨步垫球技术的尝试性划分是对目前排球跨步垫球技术划分理论的大胆尝试。笔者根据运动生物力学中关于技术动作的阶段划分原理，根据动作结构与动作任务的不同，把排球跨步垫球术分为跨步阶段、击球阶段和击球后的随后阶段。

2.跨步垫球技术下肢的运动学特征

左膝最大屈曲角度为60.6°，左膝最大蹬伸角度为159.5°，左膝关节的活动幅度为98.9°。右膝最大屈曲角度为59.89°，右膝最大蹬伸角度为119.8°，右膝关节的活动幅度为59.1°。膝关节屈曲幅度过大，就会造成膝关节伸肌群过大的对抗负荷，进而影响膝关节的伸展速度及躯干和上肢各环节的整体配合。反之，膝关节屈曲幅度过小又不能充分拉长伸膝主动收缩肌群，影响主动收缩前弹性势能的储备，进而影响到蹬伸效果。

六、结语

跨步垫球技术在比赛中与其他垫球技术相比应用广泛，技术结构较为合理。采用跨步，身体重心位于两支撑脚之间，支撑比较稳定。跨步垫球有利于肌肉用力的控制，也就可以较好地控制来球。

今后应结合三维动力学进行进一步的其他同类研究，通过同步装置，对跨步垫球进行运动学与动力学的同步分析，只有这样才能更全面地分析跨步垫球的技术特征和内在规律。

对于排球运动的技术原理等课题还有待于我们去深入研究，揭示其科学的本质和内在的规律、科学化发展，这样才可以更好地使排球运动得以更广泛的普及和更科学化的发展。

参考文献：

[1]黄汉升.球类运动――排球[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]桑迎春.排球正面垫球的教法分析[J].集思广益，2004（4）：30.

[3]邹灵通.谈排球教学中垫球的三个问题[J].学术论坛，2009（3）：287.

[4]陈新祯.排球垫球技术的练习及在比赛中的运用[J].泰安师专学报，2001，23（3）：83-85.

[5]林森.对排球垫球技术在比赛中运用状况的理论分析[J].沈阳体育学院学报，2004，23（1）：98-99，104.

[6]叶永延.运动生物力学（第二版）[M].北京：高等教育出版社，1998.

[7]邵伟德，等.论现代体育科学研究方法论的几个特征[J].北京体育大学学报，2002（4）：454-456.

[8]罗建新.论现代运动生物力学研究方法的基本特征[J].成都体育学院学报，2006（1）：104-106 .

[9]洪友廉.国际运动生物力学研究发展的现状和前景[J].体育科研，2009（2）：54-60.

[10]杨慧馨，杨雷.运动生物力学在武术动作技术分析中的应用现状研究[J].哈尔滨体育学院学报，2006（5）：145-147.

第6篇：人体运动生物力学研究范文

关键词：脊柱压力；坐姿；生物力学

在日常生活中，人们每天都要坐着，尤其是许多长期伏案工作的人员，如教师、白领、司机等许多长期处于静坐的人群而随着年龄的增长，容易产生各类腰椎疾病，（如腰肌劳损、骨质增生等）此类疾病的产生，对神经系统的伤害和刺激尤为敏感，而且对其他肢体部分的功能有着严重的障碍，从而对患者的日常生活工作，学习带来了诸多的不变。

1.脊柱的解剖学结构和功能概述

1.1脊柱的解剖学结构

脊柱是由24块椎骨、一块骶骨和一块尾骨构成，脊柱又分为颈椎、胸椎、腰椎。是人体的中轴，各个椎体之间由椎间盘相互连接，椎间盘中有髓核，髓核是一团亲水的胶状物。青年人的髓核内具有丰富的亲水性粘多糖[1]。髓核位于椎间盘的中央，内部胶状物由外部坚强组织即纤维环所包围，纤维环由纤维软骨组织构成。纤维软骨内粗大的胶原纤维环保证了纤维环承受屈曲和扭转时高负荷量。椎间盘成分类似于关节软骨，即坚韧又有弹性，在接受到压力刺激是会被压缩，除去压力后又会复原，所以椎间盘又会对外界对脊柱产生的压力起到一个缓冲和减震的效果。

1.2脊柱的功能概述

脊柱的功能单位又叫运动节段，是指两个相邻近的椎骨及其期间的软组织共分为前部和后部.。节段前部包括两个上下两层的椎体、椎间盘和前纵韧带。椎体主要承担来自躯干，上部的压力负荷，这种压力负荷从上到下逐渐增大，因此腰椎椎体比胸椎和颈椎的椎体都要宽而厚。这些较大的结构保证了腰椎能承受较大负荷。

椎间盘能承担和传递负荷，同时可以限制腰部过度运动，因此具有重要的机械和功能作用，椎间盘内部有髓核，其是一团胶状物，脊柱受力，髓核具有流体静力学的特点，是压力均匀分布在椎间盘，因此椎间盘作为一富水的组织，在整个运动节段中像一个垫子一样垫在椎体间，起到储存和传递负荷的作用。

运动节段的后部分配着脊柱的运动，由相应平面的椎弓、关节突构成的椎间关节、横突、棘突和各种韧带组成。脊柱各个平面可能存在的运功取决于椎间关节面在横断面和额状面的朝向，椎间盘的朝向变化在整个脊柱均存在。

2.不同坐姿下腰椎的受力分析

腰椎的负荷主要来自体重、肌肉收缩力、韧带产生的预应力和来自体外的负荷，而身体的不同坐姿可影响腰椎的负荷。在椎间盘内测量的体内研究发现，在不同坐姿情况下，腰椎的受力大小是不相同的，根据有关的压力测定结果值可知[2]。

2.1人体在放松坐位时，没有靠背的情况下，人体腰椎受到的压力是人体放松站立所受压力的92%。

2.2人体在绷直背部坐位时，人体腰椎所受到的压力是人体放松站立所受压力的110%。

2.3人体在极度屈曲的坐位情况下，人体腰椎所受到的压力是人体放松站立所受压力的166%。

2.4人体在有靠背的坐位时，人体腰椎所受到的压力是人体放松站立所受压力的54%，根据研究表明[3]靠背的不同角度，有无支撑物都对腰椎的受力有关：

（1）靠背呈90度角，椎间盘内压力最大，（2）同样的角度下增加支撑物，椎间盘内压力降低；（3）靠背向后倾斜呈110度角，但无支撑物条件下，椎间盘内压进一步减小（4）靠背向后倾斜呈110度角，增加支撑物可使椎间盘内压进一步减少；（5）将支撑物移向胸椎，使身体上部向前屈曲，腰椎向后凸出，椎间盘内压增加[4][5]。

3.小结

通过研究发现，不同坐姿对人体脊柱压力不同，对于那些长期处于静坐状态的工作者而言，保持正确的坐姿对于减少椎间盘压力，预防腰肌劳损、椎间盘功能退化及椎间盘突出等症状具有一定积极意义。综合上述文献可知，坐姿状态下工作时，应采取有110度后仰靠背的座椅，从而可以减小体重对脊柱的压力。同时我加强体育锻炼，尤其是腰背部肌肉力量锻炼，增加肌肉功能，对于调整人体脊柱压力负荷具有重要意义。（作者单位：南昌航空大学体育学院）

基金项目：南昌航空大学第九届三小项目。

参考文献

[1] UrbanJ.P，G， McMullin，J.F.. Swelling pressure of the the intervertebral disc：Influence of proteoglycan and colvan contents[J]. Biorheology. 1985， 22： 145.

[2] White，H.J. ，Neef，P.， Caimi，M.，et al. New in vivo measurements of pressures in the intervertebral disc in daily life . Spine ，1999，24，755.

[3] Andersson，G.B.J Ortengren，R.，Nachemson，A.，et，al. lumbar disc pressure and myoelectric back muscle activity during sitting .1974，6，104.

第7篇：人体运动生物力学研究范文

【关键词】 跟骨; 有限元分析; 建模; 生物力学

跟骨是人体中最大的跗骨 ， 对行走及负重有重要的作用。跟骨形态复杂 ， 呈不规则长方体 ， 上面有三个关节面 ， 分别为跟距前、中、后关节 ， 跟骨后关节面最长 ，长轴呈凸弧形斜向前下方 ， 组成跟距关节的大部分。以后关节面为界分为三部分 ， 后关节面以前为前部 ， 以后为后部 ，前窄后宽。在负重情况下 ， 足的距骨、跟骨必须正确排列 ，有足够的力量和高度来承受负荷跟骨骨折是临床常见骨折。跟骨骨折由于本身复杂的解剖特点复杂，现有方法对跟骨尤其是跟距关节面的生物力学分析有一定的难度[1，2]。本研究旨在通过Mimics建立高度仿真的跟骨模型，并且导入ANSYS中进行静压力分析，对跟距关节面的应力分布做简要分析。并通过此方法的建立，为研究跟骨骨折的生物力学研究建立初步方法。

1 资料与方法

1.1 研究对象

被测试对象:健康男性 1 名，身高170cm，体重60kg ，年龄30 岁。采用襄樊市中心 医院西门子螺旋CT对其进行足部扫描。

1.2 方法

用Simens多排螺旋CT对受试者的足部进行扫描，受试者呈仰卧位，从胫骨中段至足底进行连续螺旋扫描，将影像输入到 Mimics 10 11 软件(Materialise公司，比利时) 。

CT断层扫描图片以dicm格式导出，以Mimics软件(比利时)导入，形成三维图像，并且通过对感兴趣的部位(本文为跟骨)单独形成三维图像，再导出为lis格式，并且做smooth和mesh处理。然后将此文件导入ANSYS10.0(美国)，并以此面模型建立体模型。在跟距关节面上根据解剖关系划出软骨关节面范围，设定跟骨的四面关键点为不可位移的关键点，再在软骨面上施加正常成人体重的1/2约343N，得出应力云图及各个方向的形变[3]。

2 结果

2.1 Mimics软件可以顺利的将整个足的CT断层扫描数据 转化为3D模型，然后选取研究感兴趣的部分如跟骨单独成像。比传统CT图像胜在更直观，并去除了解剖结构的限制，可以从任意角度观察跟临床感兴趣的部位(图1)。

2.2 将跟骨单独形成三维图像后再导出为lis格式，并且做smooth和mesh处理，然后将此文件导入ANSYS10.0可以建立能够进行有限元分析的网络模型(图2)。

2.3 设定跟骨的力学特性密度泊松值和杨氏模量。选定跟骨底部四个点为约束点，跟距关节面上根据解剖关系划出软骨关节面范围后施加343N静压力，时间为1s(图3)。

2.4 求解可以得出在压力作用下跟骨模型的应力云图和各向形变。

根据设定条件， ANSYS提示跟骨之跟距关节面受压力后 跟骨内部的应力变化， 关节面部分为桔黄色代表应力较大，其中中中央部分为红色代表应力最大为7.17M Pa， 跟骨体部为绿色代表较大代表应力较小(图4)。

形变分析图示在跟距关节中央为红色提示形变最大为0.342mm，向外周延伸形变逐渐减小。这与临床跟骨骨折的常见表现类似。当应力超过跟骨本身的材料屈服标准时，跟骨就会发生不可逆的形变也就是骨折(图5)。

转贴于 　　3 结论

① Mimics可以方便的个体化建立准确有效的跟骨模型

② ANSYS可以在方便快捷准确的分析跟骨跟距关节的的各种力学特性，比如静力分析。比较复杂的比如接触分析，在建立肌腱软骨的正常模型的基础还可以进行运动分析。

③ 静力分析表明跟距关节在正常静压力下，跟距关节的压力峰值集中在跟距关节中心，形变也与压力相应分布在附近。这和临床实践所见是相符合的。

4 讨论

有限元分析软件已经由过去对生物体材料几何结构的简单模拟和近似计算，发展到能对人体各组成部分复杂的非均质性结构进行真实模拟和精密分析，成为现代人体生物力学研究的一种重要工具，尤其是应用在口腔颌面外科和骨科方面。有限元分析的基础是模型的建立和网格的划分。过去缺乏建模工具，往往采取直接更具结构的几何外形建立节点和单元而得到有限元，模型，一般只适合简单的结构系统，无法完全反映正确的人体骨性结构。应用CT或MRI的计算机三维影像重建虽然可以直观地反映人体结构，为临床提供部分诊断信息，但无法以此直接进行生物力学分析。MIMICS是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的数据(CT、MRI)，建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD(计算机辅助设计)、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在PC机上进行大规模数据的转换处理。本研究主要使用的是MIMICS FEA模块，MIMICS FEA模块可以将扫描输入的数据进行快速处理，输出相应的文件格式，用于FEA(有限元分析)及CFD(计算机模拟流体动力学)，用户可用扫描数据建立3D模型，然后对表面进行网格划分以应用在FEA分析中。FEA模块中的网格重新划分功能对FEA的输入数据进行最大限度的优化，基于扫描数据的亨氏单位，可以对体网格进行材质分配[4，5]。本研究成功地建立了以正常人体跟骨螺旋 CT扫描影像为几何依据的有限元模型。以往建立的医学有限元模型由于软件功能单一、 网格划分算法少、 人体组织结构形状不规则等原因，需要进行适当的简化和假设，在精度方面有一定的缺陷，而且模型创建过程环节多、 成本高、 周期长，进一步限制了其应用。此方法具有便捷、 高效、 准确、高度自动化的优势。通过初步建立的跟骨模型，分析了简单的静力分析，得出的结论和临床实践相符，证明Mimics和ANSYS结合是骨科生物力学分析的有利工具。另外，如建立肌腱软骨的正常模型，就可以方便的在ANSYS中实现对跟距关节面的动态分析，还可以利用Mimics中的CAD模块插入内固定物，实现内固定物对骨折的固定效果的力学分析，具有广泛的用途。

参考文献

1 朱仕文， 杨明辉， 武勇. 跟骨关节内骨折的诊断与治疗. 中华创伤骨科杂志， 2006 ， 8 (5) : 472～474.

2 梁军， 胡滨成. 跟骨的形态结构特点及其临床意义. 中国临床解剖学杂志， 2000 ， 18 (2) : 118～120.

3 Oguz Kayabasi ， Fehmi Erzincanli . Finite element modeling and analysis of a new cemented hip prost hesis. Advances in Engineering Software ，2006 ，37 (2) :477～483.

第8篇：人体运动生物力学研究范文

1. 内蒙古医科大学，内蒙古呼和浩特 010110；2.内蒙古医科大学第二附属医院脊柱外科，内蒙古呼和浩特 010059

[摘要] 三维有限元分析法是研究脊柱生物力学的重要手段之一。随着三维有限元分析软件技术的日趋成熟和对脊柱生物力学的认识不断加深，为相关学者对治疗脊柱相关疾病过程中的应力分析影响研究提供了有利条件，并日益受到医学界的重视。本文从有限元法概念及原理、构建脊柱有限元模型的作用、有限元在脊柱畸形研究中的应用及其医学应用前景等方面综述了近年来的一些研究进展。

[关键词] 有限元法；生物力学；脊柱

[中图分类号] R682.3 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2014）03（a）-0166-03

Finite element analysis of progress in application of ankylosing spondylitis kyphosis deformity

ZHU Lei1 HUO Hongjun2

1.Inner Mongolia Medical University， Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot 010110， China； 2.Department of Spinal Surgery， the Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University， Inner Mongolia Autonomous Region， Huhhot 010059， China

[Abstract] The three-dimensional finite element method is one of the most important methods in the study of spine biomechanics. With the maturing application of the three-dimensional finite element analysis software and further studies on spine biomechanics， it is creating favorable conditions for scholars on stress analysis influence research in spine-related disease treatment， and it is increasingly regarded in medical field. This article shows the concept and principle of finite element method， function of construction of spinal finite element model， application of finite element method in spine deformity， potential medical applications and so on.

[Key words] Finite element method； Biomechanics； Spine

强直性脊柱炎后凸畸形是强直性脊柱炎并发脊柱畸形的晚期的常见表现，其在生活中主要表现在是使患者难以保持人体的重心，两眼看地，难以向前平视，给站立和行走造成了很大功能障碍，使患者的生活质量严重下降，而治疗这类患者的有效手段就是截骨矫形术[1]。有限元法的基本方法是把独立的集合体离散化，简单的说，就是把一个由无限个单元组成的连续体进行划分，使其成为有限的具有力学特性的简单单元，用简化后的已知单元来近似原有的连续体，然后进行解析。其过程有三个基本阶段：有限元模型的建立（即前处理）、有限元解算、结果处理和评定（即后处理）[2]。通过有这种方法能够进行数字重建并在该基础上进行手术过程的模拟，使术者对整个手术过程有更加全面的了解，对术可能出现的问题及应注意的事项作全面的分析，对手术的方案具有指导意义[3]。

1 有限元法概念及原理

建立一个等价的模型使其替换原有的真实结构，此模型是由无数个分散的单元（即有限元素）组成的连续体，且其中这些单元易用数学语言表达，按照一定规律保证其连续性，将它们还原成可以用线性代数描述的真实的连续结构，通过运算可以解析出所需物理量的方法即有限元法，又称为有限元素法（finite element method，FEM）。将单独的弹性体进行离散化，使其成为由有限个单元所构成的连续体，而连续合体内的各个单元只能够在有限个节点上进行交接，其中全部的节点仅具有有限个自由度，在此条件下进行解析成为可能，这就是有限元分析的方法。将微分方程的持续形式转换成数学方程组，是其在数学意义上的表达。而有限元法亦是凭借位移法的思考方式，以能量转换的原理为基础，利用矩阵代数形式进行表达的一种数值方法。有限元法对处理各种纷乱的边界条件和繁琐的几何形状非常有效，且可以有效的解决各类杂乱的材料及其属性。而如果利用计算机软件来模拟人体体内的一些情况，可以通过控制一些实验室的条件，例如有限单元、自由度等来完成。这种方法在骨科生物力学中开始逐渐应用起源于20世纪70年代，而直到20世纪90年代，随着电脑技术的不断发展升级，计算机图像处理技术和电脑软件的联系逐渐加深，从而才出现的数字医学有限元分析（DM-FEM）技术。现在有限元分析早已成为探索骨科生物力学秘密的常用方法了[4-5]。现行有限元分析的软件种类十分繁多，且基本上都是国际通用的，他们在汽车制造、模具的研发、医学等领域的有十分广泛的应用。ANSYS、MARCABAQUS、ABAQUS等各个有限元软件利弊，但它们的运算方法大多类似，基本一致。如今有限元分析早已成为独立的研究骨科生物力学的手段，且早已不是最初以观察和验证某些实验的结果为目的而应用的了。

2 有限元模型在骨科应用中的优劣分析

2.1 有限元模型的优势

首先通过有限元模型可以模拟许多实体的变化，例如强直性脊柱炎后凸畸形矫形术前与术后的对比，脊柱截骨术前后脊柱形状的改变等；其次是在生物力学方面的研究，例如椎骨与椎间盘之间的生物力学变化，对它们内在的张力和应力进行有限元分析，对于寻找出骨适应性变化的原因有重大帮助，并且这对进行实体模型的负载应力实验研究亦有重要意义，而在其他实验中无法做到这些；然后通过有限元模型可以对脊柱器械元件长短、厚度的设计、材料的选用进行分析，在新的脊柱器械仍在研发阶段时对其进行评估；再次有限元模型能对损伤及退变、结核等多种病变进行模拟；最后该模型可以模拟肌肉对脊柱力学的影响。所以这种方法在进行脊柱运动学、脊柱动力学和脊椎及椎间盘内部的生物力学变化等各种研究方面拥有很大优势。

2.2 有限元模型的局限性主要存在两个方面

第一方面，该模型的建立过分依赖标本的实验研究：首先，要建立有限元模型，需要与实验模型进行对比，而实验模型往往是从已经做过的或者文献中搜寻到的较为合适的，将两者的结果进行对比，它们的吻合度高表示该模型的有效性好，这是验证有限元模型的有效性的方法。但是建立的数学模型能够很好的表达实验结果，可当其单独的进行预测的时候，其作用有限；其次，有限元模型建立的完全取决于模型的构成，能否取得合理的数据，直接影响着模型建立的结果。而有限元模型的本身并不能直接得到数据，它取得数据的最主要渠道就是从实体标本模型中获得，例如各种骨和软组织的材料的特征数据，然而这些数据并不是完全正确的，这其中包含了许多原有的错误，且这些数据并不是都适用于数学模型，更重要的有些数据甚至根本无法取得，这是有限元模型不能够理想建立的重要原因。第二方面，有限元模型存在太多的简化和假设：首先，与实体的标本和活体的实验进行比较，数字模型的建立是由对其进行实验的人员进行自由地对其进行各种假想，选用不同的材料及属性，对实验进行相对理想的简化，更重要的是对各种繁杂成分的材料的生物力学特性作理想化的简化假设，这样能够使得模型的有效性更为重要也更加难以实现。其次，椎体的完整形态与其相邻的椎体的位置关系对预测脊柱椎体间的生物力学关系有很重大的意义，但这些数据都是在CT断层片中获取的，或是从实体标本中取得的相近值。要建立脊柱有限元模型中脊椎的几何形态，首先应将其进行简化，以相对简单的构件来进行相对真实的几何形状模拟，用这样的方式建立的几何形态并不准确。

3 有限元法在脊柱畸形研究中的应用

有限元模型的离散化是指将一个由无限个单元所组成的集合体划分成有限个的有力学特性的已知的简单单元，这是其基本原理，这也是一种全新的生物力学测试方法。利用此方法的有限元模型能够与先前的实体进行替换，按照先前实体的材料及其应该的加载的力学状态，按照其所需要的类型进行挑选，在各个单元之间通过节点进行相连，使力在节点之间传递。而用单元节点量通过选定的函数关系插值可以求得单元内部的待求量[6]。

为了对脊柱侧凸、后凸畸形矫形手术中，椎体在术前与术后中的的改变进行比较，应用数字成像技术，在脊柱畸形矫形手术中，定量分析矫形定位的椎体并对其旋转和形矫形进行量化对比，Dumas等[7]运用此方法来评估脊柱侧凸、后凸畸形的程度及观察手术效果，所以掌握脊柱相关病变的病理性变化对于确诊和制定手术方案具有重要的意义。

晚期强直性脊柱炎后凸畸形必须进行脊柱截骨矫形手术，这是治疗这类疾病的有效手段。生物力学（Biomechanics）是一种将力学原理应用在生物体生命活动规律的一门学科，它把各个单一的学科整合在一起，使其相互叠加、共同作用形成了一门的新的将力学应用于生物学的新学科[8-10]。由于不同类型柔韧性评估方法根据其力学原理的异同，在各类脊柱侧凸中，采用相同的力学加载，所得到的结果必然不同。这为在不同力学加载产生的脊柱侧凸的形状进行的柔韧性评估方法的问题探索给出了重要的根据[11]。利用生物力学的有限元方法，可以针对具体病例、具体矫形器械和矫形策略进行模拟，预测术后矫形结果，分析术中参数选择对结果的影响权重，进而指导手术规划。Lafage等[12]为了对CD系统的矫形策略进行探讨，建立了以具体病例为依据的梁单元模型，这不仅仅让人们对胸腰椎侧凸矫形的上下端椎位置改变对术后矫形结果的原因有了深入的了解，更重要的是其引入了侧凸脊柱的刚度变化这一重要概念。Rolmann等[13]在ABAQUS软件中建立了简化的胸腰椎侧凸有限元模型，以加载方式为变量，初步讨论了前路VDS系统的矫形策略。为了对支具、器械与生长调制等进行实验研究，是Aubin等[14]利用从CT断层片中取得的数据，建立起了人体胸腔和脊柱的数字模型，与实体标本中取得的数据进行比较，有较高的吻合度，从而建立起了相对完整的数字模型，并以该模型为基础模拟出相应的各种用具。而通过器械治疗胸腰椎侧凸过程，是Poulin等[15]用ADAMS软件模拟出的。模拟手术的重要目的之一是分析脊椎的安全性，Lafage等[12]依照真实的病例重建了数字模型，希望能表达出椎间软组织的弹性变形，为此还引入侧凸脊柱的刚度变化，但却将脊柱的骨性结构作为刚体来相近处理，所以根本不可能取得与脊柱生物力学相符的力学变化，这明显不能够实现。Rohlmann等[16]利用数字模型比较了前、后路内固定器械的稳定性差别，并建立了颇具代表性的腰椎模型。这些工作都还处于初级阶段，但是已经展示了有限元方法在手术规划领域的广阔应用前景。

4 三维有限元的应用前景

利用生物力学的有限元方法，可以针对具体病例、具体矫形器械和矫形策略进行模拟，预测术后矫形结果，分析术中参数选择对结果的影响权重，进而指导手术规划。有限元分析的结果取决于不同因素对其产生的影响，其中包括模型的建立，不同模型间形状和材料属性的异同，还有对其负荷加载的差异等等，但这种分析研究的方法对在脊柱生物力学方向上有着极其广泛而又深入的探索。

Rohlmann等[17]在ABAQUS软件中建立了简化的胸腰椎侧凸有限元模型，以加载方式为变量，初步讨论了前路VDS系统的矫形策略。脊柱力学特性研究的较为常用的方法是有限元法，从基本原理的角度看，其能够应用于任何的复杂结构，可在脊柱的力学特性方面，还有许多尚无法解释的难点，例如颈椎有限元模型的建立，就仍需要继续去验证。所以要用数字模型来模拟近乎真实的人体，还有很长的路要走。近年来由于计算机科技水平的持续提高，且对探索脊柱组织力学特性的需要逐渐深入，数字模型的建立将可以逐渐真实的对脊柱在各种状态下的生物力学变化进行模拟，这对临床病例上遇到的常见难题会有更加透彻的了解，从而可以给医生在生物力学方面提供更好的参考。有限元方法是脊柱生物力学研究的有效方法，由于电子科技水平的持续性提高，且在生物力学领域的的探索的逐渐深入，这不仅使有限元软件的技术水平得到了提高，还将对脊柱生物力学的探索引向更深入的层次。

[参考文献]

[1] 宋若先，张永刚.强直性脊柱炎后凸畸形矫形修复中截骨方法的进展[J].中国组织工程研究，2012，21（17）：586-587.

[2] 古成中，吴新跃.有限元网格划分及发展趋势[J].计算机科学与探索，2008，2（3）：248-259.

[3] 李景欣，瞿东滨，王博亮，等.计算机辅助设计在强直性脊柱炎后凸畸形矫形手术中的应用[J].中国临床解剖学杂，2008，26（6）：619-623.

[4] 傅征，梁铭会.数字医学概论[M].北京：人民卫生出版社，2009：72-73.

[5] 裴国献，张元智.数字骨科学[M].北京：人民卫生出版社，2009：504-505.

[6] 倪伟峰，徐建广.有限元法在脊柱结构和腰椎融合生物力学评价中的应用[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12（30）：5949-5952.

[7] Dumas R，Steib J P，Mitton D，et al. Three-dimensional quantitative segmental analysis of scoliosis corrected by the in situ contouring technique [J]. Spine （Phila Pa 1976），2003，28（11）：1158-1162.

[8] Kupczik K. Virtual biomechanics：basic concepts and technical aspects of finite element analysis in vertebrate morphology [J]. J Anthropol Sci，2008.86：193-198.

[9] Ross CE. Finite element analysis in vertebrate biomechanics [J]. Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol.2005，283（2）：253-258.

[10] Hu Y，Zhao HY，Xu RM. Biomechanical application of finite element method in upper cervical spine [J]. Zhongguo Gu Shang，2012， 25（3）：262-266.

[11] Little JP，Adam CJ. The effect of soft tissue properties on spinal flexibility in scoliosis：biomechanical simulation of fulcrum bending [J].Spine（Phila Pa 1976），2009，34（2）：E76-82.

[12] Lafage V，Dubousset J，Lavaste F，et al. 3D finite element simulation of Cotrel-Dubousset correction [J]. Computer Aided Surg，2004，9（1-2）：17-25.

[13] Rohlmann A，Richter M，Zander L et al. Effect of different surgical strategies on screw forces after correction of scoliosis with a VDS implant [J]. Eur Spine J，2006，15（4）：457-464.

[14] Aubin CE，Petit Y，Stokes IA，et al.Biomechanical modeling of posterior instrumentation of the scoliotic spine [J]. Comput Methods Biomech Biomed Engin，2003，6（1）：27-32.

[15] Poulin F，Aubin CE，Stokes IA，et al. Biomechanical modeling of instrumentation for the scoliotic spine using flexible elements： a feasibility study [J]. Ann Chir，1998，52（8）：761-767.

[16] Rohlmann A，Zander T，Bergmann G. Comparison of the biomechanical effects of posterior and anterior spine-stabilizing implants [J]. Eur Spine J，2005，14（5）：445-453.

第9篇：人体运动生物力学研究范文

关键词　推拿　力学　构建　研究　方法　教学

1、《推拿力学》教材建设的意义

推拿是一门古老的中医外治技术，经过几千年的临床实践，其疗效和使用价值勿庸置疑。在我国高等中医院校的推拿专业课程设置里，主要有《推拿功法学》、《推拿手法学》和《推拿治疗学》三门，综观三门课程的知识内容，基本上都是对古人经验的总结和整理，内容虽然丰富，但仍然属于经验医学。中医药现代化是时展的必然趋势，作为中医学有机组成部分的推拿学也必然要跟随时展的步伐。充实和更新学科知识内容，特别是运用现代物理力学原理、手段和方法研究古老推拿学所产生的、具有现代科学内涵的新的知识内容，将是推拿学向前发展和走向现代化的坚实步伐，将为本学科的发展注入新的活力。不仅如此，将力学的定性定量研究思维引入以经验为主的推拿医学，将为手法的作用实质和量化规范性操作提供坚实的理论基础。构建一本好的《推拿力学》教材，以此为基础进行教学实践探索，学生在继承学习传统经典推拿知识的同时，运用现代力学的原理对这些知识进行新的认识和思考，以及在教学过程中探索新的人才培养模式，培养大量高层次的人才，这对本学科的发展具有不可低估的深远意义。

2　理论准备

在探索将传统推拿经验医学知识进行现代诠释的理论准备过程中，我们寻找过很多的方法和路径，比如动物实验、临床医技手段和解剖学原理等，但这些路径和方法，要么对本学科问题的解决显得点点滴滴不够全面，要么不能切中要害解决不了根本问题。手法的最大特点在于“手法作用于人体，以力为作用特征[1]”，手法的运用过程其实质就是一个力的运用过程，传统手法医术要与现代科学相结合，从力的研究入手是一个最佳切入点。因此，可以把“力”的概念作为运用现代科学思维方式研究手法医学的桥梁和纽带。

3　《推拿力学》的教材构建

教材的主要知识内容是运用借鉴现代物理学中力学的研究方法，通过对手法、功法和治疗的力学分析，剖析手法对人体的作用方式和作用实质，介绍手法的力学基础、力学特性、力学作用原理、动力学效应、生物力学效应等，现将主要内容介绍如下。

绪论部分主要阐述推拿力学的基本概念、源流、编写目的、意义、学习方法、临床运用价值、学科研究发展方向等。

在手法的力学基础章节里，阐述与手法医学密切相关的力学概念，例如刚体、力、力矩、笛卡尔坐标系、平衡、平移、位移、旋转、自由度、运动学、载荷、阻力和时间等，并结合本学科的特点，介绍这些概念的临床应用及意义。力学分析的一些基本要术，比如力的大小、方向、作用点、时间、长度等，与之相关的还有向量、质量、速度、加速度、频率和固有频率等等；动力型位移、静力型位移、张力型位移、生理性载荷、病理性载荷、功能性载荷、组织结构力学、剪切力、拉伸力和压缩力；定义举例；耦合运动；三维空间上的螺旋轴；物理力学分析方法、力学计算公式，与本学科相结合的临床应用及其意义。

在手法的力学和生物力学特性章节里，运用借鉴现代物理学对力学的研究方法，来分析主要手法的力学特性，画出主要手法的力学分析图[2、3]，给出力臂、力矩、作用点、动力等力学作用因素，对某些手法(如一指禅推法、按法等)给出其力学计算公式，从物理学角度来量化手法的作用量(治疗量)，为合理科学的手法操作打下基础。结合人体的生物力学特性，描述和预测在手法外力作用时，人体静态和动态力学结构的发生、发展和变化，以及皮肤、皮下组织、血管、神经、肌肉、韧带、淋巴等组织结构所产生的收缩、舒张、酸、胀、麻、热等生物学效应。

在推拿力学的研究方法章节中，主要介绍以下几种研究方法，一是离体研究方法，二是在体研究方法，三是数学模型研究方法，四是骨性模型研究方法。基本的实验手段，编写三种，分别是强度实验、稳定实验和疲劳实验。推拿力学主要实验指标。

手法的力学作用原理和动力学效应。通过对手法力学特性的分析，运用力学理论来阐明手法对人体的作用方式和作用途经，分析手法中的主要作用因素、次要作用因素和无效作用因素，为提高手法的操作效率打下基础。从物理学角度，结合手法的作用点、力的大小、方向、幅度和频率等因素，阐明各个手法作用力作用于物体时所产生的动力学效应，例如：冲量效应、热效益、动量效应、位移效应等。本部分分为三个章节编写，一是手法的动作结构、运动学和运动学规律；二是六大类24个基本手法的力学结构、力学原理，画出力学变化图，探讨手法的合理性；三是手法运动生物力学实验，包括手法运动生物力学的研究方法、实验仪器及其应用、手法力学信息测录系统和信息计算机处理系统。

在功法力学部分，主要研究了易经筋十二个功法和少林内功中站裆势、马裆势、弓箭裆势、跨裆势、并裆势、大裆势、悬裆势、坐裆势、低裆势、磨裆势、亮裆势、前推八匹马、倒拉九头牛、霸王举鼎、风摆荷叶的力学模型及其基本结构，重点描述每一个动作结构的力学原理，对人体整体结构的影响，对人体局部肌肉、骨骼和关节的影响，从力学角度分析探讨动作原理、力学根据，对重点锻炼部位画出力学分析图，给出力学计算公式，探讨功法锻炼的合理性。

在治疗学部分，主要从手法的力学效应上进行编写，选择了颈椎病和腰椎间盘突出症两个疾病，根据每个疾病的生理特性和病理改变，与手法的力学原理相结合，遵照循证医学的观点，有理有据地分析手法运用的根据，从力学原理提出疾病的治疗处方，提出每个疾病手法治疗的作用点、力的大小、力的方向、力的作用时间、频率高低和振幅大小等因素的参考值。

在附篇部分还介绍了手法治疗与临床应用研究，主要探讨手法对局部组织器官和人体系统的作用。

4　教学实践

教学实践的目标是通过《推拿力学》的教学活动，使学生从根本上摆脱沿袭了几千年的“就手法而学习手法”模仿式学习，打破“经验教学”的旧框架，培养学生运用现代科学的研究手段和思维方式来对古老的手法医学做出全新的认识和理解。教学实践的目的是对教材内容进行实践检验，探索其科学性、正确性和有效性，为进一步修正提高打下基础。教学实践活动分以下步骤进行。

在编写教学计划和实施方案的基础上，选择我校2004级针灸推拿专业五年制和七年制两个班进行教学实践，以王国才主编的“十一五”国家级规划教材《推拿手法学》为主干教材，在学习该教材的同时，讲授《推拿力学》的相关知识内容，总共54学时。在教学过程中，我们邀请了本校和外校各两名专家共听取了8学时的课，课后专家均以书面评价形式对本教材和教学过程予以了较高评价，并对进一步完善和修改提出了宝贵意见。设计了学生问卷调查表，以“A、该教材很有价值对教学具有积极的促进作用”、“B、该教材价值一般对教学促进作用不太大”和“c、该教材使用价值不大对教学没有促进作用”三个问题供学生以不记名方式自由选择，两个班共211人，回收211份调查表，选择“A”的学生206名，占总数的97．6％，选择“B”的学生5名，占总数的2．4％，无选择“C”的学生。

5　认识与体会

力学贯穿了整个推拿医学的始终，虽然本教材还不够成熟，甚至有很多错漏之处，但这毕竟是一种学科的创新之举，是一种有益的尝试，特别是对本学科的现代化提供了一种启迪和思路，应该代表了本学科的发展方向。就目前而言，临床上手法操作十分混乱，各施各法，没有统一的规范和标准，手法的量效关系也一直不能够确定和量化，本教材的编写和完善，将为解决长期制约本学科向前发展的根本性问题带来希望。

参考文献

[1]　严隽陶．推拿学．北京：中国中医药出，2003，66

[2]　张建华，孙安达，张之晨．推拿手法的用力技巧．合肥：安徽科学技术出版社，1992：1