人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)模型和肌肉模型研究

郭琳

摘 要：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)人體建模中最重要的任務(wù)之一包括髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)的建立，在人體肌肉力學(xué)模型的創(chuàng)建中存在著很多不同的意見(jiàn)主要表現(xiàn)在髖關(guān)節(jié)周?chē)∪獾暮?jiǎn)化到最后髖關(guān)節(jié)力學(xué)模型的建立。文章主要任務(wù)是創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的肌肉模型，使髖關(guān)節(jié)周?chē)募∪饽軌虻玫阶畲蟪潭鹊睾?jiǎn)化，從而建立合理的檢測(cè)模型。膝關(guān)節(jié)力學(xué)模型和髖關(guān)節(jié)力學(xué)模型都是下肢力學(xué)模型中比較重要的兩項(xiàng)內(nèi)容，但目前來(lái)看，有關(guān)髖關(guān)節(jié)力學(xué)模型的研究無(wú)論是從深度還是廣度上來(lái)說(shuō)都不及膝關(guān)節(jié)。以前關(guān)于髖關(guān)節(jié)模型的研究主要是建立在生理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，由于參數(shù)的確定均與生理實(shí)驗(yàn)相關(guān)，所以致使模型中參數(shù)沒(méi)有較明確的力學(xué)意義，促使對(duì)以后的研究造成很大的困難，為了后續(xù)的研究提供一定的參考和方便必須建立一個(gè)較為合理的人體髖關(guān)節(jié)力學(xué)模型。

關(guān)鍵詞：髖關(guān)節(jié)肌肉模型；生物力學(xué)；膝關(guān)節(jié)

引言

人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)送生物力學(xué)模型研究屬于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究范疇，而運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是運(yùn)動(dòng)科學(xué)中起步較晚，發(fā)展卻很迅速的一門(mén)學(xué)科，其研究范圍比較廣泛，主要包括生物與測(cè)量學(xué)、生物力學(xué)模型的建立和生物運(yùn)動(dòng)機(jī)制的電腦模擬等。其中，人體自身的研究是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)中一個(gè)重要的研究方向，主要通過(guò)建模來(lái)實(shí)現(xiàn)。

髖關(guān)節(jié)是人體最大的一個(gè)關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與活動(dòng)度兼?zhèn)?，能夠高效地維持人身體的運(yùn)動(dòng)和平衡。髖關(guān)節(jié)是由盆骨和股骨兩部分組成，通過(guò)股骨頭和髖臼連接在一起，大概有二十條肌肉參與了髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。近年來(lái)，髖關(guān)節(jié)在生物力學(xué)的基礎(chǔ)理論研究和骨科臨床的應(yīng)用研究中都是非常受重視的環(huán)節(jié)。

1 髖關(guān)節(jié)力學(xué)模型和肌肉模型的概況

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的能取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，是與國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷的努力換來(lái)的結(jié)果，從而誕生了許多人體關(guān)節(jié)模型研究的成熟理論。人體關(guān)節(jié)力學(xué)模型的建立主要包括以下幾個(gè)部分：肌肉力學(xué)的研究、關(guān)節(jié)周?chē)∪獾暮?jiǎn)化、關(guān)節(jié)肌骨力學(xué)模型的建立、模型調(diào)試和模型驗(yàn)證。

肌肉張力-長(zhǎng)度特性和肌肉張力-速度特性是肌肉得以正常收縮的兩個(gè)重要關(guān)系，兩者既相互制約又相互影響。1938年，經(jīng)典Hill方程的得出，使人們第一次從量的角度認(rèn)識(shí)到了肌肉張力-速度的變化關(guān)系。Huxley從橫橋和肌動(dòng)蛋白理論的微觀角度得出了橫橋模型，其與Hill方程具有很強(qiáng)的相似度。兩者的正確性得到了后來(lái)學(xué)者的研究認(rèn)同。肌肉是動(dòng)作的主要肌肉（原動(dòng)機(jī)）、肌肉不是動(dòng)作的主動(dòng)肌肉，在運(yùn)動(dòng)中被拉伸的這兩種形式是肌肉張力-長(zhǎng)度特性的兩種表現(xiàn)方式。在等張條件下肌肉張力-長(zhǎng)度曲線中最大作用力比較大，對(duì)應(yīng)的肌肉比較長(zhǎng)，在運(yùn)動(dòng)荷載相同的條件下獲得的肌肉張力-長(zhǎng)度曲線中的最大力與同樣情況下用等長(zhǎng)條件所獲得的的最大力相比有相當(dāng)大地減少，骨骼肌不同工作條件下獲得的數(shù)據(jù)將不能進(jìn)行合成。當(dāng)前的關(guān)節(jié)的肌骨模型研究瓶頸主要在于完整的肌肉張力-長(zhǎng)度-速度模型的建立，而不是將兩者孤立起來(lái)研究。

現(xiàn)在，研究關(guān)于下肢肌肉功能模型越來(lái)越多。2000年，一個(gè)解剖基人體下肢的生物動(dòng)力模型有王西十、白瑞蒲所提出，該模型可以在仿真人體下肢運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)之上，計(jì)算人體下肢的沖擊荷載或下肢節(jié)作用反力和肌肉群力，基本上堪稱(chēng)一個(gè)完整的二維人體下肢解剖模型。

隨著人體動(dòng)力學(xué)模型研究的不斷深入，人體動(dòng)力學(xué)的建模正在走向由整體到局部、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展道路。單純的肌肉張力-長(zhǎng)度或肌肉張力-速度模型以滿(mǎn)足不了對(duì)肌肉的研究，并且模型中的參數(shù)越來(lái)越多，越來(lái)越精確。

2 肌肉力學(xué)模型的建立

2.1 肌肉生理特性分析

人體中的肌肉具有多樣性，附著在髖關(guān)節(jié)周?chē)晒呛凸桥枭系募∪庵饕獮楣趋兰?，骨骼肌是髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。骨骼肌主要由腹肌和福建兩部分組成，其中肌腱是肌腹與骨骼的連接部分，結(jié)締組織和肌外膜包裹在肌肉外邊，起保護(hù)作用。

近似于連鎖式的肌細(xì)胞排列而成肌纖維，又有多條肌纖維“捆綁”而成纖維素，二纖維素是肌肉產(chǎn)生張力的主要部分。梭形肌或菱形肌，是纖維束與肌長(zhǎng)軸方向平行；半羽狀肌與羽狀肌，是與肌長(zhǎng)軸成一定的夾角；這兩種類(lèi)型按纖維束排列方向和與肌長(zhǎng)軸關(guān)系把肌肉分成了兩種類(lèi)型：?jiǎn)侮P(guān)節(jié)肌和多關(guān)節(jié)肌。單關(guān)節(jié)肌，顧名思義，即為直接穿過(guò)一個(gè)關(guān)節(jié)的肌肉，例如股四頭肌中的股中肌、肌內(nèi)側(cè)肌等。膝關(guān)節(jié)的伸展與股中肌的伸展有直接關(guān)系，雙關(guān)節(jié)肌是穿過(guò)兩個(gè)關(guān)節(jié)的肌肉。多關(guān)節(jié)肌中最為常見(jiàn)的是雙關(guān)節(jié)肌，其主要存在于人體的下肢肌肉群中。雙關(guān)節(jié)肌的作用取決于關(guān)節(jié)中心到肌肉的垂直距離。若該距離較長(zhǎng)，則具有較大的作用力臂和力矩。膝關(guān)節(jié)的功能主要通過(guò)股直肌實(shí)現(xiàn)，其力矩遠(yuǎn)比髖關(guān)節(jié)大，屬于膝關(guān)節(jié)肌群范疇。而髖關(guān)節(jié)的功能主要表現(xiàn)在大腿的后群肌，后群肌的力臂又大于膝關(guān)節(jié)，故稱(chēng)之為髖關(guān)節(jié)肌。關(guān)節(jié)的角度位置決定著雙關(guān)節(jié)肌的作用效率。股直肌對(duì)膝關(guān)節(jié)的伸膝效率增大，說(shuō)明髖關(guān)節(jié)在伸展，如跑步中的后蹬階段。當(dāng)髖關(guān)節(jié)屈時(shí)，伸膝運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到抑制。雙關(guān)節(jié)肌在人體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起到了儲(chǔ)存和釋放彈性的功能。起到減少單關(guān)節(jié)的做工量的主要作用的是下肢肌群中的雙關(guān)節(jié)肌。雙關(guān)節(jié)肌能夠利用一個(gè)關(guān)節(jié)做功另一個(gè)關(guān)節(jié)做負(fù)功來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存。

2.2 肌肉力學(xué)模型的分析

肌肉作為動(dòng)物體最為主要的構(gòu)成組織，具有極其重要的功能特性，最為主要的是能夠接受神經(jīng)刺激產(chǎn)生收縮，進(jìn)一步牽引兩端的骨骼實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，影響肌肉張力大小的兩個(gè)最主要的因素是肌肉纖維的長(zhǎng)度變化關(guān)系和肌肉纖維的收縮速度變化關(guān)系，另外還與許多生理學(xué)因素相關(guān)。該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)肌肉的發(fā)力過(guò)程研究來(lái)說(shuō)具有十分重大的意義。

隨著人們對(duì)肌肉力學(xué)模型的研究不斷深入，運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)等交叉學(xué)科的研究手段對(duì)模型的建立和修改發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。張力-長(zhǎng)度特性和張力-速度特性是肌肉運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律中最為重要的兩個(gè)關(guān)系，也是肌肉力學(xué)建模中需要處理的兩項(xiàng)主要內(nèi)容。肌肉力學(xué)模型的未來(lái)發(fā)展方向，必將是兩者關(guān)系的整合體。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜合上述，進(jìn)一步完善人體肌肉力學(xué)模型，使肌肉力學(xué)模型能夠充分反映肌肉收縮長(zhǎng)度、速度和肌肉張力之間的變化關(guān)系；通過(guò)解剖學(xué)、生理學(xué)進(jìn)一步清理髖關(guān)節(jié)周?chē)∪庠诓煌瑒?dòng)作、不同位置和同一動(dòng)作的不同時(shí)間段所起到的作用，以及韌帶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保護(hù)作用；將髖關(guān)節(jié)模型建立一個(gè)完善的空間三維模型，并和膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的研究結(jié)合實(shí)現(xiàn)人體下肢運(yùn)動(dòng)的仿真。

參考文獻(xiàn)

[1]郝智秀，周吉彬，金德聞，等. 不同足地界面對(duì)人體三維步態(tài)的影響[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（08）.

[2]蘇佳燦. 髖臼三維記憶內(nèi)固定系統(tǒng)治療髖臼骨折記憶生物力學(xué)研究——骨盆、髖臼三維模型仿真、力學(xué)模擬與有限元分析[D]. 第二軍醫(yī)大學(xué)，2004.

[3]韓東太. 金屬氧化物/尼龍1010復(fù)合材料熱力學(xué)性能與摩擦熱行為研究[D]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

[4]商鳳樓，張俊莉，張膺，等.硬膜外腔注藥治療強(qiáng)直性脊柱炎髖關(guān)節(jié)疼痛及功能障礙的療效觀察[J].現(xiàn)代康復(fù)，2001.

[5] Kalpana S. Katti. Biomaterials in total joint replacement[J]. Colloids and Surfaces B： Biointerfaces . 2003 （3）.