生物力学论文:人髌腱密度与其生物力学性质的关系

【关键词】 密度

【摘要】 目的 研究人髌腱密度与其生物力学的关系,寻找能于前交叉韧带重建术前检测髌腱移植物生物力学性质的方法。方法 对20例不成对人体髌腱(男10例,女10例)进行单轴拉伸试验,来研究供者性别及髌腱密度对其生物力学性质的影响, 髌腱密度根据其所测得体积和质量计算出。结果 髌腱的生物力学性质基于性别上的差异均无显着性, 而与其密度呈正相关。密度>1.68g/cm3(n=8)的髌腱的较大抗张强度比质量密度<1.68g/cm3(n=12)者明显要高。结论 髌腱密度可以用来评价该髌腱的质量, 因此,可利用术前测量活体内髌腱的密度来决定该前交叉韧带重建是用异体移植物还是自体移植物。

【关键词】 髌腱;密度;移植物质量;生物力学性质

自体髌腱复合体曾被作为移植重建前交叉韧带的金标准,目前仍为外科医生重建手术的。学者们对髌腱的生物力学性质进行了广泛研究,希望找到能于移植前有效评价移植腱质量的客观变量,为临床选择肌腱提供依据。笔者对人髌腱的密度及其生物力学性质进行研究,希望确定供体髌腱密度对其生物力学性质的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料 从国人新鲜尸体中获取20例不成对的膝关节(男10例,女10例),冷冻在-20℃,直到试验日为止。膝关节均在供者死亡后12h内冷冻。冷冻时间1~12个月不等。死者排除以下情况:(1)年龄>50岁;(2)骨骼未发育者(女性<16岁,男性<19岁);(3)有膝关节手术史;(4)有膝关节炎病史。在取髌腱标本之前,先将膝关节在室温中解冻。将髌腱连同全部髌骨和胫骨的一部分(包含有胫骨结节)从膝关节中分割出来。胫骨部分修整成楔形,取髌腱的中央部分(平均5mm宽),用手术刀沿着腱束的长轴将腱的内外侧修理成直的平面。小心操作以避免将腱束横行切断。用游标卡尺在不同截面测量髌腱的宽和厚,取其均值,并测量髌腱的长,用以计算髌腱的体积。

1.2 使用仪器 将样本安装在DCS-25T电子万能试验机(日本岛津)上,进行单轴拉伸试验,拉伸速度为30mm/min。以3033型X-Y函数记录仪(四川仪表制造厂)记录载荷―变形曲线,并进行分析,得出较大载荷、衰竭应变及弹性模量。

1.3 计算样本密度 力学测试完毕后将样本的腱性部分从骨的附着点上分离出来,称重。根据前面算出的体积计算出每个样本的密度。

1.4 统计学方法 采集所有数据,应用t检验来比较不同性别来源的髌腱的力学性质,进行相关性分析来判断髌腱密度与生物力学性质间的关系。将样本根据密度排列,再随机选择其中一个密度作为标准,将其上、下两组样本的生物力学指标用t检验分析,重复这个过程,检验是否存在一个密度值,比这个密度值大的样本与比这个密度值小的样本相比,其生物力学强度要高。

2 结果

样本的平均截面积是19.47mm2(SD 8.72),髌腱的平均长度是47.83mm(SD 3.78),男性髌腱平均长49.22mm(SD 3.42),比女性髌腱[平均46.44mm(SD 3.76)]稍长一些(P=0.05)。髌腱组织混合在一起的平均密度是1.61g/cm3(SD 0.47)。男性髌腱的密度(1.68g/cm3)和女性髌腱的密度(1.54g/cm3)之间差异无显着性(P=0.23),所测得密度范围为0.81~2.57g/cm3。

髌腱的力学性质不依赖于供体的年龄和性别。在较大抗张强度(P=0.62,)、较大应变(P=0.61)、弹性模量(P=0.57)方面基于性别上的差异均无显着性。因为性别和年龄对髌腱力学性质没有任何影响,所以将样本混合起来做密度的相关分析。样本的较大抗张强度与其密度相关(r=0.57, P<0.02)。髌腱的弹性模量也与其密度呈正相关,尽管其相关性较弱,但亦有统计学意义(r=0.44,P<0.05)。衰竭应变与其密度无相关性(r=-0.25,P>0.1)。连续采用t检验分析显示密度>1.68g/cm3(n=8)的髌腱的较大抗张强度比质量密度<1.68g/cm3(n=12)者明显要高。

3 讨论

本研究中,组织密度被作为变量进行相关性分析,通过测量其密度,就去除了组织大小对相关性分析的影响。我们发现在髌腱的生物力学性质与密度之 间高度相关。较大的组织密度可能意味着较多的胶原堆积在组织中,产生较大的生物力学强度。Woo SL[1]发现经常活动的猪的伸趾肌腱质量和胶原含量增加,其较大抗张强度显着增加。但其未做肌腱生物力学和其质量的相关性研究。我们发现了髌腱组织的一个密度值(1.68g/cm3),大于这个密度的髌腱群体,其生物力学强度显着要高。因为高于或低于这个髌腱密度值的供者的平均年龄非常接近,所以年龄不会导致髌腱的生物力学的差异。这与Flahiff[2]报道的结果一致。

在以前的研究中,诸如样本大小、组织储藏方法、组织的测试条件、样本的截面积和力学测试方法等因素都被认为是很重要的因素,并且各实验间各不相同[3],因此,难以 做具体数据上的比较。文献报道[3],测试过程中对样本进行盐水浴,让液体从腱组织渗出,能产生更大的强度和硬度。一些研究人员观察了髌腱生物力学的差异,猜测可能有某些内在或外在的因素与此差异性有关。例如,Flahiff[2]认为重量、活动量、健康及饮食能影响髌腱的力学性能,虽然Beynnon[4]陈述软组织内在的未知生物学因素能导致肌腱力学性能的差异。基于我们的研究,髌腱的密度似乎是这种差异的一个原因。

本研究最有意义的成果是,髌腱密度可以用来评价该髌腱的质量。这个发现在临床上将具有重要意义。有些学者[4]认为,在重建手术进行之前预测自体移植物的生物力学性能很重要。他们报道移植物移植后有不同程度的伸长,导致手术5年后过度的膝关节前后松弛。这些研究人员也主张,因为重建术后难以立即测量移植物的伸长量,所以有一种能预测自体移植物的生物力学性质的简单指示器是非常必要的。基于我们的研究,自体移植物的密度能被用来预测包括弹性模量在内的生物力学性质。现代影像技术如CT扫描能无创测量移植组织的密度。利用一条组织密度与CT值的标准曲线就可以从CT扫描中得到组织密度。因此,可利用术前测量活体内髌腱的密度来决定该前交叉韧带重建是用异体移植物还是自体移植物为好。

这里得出的结果不能应用到异体移植物。因为重建术前异体移植物经过了射线照射和冻干处理。

生物力学论文:益肾中药复方对模拟失重大鼠股骨生物力学特性的影响

作者：韩艳 覃华 刘新友 杜晓燕 李运明 陈长生 【摘要】

目的：研究益肾中药复方对抗措施对尾部悬吊大鼠承重骨的影响. 方法：SD雄性大鼠18只，按体质量配对后随机分为对照组(6只)、悬吊组(6只)和中药处理组(6只). 在尾部悬吊大鼠模型模拟失重的基础上，中药处理组大鼠每日给予中药复方灌胃. 利用物理测量和三点弯曲等实验，观察4 wk中益肾中药复方灌胃对尾部悬吊大鼠股骨生长、生物力学特性的影响. 结果：悬吊组和中药处理组大鼠股骨质量、灰分、直径和密度均较对照组大鼠下降(P<0.05) ；与悬吊组比较，中药处理组大鼠股骨的直径(P<0.05)和密度(P<0.01)改善，质量和灰分有增加趋势. 与对照组相比，悬吊组大鼠股骨的强度和刚度降低(P<0.01)，中药处理组较大载荷和刚性系数降低(P<0.05) ，韧性系数升高(P<0.01)；与悬吊组大鼠相比，中药处理组大鼠弹性载荷提高(P<0.05) ，较大载荷、刚性系数和挠度载荷比值有提高趋势. 结论：益肾强骨中药可对抗骨丢失，对尾部悬吊大鼠承重骨的生长及力学特性有一定保护作用.

【关键词】 模拟失重 中药复方 骨 生物力学

0引言

航天员在失重环境下，生理系统会出现一些变化：心血管系统失调、航天贫血症、肌肉萎缩、骨质脱钙等. 而失重引起骨骼系统的变化是航天医学工作者关注的问题之一. 航天实践表明，失重条件下骨形成减弱，骨吸收相对增强，失重性骨量减少和钙代谢紊乱呈进行性过程，航天员在飞行过程中平均每月丧失1%～2%的钙 ［1］. 为防止长期太空飞行中可能出现的骨质疏松、骨折等严重后果，人们设计和采用了多种对抗失重的方法，如体育锻炼、药物、添加营养物质等［ 2 ］. 虽然这些措施减缓了骨量减少的速度，却不能有效阻止这一现象的发生.

传统中药毒副作用小、药效温和，近年在航天医学领域的应用逐渐受到国内外重视. 中医学理论的精华在于“整体观念”和“辨证施治”. 在航天微重力、辐射、狭小隔离环境等综合因素作用下，人体神经?内分泌?免疫系统将会发生一系列生理功能变化. 有研究者认为在航天微重力环境较长时间停留及模拟失重状态均可出现肾虚及血瘀之证［3］. 沈羡云等根据对兔头低位-20°限制活动模型观察，提出利用益气活血等中药行防护的观点［4］. 本实验我们根据中医“肾主骨”的理论和航天期间的特殊变化，从整体调节入手，在尾部悬吊大鼠模型模拟失重的基础上，给予益肾强骨中药，考察了其对尾部悬吊大鼠骨丢失的防治作用，为中药防护失重性骨丢失提供实验依据，初步考察此种对抗方法的作用效果及其机制.

1材料和方法

1.1材料SD清洁级大鼠，雄性，18只，由第四军医大学实验动物中心提供，动物合格证号：军医动字第C98008. 于动物饲养室内适应1 wk. 实验开始当日随机分为对照组（6只）、 悬吊组（6只）和中药处理组（6只）， 体质量分别为： (200±7) g； （203±7） g；（206±5） g. 4 wk实验期间，给予充足清洁饮水和摄食，大鼠可自由活动. 室温保持在（22±2）℃，人工控制室内照明，保持12 h光照（08:00~20:00）和黑暗（20:00~次日8:00），交替循环.

1.2方法悬吊组大鼠采用李勇枝等［5］改进的方法做尾部悬吊，大鼠始终保持30°头低位及后肢自由悬垂不荷重状态. 中药处理组在尾部悬吊处理的基础上，每天给予益肾中药复方灌胃. 益肾中药复方由黄芪、丹参、杞子、山楂等构成，由本医院制剂室分别煎汤浸膏，制成干粉备用. 用蒸馏水将中药干粉配制成悬浊液，按照100～110 g/(kg·d)的剂量，每天灌胃1 次. 自实验期满开始，依次断头处死大鼠，尽快取出其双侧股骨，去除结缔组织. 右侧股骨测量一般物理指标，包括质量（湿）、长度、直径、体积、密度、质量（干）和灰分质量，除后两项外其余均在处死大鼠后立即测量. 质量及灰分采用ACA 2100型电子天平测量（精度为1×10-4 g，Denver Instrument Company，美国）. 测质量（干） 时，标本先在118℃加热烘烤48 h至质量恒定；然后在灰化炉中800℃，24 h灰化测其灰分. 长度和直径（骨干中点最细处）使用精度为0.02 mm 游标卡尺测量. 用排水法测量体积（精度为1×10-4 cm3）. 湿质量密度为湿质量和体积的比值.

左侧股骨即刻密封保存于4℃环境中，并于2 d内进行三点弯曲实验. 三点弯曲实验在Instron 1195 (Instron，英国)电子拉伸机上进行. 股骨放置方向及位置保持不变，跨距为16 mm，加载砝码2 kg，加载速度为0.05 mm/min. 通过所得载荷－应变曲线计算弹性载荷、较大载荷、破坏载荷、极限挠度、破坏挠度、刚性系数和韧性系数等力学指标.

统计学处理：所得数据均以x±s表示，采用SPSS 10.0统计软件进行统计分析，组间比较利用方差分析和LSD?t检验，P<0.05为有统计学意义.

2结果

2.1一般情况对照组大鼠在实验期间体质量持续增加，而悬吊组和中药处理组大鼠体质量在实验期间的前4 d，均呈下降趋势，从第5日开始逐渐增加. 实验结束时，3组大鼠的体质量分别为：对照组（292±11） g；悬吊组（255±8） g；中药处理组（263±7） g. 悬吊组和中药处理组大鼠平均体质量低于对照组大鼠，而悬吊组和中药处理组之间大鼠平均体质量无统计学差异.

2.2大鼠股骨理化指标的变化3组大鼠在股骨长度方面未见明显差异. 悬吊组和中药处理组大鼠在股骨质量(湿、干)、灰分、直径和密度等方面均较对照组大鼠下降(P<0.05). 与悬吊组大鼠比较，采用中药对抗措施处理后，中药处理组大鼠在直径(P<0.05)和密度(P<0.01)有改善，在质量和灰分方面有提高的趋势. 说明给予益肾强骨中药灌胃对抗措施后，悬吊大鼠的骨量丧失减少（表1）. 表1各组大鼠股骨（右）基本物理指标

2.3大鼠股骨力学特性的变化悬吊组大鼠在股骨弹性载荷、较大载荷和刚性系数等方面均较对照组下降（P<0.01），韧性系数和弹性范围内的挠度载荷比值较对照组上升（P<0.01），表明模拟失重引起大鼠股骨力学性能的明显降低. 中药处理组与对照组大鼠比较，较大载荷和刚性系数降低（P<0.05），韧性系数升高（P<0.01）；与悬吊组大鼠相比，中药处理组大鼠在弹性载荷方面提高（P<0.05），较大载荷、刚性系数和挠度载荷比值有提高的趋势；表明给予益肾强骨中药灌胃对抗措施后，模拟失重大鼠的股骨力学性能有所提高(表2).

3讨论

力学特性是反映骨的生长代谢情况的一个重要指标.航天失重和模拟失重均可引起骨力学特性的显表2各组大鼠股骨（左）力学指标著降低，Cosmos飞行发现大鼠股骨和脊柱的力学性能下降［2］. Skylab23飞行大鼠骨的强度和硬度均较对照下降. Morey?Holton等［6］利用后肢悬吊大鼠模型发现股骨的所有弯曲参数(硬度、负荷、能量) 较对照显著降低. 前人的实验结果提示失重引起骨力学性能降低，且主要发生在承重骨. 本次实验也得到类似结果，悬吊组大鼠股骨的股骨质量(湿、干)、灰分、直径和密度、股骨弹性载荷、较大载荷和刚性系数等方面均较对照组显著下降，韧性系数和弹性范围内的挠度载荷比值较对照组显著上升，表明尾部悬吊使大鼠股骨骨钙丢失，力学性能降低.

国内外在进行失重药物防护措施的研究时，一般是从各自的专业领域出发，针对失重对不同生理系统的影响，采用不同的药物. 我们认为航天中虽然各生理系统的反应不一，表现不同，但它们的起因是一致的，都是由于失重引起的体液头向分布和运动减退所产生的一种适应失重环境的征候群(航天适应性综合征)［7］ . 在这个征候群中，各个生理系统有其各自的表证和特点，但其内在的机制却互相联系、互相制约. 所以在进行本课题研究时，我们从中医“审证求因”“辩证论治”的理论出发，分析失重引起生理变化的特点，确定以补肾、益气活血中药为主来选择中药，选定了黄芪、丹参、杞子、山楂等进行实验.

骨矿盐含量反映骨中无机质含量. 而且由于单纯骨矿盐含量测定不能表现骨结构和材料特征的变化，因此结合骨力学指标测定可以更评价骨质量，反映骨骼抗骨折能力. 较大载荷和弹性载荷反映骨结构力学特性，它们的变化反映骨小梁质量、结构连续性和皮质厚度的改变［ 8］. 与悬吊组大鼠相比，中药处理组大鼠的股骨直径和密度有显著改善，弹性载荷显著提高，在质量、灰分、较大载荷、刚性系数和挠度载荷比值等方面有提高的趋势；表明采用补肾、益气活血中药对抗措施后，模拟失重大鼠股骨的生长和力学性能有一定恢复.

生物力学论文:经前路下颈椎(C3～C7)内固定器的设计及生物力学分析

作者：李承 席光庆 黄建明 朱青安 王文军 李鉴轶

【摘要】 目的 寻求具有坚强的生物力学强度、价格低廉、适用于国人下颈椎前路手术的内固定器。方法 根据国外颈椎带锁钢板(cervical spine locking plate，CSLP)特点，并加以改进设计一种内固定器。用16具新鲜猪颈椎制作颈椎损伤失稳模型并随机分成两组，将所设计内固定器与传统AO“Ⅰ”形钢板进行生物力学实验比较。结果 所设计内固定器固定组以C3～C5节段前屈、后伸、轴向旋转和侧弯方向的平均运动范围(ROM)较“Ⅰ”形钢板固定组分别缩小了48.6%(P＜0?01)、48.3%(P＜0.05)、46.5%(P＜0.01)、52.1%(P＜0.01)。结论 所设计内固定器在提供失稳脊柱即时稳定性方面优越于“Ⅰ”形钢板，为内固定器应用于临床提供科学依据。

【关键词】 内固定器 下颈椎 前路 生物力学测试

颈椎前路减压手术已广泛地应用于颈椎外伤，颈椎退变性疾患及颈椎椎体肿瘤的治疗，但椎间盘或椎体的部分或全部切除后植骨块缺乏支持、不稳，植骨块相关并发症发生率较高［1］。采用坚强的内固定显然有利于减少并发症的发生，1960年Bohler将普通AO“Ⅰ”形钢板应用于颈前路手术，以后相继出现多种颈前路内固定器。目前国内外应用较多的是1986年Morscher等设计的颈椎带锁钢板(cervical spine locking plate，CSLP)［2-3］。此系统具有许多优点。但此系统螺钉抗拔出力不强、螺钉松动脱出等现象仍存在［4］，且此系统为进口产品、价格昂贵，难于在国内推广。因此根据CSLP系统的特点，结合国人颈椎形态大小，设计了一种改进型颈前路内固定器，利用生物力学实验来评价所设计的内固定器对脊柱的稳定作用，以便为今后临床应用提供理论依据。

1 国人下颈椎椎体及椎间盘厚度测量

陈文英等［5］所测我国南方人颈椎椎体数据：C3～C7的平均值椎体上矢径(15.59±0.09)mm；中矢径(15.29±0.09)mm；下矢径(16.31±0.09)mm；上横径(22.69±0.17)mm；中横径(25.03±0.29)mm；下横径(22.28±0.18)mm。C3～C7椎体前高的均值为(13.75±0.14)mm；中高为(11.29±0.09)mm；后高为(13.84±0.11)mm。陈鸿儒等所测北方人颈椎上、下矢径与横径与上接近；所测椎体后高为14?73mm，经t检验差异显著，认为北方人颈椎垂直径大于南方人。姜长明［6］所测结果同样表明北方人下颈椎椎体略大于南方人。

张宝庆等所测颈椎间盘厚度前方平均值男性为(4.37±0.134)mm；女性(3.85±0.13)mm。以上数据为指导内固定器的钢板宽度、长度及螺钉长度的设计提供参考。

2 内固定器设计

内固定器由钢板与螺钉组成。材料采用钛合金，钢板宽度20mm，厚度2mm，有长度不等相差3mm的系列钢板根据不同病人需要而选择。钢板略向前弯曲以适应颈部生理弯曲。钢板形态类似“Ⅰ”形钢板，上有5孔、8孔、11孔不等，中间孔用于固定植骨块。螺钉长度为16mm，确保进入椎体内长度不超过14mm。螺钉由外套螺钉和内心螺钉组成，外套螺钉外径4mm，帽端与头端十字开裂、中空、内带螺纹。当内心螺钉旋入外套螺钉后，利用膨胀原理、外套螺钉帽端膨胀锁定于钢板，头端亦膨胀牢固嵌入椎体松质骨中，外套螺钉头端膨胀变形成倒锥形，外套螺钉头端膨胀后比膨胀前外径增大0.6～1mm(见图1)。另设计安装用特殊器械：导向器及定深钻2件。

图1 1a内固定器由钢板与螺钉组成

1b螺钉由外套螺钉及内心螺钉组成

1c螺钉头端膨胀前外径4mm

1d螺钉头端膨胀后外径4.6～5mm

3 生物力学测试

3.1 材料与方法

3.1.1 实验材料 实验采用猪新鲜颈椎标本16具。经X线透视证明无骨性异常。剔除所附肌肉，保留所有韧带和关节囊。用双层塑料袋密封，贮存于-20℃恒温冰箱中，贮存时间平均40天。

3.1.2 分组 将16具猪颈椎标本编号，按随机设计方法利用随机数字表分成甲、乙两组，甲组用传统AO“Ⅰ”形钢板固定，乙组用设计内固定器固定。

3.1.3 标本准备 测试前，标本室温下自然解冻8h，将C2、C6椎体分别用聚甲基丙烯酸甲酯(上海齿科材料厂生产)铸型固定于包埋盒中，要求上、下两包埋盒平行并保持水平。在内固定手术完成后，用0.5mm厚的“L”形钛片制成标尺，在标尺上置3个不共线的圆形标志，供计算机图像分析。3个标尺用直径1.5mm的长螺钉分别固定于上包埋盒、C3椎体及C5椎体前面，标尺螺钉不应与内固定器接触并保障各标尺在脊柱运动时不互相接触，且能为摄像机摄取。

3.1.4 损伤模型的制备及内固定术 16具猪颈椎标本均模拟C4椎体骨折后行C3～4、C4～5椎间盘切除，C4椎体中间开槽部分切除椎体，开槽处及C3～C5间取髂骨植骨，造成颈椎不稳模型。甲组标本选用适当长度的AO“Ⅰ”形钢板横跨C3～C5固定，螺钉要求穿透椎体后皮质。乙组标本用自行设计内固定器固定，上螺钉时将钢板置于正确位置，先用导向器置于钢板上方或下方一孔中，将定深钻深度调好，确保钻入椎体深度为14mm，钻花外径为2.7mm；用电钻钻孔后，先将外套螺钉旋入，后将内心螺钉旋入锁紧钢板并固定于椎体，内固定术后，安放好标尺即可行三维运动测试。

3.1.5 加载方式与方法 本实验所用的三维运动试验机能模拟脊柱在体内的生理运动特性(实验测试设备由国家重点实验室及时军医大学生物力学研究室提供)。将制备好的C2～C6标本固定在脊柱三维运动试验机底座上，上端连于加载盘，通过悬吊于加载盘上的砝码，对标本施加纯力矩，其较大力矩为3.0N.m，该载荷足以产生猪颈椎的生理运动范围，又不至于对猪颈椎产生任何损伤［7］。施加于标本上的每一种力偶矩都行3次加载/卸载循环，以期将标本的粘弹性影响消除到最小。每次加载和卸载后停留30s左右，以允许标本的蠕变运动，第三次加载时进行运动学测量，所施加力矩共有前屈/后伸，左/右侧弯和左/右轴向旋转6种。整个标本准备及测试过程常喷生理盐水保持标本正常湿度。16具标本的测试顺序由随机决定(见图2)。

图2 2a制备好的标本、安放标尺后，固定在脊柱三维运动试验机底座上：2b侧弯运动测试

3.1.6 测试原理［8］ 标尺上不共线三点的运动代表了整个椎体的运动，由两台互成45°角度的摄像机同时拍摄标志点随脊柱的运动，包括零载荷和较大载荷下的运动状态，将图像输入计算机，通过计算机图像处理系统识别，定位和计算标志点的空间位置从而重建脊柱节段的三维运动，得到节段运动的角位移参数。

3.1.7 统计学方法 实验结果用(x±s)表示，先行方差齐性检验，若总体方差齐用t检验，若不齐采用t′检验。统计学显著水平0.05。

3.2 结果 在3.0N.m载荷下，猪C3～C5节段不同内固定组(n=8)前屈/后伸、侧弯和轴向旋转的平均运动范围(ROM)和标准差列于表1，其中侧弯和轴向旋转的平均运动范围均为左右侧弯，左右轴向旋转的平均值。

表1 在3.0N.m载荷下C3～C5节段的ROM (x±s，度)

注：X1：“Ⅰ”形钢板内固定组；X2：设计内固定器固定组与X1比较：*P＜0.05；**P＜0.01

4 讨论

颈椎前路手术的目的在于：(1)切除脊髓前方致压物，达到减压目的；(2)纠正颈椎后凸畸形；(3)植骨维持前柱高度；(4)维持颈椎稳定性［9］。为了解决植骨块的脱出及即时稳定性问题，1960年Bohler将普通AO钢板用于下颈椎前路手术，开创了下颈椎前路内固定的先河。后Orozco等将此种钢板改进用于颈椎外伤减压术后，由于即时稳定作用，临床效果好，被视为传统颈椎前路钢板，因其形状似“Ⅰ”形或“H”形或“王”形，称之为“Ⅰ”形钢板。为了解决此钢板螺孔固定，螺钉安放不灵活的问题。Caspar等将螺孔改为槽式，增加了螺钉安放的灵活性，此即为Caspar钢板。但由于以上系统要求螺钉穿透椎体后皮质以求较大的握持力，因此有损伤脊髓的潜在危险［10］。同时螺钉与钢板间的摇动效应(即所谓的肘节运动)不利于植骨块的骨性融合，影响了内固定器本身的内在稳定性。1986年Morscher等设计了颈椎带锁钢板(CSLP)，此系统的特点是：(1)采用纯钛材料制成，生物相容性好，无磁性，术后做MRI检查不受影响。(2)螺钉采用单皮质骨螺钉，不用穿透椎体后皮质，无损脊髓及神经根的潜在危险。(3)螺钉与钢板锁定，消除了钢板与螺钉间的摇动效应，减少了由于螺钉松动向前滑脱导致椎前器官、血管、神经损伤的并发症的发生。CSLP系统有高度的内在稳定性、固定有效、、操作安全。但螺钉松动脱出也不能避免［11］。

根据CSLP系统的特点，结合国人颈椎椎体及椎间盘的测量结果，设计的一种改进型颈前路内固定器，材料采用钛合金。内固定器钢板形状及结构类似CSLP钢板；螺钉设计为单皮质骨螺钉，不用穿透椎体后皮质。国人下颈椎椎体前后径最短距离大于14mm，故螺钉进入椎体部分设计为14mm长，避免了螺钉过长穿透后皮质损伤脊髓的潜在危险。所设计螺钉由外套螺钉和内心螺钉组成，外套螺钉头端与帽端匀十字开裂，其内空心有螺纹，当将内心螺钉旋入时，利用膨胀原理，帽端膨胀将螺钉锁定于钢板，使螺钉与钢板成为具有内在稳定性的整体，消除了钉板间的摇动效应，避免相应并发症的发生。同时，螺钉头端膨胀，经测定头端膨胀后比膨胀前直径大0.6～1mm；因椎体中部为松质骨，螺钉头端膨胀能使部分骨小梁塌陷，一方面由于膨胀十字裂口间隙增宽，有利于骨质长入，有可能阻止螺钉旋转退出。另一方面，由于头端膨胀，螺钉进入椎体部变形呈倒锥体形，从而增加了螺钉的抗拔出力。因此增加了内固定器的生物力学强度。

生物力学试验是评价骨科器械及手术性的重要手段，骨科新术式的开展及新的内固定的运用应建立在生物力学研究的基础上。将所设计内固定器对比“Ⅰ”形钢板做生物力学试验结果显示(见表1)：在猪C3～C5节段失稳后用所设计的内固定器固定组，所固定节段运动范围(ROM)平均值是：前屈7.3°，后伸1.5°，轴向旋转5.4°，侧弯5.7°；而“Ⅰ”形钢板固定组运动范围(ROM)平均值是：前屈14.2°，后伸2.9°，轴向旋转10.1°，侧弯11.9°。可见用所设计内固定器固定比用“Ⅰ”形钢板固定运动范围明显缩小，经统计学检验，两者差异有显著性意义。本研究结果表明：用所设计内固定器固定比用“Ⅰ”形钢板固定抗前屈能力提高48?6%，抗后伸能力提高48.3%，抗旋转能力提高46.5%，抗侧弯能力提高52.1%。因此所设计的内固定器在提供即时稳定性方面优越于“Ⅰ”形钢板。从而为所设计内固定器临床应用提供了科学依据。

本实验采用新鲜猪颈椎标本为实验材料。猪龄及体重严格控制一定范围，且为同一品系家猪，所有标本手术为同一人用同一方式所做，实验标本随机分组，测试顺序亦为随机进行，保障了实验结果的可比性。由于猪颈椎结构与人颈椎有一定差别，又是在离体标本上进行实验，因而与人活体尚有一定差距。对于所设计内固定器的抗疲劳性及内固定器的较大破坏强度尚有待进一步研究。

生物力学论文:限制运动对大鼠股骨、胫骨物理性状、生物力学指标及骨形成蛋白2表达的影响

【摘要】

目的：本研究比较了限制运动4 wk大鼠和正常对照组大鼠下肢股骨、胫骨物理性状包括湿质量，灰质量，骨矿含量，骨密度，生物力学指标以及骨形成蛋白2表达量的变化，目的在于找出限制运动对大鼠下肢骨生长有哪些不良影响. 方法：采用腿?尾固定法制造大鼠限制运动的模型，用DPX双能X线骨密度仪测量大鼠左侧下肢骨骨矿含量和骨密度，用WD万能材料试验机进行股骨3点弯曲试验，测算出股骨的破坏强度，破坏载荷，破坏时能量吸收和刚度系数等生物力学指标，采用免疫组化染色及灰度比较的方法比较骨形成蛋白2表达的变化. 结果：限制运动4 wk后，大鼠股骨、胫骨的湿质量，灰质量，骨矿含量，骨密度，生物力学指标与正常对照组比较存在下降，并且与骨形成密切相关的骨形成蛋白2的表达也下降. 结论：限制运动对大鼠下肢骨（股骨、胫骨）的生长产生了负面影响，表现在下肢骨物理性状的变化及骨形成蛋白表达的抑制等方面.

【关键词】 运动 股骨 胫骨 骨形成蛋白2

0引言

人体骨骼的发育和生长受到很多因素的影响， 运动是影响骨骼后天生长和重塑的重要因素，力学信号作用于细胞骨架，使细胞骨架发生改变，激活特定的信号传导途径，引起基因表达调控的改变，从而影响成骨细胞的生长和分化，也就影响了骨骼的生长、修复和塑型［1-5］. 骨形成蛋白2 (bone morphogenetic protein 2, BMP2)是成骨细胞分泌的一种局部分化因子，能诱导成骨细胞的前体细胞分化为成骨细胞，在成骨细胞分化早期有重要作用，它介导糖皮质激素诱导的成骨细胞分化，是诱导成骨的重要因子［6］. 本研究通过固定大鼠后肢4 wk，比较限制运动后大鼠后肢骨物理性状如湿质量，灰质量，骨矿含量(bone mineral content, BMC)，骨密度(bone mineral density, BMD)，生物力学指标以及对BMP2表达量的变化，来探讨限制运动对大鼠后肢骨生长的影响.

1材料和方法

1.1材料选用32只雄性上海实验动物中心引进的清洁级SD大鼠，体质量270～290 g.

1.2方法

1.2.1制备实验动物模型将大鼠随机分为对照组、固定组两组，每组16只. 固定组大鼠在100 g/L水合氯醛腹腔麻醉下，将左侧后肢和尾部近段消毒铺巾，以消毒后的直径为1.2 mm的医用钢丝穿过后肢踝部和肛门开口远侧约1.0～2.0 cm处之尾部，松紧适当地打节固定，如有出血则压迫止血, 术毕置于大鼠专用饲养笼，隔日以碘伏消毒固定局部. 对照组大鼠未做任何处理. 实验期间给于充足的清洁饮水、摄食（饲料为第四军医大学实验动物中心提供的标准鼠饲料）. 室温保持在（22±2）℃，人工控制室内照明，保持12 h光照（8:00~20:00），12 h黑暗（20:00～次日8:00）交替循环.

1.2.2观察一般情况及体质量测量实验期间密切观察大鼠生活情况（包括饮食，饮水，活动情况，皮毛色泽等），实验开始时测量大鼠体质量，以后每周测量大鼠体质量，直至4 wk实验结束. 所用设备为ACA?100型电子天平.

1.2.3物理性状测定实验结束后断头处死大鼠，分别从两组各取8只大鼠的左侧股骨、胫骨，去净附着的结缔组织后测量其物理性状，包括湿质量，灰质量，BMD，生物力学指标等. 湿质量采用ACA?100型电子天平测量；灰质量是标本在118℃烘烤48 h,至恒质量后放在箱式电阻炉中,800℃放置24 h后用TMP?1上皿式天平（精度1×10-3 g）测量；股骨和胫骨BMC和BMD用DPX双能X线骨密度仪（美国Lunar公司）测量,分别至0.01 g和0.01 g/cm2.

1.2.4生物力学指标测定取测量BMD后的左侧股骨用WD万能材料试验机（广州试验仪器厂）进行股骨3点弯曲试验，试件跨度18~22 mm，加载速度1 mm/min. 测算出股骨的破坏强度，破坏载荷，破坏时能量吸收和刚度系数等生物力学指标.

1.2.5免疫组化染色及观察取两组剩余8只大鼠左侧股骨、胫骨去除结缔组织，纵剖面从中线切开，40 g/L多聚甲醛固定24 h，4℃脱钙液（200 g/L的甲酸∶200 g/L的柠檬酸钠=1∶1）脱钙10 d，至脱钙，室温逐级乙醇脱水，氯仿透明，低熔点（53~54℃）石蜡包埋、切片，厚度为6 μm. 免疫组化采用SA2010型试剂盒，按SABC法进行染色，BMP2抗体按1∶50进行稀释. 操作过程严格按照试剂盒说明进行. 用DAB呈色，苏木精衬染，常规封片观察. 阳性产物为棕黄色片状或颗粒状染色. 在做图像灰度分析时，所取视野股骨均为干骺端骨髓与骨质的交界处，胫骨均为胫骨近膝关节段骨干与骨髓交界处，记录其图像的灰度值.

统计学处理： 所得数据均以x±s表示， 固定组与对照组比较采用SPSS 7.0统计软件进行t检验， P<0.05认为差异有统计学意义.

2结果

2.1两组大鼠体质量的差异固定组与对照组大鼠在实验期间体质量均有所增加，实验前固定组大鼠的体质量为：(282±12) g，对照组为：(279±12) g, 4 wk后固定组大鼠体质量为：(395±16) g, 对照组为：(391±16) g. 经统计学处理两组体质量无统计学差异.

2.2两组大鼠股骨及胫骨物理性状的改变与对照组相比较固定组大鼠的胫骨及股骨的湿质量，灰质量，BMC，BMD均有统计学差异(表1，2).表1两组大鼠股骨（左侧）物理性状的比较表2两组大鼠胫骨（左侧）物理性状的比较

2.3两组大鼠股骨生物力学指标的改变与对照组相比较固定组大鼠的股骨在各项生物力学指标均有统计学差异(表3). 表3两组大鼠股骨（左侧）生物力学指标的比较

2.4BMP2免疫组化染色经检验，固定组大鼠的股骨，胫骨的平均灰度值小于对照组大鼠(P<0.05, 表4). 表4两组大鼠股骨、胫骨（左侧）BMP2抗体免疫组化染色灰度值的比较镜下观察显示对照组股骨和胫骨骨皮质可见部分阳性着色区；而在干骺端可见着色的大量软骨、成骨细胞；在骨髓腔呈强染色，可见很多的棕黄色阳性着色区. 固定组与对照组的着色特征是一致的，只是着色部位的数量及着色强度有所不同(图1,2).

3讨论

在骨骼的生长和发育过程中，力学因素是一个非常重要的因素，体育运动对未成年骨骼的影响表现为促进峰值骨量的增加,对成年骨骼的影响表现为一定程度的骨量增加或保持骨量,对绝经后妇女或老年人骨骼的影响在于尽量减少骨量的丢失速度［7-9］，力学信号是通过作用于细胞骨架来实现对骨骼生长、塑型的调控的，力的变化可以改变或破坏细胞骨架的构象，影响了细胞表面各种受体和酶的位置或结构，造成了细胞功能的失代偿. Sarkar等［10］利用回转加速器研究了成骨细胞ROS的变化，研究发现微重力环境中24 h，35％的ROS细胞不再贴壁，通过DN段及TUNEL染色证实这些细胞已经凋亡，伴随着细胞表面的整合素β分布到了核周，肌动蛋白的组成混乱等. 这些结果提示微重力造成的细胞骨架的改变导致了成骨细胞的凋亡. Friedlander等［11］也发现经过2 a训练, 其所测量仅运动员的桡骨、腰椎及股骨BMD指标表现出显著增长. 当然适当的运动负荷及强度会诱导骨量增加和骨的结构改善; 强度过大则造成骨组织微损伤和出现疲劳性骨折,过小或出现废用则导致骨质流失过快. 本实验采用腿尾固定法制造了大鼠左后肢的制动模型，不仅消除了左后肢的承重运动，也避免了自身肌肉的牵拉运动，是理想的限制运动模型. 经过4 wk的制动，从大鼠下肢骨的物理性状和生物力学指标方面观测了限制运动对大鼠下肢骨的影响，发现股骨、胫骨在重量、BMC、BMD、以及生物力学指标等方面与对照组比较明显下降，说明运动对成年动物骨骼系统的影响是多方位的，也反映了运动对成年动物骨骼性状及生物力学特性的保持是非常重要的.

在限制运动中发生的骨性状和生物力学的变化是否与BMP2表达减少有关，现在还尚无定论，但是有学者认为BMP2通过调控间质细胞向成骨细胞的分化，从而对限制运动时局部骨的变化发挥着重要的调节作用. 本实验通过对限制运动大鼠下肢承重骨BMP2的免疫组化染色发现，限制运动组大鼠股骨、胫骨BMP2的染色显著低于对照组大鼠，提示限制运动降低了BMP2的表达，从而抑制了骨形成. 这说明了制动这一因素可导致BMP2表达降低，这可能是造成限制运动骨骼变化因素之一，而BMP2这一细胞因子是力学信号调控骨骼生长的信号通路中一个重要的因子.

生物力学论文:腕关节韧带解剖学及生物力学特性研究进展

关键词： 腕关节韧带 解剖

腕关节韧带是一个高度分化的复杂连接体系，不但具有限制过度活动、稳定腕关节的作用，而且还有传导应力，协调腕骨运动的功能。近年来，腕关节不稳定已逐渐被临床医生所认识，对腕关节韧带解剖和功能的研究也受到重视。以往的研究对腕关节韧带的起止、走行及命名有许多不一致的地方。现将近年来对腕关节韧带解剖及生物力学特性研究进展综述如下。

1　腕关节掌侧韧带

1.1　桡腕韧带和尺腕韧带

(1)桡舟韧带(radioscaphoid ligament)，过去一些作者称其为桡侧副韧带［1］，但它不是位于腕关节的侧方，而是偏向掌侧，关节屈伸运动轴由其背侧穿行，在解剖上它不是真正的侧副韧带。因此，目前大部分学者称其为桡舟韧带［2、3］。Mayfield报告桡舟韧带的断裂强度平均为70N［4］。(2)桡舟头韧带(radioscaphcapitate ligament),也有人称其为桡头韧带(radiocapitate ligament)。其断裂强度平均为170N［4］。(3)桡月韧带(radiolunate ligament)，也有学者称其为长桡月韧带(long radiolunate ligament)［5］，此韧带较为强韧，是稳定月骨的重要韧带之一，其断裂强度平均为210N［4］。Mayfield将桡月韧带和月三角韧带认为是1条韧带，并称之为桡三角韧带。而目前许多作者已证实此韧带实际上是2条韧带，因为有各自的起止点。(4)桡舟月韧带(radioscapholunate ligament),Mayfield称其为桡舟韧带(radioscaphoid ligament)。但其止点大部分止于舟骨近端的掌面，小部分止于月骨掌面的桡侧缘，故称为桡舟月韧带更确切。一些作者认为桡舟月韧带对稳定近侧列腕骨，特别是舟骨近极有重要作用［6～8］。但Berger［9］和Hixson［10］的研究证实它主要由来自骨间前动脉、桡动脉和骨间前神经的神经血管束组成，外周衬以滑膜组织，胶原纤维很少，无弹力纤维。其组织结构明显不同于其它韧带，并认为它不属于真正韧带结构。但它可能是54N。我们的研究发现桡舟月韧带主要由疏松结缔组织组成，其间血管丰富，而胶原纤维束很少，与Berger等的结果一致。(5)尺月韧带(ulnolunate ligament)，也有学者称其为短桡月韧带(short radiolunate ligament)。我们的研究发现此韧带强韧，是稳定月骨的重要结构，其断裂强度平均为219.2N。(6)尺三角韧带(ulnotriguetrum ligament),我们研究发现此韧带较为薄弱，其断裂强度平均为54N。(7)腕尺侧囊结核，也有一些学者称其为尺侧副韧带(ulnar collateral ligament)。但Taleisnik［11］和于胜吉［2］的研究发现，它并非真正韧带，而是关节囊增厚，并称其为尺侧囊结构。我们研究其断裂强度平均为58.7N。

1.2　腕骨间韧带。

(1)月三角韧带，起自月骨表面，止于三角骨掌面，其下面有月三角骨间韧带。月三角韧带与月三角骨间韧带的掌侧部分很难分开。(2)三角钩骨韧带，位于钩骨近侧缘掌面和三角骨远侧端之间。此韧带坚韧，腕关节背伸和桡偏时紧张，尺偏和掌屈时松弛［12］。(3)舟大小多角头状骨韧带，也有学者称其为舟大多角骨韧带复合体(scaphotrapezial ligament complex)。Drewniany［13］认为它由4种部分组成：①位于舟骨大多角骨关节掌侧、桡侧的强韧韧带，掌侧部分与桡侧腕屈肌腱鞘相连，并有纤维止到小多角骨；②薄弱的掌侧关节囊；③舟头韧带；④薄弱的背侧关节囊。由于舟骨大多角骨关节掌侧、 桡侧韧带强韧，不易断裂，在暴力作用下，容易发生其附着点骨折，如舟骨结节骨折。舟大小多角头状骨韧带是稳定舟骨远端的重要结构。(4)三角韧带，也称辐状韧带，由舟头韧带、月头韧带和三角头韧带共同构成。舟头韧带已在舟大小多角骨韧带中描述：月头韧带常常缺如，致使月头骨间关节缺少直接的韧带联系；三角头韧带，起自三角骨掌面桡侧半，跨越钩骨近端，止于头状骨体部掌面。

2　腕关节背侧韧带

腕背侧韧带较掌侧韧带数量少，而且薄弱。主要有：(1)背侧桡尺三角韧带，也有学者称其为桡腕背侧韧带(dorsal radiocarpal ligament)，此韧带粗大坚韧，其断裂强度平均为240N。(2)背侧桡三角韧带，此韧带有时缺如。(3)背侧腕骨间韧带，较为细小薄弱。

3　腕关节内在韧带

3.1　近侧列腕骨内在韧带

有舟月骨间韧带和月三角骨间韧带。(1)舟月骨间韧带连接于舟骨和月骨，Berger［14］(1996)报道了详细的大体和组织学研究结果，舟月骨间韧带在解剖上分为3个部分，即背侧、近侧和掌侧部分。背侧部分厚，由横行排列的短胶原纤维组成。近侧部分主要由纤维软骨以及少量浅表纵向排列的胶原纤维组成，近侧部分象膝关节的半月板一样，可以突向舟月关节间隙数毫米。桡舟月韧带将舟月骨间韧带掌侧部分与近侧部分分开。掌侧部分薄，由斜行排列的胶原纤维束组成。舟月骨间韧带的断裂强度平均为260N［15］。它是维持舟骨近极和舟月骨间关节稳定及运动协调的重要结构。Short［16］等研究发现，切断舟月骨间韧带，引起舟骨屈曲，旋前和月骨背伸改变。Boabighi［17］将舟月骨间韧带与舟大小多角头状骨韧带进行对比，前者的断裂强度为后者的1/2。(2)月三角骨间韧带，我们研究发现，月三角骨间韧带的解剖结构与组织学特点与舟月骨间韧带相似，在解剖上也分为3个部分，即背侧、近侧和掌侧部分。近侧部分主要由纤维软骨以及少量浅表纵向排列的胶原纤维组成，但密集一些。其断裂强度平均为375.3N，较舟月骨间韧带大。

3.2　远侧列腕骨内在韧带

Ritt［18］(1996)报道了头钩关节韧带详细的大体和组织学研究结果。发现头钩关节存在着3种骨间韧带，背侧、掌侧和深部骨间韧带，其中深部骨间韧带偏向掌侧，最为强韧。此外，还发现连接于第3、4掌骨和头钩关节之间的纵行骨间韧带(longitudinal interosseous ligament)，这条韧带主要连接第3掌骨和头状骨。在头钩关节之间，还有连接束(interconnecting bands)，它起自头钩关节掌侧韧带，垂直向背侧止于钩骨。我们解剖发现小多角骨与头状骨之间，也有3种骨间韧带，即背侧、掌侧和深部骨间韧带，其中深部骨间韧带偏向背侧，坚韧。大小多角骨关节之间也有3种骨间韧带，背侧、掌侧和深部骨间韧带，深部骨间韧带偏向掌侧。

4　腕掌关节处掌骨近端的韧带

Dzwierzynski［19］(1997)报道了第2～5腕掌关节处掌骨近端的韧带解剖结果。发现有4种韧带，即背侧掌骨韧带，掌侧掌骨韧带和2种不同方向排列的“Ⅴ”形骨间韧带。其中“Ⅴ”形骨间韧带最强韧，它们将相邻的掌骨紧密连接。

5　桡尺远侧关节韧带

过去将其分为掌侧和背侧韧带，这两条韧带分别起自桡骨远端尺掌角和尺背侧角，行经三角纤维软骨的掌侧缘和背侧缘，止在尺骨茎突处。Kleinman［20］(1998)报道将其分为下部、掌侧和背侧3个部分，虽然下部与掌侧和背侧部分连续，但它不象掌侧和背侧部分薄、平展，而是非常强韧，有骨间膜纤维加入其外部。掌侧部分薄，松弛，有囊袋，以适应尺桡骨远端旋转和尺骨远端背向横移的需要。背侧部分不象掌侧部分松弛，有斜行纤维及背侧小指伸肌腱鞘加强，以限制尺骨远端的前后移位。

6　腕关节韧带的生物力学特性

Weaver［21］(1994)对腕关节部分掌侧韧带的张力，在不同运动状态的变化做过研究，发现掌侧韧带总是处于张力状态，即使腕关节在中立位没有负重。中立位时，三角头韧带和桡舟头韧带远侧部分受力；桡偏时，桡月韧带受力；尺偏时，尺月韧带受力；旋前时，桡舟头韧带近侧部分受力；旋后时尺月韧带受力；背伸时，尺月韧带、桡月韧带和桡舟头韧带受力。无论在任何位置，一些韧带的张力要比另一些韧带张力大。桡月韧带、尺月韧带和桡舟头韧带的张力较大，而月三角韧带和舟大小多角头状骨韧带的张力最小。

Savelberg［22］(1991)对腕关节运动时部分掌侧和背侧韧带的长度变化做过研究。掌侧桡舟头韧带和背侧桡三角韧带，屈腕时的较大长度变化较尺桡偏时大。较大桡偏时较中立位没有韧带明显伸长。较大尺偏时，桡舟头韧带、桡月韧带、三角头韧带的近侧部分和背侧腕关节韧带较中立位时明显伸长。较大背伸时，桡舟头韧带、桡月韧带的远侧部分和三角头韧带的近侧部分伸长明显，背侧腕关节韧带明显缩短。较大屈腕时，只有背侧腕关节韧带轻度伸长，其余韧带无明显伸长，桡舟头韧带、桡月韧带和三角头韧带明显缩短。掌侧月三角韧带，无论手腕做任何运动，其长度都没有明显变化。同时还注意到宽韧带的近、远两侧的长度变化是不同的。如尺偏时，桡月韧带的远侧伸长，而近侧部分无变化；三角头韧带的远侧部分 缩短，而近侧部分无变化。背伸时，三角头韧带的近侧部分伸长，而远侧部分无变化。

Crison［23］(1997)在活体上研究了锻炼活动对腕关节韧带刚度的影响，发现手腕的锻炼活动可以明显降低腕关节韧带的刚度，腕骨的位移活动度增加。休息1h后，腕关节韧带的刚度部分恢复到活动前的水平。24h后与活动前一样。说明了锻炼活动腕关节，可以降低腕关节韧带的刚度，增加了腕关节的松弛度，可以减少运动引起的损伤。

腕关节韧带损伤后引起的腕关节不稳定，如舟月骨间分离，月三角骨不稳定等，治疗的方法很多，但效果有时不能肯定。最近Shin［24］(1988)比较了舟月骨间韧带背侧部分与Lister结节处的第3伸肌支持韧带的生物力学特性和组织学特性，虽然第3伸肌支持韧带的断裂强度较舟月骨间韧带的背侧部分小许多，但单位面积上的断裂强度两者相差不大，两者的组织学特性相近。Weiss［25］(1988)在临床上用两端带桡骨的第3伸肌支持韧带移植治疗舟月骨间分离19例病人，其中14例动力型舟月骨间分离，12例疼痛消失，2例腕关节重体力活动时疼痛；而 5例静力型舟月骨间分离，2例疼痛消失，1例腕关节重体力活动时疼痛，2例仍持续疼痛。作者认为用两端带桡骨的第3伸肌支持韧带移植治疗动力型舟月骨间分离的效果是可以的，而治疗静力型舟月骨间分离的效果差，其原因是第3伸肌支持韧带的强度不够。能否找到两端带骨，切取方便，韧带强度与腕部断裂韧带相近的更好供区，需要进一步研究。

生物力学论文:标准步态下骨盆三维有限元模型构建及其生物力学意义

作者：汪光晔，张春才，许硕贵，任可 【关键词】 骨盆；三维有限元；髋臼作用力；骨盆肌肉收缩力

【摘要】　目的： 构建包含骨盆肌肉及头臼作用力的标准步态下骨盆三维有限元模型. 方法： 选择标准成年男性志愿者行骨盆CT扫描成像得到骨盆每层横截面图像, 运用Mimics软件行三维重建， 利用有限元分析软件PATRAN 2005R2构建髋臼三维有限元模型,并将标准步态中肌肉收缩力及头臼作用力也设计到该模型中. 结果： 所构建髋臼模型共划分为113 028个结点、137 524个单元, 模型模拟了骨盆皮质骨、松质骨、关节软骨以及股骨头结构的材料特性. 所建模型结构完整，空间结构测量度高，单元划分精细，重点突出，尤其肌肉及头臼作用力加载模拟形象、逼真，客观反映髋臼真实解剖形态结构和生物力学特点. 结论： 构建的髋臼三维有限元模型为正常髋臼或异常髋臼力学研究提供可循模型.

【关键词】　 骨盆；三维有限元；髋臼作用力；骨盆肌肉收缩力

0引言

对于髋关节的生物力学的研究，有必要了解跨髋关节肌肉的收缩力的大小方向及部位，完整地了解髋臼接触力与骨盆肌肉收缩力力学机制，有助于进一步模拟髋关节力学行为、解剖学与手术后改变的影响，虽然有文献［1-3］讨论过骨盆髋臼生物力学行为，然而这些先前的模型或没包括髋臼接触力或不包括肌肉收缩力. 因此其结果已受到大多学者的质疑. 作为实验研究骨盆与髋臼负载的需要，本实验试图报导一个既包含了肌肉又包含了髋臼接触力的三维有限元模型，这些数据将对于模拟髋关节与骨盆的正常负载或异常负载将尤为重要.

1材料和方法

1.1材料① 成年男性志愿者骨盆（男性，40岁）；② 　西门子SOMATOM Volume Zoom CT 机；③　DELL工作站；④　Mimics软件；⑤　Patran 2005 r2 软件；⑥ Windows XP操作系统.

1.2方法

1.2.1骨盆三维有限元模型构建具体可以分为3个步骤① 步骤一： 对一成年男性志愿者（40岁）的骨盆进行CT断层成像；在CT成像过程中要志愿者在骨盆纵轴方向保持不动，每隔1 mm层厚扫描一次. 所得图像以DIMCOM格式存入CT机，刻录光盘，从而得到表示骨盆每层横截面的图像. ② 步骤二： 将上述以DIMCOM格式存储的图像导入Mimics软件，设定门槛下界灰度值为270，上界不限. 通过Region growing 选择感兴趣区域，进行骨盆三维重建. ③ 有限元分析与计算： 三维重建图像以out格式导出，并导入Patran 2005 r2软件，并重新进行网格划分，建立皮质骨的外表面与内表面，其内外表面都相互连接，分别建立骨盆的皮质骨及松质体模(图1). 与骨盆骨相互作用的股骨头也被建模，此外关节软骨也被建模，以保障一个光滑且真实的髋关节作用力的加载［4］，除了髋关节头臼作用，22块附着在骨盆上的肌肉也被设计到该模型中，肌肉的生理附着点被绘制到有限元网格中，其相关参数皆来自于Pedersen1997年的研究结果［5］.

1.2.2设置单元属性根据骨盆的解剖结构特点，骨性结构模拟材料为皮质骨、松质骨、软骨下骨及关节软骨，材料参数的选择参考文献［6-7］（表3）.

1.2.3加载情况固定骶髂关节处的节点模拟骶骨的支持，只对左半侧骨盆进行加载，在耻骨联合处模拟弹性边界条件. 根据步态循环周期中左支撑相的第4个子步相的髋关节的头臼之间的作用力,从股骨头的中心点处进行加载. 此外肌肉收缩力也被考虑，收缩力的方向是根据远近端的附着点获得［8］，并且步态中骨盆肌肉与股骨的相对位置关系也被考虑进去. 本实验中设定股骨头内收15°，同时在前后位上骨盆与股骨头(髋关节的伸屈)的角度是可以变化的(表1). 肌肉的收缩力以分布载荷运用到模型的表面，肌肉的收缩力的方向是由其远近端的生理附着点的连线，并同时兼顾髋关节的屈伸角度对远端生理附着点的坐标影响. 假设条件:本实验所涉及的生物材料均假定为均质、连续和各向同性. 受力时模型各截面不产生相互滑动，各单元有足够的稳定性;材料受力变形为小变形.

2.1模型建立本研究中，应用CT图像专用的DICOM医学数字图像通讯标准，CT专用的Mimics图像识别分割建模软件和PATRAN有限元专用软件，将薄层CT横断面图像进行分割识别，建立了适合生物力学研究的髋臼三维有限元模型(表4，图1)，肌肉的生理附着点被绘制到有限元网格中，并由肌肉的远近端的附着点获得肌肉收缩力的方向，并兼顾髋关节的屈伸角度对远端生理附着点的坐标影响(图2). 髋臼三维有限元模型共划分为113028个单元，137524个节点. 股骨头采用四节点tet10单元，共划分为37090个单元50392个节点. 松质骨模型在髂骨中央有椭圆形孔，及髂前下棘处有缺失，既该两处为皮质骨充满. 旋转观察模型形态与骨盆解剖形态具有满意的相似性，可任意切割和调整几何及材料参数以模拟不同临床与实验状态.

2.2模型的受力分析模拟步态4髋关节的头臼之间的作用力及附着在骨盆上的22块肌肉的收缩力对模型进行加载. 得到该情况下髋臼的力场分布(图3). 结果显示：主应力集中在髋臼软骨的臼顶区，传递至软骨下骨后，沿弓状线及臼顶的外上皮质至骶髂关节.

3讨论

3.1骨盆有限元模型的应用1995年Dalstra等首次详细报告了骨盆三维有限元模型. 2000年Garcia等应用三维有限元对内固定后的骨盆进行应力分析，研究骨盆骨折后不同固定对其稳定性的影响；2006年Yew运用有限元分析影响髋关节假体置换稳定性的因素［9］. 国内张春才等［10］报道了应用三维有限元法对骨盆骨折损伤机制的分析. 在骨折内固定的应力分布、人工关节的设计优化研究，骨折危险性预测、骨折愈合、预测骨的塑型以及骨质疏松症研究方面有限元模型已是不可缺少的方法［7］.

本研究应用16排螺旋扫描 CT扫描，并用MIMICS软件直接读取DICOMR的CT文件，选取兴趣区域行3D计算，获得髋臼的三维模型，并导入MSC公司PATRAN软件，建立了髋臼的三维有限元模型，并对重点部位进行细划分. 与标本的相似程度高，形态结构完整. 操作过程使图像失真减少到最小. 以往［4-5］建立骨盆三维有限元模型采用的 CT胶片扫描或照相技术, 在对图像反复采样过程中, 图像的细节和信息在采样过程中丢失较多, 而且工作繁重而导致建模差异较大, 出现建模质量的问题,影响到计算结果的性. 本实验三维建模过程为全数据化处理，避免了数据收集过程中关键信息的丢失，较大限度上保障了建模的性和性.

3.2模型的力学相似性本研究结合了结合头臼之间的作用力与肌肉的收缩力，不当在外形上较大限度上保障了建模的性和性. 并且在力学加载上更与实体相似程度高，更加完整. 本研究头臼作用力由股骨头中心点处进行加载，同时参予髋关节运动有关的22块肌肉也被考虑，肌肉收缩力的方向由远近端附着点决定，并同时兼顾了髋关节屈伸角度对肌肉远端附着点的影响；肌肉收缩力大小与方向及头臼作用力大小与方向参考相关文献［5-6］,并转换为本研究的坐标系，更加真实地模拟实际步行情况.

3.3髋臼受力的分析生理状况下，骨骼的结构和功能在很大程度上依赖于其所处的力学环境. 在髋臼骨折治疗中, 施加的力学环境, 对治疗效率、的愈合是至关重要的. 本研究尝试对髋臼模型进行受力分析, 将骶髂关节和耻骨联合部位锁定后, 模拟步态4下髋臼的力场分布, 结果发现：在股骨头与髋臼接触部位, 较大接触力出现在髋臼的后上区域，提示在髋臼受力部位为高应力状态,皮质与松质较大受力部位较一致，皆出现在髋臼顶部附近(18 kPa, 0.36 mPa)，软骨的峰值出现在臼顶内侧区(4.1 kPa). 本研究的意义说明, 所构建的髋臼三维有限元模型可以分割, 可以进行受力的分析.

3.4标准步态下骨盆三维有限元模型建立的意义骨盆肌肉的收缩力的大小、部位及方向与髋臼的接触力对于髋关节异常情况(如畸形、手术)的模拟非常重要. 完整地了解髋臼接触力与骨盆肌肉收缩力力学机制有助于进一步模拟髋关节力学行为、解剖学与手术后改变的影响，以往对髋臼进行有限元分析, 鉴于形状复杂,载荷条件复杂， 一般均对其作简化处理, 先前的模型很少有髋关节接触力的三维模拟，或是没有对附近肌肉负荷的三维模拟［1-3,9］. 髋关节周围的实验及理论力学模型运行时都是在缺乏肌肉收缩力的影响上得出的结果，因此分析的结果必然引起误差［5］，了解髋关节的接触与跨髋关节肌肉作用力对于模拟手术后几何条件及负载改变是非常重要的. 本研究成功构建一个既包含了肌肉有包含了髋臼接触力的髋臼三维有限元模型，真实模拟人体髋臼解剖形态，肌肉载荷及头臼作用力，而且三维有限元图像还原性好, 能从力学上真实代表实物. 当然，这是认识髋臼生物力学改变的及时步，理想的模型将为进一步的研究提供的手段和方法，也将有助于丰富髋臼的相关生物力学研究.

生物力学论文:生物力学在运动控制与协调研究中的应用

摘 要 肌肉的主动收缩和舒张控制之下动物会产生各种不同的运动形态，这属于肌肉力矩的主动改变而肢体运动又会反作用于肌肉力矩。在不断的进化中人类逐渐形成自身完善的神经肌肉系统负责自身运动的控制与协调。除了主动的肌肉力矩之外，接触力矩、重力力矩以惯性力矩也会对肢体运动的具体方式和表现产生影响，生物力学是研究人类运动控制机制的基础，因而本文就生物力学在运动控制与协调研究中的作用进行了分析。

关键词 生物力学 运动 控制协调 应用

人体运动需要在多个部分的共同协调配合下完成，而单纯运动学角度只针对物体的运动效果以及其他外作用力的影响进行研究，无法对人体肢体运动控制和协调的具体机制作出判断。生物力学从关节力矩的角度并结合运动动力学方法可以对肢体运动的产生方式和作用机制进行科学合理的分析，推动人体运动控制机制理论研究的发展。

一、生物力学与运动控制的关系分析

肌肉的收缩是人类肢体运动最直接的动力，人体神经系统可以对不同部位的新陈代谢速率和能量释放方式进行调整，从而起到控制骨骼肌腱可控张力的效果，肌腱又将动力传给关节、韧带以及骨骼等，最终实现对各个运动单位的控制。神经肌肉骨骼系统包括肌肉运动单位与神经元之间的突触连接、运动单位叠加与肌腱上的合力、肌肉骨骼系统的整合以及关节力矩整合协作四个层次。人体的骨骼、肌肉结构都十分复杂，因而神经中枢系统很难直接对每个运动单位进行控制，目前猜测中枢神经系统对运动目标协作实现方式或者是关节水平运动方式进行控制，再由该环节传达至各个运动单元。

二、运动控制的生物力学研究技术

（一）生物传感器技术

目前生物传感器技术在科学研究中的应用已经较为广泛，包括力量、肌电图、加速度以及位移传感器等等，这些技术相关专业的教科书以及很多文献中都有涉及到。随着研究的深入和技术的发展三维陀螺仪运动测量技术应运而生，在生物力学测量中可以对物体的运动速度、不同时间点的方位、角度等数据进行测量和记录，因而可以应用于疾病诊断和治疗康复中，该技术在医疗领域的应用也日益广泛。

（二）生物力学建模与仿真

当人体运动时除了肢体的外部状态，肌肉状态、关节连接处软组织的形状等也会发生一定的变化，而对这种形变进行观察和研究的难度较大，因而可以将整个人体作为一个完整的运动系统并以此为基础建立相应的人类肢体运动动力学研究方程，也可以将其称为生物力学模型。研究方向以及研究切入点的不同都会对最终的模型构建产生影响，一般来说任意运动的计算机模拟或者仿真需要应用正向动力学知识和技术，而对肢体运动的外力因素进行测量时则需要应用逆向运动学。

（三）运动学影像技术

影像技术在生物力学研究领域的应用由来已久，随着科技的进步和科研领域投入的提高，更多新型的运动学影像技术开始出现。高速荧光透视技术可以对人体运动状态下的骨骼、关节的情况进行的分析，拍摄速度更快且由于无侵入性对人体的伤害也更小。将该技术应用于人体医疗中将大大提高骨科检验的性。即时超声波成像技术可以将人体运动状态下的肌肉、肌腱等的形态包括肌纤维排列、肌肉羽状角的情况进行成像。

三、运动控制的生物力学原理

运动控制涉及的生物力学原理较多，本文就其中几个较为重要的原理进行分析阐述。人们在做出某个动作之前，为了提高动作的完成效果，往往会先做一个跟目标动作方向相反的动作，例如扣篮时先将手臂抬高，一方面下扣动作的幅度更大，另一方面肌肉的弹力也会有所增大，下扣的力量随之提高，这就是反向动作起始力原理的典型表现。人体神经肌肉系统功能的完善性，以及个体肌肉力量和爆发力量对于体育竞赛成绩有着重要的影响，在某些体育活动中，人们为了获取运动速度的较大冲量会采取一些助力措施，例如对于跳远运动员来说，他们在进行跳远前都会有助跑，铁饼投掷运动员在投掷铁饼时，也会有身体的旋转运动等等，以上各项体育运动都是通过延长加速度时间和距离来增加力的作用效果，这体现的是运动速度的较大冲量原理。物体之间的碰撞效果一般会受到以下两方面因素的影响，即物体质量和速度这两方面的影响，质量与速度的乘积称之为动量，生物力学中有打击碰撞动量保持原理，该原理在运动控制中的体现有：网球的击球、拳击等等，运动员为了提高碰撞效果在确保撞击速度时还会提高撞击的力度。因此，对于运动员来说，一定要掌握运动控制的生物力学原理，进而将其在际运动中得到充分运用，这对提高运动员成绩来说起着非常重要的作用。

四、结束语

综上所述，生物力学的应用可以在对关节力矩和分量进行分析的基础上研究神经肌肉系统对肌肉收缩力矩的调节模式，主动的肌肉力矩在神经系统的控制之下对运动产生的被动力矩进行对抗，在平衡的状态之下完成肢体运动动作要求，生物力学的应用大大降低了运动控制协调相关问题的理解难度。

生物力学论文:裸足跑生物力学特征研究述评

摘 要：对国内外关于裸足跑生物力学特征研究进行了综述，概括了裸足跑与穿鞋跑在运动学、动力学、生理学等方面的生物力学特征差异。与穿鞋跑相比，裸足跑更多地采用前足着地、更短的步长、更快步频的行进方式，这种模式能大大降低地面的碰撞冲击峰、加载率；裸足跑能更多地利用好足部的本体感觉，从而可能增强足的力量及行进中的稳定性；裸足跑并不比穿鞋跑拥有更低的损伤率，当前没有性的证据显示行进中较高运动损伤率是由于巨大、反复的撞碰力所致，故影响裸足或穿鞋跑损伤率的方式和模式有待于进一步探讨；裸足比穿鞋跑更经济这已被实验所证明，而几乎每个长跑项目的世界纪录保持者都是前足着地的跑步者，故建议将裸足跑作为一种交叉训练方式纳入我国长距离项目运动员和教练员的训练计划中，这对改进运动员的着地方式是有益的。

关 键 词：运动生物力学；裸足跑；损伤；本体感觉；述评

1960年_马奥运会上，埃塞俄比亚运动员Abebe Bikila裸足跑出了2 h 15 min 16 s的马拉松世界纪录。英国选手Bruce Tulloh多次裸足参与国际田径大赛并在1962欧锦赛5 000 m跑项目中获得了金牌。南非运动员Zala Badd从小进行裸足跑训练并于1983年世锦赛上以15 min 1.83 s创下女子5 000 m跑世界纪录，两年后，19岁的她再度以14 min 48.07 s成绩裸足跑完5 000 m，第2次打破自己创下的世界纪录。随后，一系列专业裸足跑选手陆续续涌现，如Chris McDougall、Micah True、Jason Robillard、Michael Sandler、Ken Bob Saxton及Rick Roeber等选手都是这领域的杰出代表。2005年，五脚趾鞋问世（附：该鞋最初为海员（水手）设计，穿上后能让水手们更好地用脚抓住滑溜溜的甲板），但这种鞋很快在体育界盛行，并被许多跑步者及户外活动爱好者所接受。2009年，耐克等公司又开发出一种“低限度的鞋”（又叫裸足鞋）――平底、很薄、很轻，随即这种鞋受到运动训练界的重视，并对后来的“裸足跑”起到了推波助澜作用。

裸足跑现已逐渐渗透到普通居民的健身锻炼中，面对这新兴的健身与训练模式，国际新闻界、运动医学界，特别在体育界已引起了人们对裸足跑的浓厚兴趣。主张裸足跑者认为它是最自然且有益于人类足健康的跑方式，并同时提出鞋会引起损伤[1-3]。反对裸足跑者认为它是一种必须避免的危险“时尚”运动，因为人体“足”需要缓冲垫的保护、支撑及运动控制[4-5]。辩证的学者认为：海滩上或草地上裸足跑应该是安全的，但在像沥青路和水泥地上的硬表面上裸足跑是有危险的，并提出只有那些在生物力学上是幸运的人才可以不穿鞋跑[6]。自Lieberman[1]在英国《Nature》上刊发出及时篇有关裸足跑科学论文后，更加引起了学界的高度重视，人们提出了一些基本问题：裸足跑比穿鞋跑好吗？裸足跑是好的行走方式吗？低限度鞋的优点和缺点又是什么？裸足跑与穿鞋跑的生物力学差别是什么？裸足跑的表现、经济性（能量节省化）如何？裸足跑与穿鞋跑与损伤有联系吗？裸足跑的训练效果怎样？等等。

2.3 裸足跑地面垂直反作用力（GRF）对足部肌肉力量增长的影响

相关研究认为，与穿鞋跑绝大多数采用RFS着地方式不同，裸足跑常采用FFS和MFS着地，在站立阶段的初期把一个离心载荷加在跖屈肌上，而离心载荷比向心载荷产生更多的肌肉肥大，故有理由推断用FFS或MFS着地的跑步者或者转换到FFS或MFS步态的跑步者具有较强的跖屈肌，因为习惯上裸足跑或者穿低限度平底鞋跑步者在FFS的站立开始阶段经受更多的跖屈，它们比穿有抬高后跟的鞋的RFS跑步者把更多的应力加在跖屈肌上并产生更多的肌肉生长[8，11，19]。有学者认为：足弓着地支撑期的缓冲阶段拉长（塌陷）然后在支撑期的蹬伸阶段恢复，起着一种弹簧的作用[20]；足弓在RFS中并不拉长直到跖骨头着地时为止，足的纵弓是在三点上承载，在足触地后立即弯曲，故一个FFS涉及的足弓的外部肌和内在肌与RFS不同。然而，一双有足弓支撑的鞋限制了多大的足弓塌陷，减少了多少的足弓拉长以及这些肌肉做了多少负功（离心收缩），这些问题还没有学者进行过测算。还有如果足的肌肉对加载的响应像身体上其它的肌肉一样的话，那么，裸足跑或穿低限度鞋跑是否会比穿有足弓支撑的鞋跑更能增强足弓的肌肉？目前查阅到的文献是[14]：穿低限度鞋（耐克自由鞋）训练5个月的跑步者的外部足肌肉显著变大和变强了[14]。但该研究没有经历重复实验，也没探讨鞋底的硬度变化是如何影响足肌做功的。

3 裸足跑与运动损伤的研究

3.1 撞碰力与运动损伤

自20世纪80年代以来，人们普遍认为行进中的巨大而重复的撞碰力是造成与跑有关的运动器系损伤的原因[21-24]。然而，经历了几十年的减震努力，缓冲性能良好的运动鞋却并未改善跑步者的损伤情况。研究发现，跑步者和非跑步者的骨关节炎和长期软骨退化的发病率几近相等[25-27]；与在软表面上跑步者相比，在硬表面上跑步者所导致的与跑有关的损伤并没有增加，穿着吸收震动的鞋没有导致应力骨折的减少[28-29]。一项前瞻性研究显示，跑损伤发生率与跑步者承受撞碰力峰值（高、中、低）之间也没有显著性差异，说明碰撞力不是损伤的主要原因[30]；而相较于较低加载速率的受试者，较高加载速率者所患与跑有关的损伤发生率呈下降趋势，但是，当前没有结论性的证据显示行进运动期间的碰撞力是跑损伤的原因。

3.2 关节力矩与运动损伤

当外力作用到骨骼上时，对关节会产生外力矩，这些力矩必须要由肌肉、肌腱和韧带产生的反方向的内力矩来对抗。如同骨一样，快速的加载速率在结缔组织中会引起较大的滞后作用，这会潜在地导致更多的组织损伤[31]。跑步时着地方式不同可能产生的关节力矩有差异，即FFS和RFS步态产生不同的力矩。在矢状面力矩方面，FFS跑步者足着地时有较大的跖屈，因而在站立的第1阶段中踝关节做较大的背屈，引起必须由跖屈肌来控制这种较大的外力矩[32-33]，作为对照，较低的地面反作用力与较少伸展下肢相结合在FFS形式跑中产生较小的膝关节矢状面力矩[32]。裸足跑者已经显示出比穿鞋跑者在膝关节和髋关节产生出较小的矢状面力矩[13]，这种差别可以部分地通过鞋的设计来影响力矩作为解释，例如，较宽的和抬高后跟的鞋能增加作用在踝关节、膝关节和髋关节上的力矩[33]。

3.3 足“过度旋前”与运动损伤

有学者对足触地“过度旋前”与跑损伤的关系进行了探索，发现“足旋前”与任何一种损伤诊断（包括胫骨后肌综合症、跖筋膜炎、跟腱炎、膝痛、髌骨软骨软化）无关[21]。通过大样本量跟踪调查（180名运动员）发现，损伤并不是足过度旋前造成的，其中60%与跑期间错误的训练有关，如跑距过长、强度过大、改变日常训练惯例太急及上坡跑等[21，34]；另一个大样本（143名跑步者）评估研究发现，随着鞋外翻的增加，损伤率下降[34]。Wen[35]对304名参加马拉松跑运动员的调查认为，足弓指数及足跟着地外翻与跑损伤无关；Hetsroni[36]对400名有长期足外翻的新战士进行长期观察发现，过度旋前和短期损伤无关。因此，同碰撞力一样，当前没有实验证据证明“过度旋前”是导致与行进有关损伤的主要原因。

3.4 碰撞频率与肌肉调谐

根据有关理论，足着地的碰撞频率若与身体运动器系的自然频率接近，会形成共振，增大损伤风险。RFS着地方式，碰撞震动的典型频率在10～20 Hz之间，这个碰撞力作用于跑步者的足上，并产生震动波通过身体向上传递，这种震动波被运动器系的许多感受器感觉到，并把这种信息传送到中枢神经系统。碰撞力的震动频率与骨的自然l率（80～100 Hz）相去甚远，一般不会产生共振导致大的震动波。但是，软组织膈室的自然振动频率在10～50 Hz）之间，取决于所涉及肌肉的激活、长度和收缩速度[37]，故输入的碰撞力频率可以接近软组织部分的自然频率，从而可能引起软组织部分出现共振，增加行进运动的损伤风险。而人体会通过肌肉活动来改变软组织的自然频率和阻尼特征以避免产生共振效果，这种改变就是肌肉的调谐作用。

Boyer[38]让10个对象穿5种不同的鞋（鞋的中底从软到硬分为5类），用4种不同速度进行RFS着地跑，利用测力台、三轴加速度计及表面肌电仪分别测出地面反作用力，软组织震动加速度及股直肌、股二头肌、胫骨前肌和腓肠肌内测头4块肌肉电活动。结果表明，不同跑速、不同中底材质的跑鞋，改变了碰撞力的输入频率，从而引起股四头肌软组隔室及股四头肌前激活显著不同，跑速越快，加载速率增加，前激活的肌电图活动也随之增加。这意味着在快速跑时，输入的碰撞频率接近股四头肌软组织隔室的自然频率，因此，肌肉的调谐作用增加。 3.5 重复应力与运动损伤

跑产生一组重复性的、复杂的及动态的力。若重复应力是损伤的最接近的力学因素，那么，引起重复力的加载速率和数量可能是损伤的关键因素，然而，众多学者的研究结果却并未证明这一认识。然而，重复应力损伤在耐力运动员中非常普遍[24，39-40]。在一个非常接近的水平上，绝大多数重复应力损伤是由组织中的微损伤累积所引起的，这些微损伤是由于产生应力的力反复作用引起应变的结果。微损伤的发生是源自于作用力的数量、大小、方向、频率和速度之间的相互作用，以及遭受这些力的组织的大小、形状和材料的性质。微损伤的一个主要原因是伴随着高速率的高应变，它使骨变成更加脆弱和增加弹性滞后作用。反复的高水平的弹性滞后作用在骨中及在像韧带与肌腱这样的更粘滞的组织中都是潜在的损伤因素，因为在卸载期间丢失的某些能量被转换成摩擦力，产生热，但是其余的能量可以被转换成结构的损伤。裸足跑者几乎都用FFS着地，这种落地并不产生显著的碰撞峰值[41]，FFS着地把较大的载荷加在跟腱和跖屈肌上，可能在损伤中引起一种折衷。

4 裸足跑与本体感觉

研究认为穿鞋行进运动限制了足的本体感觉，从而导致了运动损伤的增加[11，23，27，30，35]。因为在人类早期逐渐形成的足底跖表面感觉反馈是一种对地面硬度、粗糙度、不平以及像尖锐的石子这种潜在的危险特征的适应。足底感觉、压觉和本体感受器激活反射并帮助中枢神经系统做出增加稳定性和避免损伤的决策。裸足时代的行进运动形式可能是反映了这种进化的本体感觉对保持身体平衡、避免疼痛撞击以及调节腿的刚度的适应作用。但是，这些反馈机制在鞋中被削弱了，这样就增加了与行进运动有关的损伤发生率。

穿鞋可能促使足变得虚弱、不柔软、不灵活，特别是足正在生长中的儿童时期。肌肉骨骼系统需要对载荷做出响应，没有载荷刺激，肌肉骨骼系统就会变虚弱。裸足与穿鞋的载荷是不一样的，对肌肉骨骼系统的刺激也不一样。有硬底的、足弓支撑物的以及控制足旋前和其他运动特征的鞋可能减少了裸足时受到的“正常”应力，从而削弱了肌肉骨骼系统。如同加工过的食物导致降低咀嚼力和让颌肌虚弱一样，这会引起下颌不充分的生长和以前少见的错位咬合及碰撞牙齿的高发生率。穿有高度支撑鞋的人同样会使足和下肢肌肉骨骼虚弱，尤其是维持纵弓的肌肉，进而削弱了保持身体平衡和其他重要功能。有研究报道，不穿鞋的人群在足弓形状上变化不大，扁平足的百分比低以及其他的足畸形也较少[42-43]。另有研究获得相反的观点，穿低限度的鞋会增强足的肌肉肌骼系统，一个强有力的足是较为柔软的，具有较好的控制过度旋前和其他运动能力[44-46]。因此，在发挥鞋对人足的保护功能时，如何减少鞋对人足运动的约束和因改变行进运动形式而带来的损伤危险就成了研究课题和运动鞋改革的方向。

5 裸足跑与能量节省

绝大多数跑运动员喜爱穿鞋，鞋除了对足有保护作用外，穿鞋跑运动员碰到粗糙表面时不用担心足着地的位置。但Abebe Bikila和Zola Budd等裸足跑运动员已经在马拉松和长距离项目上创造了世界纪录。而几乎每个长跑项目的世界纪录保持者都是FFS方式跑步者，他们都穿平底跑鞋或各种低限度的鞋进行比赛或日常训练。从经济性视角对裸足或穿低限度鞋跑进行了研究发现，鞋的重量每增重100 g几乎要增加1%的跑的代价，而穿低限度鞋跑要比穿一双标准跑鞋的经济性大2.4%～3.3%，这种差异对长跑的成绩显然有实质性的影响[2-3，10，47-48]。到目前为止，还没有证据表明裸足跑对运动成绩有明显的负作用[11]。穿鞋要增加能量消耗不仅只表现在鞋的质量上，也表现在其他方面，如为了改变鞋底的形状和为了对地面转动鞋底要做的功，以及在中底吸收的能量和在跖趾关节处弯曲鞋要做的功等方面都得消耗能量。

6 问题与展望

（1）绝大多数的裸足跑研究文献都是在实验室中要求平时穿鞋跑的人脱掉鞋跑来完成的，虽然这样的研究有许多优点，但是，仅仅利用平时穿鞋跑的人来研究裸足跑从而获得运动学、动力学等参数是值得思考的，因为不能期望这样的对象具有像习惯于裸足跑的人已经发展的肌肉骨骼的适应性和运动学特征，故未来研究应更多地探讨自然环境下的习惯性裸足跑选手所表现出的真实参数。

（2）目前没有证据证明穿鞋和跑损伤之间的明确关系。要揭示导致跑步者发生损伤的真正原因，可能更多的研究应从跑步者的着地方式去找寻答案，跑损伤是多因素综合，鞋对运动控制的做法对减少损伤率没有作用，仅仅通过修补鞋的设计来减少损伤的努力是无用的。裸足未必适合所有的跑步爱好者，那些小腿和足肌力量较弱者若采用裸足跑（FFS着地），或者他们穿鞋用RFS着地、长步长、低步频去跑都会面临较高的损伤率。

（3）几乎每个长跑项目的世界纪录保持者都是FFS方式跑步者，他们都穿平底跑鞋或其它各种低限度的鞋比赛或日常训练。这似乎暗示裸足跑者可能获得较多的本体感觉反馈，故往往采用FFS着地及缩短步长和增加步频，避免RFS和在硬表面上的碰撞峰值，保持低的关节力矩和有强壮的足，这可能正是人类进化过程中，人类祖先为了避免损伤而采用的一种适应。

（4）裸足比穿低限度鞋跑更经济，这种差异对长跑成绩的影响是显著的。未来迫切需要解决的是低限度鞋对足部本体感觉的约束到底ε懿叫问降挠跋煊卸啻螅对一个转换到裸足跑或穿低限度鞋跑的运动员来说其跑步方法如何调整。裸足跑或穿低限度鞋跑会影响足的力量及足弓形状，这种影响是否与受试者年龄、跑速、身体素质和其它环境变量有关。穿鞋对足的力量和柔顺性的影响有多大，这些影响是否与运动损伤存在某种关联。

（5）习惯于穿鞋跑者当过渡到裸足跑或直接采用裸足跑姿态的运动员会导致小腿三头肌扭伤或跟腱炎症，这是因为FFS跑需要较强的小腿三头肌力量和足的控制，反映了在FFS步态期间增加了作用在踝关节上的跖屈力矩。尽管FFS着地并不产生大的碰撞力，但是转换成FFS的跑步者可能没有足够强大的伸肌群或跖骨来对抗在前足中的弯曲力矩，它可能导致增加跖骨痛或跖骨应力骨折的危险。未来研究需要确立哪些跑步者是从转换中获利及另一些从转换中受损，从而为避免损伤找到不同的转换策略。

生物力学论文:运动生物力学测试在拳击科学研究中的应用

摘 要 运动生物力学的测试方法在竞技体育研究领域主要应用于技术研究以及发力原理分析等方面，对于拳击项目相关研究进行梳理，有助于辨析测试方法的应用范围，对今后的相关研究开展起到有意义的参考作用。

关键词 生物力学 方法 拳击

生物力学研究，尤其是运动学、动力学、表面肌电等实验技术逐步应用于拳击科学研究中。运动学方法应用在技术改进和规范程度判断等方面，起到很好的辅导作用。动力学研究对对抗性项目对抗时，力的大小、方向的变化及力作用的效果等进行定量分析，揭示发力原理及规律。表面肌电研究应用于判断动作过程中，哪些肌肉参与收缩，收缩过程中肌纤维发力长短、顺序等，这对科学合理化技术动作和确定不同力量训练方法手段的科学性非常有意义。

李凌云[1]采用生物力学的测试仪器、方法，试图寻找运动生物力学的一些原理和方法在武术领域中应用规律，从生物力学的原理应用在武术中的情况。我们可以将这些方法同样应用于其他同场格斗类项目中，为其他同项群项目的生物力学研究提供理论参考和实践指导。

运动学研究和表面肌电技术在拳击生物力学研究中应用较为广泛。郭峰，张日辉[2]探讨拳击运动员后手直拳动作内部神经肌肉系统协同变化，研究认为后手直拳击打，上肢拮抗肌发挥着重要作用。从肌肉激活顺序判断，动作符合鞭打动作原理，建议加强上肢拮抗肌训练。刘海瑞[3]的实验也得出了相似的结果，分析了拳击出拳击打拳速突然减速的成因。二者在突然降速的研究结果是一致的。拮抗肌放电信号较强也能够在一定意义上解释这一现象的出现，但二者结论中应该加强拮抗肌训练值得商榷，拮抗肌与主动肌、协同肌的协调配合时、高效完成技术动作的基础，应该从协调性训练的角度分析更为。

王新坤[4]运用爱捷运动录像测试分析系统，对参加2004年全国拳击冠军赛决赛的部分冠军前手直拳作进行运动学特征的研究分析。结果显示：运动员打击瞬间拳速在击中目标之前会突然增加，其研究结果前手直拳打击瞬间是加速的，与刘海瑞，郭峰、张日辉等研究后手直拳击打前速度突降结果相反，其原因有待进一步探讨。岳东升、张翠[5]利用高速摄像与测力台（Kistler）同步测试的方法，对拳击运动员直拳技术动作进行测试，该研究是典型的以运动学研究技术路线，对运动员技术改进有一定意义。

有关动力学研究在拳击中较为少见，相关理论研究中，谷晓红[6]从击打过程中的生物力学原理问题、打击力与作用时间、快速移动与稳定性、鞭打技术与多环节协调运动四个方面对拳击运动中的有关生物力学问题进行了探讨，指出了现存的误区及不足。苏彦炬[7]对不同击打技术的下肢发力特征进行了实验研究，对拳击下肢发力原理，影响击打效果的因素等做了宏观分析，对相关理论研究具有指导意义。

等速肌力测试关节力量从侧面反映肌肉力量，但与动作速度不相符合，存在一定的局限。姜传银[8]等运用等速肌力测试的方法，对拳击、跆拳道散打运动员进行比较研究，发现不同项目，不同肌群在速度力量方面的优势环节。从侧面也反映了不同项目因发力环节不同，不同部位的肌肉力量存在着明显的项目特征。等速测试数据较为，但限于单关节测试，动作路线，幅度、速度存在差异，对于专项力量测试存在局限性。

从拳击相关生物力学研究综述可见，以往研究对技术运动学分析较多，主要技术为前、后手直拳，分析其原因，直拳的运动学分析可近似理解为直线运动，相对实验控制和分析容易把握。而对表面肌电的研究可以对发力顺序与肌肉贡献率进行探讨，研究结果显示出的鲜明的个体化特征，从中提取共性及规律较难。表面肌电技术应用广泛，尤其是对专项训练手段和方法的检测，具有很大发展空间，二者有效结合可以弥补简单运动学分析带来的误差。等速肌力测试可以从侧面反映关节力量，但与专项发力方式速度不同。以运动学结合动力学研究在力量训练相关生物力学研究中是比较成熟的研究手段，对于拳击速度耐力相关研究应该是今后研究的方向 。

生物力学论文:标枪运动员赵庆刚技术动作生物力学分析

1 用力阶段的划分

1.1标枪运动员赵庆刚出手速度分析

出手速度是影响标枪飞行距离的最重要因素，其相关系数为r=0.764，p

1.2标枪运动员赵庆刚出手角度分析

出手角度是标枪初速度的方向与水平面之间的夹角。出手角度是影响标枪飞行距离的另一重要因素，三场比赛赵庆刚出手角度平均值达到35.05度，巴特尼兹等学者大量统计发现男子标枪运动员的出手角度在32到34度左右，显然赵庆刚的出手速度偏大，这与其日常训练时表现相一致，由于赵庆刚投掷时往往枪尖太高而枪尾太低，导致出手的角度多大，过大的出手角度对标枪飞行距离缩短，对其成绩带来不利影响。

1.3标枪运动员赵庆刚出手攻角分析

标枪攻角是标枪纵轴与标枪出手速度方向之间的夹角，运动员理想的攻角应为0度，运动员也应近较大努力沿标枪纵轴用力，提高其发力效率。此外标枪攻角应与出手角度综合考虑，当出手角度偏低时，较大的攻角在一定程度上有利于标枪的飞行距离，当出手角度偏大时，攻角应降低，从而有利于标枪的飞行。有表一看出赵庆刚的出手角度明显偏高，肇庆站其攻角为负值，这在一定程度上弥补了赵庆刚过大的出手角度，因此从运动成绩也可以看出，苏州站和肇庆站的出手速度和出手角度相当，两站出手攻角的（7.18度，-6.92度）不同对最终的成绩产生了影响。

1.4标枪运动员赵庆刚出手高度与左脚着地瞬间犯规线的距离分析

理论上讲，标枪的出手越高其飞行距离越远，现实中由于运动员身体形态及技术的特点的不同，每名运动员都有其的出手高度。莫瑞斯等人统计结果表明，运动员的出手高度越大，其成绩往往表现越差，泽莱兹尼（1.84米）创造98.48米世界纪录的投掷高度仅为1.65米。赵庆刚身高与泽莱兹尼相同，从三站投掷高度也可以看出在出手高低较低的情况下，赵庆刚的投掷成绩较好，这可能与运动员技术有关，较高的出手高度往往伴随着运动员发力效果的减弱。

运动员出手瞬间距离犯规线的距离与出手后的水平向前速度和运动员的缓冲技术有关，运动员应在不影响技术发挥的前提下尽可能减小这一距离。赵庆刚投掷结束后往往采用向前匍匐的缓冲技术，双臂与脚共同用来缓冲，2009年柏林世锦赛前八名运动员这一距离为2.85米，可见赵庆刚出手后距离犯规线的距离（2.71米）较合理。

2 标枪运动员赵庆刚制动支撑技术分析

国际运动员左脚着地瞬间左膝角为170.4度，赵庆刚这一数值为170.08度，与国际运动员水平相当，说名他在左腿制动方面的能力较好。从出手瞬间左膝角度来看，其平均值为160.91度，而国际运动员出手瞬间的左膝角平均为 168.9度，由此可见赵庆刚左膝制动能力接近国际水平，但其从左脚着地瞬间到出手瞬间的左膝“硬支撑”能力较弱，这对其的力量传递和出手角度造成了影响。

3 标枪运动员赵庆刚主动着地能力分析

交叉步右脚着地之后为使身体迅速过渡到双支撑阶段，运动员左腿应主动积极前伸，从表二右脚着地瞬间到左脚着地瞬间的左腿角与左膝角的变化来看，左膝角增加了9.42度，左腿角则减少了11.43度，这说明赵庆刚在右脚着地之后，左腿仍在积极主动的着地。此外从单支撑时间来看，其单支撑时间均值为0.21秒，柏林世锦赛决赛前八名运动员的这一数值为0.2秒，说明赵庆刚从右脚着地到左脚着地的能力与世界选手相似。从左脚着地到出手时间来看，赵庆刚双支撑时间平均为0.11秒，柏林世锦赛的前八名的这一数值为0.10秒，这也说明赵庆刚在这一方面具备国际运动员的水平。

4 标枪运动员赵庆刚延缓能力分析

躯干后倾角指运动员在投掷的过程中，支撑腿着地瞬间身体重心与着地点的连线和垂直面之间的夹角，是投掷步过程中躯干向后倾斜的程度。它反映出运动员在用力过程中身体超越器械的程度和躯干在各个时相的位置，特别是在左脚着地到”满弓”形成瞬间也可以间接的反映出运动员是否做出“延缓”动作，因此躯干的后倾角是评价身体姿势是否合理的标志之一。一般认为，在交叉步后右脚着地瞬间，理想角度为30到36度，由表三看出，显然赵庆刚右脚着地瞬间的躯干倾角较小，三场比赛的平均值仅为16.1度，显示着其延缓能力不足。从三个阶段的躯干倾角变化来看，从右脚着地瞬间到左脚着地瞬间，其躯干倾角程增大状态，躯干倾角平均增加了4.89度，从这一点说明，尽管赵庆刚的躯干倾角较低，但其从右脚着地到左脚着地这一阶段并未出现上体躯干过早加速的现象，说明其技术动作的控制能力较强。从左脚着地瞬间到出手瞬间躯干倾角平均增加了45.64度，肇庆站比赛躯干倾角变化幅度最小为33.02度，这为赵庆刚增加其对标枪的加速距离创造了良好条件。

5 标枪运动员赵庆刚重心速度变化分析

赵庆刚右脚着地瞬间重心平均速度为7.25米/秒，这一速度处于国际先进水平，从右脚着地到左脚着地瞬间其重心速度平均损失了1.09米/秒，这主要是右脚着地后的缓冲能力以及下肢主动性的影响，对其速度造成损失。从其速度利用效率来看，赵庆刚重心速度平均利用率为42.8%，这说明尽管其拥有较快的助跑速度，但赵庆刚对于这一速度的利用效率却较低。这也是训练中教练员霍恩经常强调的一个要点，赵庆刚往往在助跑阶段速度很快，但在随后的交叉步阶段，尤其是用力阶段，由于过大的助跑速度，运动员同时要做好引枪、“满弓”等技术动作，导致其被迫减速从而使得助跑阶段获得的速度利用效率下降。

生物力学论文:网球正手击球技术的生物力学分析

摘 要 正手击球技术是网球运动中使用频率较高，也最为基本的一项技术。在网球运动中，运动员正手击球技术的掌握情况和应用情况，不但直接反映了网球运动员的专项技术水平，同时，作为得分的重要手段之一，还会对比赛的最终结果产生不容忽视的影响。因此，本文就在简要阐述了网球正手击球技术的基本特点的基础上，从生物力学的角度入手，利用生物力学的基本理论，对网球正手击球的基本力学结构进行了分析，以期能够借此为网球运动员正手击球技术动作的规范提供一定的参考与借鉴。

关键词 正手击球技术 网球运动 生物力学分析

正手击球技术是网球运动中使用频率较高，也最为基本的一项技术。在网球运动中，运动员正手击球技术的掌握情况和应用情况，不但直接反映了网球运动员的专项技术水平，同时，作为得分的重要手段之一，还会对比赛的最终结果产生不容忽视的影响。鉴于此，本文就从生物力学的角度入手，利用生物力学的基本理论，对网球正手击球的基本力学结构进行了分析，以期能够借此为网球运动员正手击球技术动作的规范提供一定的参考与借鉴。

一、正手击球技术的基本特点

虽然在网球运动中，正手击球技术有正手平击、正手上旋和正手下旋等多种形式，但是，从根本上来说，上述几种不同的正手击球技术形式的特点却是大同小异的。简单来说，正手击球动作的完成是一个连续的过程，涉及到上下肢和躯干等全身多个部位的运动，以上几种不同的正手击球技术，实际上都是根据人体协调链在充分利用自身髋关节和躯干转动的基础上，按照肩、肘、腕等关节的顺序来完成击球动作的过程。作为网球运动中最为常用的一项基本技术，正手击球技术较大的特点就是发力凶猛、球速快。另外，根据正手击球技术动作的结构，其通常可以分为引拍后摆、向前挥拍以及触球和随挥等四个主要的阶段，以下就从这四个阶段入手，针对网球正手击球技术进行了生物力学分析

二、正手击球技术的生物力学分析

（一）引拍后摆阶段的生物力学分析

在引拍后摆阶段，是运动员以手为主的躯干和上肢的转动，当运动员引拍的幅度达到较大时，运动员髋关节的屈角大约在32.7±15.6度左右，与此同时，膝关节也转动形成一定的屈角，屈角的角度大约为69.3±13.8度左右。另外，在完成引拍后摆动作时，运动员躯干的扭动角度大约为30度左右，这表明，在完成了引拍后摆动作之后，运动员肩轴扭转的角度相较于运动员髋轴扭转的角度而言更大，这对于拉长肌肉有着一定的作用，从而通过肌肉的预拉伸储存了一定的弹性势能。

（二）向前挥拍阶段的生物力学分析

在向前挥拍阶段，运动员肩、肘、腕等关节和球拍的速度都是先上升，后下降的，上臂向前的运动是最为主要的力学特征，通过上臂向前的动作能够产生向前的速度20%-30%和向上的速度的20%。另外，在向前挥拍阶段，运动员远侧环节的速度要明显的高于运动员近侧环节的速度，而且，近侧的环节到达较大速度的时间要明显的早于远侧环节到达较大速度的时间。

（三）触球阶段的生物力学分析

网球的正手击球动作是一个连续的过程，在完成了引拍后摆、向前挥拍之后，就进入了触球阶段。在触球阶段，当拍面与球接触时，网球运动员的腿部、髋部以及上体和头肩等部位需要相互协调，并在此基础之上，形成触球时的正确动作，才能够有效的提高击球的效果。在这个过程中，网球运动员腿部、髋部以及上体和头肩等部位的具体动作如下：

一是，腿部动作。在触球阶段，运动员的双腿需要保持适度的弯曲以便于充分的蹬转。所以，此时，运动员的两脚之间应保持一定的距离，与此同时，膝关节则要保持一定的弯曲度。只有这样，才能够确保在完成击球动作的过程中，双腿能够更加充分的蹬伸，并通过双腿的充分蹬伸在克服惯性实现快速启动的同时，充分利用来自于地面的反作用力和自身的弹性促使角动量和线动量的形成。

二是，髋部动作。在触球阶段，网球运动员的髋部和肩部应始终保持在一条直线上，以确保触球动作完成中运动员身体的动态平衡。

三是，上体动作。根据生物力学原理可知，在正手击球动作中，击球时是运动员的下肢先产生爆发力，然后所产生的爆发力通过腰部、上体部位、肩部以及手腕依次传递到球拍上，并最终完成击球的过程。触球作为整个连续动作中的一个环节，发挥着“承上启下”的重要作用。而要确保触球“承上启下”作用的充分发挥，其中至关重要的一点就是要能够充分利用上体部位将由腰部传来的力量传递到肩部和手腕，并最终作用到球上。为达到上述目的，运动员在触球阶段，手腕应保持适度的紧张，以防触球的瞬间拍面失去控制；腋部适度夹紧，以充分发挥线动量；并注意保持恰当的击球点。

四是，头肩部动作。在触球阶段，头肩部是一条直线，两者相互协调保持平衡，并由肩部带动手臂进行转动，形成一定的击球速度，以防出现击球无力的情况。

（四）随挥阶段的生物力学分析

随挥阶段也就是触球之后跟随球进行挥拍的阶段，在这个阶段，随挥的距离和随挥的方向都是非常重要的，只有沿着球的方向再继续向前移动一段距离，这样才能够将球“打实”，并取得良好的击球效果，并保持正确的击球方向。除此之外，在随挥阶段还要注意，确保将球“打实”之后，上肢动作要逐渐放慢下来，身体各个环节的速度也应顺势逐渐的降低，以尽快的让身体回位为一下次击球做好准备，并以此来预防运动损伤事故的出现。

生物力学论文:人体步态的生物力学特征与步态分析

摘 要 步行是人类运动最基本的方式， 加强对步态的动作研究，有利于我们对人体运动规律进行更深入的了解，有利于人体运动障碍疾病的治疗和恢复。本文在国内外相关研究成果的基础上，总结归纳出步态的一般生物力学原理和步态分析的基本方法，为进一步对步态的研究奠定基础。

关键词 步态 生物力学 研究方法 分析

一、步态的生物力学原理

步态是人类步行的行为特征。步行是人类生存的基础，是人类与其它动物区别开来的关键特征之一。正常时的步行不需要思考，然而步行的控制却是十分复杂的，包括中枢命令，身体平衡以及协调控制，涉及足、踝、膝、髋、躯干、颈、肩、臂的肌肉和关节的协同运动。其中任何环节的失调都有可能影响到步态。 步行是全身肌肉参与，包括人体重心移位，骨盆倾斜旋转，髋、膝、踝关节伸屈及内外旋展等，使人体发生位移的一种复杂的随意性运动。行走过程中，从一侧脚跟着地开始到该脚跟再次着地形成1个步态周期。对指定的下肢而言，1个步态周期活动可分为支撑时相和摆动时相。支撑时相又分为脚跟着地、脚趾着地、支撑中期、脚跟离地、蹬离期和趾离地诸动作阶段。摆动时相分为加速期、摆动期和减速期。正常行走时，支撑时相约占整个步态周期的60%―65%，因此，当一侧下肢进入支撑时相时，另侧下肢尚未离地，两下肢同时负重称为双肢负重期。双肢负重期约占全周期的28.8%，占支撑时相的44.8%，支撑时相的其它时间为单肢负重期。随着年龄的增长，单、双支撑时相占步态周期的比例也随之增加。不同性别和身高的人，其支撑时相和摆动时相所占的比例无明显差异。

二、步态分析

步态分析是用运动生物力学的概念、处理手段和已经掌握的人体解剖、生理学知识对人体行走的功能状态进行分析的一种生物力学研究方法。随着科学技术的发展，由先进的传感器、高速摄像机、微型计算机等组成的综合步态分析系统，使步态分析方法得以在康复医学研究中越来越深入的开展，该系统可不受外界干扰，同时提供行走时人体的重心的空间位移、速度、加速度、地面支反力、肌肉及关节活动情况、关节内力及力距的变化等多种人体运动的信息，1个人的步态将会像体温、血压那样，从1个侧面反映出人体的健康状况和病态特征。其中影响步态的六大因素分别为：髋部旋转，髋部侧面下降，支撑阶段的膝关节弯曲，踝关节的滚动运动，下肢在平面中的转动以及膝内收。

（一）步态的运动学分析。运动学是研究步行时肢体运动时间和空间变化规律的科学方法，主要包括：步行整体时间与空间测定和肢体节段性运动方向测定，主要围绕影响步态的6大因素的测量，来进行运动学分析

（二）步态的动力学分析。动力学分析是对步行时作用力、反作用力强度、方向和时间的研究方法。牛顿定律、多体系统动力学原理是动力学分析的理论基础。

（三）正常步态分析。步行的基本功能从某一地方安全有效地移动到另一地方步行是涉及全身众多关节和肌群的一种周期性运动，正常步行是高度自动化的协调稳定的运动，也是高度节约能耗的运动。通常采用目测方法，就能够判断考察对象步态是否异常。正常步态应该体现出如下特征：（1）合理的步长、步宽、步频。（2）上身姿势稳定。（3）能量消耗或最省力的步行姿态。从运动生物力学的观点来考察步行运动，其正常步态应该具备出如下生物力学特征：（1）具备控制肢体前向运动的肌力或机械能。（2）可以在足触地时有效地吸收机械能，以减小撞击，并控制身体的前向进程。（3）支撑相有合理的肌力及髋膝踝角度，以及充分的支撑面。（4）摆动相有足够的推进力、充分的下肢地面廓清和合理的足触地姿势控制。

（四）异常步态分析。人体由于遗传、疾病、意外伤害等诸多因素，都有可能造成步行障碍，使步行周期中某环节发生改变，导致步态改变，出现错误步态。严重改变还会导致病理步态，甚至丧失步行能力。异常步态分为以下几种：支撑相障碍，摆动相障碍，倾斜步态，回旋步态以及硬膝步态。造成上述错误步态的主要原因是：（1）关节僵硬肌肉挛缩使肌肉群的平衡性遭到破坏。（2）臀肌，股四头肌和腓肠肌的软弱无力使患肢支撑力不足。 所以，骨折后早期的功能锻练要根据各自骨折的不同特点，注意加强臀肌，股四头肌和腓肠肌的功能锻炼，为日后的正常步行做好准备。

三、结论

临床上的不同疾病会产生不同的步态异常现象，有些疾病甚至会出现典型的步态，例如小儿麻痹症的跛足步态，帕金斯综合症的小碎步步态，脑卒中病人的划圈步态。所以，加强对典型步态的研究，有利于对相关疾病的诊断、治疗和恢复。 随着现代测量技术、电子技术，尤其是计算机技术的迅猛发展，智能化的步态分析系统也在不断完善。这使定量、客观评价不同状态下人体行走功能的研究领域大大拓宽，使有些复杂的功能性问题的研究同样成为了可能。步态分析对人体运动系统和神经系统的疾病病因分析和诊断，手术和康复训练成效的判定，骨关节假体的设计以及截瘫病人行走功能的重建等都具有重要意义，目前已经成为了临床研究中不可或缺的重要手段之一。

生物力学论文:从运动生物力学角度分析如何提高投篮命中率

【摘 要】投篮是篮球运动中的重要技术之一，也是得分的手段，是多种篮球技术中最关键的一项技术，同时也是制定篮球技战术的中心环节。投篮技术动作复杂，且含有人体各关节、肌肉运动的规律，但是运动力学在投篮技术动作中起着至关重要的作用。本文采用文献资料法、观察法、测试法等研究方法从运动生物力学、流体力学、运动技能形成规律等角度分析如何提高投篮命中率以及训练和比赛中投篮时应注意的关键点，望对提高篮球投篮命中率和改善投篮动作起到帮助。

【关键词】运动生物力学 投篮 命中率 动作

篮球运动其实就是在统一的规则限制下，两方队员通过对球的争夺和配合，想方设法阻止对方进球得分，并努力把球投进对方严密防守下的篮筐，以投中次数多者为胜的一种同场竞技对抗运动。无论是身体素质多好，配合多么精妙，而最终的目的都以快速而精准的投篮来结束这一次攻与守。由此可见，投篮是篮球运动中的十分重要技术之一，是得分的的手段。随着篮球运动的不断发展以及篮球比赛中对抗强度的增加，投篮技术也朝着快、高、远、变、全、准的方向不断发展。 因此，从运动生物力学角度分析投篮的技术动作以及如何提高投篮命中率具有现实意义，能够有效地指导篮球运动训练。

1投篮技术动作的运动生物力学分析

1.1肘关节、肩关节、腕关节和指关节的技术动作

无论何种投篮方式，投篮时都必须有肘关节、肩关节、腕关节和指关节的参与来完成。假若投篮方式出现差异，主要是肘、腕和指关节的变化所导致。

1.1.1提肘与伸臂

投篮时腿蹬伸和膝盖挺直的同时伴随着肘部上提的动作，提肘这一动作既关系着全身的协调用力还直接影响着球出手角度的大小。因此投篮的距离越近，提肘方向就应越接近于垂直位置；而在中远距离投篮时，就要更加充分的向前上方抬肘。提肘动作也直接影响着腕、指关节的活动轨迹，这是因为提肘的同时肘关节外展和内收可能会影响腕、指关节的用力的方向和大小从而影响着球出手后的飞行轨迹。

投篮动作要求有力但柔和，有效地伸直投篮臂就相应增大了力的作用距离和时间，对于更加有效地对球的控制起着十分重要的作用，从而避免了投篮用力过猛而使球撞击篮筐或篮板的力量过大。依据杠杆原理可知，通过放松、自然地伸直投篮臂能够给予球一个较大的出手速度，也有利于投篮全身的协调用力，从而避免腕、指的过早发力以及出现将球甩出去的错误动作。同时，还可以有效提高出手点，提升球的飞行弧度。应当注意投篮臂伸直后保持一段时间再放下，以此保障用力的柔和与协调。

1.1.2 腕关节、指关节的发力

投篮动作最终是球在腕指关节的有效控制下离开手指的，腕、指关节动作质量的高低直接影响着出手角度、方向和命中率。两外还需要手给予球两个力的作用，一个是使球向前上方匀速运动的力，另一个就是使球产生后旋的力。投篮时手腕要放松的向后张开，投篮臂伸直后顺着前臂向前的方向压手腕拨手指，这样可以对球施加一种沿球切线方向运动的分力从而使球产生有效地旋转。压手腕动作应放松、柔和，球出手后保持压腕动作直至球到达篮筐。

1.2 上升力的作用

投篮时应充分利用一种上升力来帮助投篮动作的完成。上升力的产生有两种：一是投篮时通过屈踝、挺膝、伸髋、伸脊柱的同时脚蹬地给地面一个作用力，这样就会相应产生一个大小相等、方向相反的反作用力，通过身体躯干和上肢依次快速的传递给球。二是投篮时双手持球上举至投篮动作完成的整个过程，此过程要求迅速、稳定且运动轨迹正确。充分利用这两种方式产生的上升力可以有效地提高投篮的距离、高度。另外一种上升力的说法是在流体力学上，指的是球在出手向前上方飞行的过程中会受到空气阻力的影响，加上手指手腕的拨球使球后旋能使球有足够的上升力，以此来保障球的抛物线高度。

1.3 球出手的角度、速度与高度对入篮角度的影响

根据物理学、生物力学角度研究得知，在一定的投篮距离，出手点越高则要相应减小出手角和出手速度来保障合适的入篮的角度。另外，出手速度随着投篮距离的增大而相应增大，而出手的角度则要适当减小以此来增大球运行的水平速度，加之球体受气流影响所产生的上升力来保障球的入篮角度和命中率。

入篮角度是直接影响着球是否能到达篮筐上方，适当的入篮角度就会大大提高投篮的命中率。也就是说入篮角度越是接近90度，球就越容易进入篮筐。但入篮角度允许的误差范围也是比较大的，投篮的抛物线越低，入篮的角度也相应减小，投篮命中率就会逐渐下降。通过已知篮球的半径r=12～13.5cm（取中间值），篮框的半径R=22.5cm，设立A为投篮命中的最小入篮角，则r，R有关系式：sinA=r/R=32.39度。也就是说，球入篮角度低于32.39度时是不允许再有误差了，否则球不可能直接进入篮筐。因此，入篮角度的允许范围是在32.39度――90度之间，命中率才会随入篮角度的增加而相应的增加。

2 运动生物力学角度下如何提高投篮命中率

2.1 身体各关节的协调、连贯

投篮尽量保持身体的平衡，两脚开立与肩同宽，两脚前后站立，投篮手同侧的脚在前。同时膝盖稍微弯曲，含胸收腹，身体的重心落在两脚之间的前脚掌，上体微前倾，双手十指张开持球放于胸前位置，成持球基本站立姿态。投篮时在腿部充分蹬伸的同时伴随着肩、肘、腕、指关节的活动，腿部和投篮臂将要伸直时抖动手腕，拨手指。

2.2肘关节、肩关节、腕关节和指关节的发力动作规范

上肢关节，尤其是投篮侧上肢关节的发力动作必须规范，在此基础上发力顺序应正确，投篮结束后不要急于放下投篮臂。

2.3 充分利用由下肢蹬伸、举球提肘和球飞行受气流影响所产生的两种类型的上升力

只有充分利用这两种不同类型的上升力才能使投篮力量更加充分，球体的抛物线才会越高，相应的入篮角度就会增大，命中率也会提高。

2.4 投篮时注意入篮角度

日常训练和比赛过程中的投篮应时刻注意投篮的入篮的角度问题，入篮角度不能过低。

2.5 注意瞄篮点的位置选择和球的旋转

投篮时瞄篮点的选择也会影响命中率，瞄篮点不能过于靠前也不能过于靠后，选择篮筐中心点上方最为合适。加之给予球的后旋力，球在合适的角度、合适的力度以及的瞄篮位置下就更加容易进入篮筐。

3结论与建议

投篮技术动作复杂，参与的关节、肌肉较多，加上外界客观条件的影响，命中率的提高难度较大。运动员需在掌握正确地投篮姿势和投篮动作的同时勤加练习，练习中注意各关节的发力顺序、出手的角度、入篮角度、球的旋转等制约因素，重视各个环节技术的功能作用与协调关系。练习时可根据自身实际情况，保障投篮动作规范的同时逐渐增加投篮的距离，以适应篮球场上不断变化的投篮时机、距离和角度等。投篮动作的改善和命中率的提高是个循序渐进的过程，切不可急于求成。

作者简介：张斌（1981―），男，汉族，河南郑州人，讲师，研究方向：体育教学与训练。