人體運動生物力學研究精選(九篇)

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第1篇：人體運動生物力學研究范文

一、運動生物力學的定義：

運動生物力學的定義（國內）是運動生物力學是一門新興學科，現在比較通用的定義是“運動生物力學是研究體育運動中人體機械運動規律的科學”。國外對這門學科的定義也大相徑庭究，有些國家把運動生物力學認為是人體內部運動器系運動和外部人體整體運動的力學特性，盡管運動生物力學在國內外還沒有形成統一的定義，但是運動生物力學的作用和研究意義已被各個國家所重視。

二、在技術教學中的重要地位

在體育運動中任何一項身體練習都由一定的動作及動作體系構成，而完成每個動作及整套動作都存在著最合理的運動技術。合理的運動技術以運動生物力學理論為依據，并富含運動生物力學原理。而運動生物力學又以其分析科學性，結構合理性為體育技術教學提供理論和方法上的指導，它可以通過對形形體育動作差別原因的分析，探討出獲得良好技術的各種力學條件，從而使學生更完善地認識、學習和掌握合理的運動技術動作。

三、對技術教學的積極影響

在技術教學中，及時而有針對性地向學生傳授運動生物力學原理，往往能引起學生對學習和掌握運動技術的興趣，并使復雜的技術簡單化，從而有利于學生及時糾正自己的錯誤動作，并防止由于錯誤動作而帶來的運動損傷。

（一）提高學習運動技術的興趣

隨著新科技、新技術的不斷地推動著體育科學技術的發展，新的運動技術取代舊的運動技術，或高級運動技術取代低級運動技術，已成為當今社會的總體趨勢。新的運動技術比舊的運動技術更科學、更合理、更實效，并且更符合人體特點。因此，新技術總能吸引更多的人去研究和學習。在體育技術教學中，如何引起學生對新技術的興趣是學習的第一動力。比如，我們所說的站立式起跑和蹲踞式起跑，相對以往而言站立式起跑比蹲踞式起跑要舒適，運動員一般都采用站立式起跑。隨著科學的發展，運動生物力學這門學科逐漸進入了人們的視角，從生物力學的角度來剖析站立式起跑和蹲踞式起跑的區別，蹲踞式起跑更有利于起跑，對于短距離的起跑和起跑后的加速跑這兩個階段從實效性和經濟性這兩個角度而言作用最大，同時也為短距離途中跑和沖刺跑奠定了一定的能源物質基礎，當今在全國乃至世界在短距離運動項目中全部必須采用蹲踞式起跑。如此，學生就會對蹲踞式起跑產生濃厚的興趣，大有躍躍欲試的欲望，從而在技術教學中就會主動、積極地參與并思考、體會技術細節，進而縮短掌握技術動作的時數，有利于提高技術教學效果。

（二）使復雜的技術問題簡單化

相對于以往的體育教學中，當體育教師對某一項較為復雜的技術過程講解時，學生常會因為技術動作太復雜而影響學習，但如果教師能用適當的力學知識加以分析和運動生物力學的研究方法往往能使學生“頓悟”，從而激發學生的學習積極性。如：足球的香蕉球是一項較復雜的技術動作，且香蕉球形成的力學原因也極為復雜，但根據球在空中的運行軌跡的力學現象，我們只要在踢球過程中，保證擊球點的用力通過球心，且不在一條直線上，就為香蕉球的產生創造了條件。因此我們可以運用運動生物力學中常用的研究方法去解決這個問題，利用高速攝影、電視、錄像和數據的分析，把學生、運動員的運動技術進行攝影、錄像、高速攝影，然后回放給學生，學生可以從動作回放和慢放中知道動作的運動軌跡，和香蕉球擊球點的位置。因此，對復雜的技術動作稍加力學分析，和采用先進的設備便可使復雜問題簡單化，便于學生理解并提高教學效果。

（三）減少損傷以利掌握合理技術

第2篇：人體運動生物力學研究范文

關鍵詞 生物力學 步態 最新進展 應用領域

中圖分類號：R743 文獻標識碼：A

步行是人們在日常生活中最基本的運動方式，而步態是指人類步行的行為特征。步態生物力學研究是運用力學方法和技術，并基于人體機能解剖學和生理學的基本理論對人體行走功能狀態進行測量、分析、評價的應用研究。吳劍等（2002）在“步態生物力學研究進展”中對2002年之前的研究進展進行了論述，隨著科學技術的發展和三維步態分析儀器開發利用，國內外對步態研究的進程也呈現出逐步加快的趨勢，但目前在眾多的研究成果中，還沒有對新時期步態生物力學的研究進展進行的研究，因此本文通過對步態生物力學的研究進行分析，旨在為促進步態生物力學的研究進程，為以后的研究奠定基礎。

1步態的一般生物力學研究進展

1.1步態周期

步態周期是指從一側足跟著地到該足跟再次著地所構成的周期。一個步態周期分為支撐相與擺動相2個相位。支撐相在整個步態周期中約占60%；擺動相約占40%。而跑動時支撐相約占整個步態周期的65%，擺動相約占35%。一條腿在一個完整的步態周期中經歷的狀態依次為：足跟著地、足放平、支撐、足尖離地、腿彎曲擺動、腿伸直向外擺動、然后足跟著地，進入新的步態周期。前4個狀態是支撐相，后3個狀態是擺動相。步態周期與身高的差異不顯著。

1.2步長與跨步長

步長是指同側足跟或足尖到邁步后足跟或足尖之間的距離，正常成人的步長值約為150―160cm。跨步長是指行走時一側足跟到對側足跟之間的最大距離，正常成年人的跨步長約為127cm，正常成年人隨著年齡的增長，其跨步長與年齡成負相關，與身高成正相關，另外跨步長與步頻也有相關關系。

1.3步頻與步速

步頻是指行走時每分鐘邁出的步數，步頻=60（s）/步長平均時間（s）。步速是指步行的平均速度（m/s）。對20-39歲、40-59歲、60-79歲三個年齡段的正常成人進行步態分析表明：20-39歲年齡段的正常成人的步頻為1.9412，步速為1.2616；40-59歲年齡段的步頻為1.8117，步速為1.0514；60-79歲年齡段的步頻為1.7621，步速為0.9524 。

1.4身體質心起伏

人起步時，雖然地面作用于人的腳底的靜摩擦力對人這一質點組不做功，但這一靜摩擦力對人的質心做功，正因為這個功使人的質心動能增大，人才得以起步運行。另一方面，質心動能的獲得，是以人體各質點克服靜摩擦力相對于質心做功為代價的。這一代價來源于人體各質點間相互作用的非保守力的功。對于一個健康的成人，當其正常行走時，質心起伏的幅度約為4.4cm。

1.5關節角度

人體下肢步態運動可以簡化為一個四剛體模型（包括軀干）。對于髖關節和膝關節，圍繞靜止站立位有曲屈和伸展兩個方向，定義伸展為角度負向，彎曲為角度正向；對于踝關節有背屈和跖屈兩個方向，定義背屈為角度負方向，跖屈為角度正方向。Grabiner等認為膝關節必須在支撐期完全伸直，在擺動期屈曲大約60是教謀匾跫？

2步態生物力學研究的應用

2.1功能檢測與評定

步態生物力學的研究對象為生物體的移動狀態，測量參數具有自主控制成分。步行的對稱性和圓滑性可以根據步態分析所得的參數（包括：運動學、步態時間―距離參數和動力學參數）進行推測，穩定性和波動性可根據重心位移和力的作用點進行判斷，其速度、節奏和持久性的判斷則是根據步速、步頻和步行的持續距離。從已有的研究中，主要對妊娠期婦女、老年人、“三癱一截”（腦癱、截癱、偏癱、截肢）的殘疾者、肥胖人群的行走人群進行功能檢測與評定。

邱紀方等對20例痙攣型腦癱患兒及青年，連續進行了步態的評測（包括運動分析），其測量指標分別為：屈髖畸形（改良托馬斯試驗）、膝關節伸展、繩肌長度（角）、比目魚肌長度、腓腸肌長度等。其結果表明：所有指標均與CCC具有良好的一致性（0.67～0.96）；觀測者間一致性隨測量指標的改變而有較大改變，CCC為0.34～0.87。髖外伸展的CCC左髖是0.34，右髖為0.42。

李艷霞等采用比利時Footscan USB2平板式足底壓測試系統對體質量指數>28 kg/m2的肥胖學生進行動態足底壓力測試，以此探索肥胖人群足底壓力參數的分布規律。

周有禮等通過對的動力學分析，解決了孕婦完整人體檢測資料缺乏的困境，為發現妊娠婦女步態研究奠定了基礎，但是缺乏具體的評價指標。

王琳等采用橫向比較性研究設計法對中國青春期前BMI（體重指數）小于30 kg/ m2的男性肥胖兒童和體重正常的男性兒童在步態和姿勢控制方面是否存在差別進行了研究，結果顯示：肥胖兒童在步態的穩定性和姿勢控制上均不如正常兒童的穩定。

2.2疾病的預防

第3篇：人體運動生物力學研究范文

關鍵詞：運動人體科學；論文選題

中圖分類號：G807．0 文獻標識碼：A 文章編號：1007―3612(2006)09―1231一04

本文對1982―2003年全國體育院校及部分重點大學體育院系、國家體育總局等30多個單位的運動人體科學專業碩士、博士生研究生論文選題進行了分類統計和比較分析，并對其選題方向和特點進行歸納總結，以期為今后運動人體科學學科研究生的論文選題提供參考。

1　研究對象與方法

1．1研究對象 本文共收集1982―2003年運動人體科學專業各研究方向的研究生論文505篇，其各專業的分布情況如下表：

1．2研究方法

1．2．1 文獻資料法 本文搜集了研究生論文選題方面的文獻并進行了分類整理，獲得了相關資料和信息。

1．2．2數理統計法 對論文的題目、研究對象、研究方向、研究內容和特征等指標進行了初步統計，并對統計結果進行了數理分析。

2　結果與分析

2．1 人體運動科學專業論文分布情況 運動生理方向的研究生論文數量占運動人體科學專業研究生論文總數的46．34％(表1)，這與以北京體育大學為代表的一批體育院校運動生理學科點開設較早、而其他學科點開設較晚有關，同時與80年代某些院校只設立運動生理專業碩士的現象也有一定的關系。數據顯示：運動生物力學方向的論文數量較少，90年代后有所增加，這主要是由于運動生物力學為一門較為年輕的學科，在我國的起步較晚；而運動解剖學方向的論文數量總數也相對比較少，尤其是進入21世紀后的3年中運動解剖方向的研究生數量急劇減少，其原因主要在于各院系的招生培養結構所致，該學科屬基礎理論學科，且與運動訓練相關性不大所致。

從圖形及數量分析可以看出，各研究方向在年代分布上，盡管呈現出一些波動，但總體趨勢是各研究方向的數量和總數都在逐漸增多。

統計結果顯示，近年來運動生理學研究生的選題方向主要集中在骨骼肌生理、疲勞與恢復、機能評定和心血管等范圍內，其數量占運動生理方向研究總數的55．98％，這與目前國內體育期刊上相關領域的研究方向與研究趨勢基本相符。其原因是骨骼肌生理，運動性疲勞與恢復，運動員機能評定及心血管等方向與運動訓練關系密切，這些研究可以解決運動訓練中出現的實際問題。進入21世紀后，內分泌功能的調解、訓練效果等與大眾健康、全民健身關系密切相關的問題也將受到了重視，其研究生論文數量必然有所增加。

2．2各專業方向研究生論文選題方向分析

2．2．1運動生理專業

2．2．2運動生化專業

如表3所示，營養是運動生物化學方向研究的一個主要方面，其研究生論文數量約占總數的1／3。在運動訓練中“沒有恢復就沒有訓練”的新觀點提出之后，人們開始逐漸著眼于營養學的相關研究，如何應用合理的營養手段來延緩運動性疲勞的產生，促進運動后恢復已成為體育科研領域中的熱點問題。但這些論文的研究對象多采用動物實驗，對人體的研究相對較少，而運動營養及合理的恢復段在運動員當中推廣使用，還須更多的人體實驗作為更直接的依據。隨著國民經濟的發展和體育健身在我國的開展，近年來針對各種健身鍛煉項目的訓練效果的研究數量也在逐漸增加，呈現了與運動生理方向相一致的變化趨勢。

2．2．3運動解剖學

統計數據顯示，兒童少年體質現狀和生長發育規律及體育運動在人體塑造方面的作用是運動解剖學方向研究者們所關注的主要問題，其論文數量分別占該研究方向論文總數的37．14％和28．57％。涉及骨骼肌的形態結構與功能的基礎性研究也占有一定的比例，而其它方向的論文數量比例均相對較少，呈現出明顯的“選題分布極不均衡”的特點，這一現象說明運動解剖學知識領域廣泛，可供研究的問題相對比較多，而經過幾十年的發展，運動解剖學已經形成了較為固定的研究領域，這也是一個學科發展基本成型的表現。

2．2．4運動醫學

統計數據顯示，運動醫學方向研究生的選題方向主要集中于心血管生理、訓練效果、骨骼肌生理及運動損傷等方向，各個方向的科研討論數量分布均衡，占其方向的百分比均在15％左右，且這些研究相對集中，與運動訓練實踐結合比較緊密，體現了科學研究服務于訓練實踐的基本指導思想，和運動醫學實用性較強的學科特點。

2．2．5運動生物力學

統計數據顯示，運動生物力學方向的研究熱點集中在對運動項目的某些技術環節的動作分析上，其研究主要是利用運動生物力學的手段輔以現代化技術手段展開探索研究，從而得到一些敏感指標、數據，并采用計算機評價系統進行分析、評價。其中涉及動作技術分析的占42．86％，而涉及計算機評價系統的研究呈現逐漸增長的趨勢，達到生物力學研究生論文總數的23．81％，體現了運動生物力學與計算機科學的聯系日趨緊密。隨著科學的發展運動生物力與數學、物理、計算機、醫學等學科的交叉將逐漸增多。

2．2．6 各專業方向選題特點的分析 從表2～6的數據統計結果顯示，各方向的選題方向一方面呈現了各自專業的學科特點，同時各學科之間互相關聯，存在一些共同點。

從各自專業方向選題特點來看，運動生理方向選題中骨骼肌生理及疲勞與恢復的內容較多，尤其是在90年代前后，對肌纖維類型、肌纖維組成比例的研究很多，采用無損傷方法測定肌纖維類型，對延遲性肌肉酸痛以及骨骼肌疲勞后超微結構改變的研究，都是這一領域的研究熱點。

運動生化方向對運動員營養補充問題以及運動后恢復手段的研究得到越來越多的注視。“沒有恢復就沒有訓練”這一新觀點提出之后，營養及其他恢復手段成為競技體育中的熱門問題。

運動解剖學方向論文選題明顯集中在“兒童少年體質現狀和生長發育規律的研究”、“體育運動對人體器官組織形態結構影響的研究”和“骨骼肌形態結構和功能的研究”這3個方向，占論文總數的80％。

運動醫學的選題則集中在創傷、心血管、訓練效果及骨骼及生理四方面，而且分布比較均衡，各占該方向論文選題的13．04％、17．39％、15．22％和13．04％。

運動生物力學是相對較為獨立的學科，其選題集中在兩個方面：動作技術分析(42．86％)，其次是計算機評價系統的研究(23．8l％)；除此之外人體組織力學、動力學及身體素質等方面的論文選題也逐漸受到一定程度的關注。

2．3各專業方向研究生論文的研究對象

統計數據顯示，運動人體科學專業的研究對象中動物實驗占到總數的41．05％。運動員只占到19．26％左右，位居第

三位的是體院學生，占12．26％。近年來，動物實驗的比重越來越大，而人體實驗在逐漸減少。

從科學研究的實際應用價值上看，人體實驗的科學研究通常具有更直接的實用價值。但是，由于人體實驗時，實驗條件不一，且實驗對象在實驗期間難以控制，作為受試對象的人本身個體差異較大，因此在實際實施過程中會造成很大的困難。動物實驗的優點是樣本個體差異小，條件容易控制，測試結果更為準確，特別適合做一些機制性的研究。其缺點是動物與人的親緣關系太遠，有時候反映在動物身上的變化，未必可以在人體上得到重現。而且，動物采用的運動模型較為單一。從目前來看，常用的動物運動模式為大鼠(或小鼠)游泳，以及在動物跑臺。且不說這些運動模型的控制是否嚴格，從這些運動方式上看，與人體的運動畢竟有一定的差異。而且疲勞點如何確定的問題，一直是動物實驗論文中存在爭議的問題。

在實際操作中，如何將人體實驗與動物實驗的優勢結合起來，一直是研究生論文需要重點考慮的問題。好的選題不僅在于題目本身，實驗設計也是論文成敗的關鍵。

2．4各專業方向研究生采用的研究手段

2．4．1運動生理專業

2．4．2運動生化專業

2．4．4運動醫學專業

數據顯示，運動生理、生化、解剖和運動醫學方向研究生論文中使用的各種研究手段中，運動生化指標的測定占相當大的數量和比例。尤其與運動實踐結合比較密切的論文多采用生化指標對受試者進行評定，觀察受試者身體機能的變化。如：血乳酸一直是科學訓練所關注的主要問題。另外，血常規、血尿素指標以及以血清酶的變化都是運動訓練中經常涉及的問題。另外，在一些機制性的研究中，如運動性低血睪，運動性閉經或月經紊亂等問題，都需要對激素及激素受體輔助生化手段進行定性分析。近些年來，隨著基因分析手段的日益更新、先進，實用性的基因分析手段逐漸應用到了體育科學研究中來，例如對骨骼肌a―actin基因表達的研究，對β－腎上腺素受體基因表達的研究，對衰老過程中線粒體DNA缺失的研究等等，都是現代基因手段與運動實際相結合的有益嘗試。

在研究手段的選取上：運動生理學使用較多的是生化指際、生物電技術和常規生理指標，共占其研究總數的74．99％，近幾年來，借助生化指標檢測的研究數量逐漸升高。運動生化方向則是生化指標占絕對統治地位，達到總數的85．19％，充分體現了本學科的特點。運動解剖學則較多地應用身體素質指標、組化電鏡、生物電技術及常規生理指標等，所采用研究手段相對較多，且分布均勻，即運動解剖學的研究手段呈現多元化。運動醫學方向中應用較多是生化指標、常規生理指標和組化電鏡及生物電技術，占該方向研究手段總數的89．36％，體現了運動醫學監測過程中需要借助生理、生化手段的特點。各方向的研究手段呈現出互不相同特點，歸結原因在于不同專業研究的側重點不同所致。

動作技術分析系統是運動生物力學專業研究中最常用的手段，占生物力學各研究手段總數的42．22％，它是運動生物力學為運動訓練直接服務的最常用手段，在近幾年隨著計算機技術和數碼拍攝技術的發展取得了很大的進展。隨著計算機技術的不斷發展，計算機也逐漸進入體育科學研究領域，其主要運用在計算機分析、評價系統中，這些先進、準確手段的引入對運動訓練和科學研究產生了巨大的推動作用。

2．4．6 除運動生物力學外所有專業不同年代研究手段的對比

表13顯示，80年代采用較多的是生物電技術、常規生理、生化指標，各占總數的28．87％、25．77％、25．77％，他們之間的分布相對均衡。進入90年代后，隨著研究的進一步深入，一些簡單手段，如生物電技術和常規生理指標的應用比例逐漸減少，而生化指標等反應受試者機體機理的研究手段所占比例增大，達到總數的52．30％，體現了各學科研究的精確、精細化和定量分析的逐漸增多。隨著科學技術的發展，一些前沿科技手段，如基因技術開始在運動人體科學領域中應用。本文所統計的只是2001―2003年的研究生論文，樣本量相對較少，但其變化趨勢基本和90年代相同，這些變化趨勢反映了體育科學研究的不斷深入以及研究手段的不斷發展，同時也反映了運動人體科學專業學科水平的提高。

3　結 論

第4篇：人體運動生物力學研究范文

關鍵詞：生物力學 跳臺跳水 起跳技術

一、前言

竟技體育的目標是“更高、更快、更強”。運動員通過不斷 克服自我來提高速度、力量、動作的準確性。除了刻苦的訓練 之外,科學的訓練方法和手段是提高運動員成績的有效途徑。提高運動技術訓練科學化水平的重要前提條件就是吸收各學科最新發展成果,采用先進的測量手段進行定量研究。 信息技術或者計算機技術的廣泛深人應用引起了社會的巨大變革,對運動訓練和體育科學研究也帶來了前所未有 的機遇,正在改變體育科學研究與訓練的模式。

二、研究方法與研究對象

1、研究對象河北省跳水隊優秀的運動員

2、 研究方法

（1）文獻資料法查閱國內外關于高臺跳水起跳技術的研究現狀，有關計算機模擬的相關文獻

（2） 計算機仿真模擬

①以三維方式逼真模擬技術動作。 通過形象化的方式讓運動員更容易、更快速地掌握技術動作要領，從而大幅度地提高運動員整體運動技能水平。

②新動作設計與技術動作標準化。可以編輯、修改、設計新動作，通過該工具還可以讓教練員設計出自己頭腦中“理想”的動作，據此建立標準技術動作庫，用于教學與(國際)裁判培訓，提高比賽成績。

③技術動作分析。可以對技術動作做量化分析，并以圖形方式展示分析結果。包括位移、速度、力等。在此基礎上，可以對“理想”動作與運動員技術動作做深層次的分析，并給出運動員改進技術動作的指導性意見。

④動作編排模擬與設計。從模擬的單個技術動作中，教練可以挑選出需要編排的候選動作，系統將按照教練的意愿模擬編排結果，教練員可以從各種編排結果中挑選最優的編排，從而輔助教練確定方案。

三、分析與討論

我國跳臺跳水技術在世界上已居前列，在重大的國際比賽中我國選手多次獲得金牌。跳水技術的發揮是多方面的，其中起跳技術是整個跳水技術的關鍵。在動作多周翻騰的方向上發展的今天起跳技術，大有改進的潛力。當前國內外選手在跳臺跳水動作的起跳技術上都采用助跑2～3步單腳起跳、雙腳落地制動緩沖，同時兩臂上舉，向后彎屈小臂，在蹬地同時兩小臂快速向上擺動以增大蹬踏力使身體沿一弧線躍起的技術動作(簡稱上擺臂式起跳技術)。

設定人體質量不變(同一個人)，在動作技術過程中，水平助跑速度相同，下肢制動緩沖速度也相同，上肢擺動小臂的速度不一樣(取上肢重心移動速度的平均值計算)。起跳瞬間身體軀干姿態相同，用體操中的下擺臂起跳技術來模擬跳水的起跳技術。

良好的起跳技術主要是為獲得較大的垂直起跳力和繞身體重心的轉動力矩，從而保證有較長的滯空時間和翻轉角速度。

下擺臂式起跳優于上擺臂式起跳的主要原因是：上擺臂動作主要是小臂在擺動，因此上升距離(小臂重心移動)小，參予擺動的質量也小。而下擺臂動作是上肢進行擺動，蹬伸期間整個上肢重心擺動距離大，參予擺動的質量也大，從而獲得較大的蹬踏力。一個高難度旋轉動作的優劣，與身體騰空高度相關甚大，蹬踏力越大，騰空越高，騰空時間就越長，就越能保證運動員在該段時間內完成動作。

擺動臂對人體重心的力臂――取起跳瞬間相鄰圖片兩小臂重心連線至總重心距離

人體總質量為50 kg、蹬伸階段重心位移0.3 m、蹬伸時間0.2 s

從技術要點分析我們把蹬踏力定義為沿腳、髖關節連線方向上行下擺臂式起跳動作蹬踏力偏后，而上擺臂式則偏前，與水平夾角分別為75°86，前者更有利于制動。從表1中看出下擺臂式的起跳比上擺臂式起跳技術能獲得更大的轉動力矩，當踏跳時間相同時將獲得更大的沖量矩。另外上擺臂式起跳動作由于兩臂上舉人體質量分布距人體質心較遠，起跳瞬間的轉動慣量大于下擺臂式起跳的轉動慣量。根據動量矩定理(MΔt=I2ω2-I1ω1)，當沖量矩不變時，轉動慣量大的角速度必然小，也進一步證明了上擺臂式起跳技術不利于獲得較大的轉動角速度。

總結

力學分析計算證明下擺臂提肘式的助跑前空翻起跳技術比上擺臂式起跳技術能獲得更大的前翻沖量矩，對發展向前的多周翻騰動作有利。跳臺跳水動作向多周翻騰發展難度時(109C、109B)建議采用下擺臂后提肘式的起跳技術為宜。

參考文獻：

[1]丁海曙，等. 人體運動信息檢測與處理. 北京宇航出版社，第1版，1992年7月

[2]國家體委科研所生物力學組. 中國亞運會巴賽羅那奧運會跳水運動員參數測試評估. 中國體育科技，1997年7月

[3]袁晉純. 運動生物力學研究方法. 廣州體院出版社，1984

[4]國家體委. 競技體操競賽規則. 1994

第5篇：人體運動生物力學研究范文

關鍵詞：排球；跨步墊球；運動學分析

一、前言

排球跨步墊球及以其為基礎的各種低姿勢墊球是排球比賽過程中使用頻率較高的墊球技術動作，它又是各種低姿墊球動作的基礎。現代排球教材中，缺乏對其技術動作科學化的描寫和分析，導致在現實教學中，教學標準不統一，教學效果也不理想。因此，本文采用三維高速攝影解析技術對跨步墊球技術特點進行分析研究，旨在探尋跨步墊球技術的動作結構特征，豐富和完善排球技術教學和教材理論，給動作技術教學、訓練、評價、診斷提供客觀的理論依據。

二、研究對象與方法

1.研究對象

研究對象為湖南師范大學男子排球隊的3名和湖南師范大學女子排球隊的1名主力運動員。研究內容為排球跨步墊球技術。

2.研究方法

本課題的研究方法主要采用實驗法，運用三維高清攝像解析系統對優秀排球運動員的排球跨步墊球技術進行運動學的研究。

（1）文獻資料法

查閱了中國期刊全文數據庫里近二十年來關于排球墊球技術及運動生物力學相關研究的文獻資料、相關論文和著作中對排球技術的研究情況和生物力學的研究進展并形成了文獻綜述，為本研究打下了扎實的研究基礎。

（2）專家訪談法

咨詢有關的運動生物力學研究專家和教師，向其請教以往寫作過的論文中所涉及的實驗方法、設計及數據處理和分析等方面的問題。

（3）實驗法

采用三維高清攝影圖像解析技術，對技術動作的結構特征進行分析。

（4）數理統計法

數據利用QToolS軟件和Excel軟件對獲得的數據指標進行計算和統計。

3.測試程序

模擬比賽情況，受試者進行充分準備活動后，按實驗要求，在專家的指導下讓四名受試運動員在測試范圍內作跨步墊球動作，每名測試對象完成兩次跨步墊球，按規范標準進行拍攝（以右側跨步動作為例）。由現場專家選定效果較好、技術較規范的兩名運動員的跨步墊球動作作為分析對象，然后計算數據的平均值。

4.測試方法

采用三維定點攝像的方法，用兩部高清攝影機，對實驗測試對象的跨步墊球技術進行三維定點拍攝，運用相應的解析系統對其動作技術進行解析，得出測試指標參數。一部置于運動員的右側，一部置于運動員的前方，兩部攝像機主光軸約成 90度，拍攝頻率為50Hz。高清錄像拍攝，頻率25幀/秒，經奇偶場分離后頻率相當于50場/秒。采用2臺sony FX-2000E高清攝像機拍攝視頻。

標定框架采用國家體育總局體育科學研究所的PEAK輻射式三維標定框架，標定精度高。選擇被分析的動作時，選擇的整個動作位于框架標定范圍內。

使用SIMI motion視頻解析系統對技術動作進行解析，采用扎齊奧爾斯基人體模型，人體模型取系統軟件自帶的人體模型，分析數據包括身體重心、軀干、各關節點位移速度、以及各關節和軀干的角度和各時段的時間等數據，所得數據采用數字化濾波法進行平滑處理，截斷頻率為10，用EXCEL 2000對視訊系統得到的數據進行坐標轉換、計算得到運動學數據，并編輯公式計算人體基本平面方程系數以及關節點在各個平面的投影坐標，再用Q-Tools計算關節角度。用Origin7.0做三維坐標圖。對解析出的數據進行對比分析與研究，并做參數間的相關分析，運用相關參數數據描述動作過程，建立整個動作結構相關環節間夾角、角速度、角加速度、速度、身體重心等量化指標和參數，揭示動作過程的運動學特點和規律。

三、動作階段的劃分

動作階段劃分是研究技術動作的重要環節。排球運動員跨步墊球技術是由準備姿勢、跨步、墊球、隨后動作四個環節組成，而對擊球效果起決定作用的是跨步和墊球兩個環節。為了確定動作結構和時相劃分方便，本文首先確定了不同動作階段的臨界點，它可表征各動作階段基本力學特征與動作質量。我們依照排球跨步墊球動作的順序把跨步墊球動作分為：跨步階段（1.4s-3.3s）、擊球階段（3.3s-4.1s）、隨后階段（4.1s-5.2s）。

四、研究結果與分析

1.排球跨步墊球技術下肢各環節運動學分析

（1）膝關節的運動

膝關節的角度特征如下：

從圖1中可以看出左、右膝關節角在0～2.64s時段的變化趨勢并不相同。2.64s時刻為跨步腳剛著地的時刻。右膝關節角變化曲線在該階段有一個明顯的先下降后上升的過程，而左膝關節則是一個逐步下降的過程。右膝關節在跨步階段要向前跨出一步完成跨步動作，在跨步過程中右膝關節先屈曲后伸展。在跨步階段身體重心落在左腳上，此時左腳起著支撐整個身體的作用，并保持重心穩定性，因此左膝關節角在跨步階段變化很小。在2.64s后，左、右膝關節的變化趨勢完全相同，當跨步腳著地后，左、右膝關節開始同時屈曲，降低身體重心。到擊球前屈曲值達到最大，身體重心此時處于最低，隨后雙腳蹬地，同時雙臂上擺擊球。

跨步墊球技術在跨步階段膝關節有一個屈膝重心下降的動作，這個動作是跨步墊球技術的重要組成部分，目的是通過拉伸膝關節蹬伸主動收縮肌群，增大肌肉收縮初長度儲備彈性勢能，同時增加墊球時的墊球距離，為后繼膝關節蹬伸動作做好準備。而且在判斷來球的方向和速度后通過跨步動作還能及時調整擊球的最佳時機和部位。在跨步墊球技術中左膝最大屈曲角度為60.6°。右膝最大屈曲角度為59.89°。下肢屈膝身體重心下降的動作幅度太大或太小都不能產生最佳的蹬伸效果，不利于整個墊球動作的完成。如果膝關節屈曲幅度過大，就會造成膝關節伸肌群過大的對抗負荷，進而影響膝關節的伸展速度及軀干和上肢各環節的整體配合。反之，膝關節屈曲幅度過小，又不能充分拉長伸膝主動收縮肌群，影響主動收縮前彈性勢能的儲備，進而影響到蹬伸效果。跨步墊球技術下肢的蹬伸動作主要是使髖關節產生向上的運動，通過下肢的蹬伸帶動手臂向上擺動，保證擊球時動作的穩定性。由于不同運動員的身材和身體素質的不同，因此不同的運動員最佳膝關節的屈曲角度和身體的下蹲深度也不相同。合理的膝關節屈曲角度有助于運動員發揮最佳技術動作。

（2）踝關節的運動

由圖2可知：從跨步開始，右踝關節角度不斷增大，而左踝關節角度不斷減小，這是由于跨步開始時，身體以左腳為支撐，右腳向前方跨出一步，隨后身體重心下移，直至跨步結束。由于右腳向前跨步，右踝關節與左踝關節正好相反，不斷增大，直至跨步后右腳腳跟與地面接觸時增至最大。

2.排球跨步墊球技術動作整體分析

排球跨步墊球合理的動作節奏應該是身體自下位關節至上位關節的速度依次遞增。各運動環節的遞增量越大，說明動作的動量傳遞效果越好。跨步墊球技術動作的跨步階段，單腳向前跨出一步，同時身體重心下移，軀干稍向前傾，雙手手臂伸直下壓，為后繼擊球動作調整好擊球的時機和方位，同時儲備了彈性勢能，增加了肌肉收縮做功距離。擊球動作階段，通過下肢蹬伸、軀干和上肢各運動環節的依次加速與制動，將速度傳遞至手臂，手臂通過從來球的下部向上抬，以達到最佳的擊球速度，將球平穩而有力地擊出。擊球時身體主要環節的活動順序為膝―髖―肩―肘和手腕。從完整技術動作上看，跨步墊球是在拉長相關主動收縮肌的條件下，首先由下肢肌肉主動收縮用力，然后是上肢各環節肌肉群的收縮用力，這種動作時序符合墊球技術動作力學原理。合理的技術動作能充分發揮軀干肌肉和下肢肌肉的爆發加速作用，不要過多地單純依靠上肢運動環節加速，這樣才能使上肢肌肉有較大的能量儲備，同時保證動作的穩定。在擊球動作階段上肢肌肉感覺敏銳，控制手臂的方位和調控擊球時間，并保證擊球最佳的擊球點和擊球時機。因此應加強下肢的蹬伸力量，并在擊球時加強下肢的蹬伸作用，從技術上保證下肢和軀干肌肉合理的爆發加速功能，為上肢各環節的依次加速提供運動初速度。

五、結論

1.跨步墊球技術動作結構的分類

本研究對排球跨步墊球技術的嘗試性劃分是對目前排球跨步墊球技術劃分理論的大膽嘗試。筆者根據運動生物力學中關于技術動作的階段劃分原理，根據動作結構與動作任務的不同，把排球跨步墊球術分為跨步階段、擊球階段和擊球后的隨后階段。

2.跨步墊球技術下肢的運動學特征

左膝最大屈曲角度為60.6°，左膝最大蹬伸角度為159.5°，左膝關節的活動幅度為98.9°。右膝最大屈曲角度為59.89°，右膝最大蹬伸角度為119.8°，右膝關節的活動幅度為59.1°。膝關節屈曲幅度過大，就會造成膝關節伸肌群過大的對抗負荷，進而影響膝關節的伸展速度及軀干和上肢各環節的整體配合。反之，膝關節屈曲幅度過小又不能充分拉長伸膝主動收縮肌群，影響主動收縮前彈性勢能的儲備，進而影響到蹬伸效果。

六、結語

跨步墊球技術在比賽中與其他墊球技術相比應用廣泛，技術結構較為合理。采用跨步，身體重心位于兩支撐腳之間，支撐比較穩定。跨步墊球有利于肌肉用力的控制，也就可以較好地控制來球。

今后應結合三維動力學進行進一步的其他同類研究，通過同步裝置，對跨步墊球進行運動學與動力學的同步分析，只有這樣才能更全面地分析跨步墊球的技術特征和內在規律。

對于排球運動的技術原理等課題還有待于我們去深入研究，揭示其科學的本質和內在的規律、科學化發展，這樣才可以更好地使排球運動得以更廣泛的普及和更科學化的發展。

參考文獻：

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第6篇：人體運動生物力學研究范文

關鍵詞：脊柱壓力；坐姿；生物力學

在日常生活中，人們每天都要坐著，尤其是許多長期伏案工作的人員，如教師、白領、司機等許多長期處于靜坐的人群而隨著年齡的增長，容易產生各類腰椎疾病，（如腰肌勞損、骨質增生等）此類疾病的產生，對神經系統的傷害和刺激尤為敏感，而且對其他肢體部分的功能有著嚴重的障礙，從而對患者的日常生活工作，學習帶來了諸多的不變。

1.脊柱的解剖學結構和功能概述

1.1脊柱的解剖學結構

脊柱是由24塊椎骨、一塊骶骨和一塊尾骨構成，脊柱又分為頸椎、胸椎、腰椎。是人體的中軸，各個椎體之間由椎間盤相互連接，椎間盤中有髓核，髓核是一團親水的膠狀物。青年人的髓核內具有豐富的親水性粘多糖[1]。髓核位于椎間盤的中央，內部膠狀物由外部堅強組織即纖維環所包圍，纖維環由纖維軟骨組織構成。纖維軟骨內粗大的膠原纖維環保證了纖維環承受屈曲和扭轉時高負荷量。椎間盤成分類似于關節軟骨，即堅韌又有彈性，在接受到壓力刺激是會被壓縮，除去壓力后又會復原，所以椎間盤又會對外界對脊柱產生的壓力起到一個緩沖和減震的效果。

1.2脊柱的功能概述

脊柱的功能單位又叫運動節段，是指兩個相鄰近的椎骨及其期間的軟組織共分為前部和后部.。節段前部包括兩個上下兩層的椎體、椎間盤和前縱韌帶。椎體主要承擔來自軀干，上部的壓力負荷，這種壓力負荷從上到下逐漸增大，因此腰椎椎體比胸椎和頸椎的椎體都要寬而厚。這些較大的結構保證了腰椎能承受較大負荷。

椎間盤能承擔和傳遞負荷，同時可以限制腰部過度運動，因此具有重要的機械和功能作用，椎間盤內部有髓核，其是一團膠狀物，脊柱受力，髓核具有流體靜力學的特點，是壓力均勻分布在椎間盤，因此椎間盤作為一富水的組織，在整個運動節段中像一個墊子一樣墊在椎體間，起到儲存和傳遞負荷的作用。

運動節段的后部分配著脊柱的運動，由相應平面的椎弓、關節突構成的椎間關節、橫突、棘突和各種韌帶組成。脊柱各個平面可能存在的運功取決于椎間關節面在橫斷面和額狀面的朝向，椎間盤的朝向變化在整個脊柱均存在。

2.不同坐姿下腰椎的受力分析

腰椎的負荷主要來自體重、肌肉收縮力、韌帶產生的預應力和來自體外的負荷，而身體的不同坐姿可影響腰椎的負荷。在椎間盤內測量的體內研究發現，在不同坐姿情況下，腰椎的受力大小是不相同的，根據有關的壓力測定結果值可知[2]。

2.1人體在放松坐位時，沒有靠背的情況下，人體腰椎受到的壓力是人體放松站立所受壓力的92%。

2.2人體在繃直背部坐位時，人體腰椎所受到的壓力是人體放松站立所受壓力的110%。

2.3人體在極度屈曲的坐位情況下，人體腰椎所受到的壓力是人體放松站立所受壓力的166%。

2.4人體在有靠背的坐位時，人體腰椎所受到的壓力是人體放松站立所受壓力的54%，根據研究表明[3]靠背的不同角度，有無支撐物都對腰椎的受力有關：

（1）靠背呈90度角，椎間盤內壓力最大，（2）同樣的角度下增加支撐物，椎間盤內壓力降低；（3）靠背向后傾斜呈110度角，但無支撐物條件下，椎間盤內壓進一步減小（4）靠背向后傾斜呈110度角，增加支撐物可使椎間盤內壓進一步減少；（5）將支撐物移向胸椎，使身體上部向前屈曲，腰椎向后凸出，椎間盤內壓增加[4][5]。

3.小結

通過研究發現，不同坐姿對人體脊柱壓力不同，對于那些長期處于靜坐狀態的工作者而言，保持正確的坐姿對于減少椎間盤壓力，預防腰肌勞損、椎間盤功能退化及椎間盤突出等癥狀具有一定積極意義。綜合上述文獻可知，坐姿狀態下工作時，應采取有110度后仰靠背的座椅，從而可以減小體重對脊柱的壓力。同時我加強體育鍛煉，尤其是腰背部肌肉力量鍛煉，增加肌肉功能，對于調整人體脊柱壓力負荷具有重要意義。（作者單位：南昌航空大學體育學院）

基金項目：南昌航空大學第九屆三小項目。

參考文獻

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第7篇：人體運動生物力學研究范文

【關鍵詞】 跟骨; 有限元分析; 建模; 生物力學

跟骨是人體中最大的跗骨 ， 對行走及負重有重要的作用。跟骨形態復雜 ， 呈不規則長方體 ， 上面有三個關節面 ， 分別為跟距前、中、后關節 ， 跟骨后關節面最長 ，長軸呈凸弧形斜向前下方 ， 組成跟距關節的大部分。以后關節面為界分為三部分 ， 后關節面以前為前部 ， 以后為后部 ，前窄后寬。在負重情況下 ， 足的距骨、跟骨必須正確排列 ，有足夠的力量和高度來承受負荷跟骨骨折是臨床常見骨折。跟骨骨折由于本身復雜的解剖特點復雜，現有方法對跟骨尤其是跟距關節面的生物力學分析有一定的難度[1，2]。本研究旨在通過Mimics建立高度仿真的跟骨模型，并且導入ANSYS中進行靜壓力分析，對跟距關節面的應力分布做簡要分析。并通過此方法的建立，為研究跟骨骨折的生物力學研究建立初步方法。

1 資料與方法

1.1 研究對象

被測試對象:健康男性 1 名，身高170cm，體重60kg ，年齡30 歲。采用襄樊市中心 醫院西門子螺旋CT對其進行足部掃描。

1.2 方法

用Simens多排螺旋CT對受試者的足部進行掃描，受試者呈仰臥位，從脛骨中段至足底進行連續螺旋掃描，將影像輸入到 Mimics 10 11 軟件(Materialise公司，比利時) 。

CT斷層掃描圖片以dicm格式導出，以Mimics軟件(比利時)導入，形成三維圖像，并且通過對感興趣的部位(本文為跟骨)單獨形成三維圖像，再導出為lis格式，并且做smooth和mesh處理。然后將此文件導入ANSYS10.0(美國)，并以此面模型建立體模型。在跟距關節面上根據解剖關系劃出軟骨關節面范圍，設定跟骨的四面關鍵點為不可位移的關鍵點，再在軟骨面上施加正常成人體重的1/2約343N，得出應力云圖及各個方向的形變[3]。

2 結果

2.1 Mimics軟件可以順利的將整個足的CT斷層掃描數據 轉化為3D模型，然后選取研究感興趣的部分如跟骨單獨成像。比傳統CT圖像勝在更直觀，并去除了解剖結構的限制，可以從任意角度觀察跟臨床感興趣的部位(圖1)。

2.2 將跟骨單獨形成三維圖像后再導出為lis格式，并且做smooth和mesh處理，然后將此文件導入ANSYS10.0可以建立能夠進行有限元分析的網絡模型(圖2)。

2.3 設定跟骨的力學特性密度泊松值和楊氏模量。選定跟骨底部四個點為約束點，跟距關節面上根據解剖關系劃出軟骨關節面范圍后施加343N靜壓力，時間為1s(圖3)。

2.4 求解可以得出在壓力作用下跟骨模型的應力云圖和各向形變。

根據設定條件， ANSYS提示跟骨之跟距關節面受壓力后 跟骨內部的應力變化， 關節面部分為桔黃色代表應力較大，其中中中央部分為紅色代表應力最大為7.17M Pa， 跟骨體部為綠色代表較大代表應力較小(圖4)。

形變分析圖示在跟距關節中央為紅色提示形變最大為0.342mm，向外周延伸形變逐漸減小。這與臨床跟骨骨折的常見表現類似。當應力超過跟骨本身的材料屈服標準時，跟骨就會發生不可逆的形變也就是骨折(圖5)。

轉貼于 　　3 結論

① Mimics可以方便的個體化建立準確有效的跟骨模型

② ANSYS可以在方便快捷準確的分析跟骨跟距關節的的各種力學特性，比如靜力分析。比較復雜的比如接觸分析，在建立肌腱軟骨的正常模型的基礎還可以進行運動分析。

③ 靜力分析表明跟距關節在正常靜壓力下，跟距關節的壓力峰值集中在跟距關節中心，形變也與壓力相應分布在附近。這和臨床實踐所見是相符合的。

4 討論

有限元分析軟件已經由過去對生物體材料幾何結構的簡單模擬和近似計算，發展到能對人體各組成部分復雜的非均質性結構進行真實模擬和精密分析，成為現代人體生物力學研究的一種重要工具，尤其是應用在口腔頜面外科和骨科方面。有限元分析的基礎是模型的建立和網格的劃分。過去缺乏建模工具，往往采取直接更具結構的幾何外形建立節點和單元而得到有限元，模型，一般只適合簡單的結構系統，無法完全反映正確的人體骨性結構。應用CT或MRI的計算機三維影像重建雖然可以直觀地反映人體結構，為臨床提供部分診斷信息，但無法以此直接進行生物力學分析。MIMICS是一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，它能輸入各種掃描的數據(CT、MRI)，建立3D模型進行編輯，然后輸出通用的CAD(計算機輔助設計)、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在PC機上進行大規模數據的轉換處理。本研究主要使用的是MIMICS FEA模塊，MIMICS FEA模塊可以將掃描輸入的數據進行快速處理，輸出相應的文件格式，用于FEA(有限元分析)及CFD(計算機模擬流體動力學)，用戶可用掃描數據建立3D模型，然后對表面進行網格劃分以應用在FEA分析中。FEA模塊中的網格重新劃分功能對FEA的輸入數據進行最大限度的優化，基于掃描數據的亨氏單位，可以對體網格進行材質分配[4，5]。本研究成功地建立了以正常人體跟骨螺旋 CT掃描影像為幾何依據的有限元模型。以往建立的醫學有限元模型由于軟件功能單一、 網格劃分算法少、 人體組織結構形狀不規則等原因，需要進行適當的簡化和假設，在精度方面有一定的缺陷，而且模型創建過程環節多、 成本高、 周期長，進一步限制了其應用。此方法具有便捷、 高效、 準確、高度自動化的優勢。通過初步建立的跟骨模型，分析了簡單的靜力分析，得出的結論和臨床實踐相符，證明Mimics和ANSYS結合是骨科生物力學分析的有利工具。另外，如建立肌腱軟骨的正常模型，就可以方便的在ANSYS中實現對跟距關節面的動態分析，還可以利用Mimics中的CAD模塊插入內固定物，實現內固定物對骨折的固定效果的力學分析，具有廣泛的用途。

參考文獻

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第8篇：人體運動生物力學研究范文

1. 內蒙古醫科大學，內蒙古呼和浩特 010110；2.內蒙古醫科大學第二附屬醫院脊柱外科，內蒙古呼和浩特 010059

[摘要] 三維有限元分析法是研究脊柱生物力學的重要手段之一。隨著三維有限元分析軟件技術的日趨成熟和對脊柱生物力學的認識不斷加深，為相關學者對治療脊柱相關疾病過程中的應力分析影響研究提供了有利條件，并日益受到醫學界的重視。本文從有限元法概念及原理、構建脊柱有限元模型的作用、有限元在脊柱畸形研究中的應用及其醫學應用前景等方面綜述了近年來的一些研究進展。

[關鍵詞] 有限元法；生物力學；脊柱

[中圖分類號] R682.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 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

強直性脊柱炎后凸畸形是強直性脊柱炎并發脊柱畸形的晚期的常見表現，其在生活中主要表現在是使患者難以保持人體的重心，兩眼看地，難以向前平視，給站立和行走造成了很大功能障礙，使患者的生活質量嚴重下降，而治療這類患者的有效手段就是截骨矯形術[1]。有限元法的基本方法是把獨立的集合體離散化，簡單的說，就是把一個由無限個單元組成的連續體進行劃分，使其成為有限的具有力學特性的簡單單元，用簡化后的已知單元來近似原有的連續體，然后進行解析。其過程有三個基本階段：有限元模型的建立（即前處理）、有限元解算、結果處理和評定（即后處理）[2]。通過有這種方法能夠進行數字重建并在該基礎上進行手術過程的模擬，使術者對整個手術過程有更加全面的了解，對術可能出現的問題及應注意的事項作全面的分析，對手術的方案具有指導意義[3]。

1 有限元法概念及原理

建立一個等價的模型使其替換原有的真實結構，此模型是由無數個分散的單元（即有限元素）組成的連續體，且其中這些單元易用數學語言表達，按照一定規律保證其連續性，將它們還原成可以用線性代數描述的真實的連續結構，通過運算可以解析出所需物理量的方法即有限元法，又稱為有限元素法（finite element method，FEM）。將單獨的彈性體進行離散化，使其成為由有限個單元所構成的連續體，而連續合體內的各個單元只能夠在有限個節點上進行交接，其中全部的節點僅具有有限個自由度，在此條件下進行解析成為可能，這就是有限元分析的方法。將微分方程的持續形式轉換成數學方程組，是其在數學意義上的表達。而有限元法亦是憑借位移法的思考方式，以能量轉換的原理為基礎，利用矩陣代數形式進行表達的一種數值方法。有限元法對處理各種紛亂的邊界條件和繁瑣的幾何形狀非常有效，且可以有效的解決各類雜亂的材料及其屬性。而如果利用計算機軟件來模擬人體體內的一些情況，可以通過控制一些實驗室的條件，例如有限單元、自由度等來完成。這種方法在骨科生物力學中開始逐漸應用起源于20世紀70年代，而直到20世紀90年代，隨著電腦技術的不斷發展升級，計算機圖像處理技術和電腦軟件的聯系逐漸加深，從而才出現的數字醫學有限元分析（DM-FEM）技術。現在有限元分析早已成為探索骨科生物力學秘密的常用方法了[4-5]。現行有限元分析的軟件種類十分繁多，且基本上都是國際通用的，他們在汽車制造、模具的研發、醫學等領域的有十分廣泛的應用。ANSYS、MARCABAQUS、ABAQUS等各個有限元軟件利弊，但它們的運算方法大多類似，基本一致。如今有限元分析早已成為獨立的研究骨科生物力學的手段，且早已不是最初以觀察和驗證某些實驗的結果為目的而應用的了。

2 有限元模型在骨科應用中的優劣分析

2.1 有限元模型的優勢

首先通過有限元模型可以模擬許多實體的變化，例如強直性脊柱炎后凸畸形矯形術前與術后的對比，脊柱截骨術前后脊柱形狀的改變等；其次是在生物力學方面的研究，例如椎骨與椎間盤之間的生物力學變化，對它們內在的張力和應力進行有限元分析，對于尋找出骨適應性變化的原因有重大幫助，并且這對進行實體模型的負載應力實驗研究亦有重要意義，而在其他實驗中無法做到這些；然后通過有限元模型可以對脊柱器械元件長短、厚度的設計、材料的選用進行分析，在新的脊柱器械仍在研發階段時對其進行評估；再次有限元模型能對損傷及退變、結核等多種病變進行模擬；最后該模型可以模擬肌肉對脊柱力學的影響。所以這種方法在進行脊柱運動學、脊柱動力學和脊椎及椎間盤內部的生物力學變化等各種研究方面擁有很大優勢。

2.2 有限元模型的局限性主要存在兩個方面

第一方面，該模型的建立過分依賴標本的實驗研究：首先，要建立有限元模型，需要與實驗模型進行對比，而實驗模型往往是從已經做過的或者文獻中搜尋到的較為合適的，將兩者的結果進行對比，它們的吻合度高表示該模型的有效性好，這是驗證有限元模型的有效性的方法。但是建立的數學模型能夠很好的表達實驗結果，可當其單獨的進行預測的時候，其作用有限；其次，有限元模型建立的完全取決于模型的構成，能否取得合理的數據，直接影響著模型建立的結果。而有限元模型的本身并不能直接得到數據，它取得數據的最主要渠道就是從實體標本模型中獲得，例如各種骨和軟組織的材料的特征數據，然而這些數據并不是完全正確的，這其中包含了許多原有的錯誤，且這些數據并不是都適用于數學模型，更重要的有些數據甚至根本無法取得，這是有限元模型不能夠理想建立的重要原因。第二方面，有限元模型存在太多的簡化和假設：首先，與實體的標本和活體的實驗進行比較，數字模型的建立是由對其進行實驗的人員進行自由地對其進行各種假想，選用不同的材料及屬性，對實驗進行相對理想的簡化，更重要的是對各種繁雜成分的材料的生物力學特性作理想化的簡化假設，這樣能夠使得模型的有效性更為重要也更加難以實現。其次，椎體的完整形態與其相鄰的椎體的位置關系對預測脊柱椎體間的生物力學關系有很重大的意義，但這些數據都是在CT斷層片中獲取的，或是從實體標本中取得的相近值。要建立脊柱有限元模型中脊椎的幾何形態，首先應將其進行簡化，以相對簡單的構件來進行相對真實的幾何形狀模擬，用這樣的方式建立的幾何形態并不準確。

3 有限元法在脊柱畸形研究中的應用

有限元模型的離散化是指將一個由無限個單元所組成的集合體劃分成有限個的有力學特性的已知的簡單單元，這是其基本原理，這也是一種全新的生物力學測試方法。利用此方法的有限元模型能夠與先前的實體進行替換，按照先前實體的材料及其應該的加載的力學狀態，按照其所需要的類型進行挑選，在各個單元之間通過節點進行相連，使力在節點之間傳遞。而用單元節點量通過選定的函數關系插值可以求得單元內部的待求量[6]。

為了對脊柱側凸、后凸畸形矯形手術中，椎體在術前與術后中的的改變進行比較，應用數字成像技術，在脊柱畸形矯形手術中，定量分析矯形定位的椎體并對其旋轉和形矯形進行量化對比，Dumas等[7]運用此方法來評估脊柱側凸、后凸畸形的程度及觀察手術效果，所以掌握脊柱相關病變的病理性變化對于確診和制定手術方案具有重要的意義。

晚期強直性脊柱炎后凸畸形必須進行脊柱截骨矯形手術，這是治療這類疾病的有效手段。生物力學（Biomechanics）是一種將力學原理應用在生物體生命活動規律的一門學科，它把各個單一的學科整合在一起，使其相互疊加、共同作用形成了一門的新的將力學應用于生物學的新學科[8-10]。由于不同類型柔韌性評估方法根據其力學原理的異同，在各類脊柱側凸中，采用相同的力學加載，所得到的結果必然不同。這為在不同力學加載產生的脊柱側凸的形狀進行的柔韌性評估方法的問題探索給出了重要的根據[11]。利用生物力學的有限元方法，可以針對具體病例、具體矯形器械和矯形策略進行模擬，預測術后矯形結果，分析術中參數選擇對結果的影響權重，進而指導手術規劃。Lafage等[12]為了對CD系統的矯形策略進行探討，建立了以具體病例為依據的梁單元模型，這不僅僅讓人們對胸腰椎側凸矯形的上下端椎位置改變對術后矯形結果的原因有了深入的了解，更重要的是其引入了側凸脊柱的剛度變化這一重要概念。Rolmann等[13]在ABAQUS軟件中建立了簡化的胸腰椎側凸有限元模型，以加載方式為變量，初步討論了前路VDS系統的矯形策略。為了對支具、器械與生長調制等進行實驗研究，是Aubin等[14]利用從CT斷層片中取得的數據，建立起了人體胸腔和脊柱的數字模型，與實體標本中取得的數據進行比較，有較高的吻合度，從而建立起了相對完整的數字模型，并以該模型為基礎模擬出相應的各種用具。而通過器械治療胸腰椎側凸過程，是Poulin等[15]用ADAMS軟件模擬出的。模擬手術的重要目的之一是分析脊椎的安全性，Lafage等[12]依照真實的病例重建了數字模型，希望能表達出椎間軟組織的彈性變形，為此還引入側凸脊柱的剛度變化，但卻將脊柱的骨性結構作為剛體來相近處理，所以根本不可能取得與脊柱生物力學相符的力學變化，這明顯不能夠實現。Rohlmann等[16]利用數字模型比較了前、后路內固定器械的穩定性差別，并建立了頗具代表性的腰椎模型。這些工作都還處于初級階段，但是已經展示了有限元方法在手術規劃領域的廣闊應用前景。

4 三維有限元的應用前景

利用生物力學的有限元方法，可以針對具體病例、具體矯形器械和矯形策略進行模擬，預測術后矯形結果，分析術中參數選擇對結果的影響權重，進而指導手術規劃。有限元分析的結果取決于不同因素對其產生的影響，其中包括模型的建立，不同模型間形狀和材料屬性的異同，還有對其負荷加載的差異等等，但這種分析研究的方法對在脊柱生物力學方向上有著極其廣泛而又深入的探索。

Rohlmann等[17]在ABAQUS軟件中建立了簡化的胸腰椎側凸有限元模型，以加載方式為變量，初步討論了前路VDS系統的矯形策略。脊柱力學特性研究的較為常用的方法是有限元法，從基本原理的角度看，其能夠應用于任何的復雜結構，可在脊柱的力學特性方面，還有許多尚無法解釋的難點，例如頸椎有限元模型的建立，就仍需要繼續去驗證。所以要用數字模型來模擬近乎真實的人體，還有很長的路要走。近年來由于計算機科技水平的持續提高，且對探索脊柱組織力學特性的需要逐漸深入，數字模型的建立將可以逐漸真實的對脊柱在各種狀態下的生物力學變化進行模擬，這對臨床病例上遇到的常見難題會有更加透徹的了解，從而可以給醫生在生物力學方面提供更好的參考。有限元方法是脊柱生物力學研究的有效方法，由于電子科技水平的持續性提高，且在生物力學領域的的探索的逐漸深入，這不僅使有限元軟件的技術水平得到了提高，還將對脊柱生物力學的探索引向更深入的層次。

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第9篇：人體運動生物力學研究范文

關鍵詞　推拿　力學　構建　研究　方法　教學

1、《推拿力學》教材建設的意義

推拿是一門古老的中醫外治技術，經過幾千年的臨床實踐，其療效和使用價值勿庸置疑。在我國高等中醫院校的推拿專業課程設置里，主要有《推拿功法學》、《推拿手法學》和《推拿治療學》三門，綜觀三門課程的知識內容，基本上都是對古人經驗的總結和整理，內容雖然豐富，但仍然屬于經驗醫學。中醫藥現代化是時展的必然趨勢，作為中醫學有機組成部分的推拿學也必然要跟隨時展的步伐。充實和更新學科知識內容，特別是運用現代物理力學原理、手段和方法研究古老推拿學所產生的、具有現代科學內涵的新的知識內容，將是推拿學向前發展和走向現代化的堅實步伐，將為本學科的發展注入新的活力。不僅如此，將力學的定性定量研究思維引入以經驗為主的推拿醫學，將為手法的作用實質和量化規范性操作提供堅實的理論基礎。構建一本好的《推拿力學》教材，以此為基礎進行教學實踐探索，學生在繼承學習傳統經典推拿知識的同時，運用現代力學的原理對這些知識進行新的認識和思考，以及在教學過程中探索新的人才培養模式，培養大量高層次的人才，這對本學科的發展具有不可低估的深遠意義。

2　理論準備

在探索將傳統推拿經驗醫學知識進行現代詮釋的理論準備過程中，我們尋找過很多的方法和路徑，比如動物實驗、臨床醫技手段和解剖學原理等，但這些路徑和方法，要么對本學科問題的解決顯得點點滴滴不夠全面，要么不能切中要害解決不了根本問題。手法的最大特點在于“手法作用于人體，以力為作用特征[1]”，手法的運用過程其實質就是一個力的運用過程，傳統手法醫術要與現代科學相結合，從力的研究入手是一個最佳切入點。因此，可以把“力”的概念作為運用現代科學思維方式研究手法醫學的橋梁和紐帶。

3　《推拿力學》的教材構建

教材的主要知識內容是運用借鑒現代物理學中力學的研究方法，通過對手法、功法和治療的力學分析，剖析手法對人體的作用方式和作用實質，介紹手法的力學基礎、力學特性、力學作用原理、動力學效應、生物力學效應等，現將主要內容介紹如下。

緒論部分主要闡述推拿力學的基本概念、源流、編寫目的、意義、學習方法、臨床運用價值、學科研究發展方向等。

在手法的力學基礎章節里，闡述與手法醫學密切相關的力學概念，例如剛體、力、力矩、笛卡爾坐標系、平衡、平移、位移、旋轉、自由度、運動學、載荷、阻力和時間等，并結合本學科的特點，介紹這些概念的臨床應用及意義。力學分析的一些基本要術，比如力的大小、方向、作用點、時間、長度等，與之相關的還有向量、質量、速度、加速度、頻率和固有頻率等等；動力型位移、靜力型位移、張力型位移、生理性載荷、病理性載荷、功能性載荷、組織結構力學、剪切力、拉伸力和壓縮力；定義舉例；耦合運動；三維空間上的螺旋軸；物理力學分析方法、力學計算公式，與本學科相結合的臨床應用及其意義。

在手法的力學和生物力學特性章節里，運用借鑒現代物理學對力學的研究方法，來分析主要手法的力學特性，畫出主要手法的力學分析圖[2、3]，給出力臂、力矩、作用點、動力等力學作用因素，對某些手法(如一指禪推法、按法等)給出其力學計算公式，從物理學角度來量化手法的作用量(治療量)，為合理科學的手法操作打下基礎。結合人體的生物力學特性，描述和預測在手法外力作用時，人體靜態和動態力學結構的發生、發展和變化，以及皮膚、皮下組織、血管、神經、肌肉、韌帶、淋巴等組織結構所產生的收縮、舒張、酸、脹、麻、熱等生物學效應。

在推拿力學的研究方法章節中，主要介紹以下幾種研究方法，一是離體研究方法，二是在體研究方法，三是數學模型研究方法，四是骨性模型研究方法。基本的實驗手段，編寫三種，分別是強度實驗、穩定實驗和疲勞實驗。推拿力學主要實驗指標。

手法的力學作用原理和動力學效應。通過對手法力學特性的分析，運用力學理論來闡明手法對人體的作用方式和作用途經，分析手法中的主要作用因素、次要作用因素和無效作用因素，為提高手法的操作效率打下基礎。從物理學角度，結合手法的作用點、力的大小、方向、幅度和頻率等因素，闡明各個手法作用力作用于物體時所產生的動力學效應，例如：沖量效應、熱效益、動量效應、位移效應等。本部分分為三個章節編寫，一是手法的動作結構、運動學和運動學規律；二是六大類24個基本手法的力學結構、力學原理，畫出力學變化圖，探討手法的合理性；三是手法運動生物力學實驗，包括手法運動生物力學的研究方法、實驗儀器及其應用、手法力學信息測錄系統和信息計算機處理系統。

在功法力學部分，主要研究了易經筋十二個功法和少林內功中站襠勢、馬襠勢、弓箭襠勢、跨襠勢、并襠勢、大襠勢、懸襠勢、坐襠勢、低襠勢、磨襠勢、亮襠勢、前推八匹馬、倒拉九頭牛、霸王舉鼎、風擺荷葉的力學模型及其基本結構，重點描述每一個動作結構的力學原理，對人體整體結構的影響，對人體局部肌肉、骨骼和關節的影響，從力學角度分析探討動作原理、力學根據，對重點鍛煉部位畫出力學分析圖，給出力學計算公式，探討功法鍛煉的合理性。

在治療學部分，主要從手法的力學效應上進行編寫，選擇了頸椎病和腰椎間盤突出癥兩個疾病，根據每個疾病的生理特性和病理改變，與手法的力學原理相結合，遵照循證醫學的觀點，有理有據地分析手法運用的根據，從力學原理提出疾病的治療處方，提出每個疾病手法治療的作用點、力的大小、力的方向、力的作用時間、頻率高低和振幅大小等因素的參考值。

在附篇部分還介紹了手法治療與臨床應用研究，主要探討手法對局部組織器官和人體系統的作用。

4　教學實踐

教學實踐的目標是通過《推拿力學》的教學活動，使學生從根本上擺脫沿襲了幾千年的“就手法而學習手法”模仿式學習，打破“經驗教學”的舊框架，培養學生運用現代科學的研究手段和思維方式來對古老的手法醫學做出全新的認識和理解。教學實踐的目的是對教材內容進行實踐檢驗，探索其科學性、正確性和有效性，為進一步修正提高打下基礎。教學實踐活動分以下步驟進行。

在編寫教學計劃和實施方案的基礎上，選擇我校2004級針灸推拿專業五年制和七年制兩個班進行教學實踐，以王國才主編的“十一五”國家級規劃教材《推拿手法學》為主干教材，在學習該教材的同時，講授《推拿力學》的相關知識內容，總共54學時。在教學過程中，我們邀請了本校和外校各兩名專家共聽取了8學時的課，課后專家均以書面評價形式對本教材和教學過程予以了較高評價，并對進一步完善和修改提出了寶貴意見。設計了學生問卷調查表，以“A、該教材很有價值對教學具有積極的促進作用”、“B、該教材價值一般對教學促進作用不太大”和“c、該教材使用價值不大對教學沒有促進作用”三個問題供學生以不記名方式自由選擇，兩個班共211人，回收211份調查表，選擇“A”的學生206名，占總數的97．6％，選擇“B”的學生5名，占總數的2．4％，無選擇“C”的學生。

5　認識與體會

力學貫穿了整個推拿醫學的始終，雖然本教材還不夠成熟，甚至有很多錯漏之處，但這畢竟是一種學科的創新之舉，是一種有益的嘗試，特別是對本學科的現代化提供了一種啟迪和思路，應該代表了本學科的發展方向。就目前而言，臨床上手法操作十分混亂，各施各法，沒有統一的規范和標準，手法的量效關系也一直不能夠確定和量化，本教材的編寫和完善，將為解決長期制約本學科向前發展的根本性問題帶來希望。

參考文獻

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