上肢生物力學(xué)建模和典型運動的生物力學(xué)研究

□ 崔志勇(鄭州大學(xué)體育學(xué)院 河南 鄭州 450044)

人體是一個復(fù)雜而各異的復(fù)雜系統(tǒng)，由于個體活體實驗具有局限性，因此人體生物特性的研究也隨之發(fā)生困難。人體上肢生物力學(xué)是通過建立骨骼和肌肉組織建模來完成的，這一建模中通過對肱骨、尺骨、肩胛骨以及鎖骨等連接肌肉，并建立22根肌肉的直線模型，可以精確獲得骨骼的輪廓相關(guān)信息，為人體上肢的生物學(xué)力學(xué)研究提供了較為完整的具有高相似性的模型。在“骨骼-肌肉”模型基礎(chǔ)之上，建立了三根骨組成的自由度模型，以便上肢和前臂運動的完成，通過驅(qū)動產(chǎn)生的復(fù)雜運動，對人體上肢的動力學(xué)進(jìn)行了分析。

1、上肢運動學(xué)的研究現(xiàn)狀

人體骨骼的運動學(xué)為人提供了不同狀態(tài)下可能產(chǎn)生的運動學(xué)的位移、速度和加速度等參數(shù)，注重肌肉和韌帶的作用力以及關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力。為了適應(yīng)人體運動所需應(yīng)變情況的真實性，生物力學(xué)的合理研究便捷條件就有其重要的現(xiàn)實意義。

隨著精細(xì)化程度的提高，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展越來越多的將科技引入到骨肌系統(tǒng)模型仿真人體的運動中來，全面系統(tǒng)的模擬全身各部分骨骼和肌肉的組織，通過三維高速影像系統(tǒng)定點確定變換位置，使骨骼間相互協(xié)調(diào)建立骨骼軌跡。1996年這一上肢部分骨肌系統(tǒng)的項目完成實現(xiàn)了上肢運動的仿真實驗。

2、上肢動力學(xué)模型的建立

本文在研究人體“骨骼-肌肉”系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，所進(jìn)行的動力學(xué)和運動學(xué)分析應(yīng)用廣泛，人們可以根據(jù)人體動力學(xué)的相關(guān)原理和建模數(shù)據(jù)提煉，指導(dǎo)運動康復(fù)器械設(shè)計和人體機(jī)能的恢復(fù)等等，甚至在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域里也同樣具有現(xiàn)實意義。當(dāng)前，肌力是無法通過在體測驗測量完成的，大多采用肌肉骨骼系統(tǒng)建模和肌電圖的激活信號等方法。

要測得受試者的身高、體重、前臂長度、前臂近端的圍長、上臂長度和上臂近端的圍長，對幾何模型進(jìn)行簡化，圓柱形的棒骨模型代表骨骼模型，圓柱體代表肱骨，圓柱體代表尺骨和橈骨，并且建立各自獨立的局部坐標(biāo)系，構(gòu)件為坐標(biāo)系固定的基礎(chǔ)，圓柱體的軸心是局部坐標(biāo)系的z軸，轉(zhuǎn)動半徑長度為半徑長度，不同測試者的人體測量學(xué)參數(shù)不變。骨骼的每一個rigiddbody在全局坐標(biāo)系統(tǒng)下，運動參數(shù)都包含平移矢量txd、ty、tz，旋轉(zhuǎn)矢量為θx、θy、θz。根據(jù)rigidd body和marker的關(guān)系，通過轉(zhuǎn)化矩陣就可以測得運動學(xué)參數(shù)。再根據(jù)解剖學(xué)參數(shù)確定剛體質(zhì)心的位置，就可以得出每一個剛體質(zhì)心的運動學(xué)參數(shù)。

3、屈曲運動的動力學(xué)仿真實現(xiàn)

本文選取的典型案例是以一個年齡為36歲的成年正常男子為例（身高171cm，體重74,1kg，上臂長度31.5cm，前臂長度33.8cm，上臂近端圍長3.8cm，前臂近端圍長27.6cm），右前臂在矢狀面內(nèi)的屈曲運動，從中立到運動完成，需要5s的時間做完整的動作，可以測得最大屈肘角度為150度左右。在完成前臂從中立到最大彎曲再返回中立的過程中，z軸圍繞圓心做鐘擺式運動，即地球坐標(biāo)系下的z軸位移數(shù)值逐漸增加到最大值后遞減到初始數(shù)值，而x軸方向的位移數(shù)值則沒有發(fā)生較大數(shù)值的變化；y軸位移矢量增加到屈曲90度后減小，待伸展后又增加，到垂直后再減少，循環(huán)往復(fù)。通過測量可以看出，前臂運動過程中，矢狀面內(nèi)肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩在屈曲60°的時候達(dá)到最大值，屈曲角度的增加，矢狀面內(nèi)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩降低，直至屈曲達(dá)到150°以上，保持0°為0.54Nm。冠狀面內(nèi)肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩則與屈曲角度是正比關(guān)系，隨著角度的增加而增加，隨著角度的減小而減小，在屈伸過程中，可產(chǎn)生屈曲運動的加速度。橫斷面內(nèi)基本保持不變。

4、總結(jié)

上肢作為人體重要組成部分，是協(xié)調(diào)人們完成各種復(fù)雜運動的基礎(chǔ)，因此在日常生活中，上肢關(guān)節(jié)是提高人活動范圍和能力的基本保證。然而，人們在運動中會造成對上肢肌肉或者骨骼的損害，因此對上肢運動的生物力學(xué)研究，預(yù)防上肢運動的損害性，有重要的現(xiàn)實意義和指導(dǎo)作用，為提供適合中國人肩關(guān)節(jié)的需要提供建議和參考。當(dāng)然，模型的建構(gòu)中存在不足，比如肌肉的直線連接，與真實的肌肉弧線組織有差異等，都需要進(jìn)一步完善，這一項工程不是一蹴而就的，需要反復(fù)試驗，盡量減少人為的干預(yù)，為臨床手術(shù)提供輔助設(shè)計，不斷加深對人類自身的認(rèn)識程度，為上肢生物力學(xué)研究提供更廣闊的空間和真實有效的結(jié)果。

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