人體骨肌系統(tǒng)生物力學(xué)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

常影 孟凡冬 鄭福建 朱帥飛

1、吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械與土木工程學(xué)院 2、中國電子科技集團(tuán)第五十三研究所第六研究部

引言

運(yùn)動(dòng)是人體的主要機(jī)能，研究人體運(yùn)動(dòng)，也是生物力學(xué)研究的一部分。人體各種運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)是骨肌系統(tǒng)，人體骨肌系統(tǒng)不僅支撐著人體器官和主要系統(tǒng)，同時(shí)也是人體各種運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，也是人體與外界的力作用的支撐。因此對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的研究來說，人體骨肌系統(tǒng)的生物力學(xué)研究有很好的研究價(jià)值[1]。在很早以前，人們就開始了人類骨肌系統(tǒng)的研究，在人體動(dòng)力學(xué)的研究過程中，達(dá)芬奇、伽利略、牛頓等人均作出了一定的貢獻(xiàn)。隨后的很多年，人們開始逐漸對(duì)人體骨肌系統(tǒng)進(jìn)行研究，并應(yīng)用了計(jì)算機(jī)對(duì)人體進(jìn)行生物力學(xué)仿真。

1 人體骨肌系統(tǒng)的國外研究現(xiàn)狀

1972年生物力學(xué)建模和關(guān)于網(wǎng)頁設(shè)計(jì)與制作方法及應(yīng)用的探討已經(jīng)非常流行，M.M.Ayoub闡述了生物力學(xué)分析并研究了人運(yùn)動(dòng)時(shí)活動(dòng)的模型，記錄了整個(gè)身體或其部分的運(yùn)動(dòng)。1975年Arun Garg等人采用基于計(jì)算機(jī)的三維強(qiáng)度模型來預(yù)測坐姿操作員在38個(gè)不同位置的受力。1976年A.Morecki等人針對(duì)近8年來對(duì)骨骼肌主要靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的研究和建模結(jié)果進(jìn)行分析，討論了生物體內(nèi)肌肉相互作用的問題。通過研究，1976年A.Morecki等人提出了不同的肌肉流變和調(diào)節(jié)模型[2]。E.Asang研究了人脛骨在扭轉(zhuǎn)、彎曲和復(fù)合載荷作用下的生物力學(xué)的結(jié)果，建立了骨力學(xué)性能與年齡和線性參數(shù)的關(guān)系[3]。1981年，Hatze在肌肉力計(jì)算時(shí)第一次引入了人體骨肌系統(tǒng)，通過使用經(jīng)典力學(xué)方法最終得到了肌肉力的計(jì)算。隨后，Zajac在生物力學(xué)的計(jì)算過程中，引入了Hill三元素模型，分析了人體骨肌系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，也因此在生物力學(xué)求解肌肉力的過程做出了一定的貢獻(xiàn)。2006年，Amy在肌肉力的計(jì)算過程中引入了模糊優(yōu)化算法。2010年，KMSteele、A Seth等人應(yīng)用OpenSim軟件針對(duì)克勞奇步態(tài)搭建了骨肌模型，從生理上對(duì)該步態(tài)進(jìn)行了分析。I-vancevic應(yīng)用隨機(jī)理論結(jié)合Hamilton系統(tǒng)分析了人體骨肌系統(tǒng)。2013年，Majid等人應(yīng)用上肢動(dòng)力學(xué)分析了駕駛員腰部肌肉的勞損情況。Besier等人應(yīng)用前項(xiàng)動(dòng)力學(xué)和反向動(dòng)力學(xué)得到了肌肉力的最佳預(yù)測值。

2 人體骨肌系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1978年邢肇詡介紹了正常人體的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)；鄒繼豪研究了在投籃過程中，人體多種運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)的規(guī)律[4]。1981年全國第一屆生物力學(xué)會(huì)議在上海召開[5]。1982年，部分體育學(xué)院開始研究生物力學(xué)與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，主要研究踢球、推舉、單步運(yùn)動(dòng)過程中的生物力學(xué)。1988年郭向東、吳望一和楊桂通等人針對(duì)人體的脊柱，分析了人體脊柱的組成并研究了基于力學(xué)模型的人體脊柱的生物力學(xué)建模。2004年國內(nèi)很多高校開始研究生物力學(xué)，不僅僅是體育和醫(yī)學(xué)，機(jī)械電子工程系專業(yè)的研究人員也開始研究生物力學(xué)，并應(yīng)用三維軟件建立三維模型，然后應(yīng)用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行了詳細(xì)的分析，顯示出了極大的優(yōu)越性。2013年，桑春雷等人應(yīng)用計(jì)算仿真軟件建立了生物力學(xué)模型，研究了人體駕駛汽車過程中的運(yùn)動(dòng)情況。研究表明，長時(shí)間的振動(dòng)會(huì)引起駕駛員的坐骨神經(jīng)痛和腰背痛。2015年孟祥杰等人利用OpenSim軟件仿真分析了駕駛員的腰椎。山東大學(xué)李文昊應(yīng)用Anybody仿真軟件分析了駕駛員的腰椎。

3 總結(jié)

本文通過查找大量文獻(xiàn)，闡述了人體骨肌系統(tǒng)的生物力學(xué)的研究重要性和研究現(xiàn)狀，分析發(fā)展現(xiàn)狀，為以后的人體生物力學(xué)研究提供一定的基礎(chǔ)。