运动生物力学的定义

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运动生物力学的定义范文第1篇

关键词：力学 力学性能 实践 应用

中图分类号：G42 ？ 文献标识码：A？？文章编号：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

力学是物理学中最基础最古老的一门学科，它的研究范围包括从一般的物体的机械运动到天体的运动。小到基本粒子的碰撞、衰变、相互作用的轨迹，大到宇宙探测、航天、航空都属于力学的问题。其应用的范围包括最早的土木工程、桥梁道路、水利工程、航海造船、机械冶金方面的应用，到后来的航空航天、防灾减灾、环保能源、生物化工等领域。其应用范围之广，令人吃惊。基于此，本文针对力学性能进行进一步深入的探究，并且介绍了有关力学能力的几个实践应用。

1 力学简介

1.1 力学定义

力学是一门独立性较强的基础学科，其主要研究的便是力和能量以及它们与液体、固体以及气体间的平衡、变形以及运动的关系。力学不仅仅是一门基础性较强的学科，而且其也是一门技术性较强的学科，其包含有很多有关工程技术的理论基础，并且在广泛的实践应用中不断的壮大。力学在军事工程以及土木工程方面都起着举足轻重的作用。目前，工程学领域已经拥有多个分支，而这各个分支当中很多重要的进展都十分依赖于力学有关的运动规律、强度以及刚度等等。力学与工程学之间的结合，促进了整个工程力学的形成与发展，现如今，不仅是历史较为久远的土木工程、水利工程、建筑工程等需要工程力学的贡献，而且核技术工程以及航空航天工程等新兴学科中工程力学也起着至关重要的作用。力学既是基础学科又是技术学科的二重性使得其为沟通人类认识与改造自然方面均做出了重要贡献。

1.2 力学的分类

力学大致可以分为静力学、动力学以及运动学这三部分，其中静力学所研究的是物体所受的力在平衡状态或者是物体在静止状态下的问题；而动力学则讨论的是物体在受力的作用下与物体运动之间的关系；运动学仅仅考虑物体是怎样进行运动的，而对其与所受力之间的关系则不予讨论。

根据研究对象的不同对力学进行分类，则可以分为固体力学、流体力学以及一般力学这三方面，其中流体不仅包括液体，而且还包括气体，通常将固体力学和流体力学统称为连续介质力学，一般采用连续介质的模型进行研究。而一般力学通常指的是以质点、刚体、质点系和刚体系为研究对象的力学，有时还会将抽象力学纳入一般力学的范畴，一般力学不仅要研究离散系统的基本规律，还会研究一些与工程技术相关的新兴学科的理论。固体力学、流体力学以及一般力学这三个力学分支在发展过程当中，会根据对象以及模型的不同出现了不同的研究领域和分支学科。其中材料力学、结构力学、弹塑性力学、断裂力学等均属于固体力学；而水力学、水动力学、气体动力学、空气动力学、渗流力学、多相流体力学等均属于流体力学；而理论力学、分析力学、振动理论、刚体动力学、运动稳定性、陀螺力学等均属于一般力学。而各个学科在交叉融合的过程当中又产生了流变学、气动弹性力学以及粘弹性力学等等。

力学在工程技术方面的实践应用结果形成了工程力学以及应用力学的各个分支，例如岩石力学、土力学、爆炸力学、环境空气动力等等。而力学在于其他基础学科进行结合的同时也产生了一些交叉性的学科分支，例如与天文学相结合而形成的天体力学。

2 力学能力的潜在研发

2.1 材料的力学性能

材料在不同温度、湿度以及介质条件下，在受到扭转、弯曲或者交变应力的作用下，所表现出来的力学性能是不同的。

（1）脆性

脆性指的便是材料在受到外力作用下几乎没有发生塑性变形就遭受断裂破坏的一种特性。材料的脆性与材料的韧性以及塑性是相反的。通常情况下，脆性材料是没有屈服点的，但是其有断裂强度以及极限强度，这两者几乎是一样的，混凝土、铸铁以及陶瓷等均属于脆性材料，脆性材料与其它工程材料相比，其在拉伸方面的性能较为脆弱，脆性材料一般情况下采用压缩试验来进行评定。

（2）塑性

塑性指的是材料在拉力或者冲击力的作用下能稳定地产生的永久变形而不被破坏其完整性能力。材料的塑性变形一般会发生在材料所承受的荷载超过其弹性极限之后，材料发生不可逆的形变。材料发生塑性形变之后，不能恢复到初始状态，在这一情况下，材料会保留一部分或者是全部荷载时的变形。

（3）强度

材料在外荷载的作用下，用以抵抗塑性变形以及断裂的能力。可以根据外力作用的性质进行分类，可以分为抗拉强度、屈服强度、抗压强度以及抗弯强度等等，工程上经常用到的是屈服强度以及抗拉强度，而这两个强度一般可以通过拉伸试验测得。强度是衡量材料承载能力的一个重要指标。

（4）弹性

材料的弹性一般指的是其在外力作用下从而发生的一系列形变，而当外力消除后能够能够恢复到原来的大小以及形状的性质。在一定的限度之外，在外力消除之后材料并不能恢复原来形状，则这一限度称为弹性限度，同一物体的弹性限度是并不是固定不变的，它会随着温度的升高而有所减小。

2.2 力学性能的研究方法

力学研究的方法所遵循的基本法则便是理论联系实际，然后再将其应用于实践，应该根据对自然现象的观察，尤其是对定量观测的结果进行分析，从而总结出一系列经验以及数据，或者是为特定的目的从而设计的一系列科学实验所测定的结果，从而得出量与量之间的定性以及数量的关系。这一过程便是模型建立的过程，质点、质点系、弹性体、刚体以及连续介质等均是不同的力学模型，在建立模型的基础上可以根据已知的一些力学以及物理学的规律，结合合适的数学工具，对其进行理论上的演绎工作，从而得出新的结论。对于所得理论所建立的模型是否合理，则应该进行新一轮的观测，并将其进行工程实践或者进行科学的实验进行论证，对于理论的演绎当中，为了使得理论能够更具概括性以及实用性，经常会采用诸如雷诺数、泊松比等无量纲的参数，而这些参数不仅能够对物理本质进行很好的反应，而且由于其是单纯的数字，所以不会受尺寸、工程性质以及实验装置等的牵制。现代的力学实验设备，通常需要多工种、多学科间的协作，对物体力学能力的应用研究不仅需要更为细致、独立的分工，而且还需要进行更为综合以及全面的协作。

3 力学能力的实践应用

3.1 力-热-电-磁耦合效应

在固体力学当中，经典的连续介质力学将可能会被突破，而一些新的力学模型以及力学体系，将会能够概括某些对宏观力学行为起敏感作用的细观以及微观方面的因素，以及关于这些因素方面的演化，从而使得一些复合材料的韧化、强化以及功能化能够产生量的提升和质的飞跃。固体力学能够将力、热、电以及磁等效应进行融合，目前，机械力与热、电以及磁等效应的相互转化以及控制大都还局限于测量以及控制的元件之上，而这些效应的结合将会带来更大的用途，近年来出现的微电子元器件，已经十分迫切的要求对这类力、热、电的耦合效应做更深入的研究，而以“Mechronics”为代表的微工艺、微控制以呈及微机械等方面的发展，会极大的推动对力、热、电、磁耦合效应的研究。

3.2 航空航天方面的应用

流体力学的发展能够推动航天飞机以及新一代的超声速民航机的成功研制，目前，在对高温空气的有关热动力学进行研究中，必须对原先的热力学平衡的假定进行放弃，而且对超声速流毕节层的控制、降噪以及减阻等也带来了一些列新的问题。在流体力学的指导下，所取得的工程技术成就不胜枚举，最突出的便有人类登月、在月球建立空间站、航天飞机等为代表的航天技术，以速度超过5倍声速的军用飞机、起飞重量超过300t、尺寸达到大半个足球场的民航机为代表的航天技术都是力学能力在航天航空方面的实践应用。

3.3 一般力学

目前，关于一般力学的研究已经开始进入了对生物体运动问题的研究，开始研究了人以及动物的行走以及奔跑当中所产生的一系列力学问题，而且有关这一方面的研究，已经产生了一系列新的结果，对于这一方面的研究，不仅能够对生物的进化方向产生一系列的理性认识，而且也可以为人类进一步提高某些机构以及机械性能方面的要求提供一些理论性的指导。其中在进行一般力学的研究时应该重视对固体的非平衡理论、塑性与强度的统计理论、原子乃至电子层次上子系统的动力理论，为了能够更加深入的进行这些研究，应当充分利用与开发计算机模拟与现代宏观、细观以及微观实验与观测技术。工科中的各项实践也离不开力学，因此，在工科的基础课当中，也开设了不同的力学课程，其中包括理论力学、材料力学、结构力学等等。

3.4 环境力学的兴起

环境力学是将力学以及环境相互结合从而形成的一门新兴交叉学科，主要是对自然环境当中的破坏、变形、迁移以及其所伴随产生的一些列的物理、化学以及生物过程和导致的物质、能量运输、动量对环境的演化规律以及对人类所生存环境所产生的影响进行描述。环境力学的发展不仅能够深化人们对环境问题中的物理过程以及基本规律的认识，而且能够在一定程度上促进环境问题的定量化研究。现阶段对环境力学的研究，不仅要对该学科发展的自身规律以及要求有一定的重视，在此基础上，还应该与国家所需求的和工程实际进行紧密结合，能够将理论研究、规律分析以及防治措施进行有机的结合。而关于中国的环境力学的研究则必须抓住一复杂介质流动和多过程耦合为基础、沿海和西部这两个经济发展地区、水环境、大气环境、灾害与安全，从而对重点发展领域进行确立，促进学科的多方面发展。对于环境力学的研究，能够解决一些实际方面的问题，例如对于西部干旱、半干旱环境治理的动力学问题；重大环境灾害发生的机理以及预报；以水或者是气为载体的物质运输过程等方面的研究。

3.5 生物力学的兴起

目前，生物力学已经有了很大的发展，生命科学以及包括力学在内的基础以及工程科学交叉、融合已经成为了当今生命科学研究的热点，已经为生物力学的发展提供了新的方向。现代分子以及细胞生物学不仅提出了大量的新课题，而且带来了很多新的研究工具，推动了生物力学开始由着宏观向微观深入，而且开始强调了有关宏观和微观方面的融合。现阶段生物力学的发展特点可以归纳为内涵扩大、有机融合、微观深入以及宏观与微观相结合，但是宏观生物力学仍旧为当今主流。有关生物力学的实践应用，更加促进了以解决与应用所相关的工程技术问题为目标的新的生物工程学的发展。在实践应用方面，组织工程、药物设计与输运、血流动力学、骨、肌肉关节力学等已经得到了临床以及工业界的一致认同，已经相继解决了一系列关键技术方面的问题。

4 结论

力学作为基础性与技术性相互结合的一门学科，随着当今社会的快速发展，已经在社会的各个领域当中得到了广泛的应用。随着工程学的越分越细，其各个分支当中的关键性的进展都十分依赖于力学当中有关的运动规律、强度以及刚度等理论知识。因此，我们应该在充分了解有关力学的定义以及分类的基础上，对物体的力学性能进行深入的探究，充分了解其力学性能，并且能够将其利用于社会的各个领域，而有关环境力学以及生物力学等新兴学科的研究与应用，也是力学以后研究的重要方向。

参考文献：

[1]郑哲敏，钱学森的技术科学思想与力学所的建设和发展[J]，力学进展，2006（l）：8――11.

[2]李中华，刘本芹，宣国祥，南水北调输水对航道水流条件的影响计算分析报告，南京水利科学研究院，2003.

运动生物力学的定义范文第2篇

关键词　推拿　力学　构建　研究　方法　教学

1、《推拿力学》教材建设的意义

推拿是一门古老的中医外治技术，经过几千年的临床实践，其疗效和使用价值勿庸置疑。在我国高等中医院校的推拿专业课程设置里，主要有《推拿功法学》、《推拿手法学》和《推拿治疗学》三门，综观三门课程的知识内容，基本上都是对古人经验的总结和整理，内容虽然丰富，但仍然属于经验医学。中医药现代化是时展的必然趋势，作为中医学有机组成部分的推拿学也必然要跟随时展的步伐。充实和更新学科知识内容，特别是运用现代物理力学原理、手段和方法研究古老推拿学所产生的、具有现代科学内涵的新的知识内容，将是推拿学向前发展和走向现代化的坚实步伐，将为本学科的发展注入新的活力。不仅如此，将力学的定性定量研究思维引入以经验为主的推拿医学，将为手法的作用实质和量化规范性操作提供坚实的理论基础。构建一本好的《推拿力学》教材，以此为基础进行教学实践探索，学生在继承学习传统经典推拿知识的同时，运用现代力学的原理对这些知识进行新的认识和思考，以及在教学过程中探索新的人才培养模式，培养大量高层次的人才，这对本学科的发展具有不可低估的深远意义。

2　理论准备

在探索将传统推拿经验医学知识进行现代诠释的理论准备过程中，我们寻找过很多的方法和路径，比如动物实验、临床医技手段和解剖学原理等，但这些路径和方法，要么对本学科问题的解决显得点点滴滴不够全面，要么不能切中要害解决不了根本问题。手法的最大特点在于“手法作用于人体，以力为作用特征[1]”，手法的运用过程其实质就是一个力的运用过程，传统手法医术要与现代科学相结合，从力的研究入手是一个最佳切入点。因此，可以把“力”的概念作为运用现代科学思维方式研究手法医学的桥梁和纽带。

3　《推拿力学》的教材构建

教材的主要知识内容是运用借鉴现代物理学中力学的研究方法，通过对手法、功法和治疗的力学分析，剖析手法对人体的作用方式和作用实质，介绍手法的力学基础、力学特性、力学作用原理、动力学效应、生物力学效应等，现将主要内容介绍如下。

绪论部分主要阐述推拿力学的基本概念、源流、编写目的、意义、学习方法、临床运用价值、学科研究发展方向等。

在手法的力学基础章节里，阐述与手法医学密切相关的力学概念，例如刚体、力、力矩、笛卡尔坐标系、平衡、平移、位移、旋转、自由度、运动学、载荷、阻力和时间等，并结合本学科的特点，介绍这些概念的临床应用及意义。力学分析的一些基本要术，比如力的大小、方向、作用点、时间、长度等，与之相关的还有向量、质量、速度、加速度、频率和固有频率等等；动力型位移、静力型位移、张力型位移、生理性载荷、病理性载荷、功能性载荷、组织结构力学、剪切力、拉伸力和压缩力；定义举例；耦合运动；三维空间上的螺旋轴；物理力学分析方法、力学计算公式，与本学科相结合的临床应用及其意义。

在手法的力学和生物力学特性章节里，运用借鉴现代物理学对力学的研究方法，来分析主要手法的力学特性，画出主要手法的力学分析图[2、3]，给出力臂、力矩、作用点、动力等力学作用因素，对某些手法(如一指禅推法、按法等)给出其力学计算公式，从物理学角度来量化手法的作用量(治疗量)，为合理科学的手法操作打下基础。结合人体的生物力学特性，描述和预测在手法外力作用时，人体静态和动态力学结构的发生、发展和变化，以及皮肤、皮下组织、血管、神经、肌肉、韧带、淋巴等组织结构所产生的收缩、舒张、酸、胀、麻、热等生物学效应。

在推拿力学的研究方法章节中，主要介绍以下几种研究方法，一是离体研究方法，二是在体研究方法，三是数学模型研究方法，四是骨性模型研究方法。基本的实验手段，编写三种，分别是强度实验、稳定实验和疲劳实验。推拿力学主要实验指标。

手法的力学作用原理和动力学效应。通过对手法力学特性的分析，运用力学理论来阐明手法对人体的作用方式和作用途经，分析手法中的主要作用因素、次要作用因素和无效作用因素，为提高手法的操作效率打下基础。从物理学角度，结合手法的作用点、力的大小、方向、幅度和频率等因素，阐明各个手法作用力作用于物体时所产生的动力学效应，例如：冲量效应、热效益、动量效应、位移效应等。本部分分为三个章节编写，一是手法的动作结构、运动学和运动学规律；二是六大类24个基本手法的力学结构、力学原理，画出力学变化图，探讨手法的合理性；三是手法运动生物力学实验，包括手法运动生物力学的研究方法、实验仪器及其应用、手法力学信息测录系统和信息计算机处理系统。

在功法力学部分，主要研究了易经筋十二个功法和少林内功中站裆势、马裆势、弓箭裆势、跨裆势、并裆势、大裆势、悬裆势、坐裆势、低裆势、磨裆势、亮裆势、前推八匹马、倒拉九头牛、霸王举鼎、风摆荷叶的力学模型及其基本结构，重点描述每一个动作结构的力学原理，对人体整体结构的影响，对人体局部肌肉、骨骼和关节的影响，从力学角度分析探讨动作原理、力学根据，对重点锻炼部位画出力学分析图，给出力学计算公式，探讨功法锻炼的合理性。

在治疗学部分，主要从手法的力学效应上进行编写，选择了颈椎病和腰椎间盘突出症两个疾病，根据每个疾病的生理特性和病理改变，与手法的力学原理相结合，遵照循证医学的观点，有理有据地分析手法运用的根据，从力学原理提出疾病的治疗处方，提出每个疾病手法治疗的作用点、力的大小、力的方向、力的作用时间、频率高低和振幅大小等因素的参考值。

在附篇部分还介绍了手法治疗与临床应用研究，主要探讨手法对局部组织器官和人体系统的作用。

4　教学实践

教学实践的目标是通过《推拿力学》的教学活动，使学生从根本上摆脱沿袭了几千年的“就手法而学习手法”模仿式学习，打破“经验教学”的旧框架，培养学生运用现代科学的研究手段和思维方式来对古老的手法医学做出全新的认识和理解。教学实践的目的是对教材内容进行实践检验，探索其科学性、正确性和有效性，为进一步修正提高打下基础。教学实践活动分以下步骤进行。

在编写教学计划和实施方案的基础上，选择我校2004级针灸推拿专业五年制和七年制两个班进行教学实践，以王国才主编的“十一五”国家级规划教材《推拿手法学》为主干教材，在学习该教材的同时，讲授《推拿力学》的相关知识内容，总共54学时。在教学过程中，我们邀请了本校和外校各两名专家共听取了8学时的课，课后专家均以书面评价形式对本教材和教学过程予以了较高评价，并对进一步完善和修改提出了宝贵意见。设计了学生问卷调查表，以“A、该教材很有价值对教学具有积极的促进作用”、“B、该教材价值一般对教学促进作用不太大”和“c、该教材使用价值不大对教学没有促进作用”三个问题供学生以不记名方式自由选择，两个班共211人，回收211份调查表，选择“A”的学生206名，占总数的97．6％，选择“B”的学生5名，占总数的2．4％，无选择“C”的学生。

5　认识与体会

力学贯穿了整个推拿医学的始终，虽然本教材还不够成熟，甚至有很多错漏之处，但这毕竟是一种学科的创新之举，是一种有益的尝试，特别是对本学科的现代化提供了一种启迪和思路，应该代表了本学科的发展方向。就目前而言，临床上手法操作十分混乱，各施各法，没有统一的规范和标准，手法的量效关系也一直不能够确定和量化，本教材的编写和完善，将为解决长期制约本学科向前发展的根本性问题带来希望。

参考文献

[1]　严隽陶．推拿学．北京：中国中医药出，2003，66

[2]　张建华，孙安达，张之晨．推拿手法的用力技巧．合肥：安徽科学技术出版社，1992：1

运动生物力学的定义范文第3篇

【关键词】膝关节；有限元；应力；应变

Stress numerical simulation of the movement course of knee joint

【Abstract】 Objective To observe the distribution in range，size and the regulation of change.Methods Use the finite element method to research the knee joint surface stress and strain of the process of human walking.Rusults and Condusion The stress and strain produced on joint surface change and increase over time in walk and the change conform to parabola approximately.Through analyzing the stress that the person of different weight produces on the joint surface in the knee while walking，the weight has smaller influence on the amount of the stress on the joint surface，and 10% that the stress difference that the weight brings only accounts for the total stress.

【Key words】knee joint; finite element; stress; strain

经过长期的进化过程，人体形成了一个近乎完美的力学结构。由于通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体，对人体力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段。膝关节是人体最主要也是最重要的关节之一，由于其在临床医学、康复工程、生物机械工程等领域的重要研究价值和应用前景，长期以来吸引了大量生物力学研究者投入对其的研究。膝关节属于滑车球状关节，由股骨远端、胫骨近端及髌骨后面的关节面构成，是人体最复杂的关节。膝关节上下骨端均为松质骨，周围软组织包容少，遭受直接或间接暴力时，极易受到损伤。膝关节负重大，结构复杂且浅，骨杠杆又长，易受损伤，前后或两侧受踢击时均可使韧带、肌腱、半月板、膝关节造成裂伤、脱位，且难治愈。因而运用有限单元法深入进行膝关节的研究成为重要课题，随着认识的深入，必将促进骨科疾病诊断和修复计算机辅助设计的实现，使临床治疗技术跃上新台阶，给骨科临床应用提供科学的理论依据，促进生物力学向更深入、更广泛、更光明的前景发展［1，2］。

1 膝关节有限元模型的建立

1.1 边界条件设置 由于建立完整膝关节解剖模型是一件非常费时且非常复杂的工作，所以本文不考虑有关膝关节肌肉、韧带及半月板的模型。在本文中用边界条件来实现韧带的限制位移功能，来保证关节不产生横向及前后位移，以使关节保持稳定，约束限制情况见图1、2。另外，由于关节液的作用而假设在胫-股接触面上无摩擦，即将胫-股接触面的摩擦忽略。

在正常行走情况下，膝关节约承受人体重量的85.6%［3］。假设人体重为60kg，则膝关节承受的作用力为60kg×9.8N×85.6%=503.33N。膝关节受力则是通过在模型上表面作用面载荷，大小为体重的85.6%，并设载荷变化服从线性规律。

1.2 材料特性设置［4~6］ 人体骨骼材料的性质极为复杂，主要由密质骨和松质骨组成，而其密质骨和松质骨的性质也完全不同，涉及的参数多，模型复杂，计算量大。考虑到膝关节骨骼实际承重部分为松质骨，并且在正常情况下骨骼材料并不产生塑性变形，故本文假设骨骼材料为线弹性材料，其Young’s 模量大小为800MPa，泊松比为0.2，剪切模量为300MPa。

1.3 接触条件设置 本研究旨在考察关节在受力接触后上下关节面上的弹性变形及应力分布状况，所以将关节上下两部分分别做设置，并作为变形体处理。另设人膝关节由胫-股关节咬合接触组成，且胫-股关节咬合接触服从赫茨（Hertz）理论假设，即：胫骨和股骨均为均匀连续、各向同性、线弹性的材料组成；股骨与胫骨咬合接触表面的摩擦力由于关节液的存在而忽略不计，亦即咬合表面是理想光滑的；接触表面的尺寸与两接触体股骨与胫骨的曲率半径相比非常小。另外，增加一个刚体用于支撑胫骨下端［7］。

1.4 工况、作业设置及提交 一般情况下，人在行走时大约每分钟可走120步，因而每一步时间大约为60/120=0.5s。本研究将时间工况设为0.5s，并使用固定时间步长0.05s，共计10个增量步。

本文采用的模型为3D实体模型，因而分析类型定义设定为3D分析，输出结果为等效Von Mises应力和等效弹性应变。单元元素类型为八节点六面体实体元素。完成以上设置后，将作业提交计算机进行分析计算。

2 有限元仿真计算

2.1 股骨应力、应变分析 本文选取Von Mises应力作为衡量应力水平的主要指标。Von Mises应力是按照第四强度理论定义的一种综合应力，它反映了材料内部各点的平均应力水平，是有限元分析中最客观的指标之一［3］。股骨在与胫骨平台的接触挤压过程中将发生一定量的弹性变形，从而在接触面上产生一定的应力、应变。0.25s（增量步为5）后膝关节股骨下端等效Von Mises应力云图见图3。股骨轴向应力云图见图4。后交叉韧带（应力最大点用a表示）及股骨与胫骨接触处（应力最大点用b表示）的Von Mises应力随时间变化的曲线如图5和图6。由图3~8可见，产生的应力主要集中在股骨的下端面与胫骨平台接触区及韧带位置处，并且随着时间的增加而不断增大，在时间达到0.25s（即增量步为5）时，应力达到最大值。而且应力不仅集中于表面区域，在内部也有较大的应力产生。而应变的发生位置与应力的情形基本一致，主要集中于股骨的下端面与胫骨平台接触区和韧带位置，并且随着时间增加而不断增大。

图5 不同体重a点Von Mises应力曲线

Fig 5 Von Mises Stress Curve of

Different Weight of Node a

图6 不同体重b点Von Mises应力曲线

Fig6 Von Mises Stress Curve of

Different Weight of Node b

图7 a点的轴向应力曲线

Fig 7 Com 11 of Stress Curve of Node a

图8 b点的轴向应力曲线Fig 8 Com 11 of Stress Curve of Node b

另外，从图5及图6可见，在关节接触面上等效Von Mises应力随着体重增加而增大，其随时间的变化趋势也基本呈抛物线形状。50kg与60kg及60kg与70kg体重的等效Von Mises应力最大值与最小值仅有2MPa左右的差值，约为总应力的10%，可见体重差异并不会导致在关节面上产生较大应力差异。

对于轴向应力来说，其也随着体重的增加而增大，基本呈现线性变化。在关节面上有较大应力产生，最大值与最小值的差异约为1MPa，约占总应力的10%～20%，可见体重对轴向应力有较大影响。另外，在后交叉韧带位置处有较大应力集中产生，并且分布范围也相对较大。股骨轴向应力云图也可以得出上述结论，这也与实际经常发生膝关节损伤的位置相吻合。尤其对于运动员来说，由于运动中有冲击载荷的产生，从而常常导致在胫骨平台及韧带处发生伤害，这也与模拟结果相吻合。

2.2 股骨应力、应变分析 胫骨平台在与股骨的接触挤压过程中将发生一定量的弹性变形，从而在接触面上产生一定的应力、应变。计算结果如图9~14所示。由图9~10可见，应力主要集中在胫骨平台面与股骨接触区和韧带位置，并且随着时间增加应力、应变不断增大。由图10~14可见（胫骨与股骨接触处应力最大点用c表示，前交叉韧带处应力最大点用d表示），在时间达到0.25s（即增量步为5）时，Von Mises应力的大小达到最大值，随着时间的向前推移，应力又开始减小，直至为零。Von Mises应力及轴向应力曲线也基本是抛物线形状，最大值与最小值的差异也很小，仅有2MPa左右，约占总应力的10%左右。与股骨相似的是不仅在表面区域有较大的应力产生，而且在内部也有较大的应力产生，在胫骨平台与股骨接触面下七到八个单元的整个高度范围内都有较大的应力产生。这与实际膝关节胫骨骨折的位置相吻合，证明实际运动中由于冲击载荷的存在而在胫骨平台上产生很大的应力集中。

图11 c点的Von Mises应力随时间变化曲线

Fig 11 Von Mises Stress Curve of Node c

图12 c点的轴向应力随时间变化曲线

Fig 12 Com 11 of Stress Curve of Node c图13 d点的Von Mises应力随时间变化曲线

Fig 13 Von Mises Stress Curve of Node d

图14 d点的轴向应力随时间变化曲线

Fig 14 Com 11 of Stress Curve of Node d

3 体重对应力影响的分析

本文采用较为典型的中国人体重50～70kg段来作对比研究，未对更重或更轻的体重进行研究，而重点是研究Von Mises应力及等效弹性应变随体重的变化规律。通过计算可以发现，无论是应力还是应变，都会随着体重的增加而增大，变化趋势也基本一致，呈抛物线状，并且最大值都出现在0.25s处。Von Mises应力在数值上的差异也并不是很大，顶点处最小值与最大值仅有2MPa左右的差距，约占总应力的10%左右。可见，体重对应力大小差异并不是决定性因素。弹性应变的差异则更不显著，仅有300Pa左右。

4 结论

（1）膝关节模型由胫-股关节咬合接触组成，且胫-股关节咬合接触服从赫茨（Hertz）理论假设，即：胫骨和股骨均为连续、各向同性、线弹性的材料组成；接触表面的尺寸与两接触体股骨与胫骨的曲率半径相比非常小。

（2）该模型能较真实的反映出膝关节的解剖结构，忽略半月板等结构有利于减小计算量。

（3）在股骨与胫骨平台接触位置处产生较大应力集中，韧带处同样也产生了较大应力集中，比较符合实际情况。

（4）对不同体重人行走时，在膝关节面上产生的应力分析认为，体重对关节面上应力的大小并不产生较大影响，10kg体重仅带来约2MPa应力差异，只占总应力的10%。（本文图片1~4、9、10见封三）

参考文献

1 王西十，白瑞蒲.关于人膝关节生物力学模型的研究现状.力学进展，1999，29（2）： 244-250.

2 李箭，龚锦源，蒋欣，等.膝关节胫骨骨折的诊治临床分析.四川医学，2002，8（23）：788-790.

3 Ko CC，Chu CS，Chung KH，et al.Effects of post on dentin stress distribution in purples teeth.Prosthet DENT，1992，68：42133.

4 郑明，林凤飞，林朝晖，等.膝内、外翻畸形对膝关节影响的平面有限元计算分析和光弹实验研究.中华创伤骨科杂志，2003，5（4）：12.

5 张林.运动对骨生物力学指标的影响-骨生物力学研究进展.中国运动医学杂志，1998，21（1）： 85.

运动生物力学的定义范文第4篇

【关键词】 有限元；腰椎旋转手法；椎间盘；腰椎；应力

冯天有所创立的坐位腰椎定点旋转手法是临床上常用的、有效的手法之一。目前，推拿学的教材以及相关文献在介绍该旋转手法时，对该手法操作的描述都比较简略，比如对手法作用时患者前屈、侧弯、旋转的角度究竟多大并没有具体说明，这使初学者难以掌握，只能靠个人在临床治疗时自己体会，这样就具有相当大的主观性，治疗效果受医生个人的经验、知识和习惯的影响较大，缺少客观的科学分析与比较。实际操作时，如果对腰椎的前屈角度无法做到精确控制，是否会造成医源性损伤，这些问题，由于医学技术发展水平的限制，很少有人对此进行过研究。近年来，随着计算机技术的发展，将有限元法分析法与传统的中医推拿相结合，为推拿手法这门传统的学科注入了新的活力。本文利用三维有限元技术，对三种前屈状态下坐位腰椎旋转手法作用时，椎间盘内部的应力、位移进行了分析，来研究该手法的作用机理、安全性及合理性。

1 材料和方法

1.1 建立第4腰椎和第5 腰椎（L4-5）的有限元模型取1具急性脑死亡的男性新鲜尸体的腰椎做标本，使用螺旋CT，以1mm的间隔，沿轴向进行断层扫描，以jpg格式将其断面图像输入计算机。利用三维重建软件Mimics建立腰椎三维计算机模型，再经过自由造型Free Form系统修改。该有限元模型由20 781个结点，12 632个立体单元，9个缆索式单元组成。包括2个椎体、2个终板、2个腰椎小关节和7条相关韧带。纤维、关节囊和韧带假设成为只承受张力。椎间盘的纤维环看成由包埋在基质内的交叉同心层纤维所构成。松质骨和椎间盘定义为多孔弹性结构，而皮质骨、后部结构、纤维环和韧带定义为线形弹性材料。腰椎小关节处理为接触模型[1]。腰各结构的材料性质（弹性模量、泊松比）来自文献[2,3]。将各结构的材料性质导入Anasys 7.0进行计算和分析。

退变腰椎L4-5运动节段有限元模型材料性质（表1）。

1.2 坐位腰椎旋转手法的模拟和加载

1.2.1 手法的模拟本次试验模拟向右侧进行坐位腰椎旋转手法。根据中国人上半身的体重，计算出L4椎体上缘的轴向压缩载约为300 N。向右侧旋扳手法作用下出现“咔哒”声响时，拇指推顶腰椎棘突的推扳力为（5.070±1.30）kg[4]。乘以L4椎间盘中央至棘突的长度6 cm，算出L4棘突在旋扳手法作用时所受力矩约为3 Nm。测量拇指推顶腰椎棘突的方向为向左偏前方30°。

1.2.2 对有限元模型进行模拟手法的加载模型加载条件：① L5椎体终板固定。②L4椎体上端垂直向下压缩载荷300 N。③模拟手法治疗前的前屈、侧弯、旋转的准备阶段：Z轴向右侧弯6°；Y轴定轴顺时针方向旋转2°；X轴在三种状态下分别前屈6°、9°、12°。④L4棘突上予以3 Nm的向左偏前方30°的旋转力矩。⑤L4椎体上缘予以15 Nm的向右旋转力矩[5]。⑥时间0.25 s[5]。

2 结果

正常腰椎（图1，2）：①手法过程中，椎间盘右侧前缘和左侧后缘的应力和位移不断增加。②椎间盘左侧后缘的应力随着腰椎前屈角度增大而增大，前屈角度的变化对位移的影响相对较小，椎间盘无明显向后突出。

退变腰椎（图3，4）：①手法过程中，右侧椎间盘的应力和位移不断增加，右侧前缘的应力和位移始终最大，并呈弧形向左侧后缘递减；左侧后缘应力和位移较小。②腰椎前屈角度从小至大，椎间盘右侧、后缘和前缘的应力和位移越来越大，左侧后缘的应力和位移越来越小；在12°状态下，椎间盘右侧后缘明显向后突出。

3 讨论

3.1 有限元分析法在中医推拿学中的应用 腰椎各结构的力学特征非常复杂，很难通过传统的试验方法进行研究。脊柱生物力学试验受标本来源的限制；试验费时、费钱、费力；是无法在活体上进行的损伤性的试验；并且使用人体标本还有被一些疾病如肝炎、AIDS等感染的可能[6]。有限元法在20世纪70年代被引入医学研究，现在被大量应用于脊柱生物力学的研究[7,8]。近年来，将计算机技术和有限元法分析法与传统的中医推拿相结合，利用有限元法分析法研究脊柱推拿手法，也是进几年来的一条新的研究方向[9-12]。利用有限元分析法可以计算获取手法作用下脊柱模型的任意部位的变形、应力分布、应变等情况，并且可以使用图像、图形等手段对计算数据和结果进行直观地表达，这些数据（特别是模型内部应力变化、位移和变形）是其他传统实验方法无法得到的。

3.2 手法的合理性及安全性 从手法诞生的那一天起，失误一直伴随着手法。如何减少手法的失误，优化手法的操作一直是推拿科医师面临的难题。从本试验来看，手法进行时，椎间盘纤维环确实受至旋转剪切力。椎间盘所能承受的最大扭转力距为45.1 Nm，本试验的扭转力距为18 Nm，对于正常椎间来说，本试验所设定的载荷对正常腰椎间盘不会造成损伤。对于退变椎间盘，提取9°状态下的应力峰值：椎间盘右侧前缘为340 162 Pa，远小于正常椎间盘的的最大应力1.887×107 Pa，同样也远小于小关节的8.767×106 Pa。这是由于退变的椎间盘在手法作用时塌陷，从而使纤维相对松弛，这样就有了缓冲余地；并且后部结构承受了大部分的旋转剪切力，因而坐位腰椎旋转手法不会造成椎间盘损伤。

一直以来，进行坐位手法操作时都是向左、右各旋转一次。由于对坐位腰椎旋转手法的作用机制不是很明了，究竟是应该向健侧还是应该向患侧旋转，从来没有人考虑过。本试验结果显示：对于正常椎间盘，旋转对侧后部是应力作用的主要位置，并出现拉伸，导致椎间孔上下径增宽；同时，椎间盘旋转对侧后部出现向前移位，形成一个向内的小的弧形，也间接的增加了椎间孔的面积、旋转对侧椎管的空间体积以及椎间盘与相邻的神经根之间的相对位移。这些因素在一定程度上缓解了突出物对神经根的压迫，也松解了无菌性炎症所导致的刺激和粘连。对于退变椎间盘，手法作用使旋转侧椎间盘向后侧突出，有加大对神经根压迫程度的可能。因而从手法疗效和安全性两方面来讲，向椎间盘突出的对侧旋转更为合理。

值得注意的是，由于手法时椎间盘向后的突出，对于缓冲余地较小的腰椎椎管狭窄的病人来说，不宜用本手法。

3.3 手法作用时的患者的研究 在坐位腰椎旋转手法的三个主要运动方向中，由于旋转运动的幅度出现咔嗒声为限的，而咔嗒声则是关节旋转运动至极限的标志[13]。因此我们把旋转角度定义为最大值。侧弯是在旋转的基础上发生的，所以，我们把这个角度也定义为最大。那么前屈的角度就成了最难确定的因素，因此我们就把前屈的角度分为6°、9°、12°三种状态进行研究。

手法治疗腰椎间盘突出症的机理目前主要有回纳学说及解除黏连学说。至于腰椎旋转手法能使突出的椎间盘回纳，目前大量的试验证明是一种不正确的推测而已。解除粘连学说主要是指通过手法使受压的神经根与椎间盘及周围组织发生相对的位移，从而解除粘连达到治疗目的。本试验可以看出，对于退变腰椎，一方面，左侧后缘的旋转位移随着腰椎前屈角度增大而减小。另一方面，随着前屈角度从小至大，椎间盘右侧后缘的后突越来越大，特别是在12°状态下，椎间盘右侧后缘明显向后突出，也有可能加重对神经根压迫。因此以较小的前屈角度进行坐位腰椎旋转手法比较合理。

本文使用有限元的方法探讨了坐位腰椎旋转手法在三种腰椎前屈状态下对椎间盘的内在应力及位移的变化。初步分析了坐位腰椎旋转手法的优化问题，从理论上认为，坐位腰椎旋转手法时，腰椎弯曲度不宜太大，手法向健侧旋转比向患侧旋转有利。至于临床上是否如此，需要进一步的研究证明。

参考文献

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4李义凯,王国林,徐海涛,等.腰椎定点旋转手法所致“咔哒”声响与最大推扳力量效关系的研究[J].中国临床解剖学杂志,2004,22(6):658-660

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6Siamak Najarian,Javad Dargahi,Behnam Heidari.Biomechanical effect of posterior elements and ligament-tous tissues of lumbar spine on load sharing[J].Bio-Medical Materials and Engineering, 2005,(15):145-158

7Li H,Wang Z.Intervertebral disc biomechanical analysis using the finite element modeling based on medical images[J].Clin Biomech (Bristol,Avon),2006,9(5):145-158

8Rohlmann A,Zander T,Schmidt H,et al.Analysis of the influence of disc degeneration on the mechanical behaviour of a lumbar motion segment using the finite element method[J].J Biomech, 2006,39(13):2484-2490

9万磊,李义凯,尹东.腰椎牵引力与椎间盘髓核应力之间 变化的非线性模型[J].颈腰痛杂志,2005, 26(6):407-40

10陈以国,王庆林,杜瑞卿,等.背俞穴的椎体间力学相关性研究[J].北京生物医学工程,2004,23(2):122-126

11徐海涛,张美超,李义凯,等.坐位旋转手法对正常腰椎间盘内在应力和位移的实时监测的实验研究[J].中国康复医学杂志,2005,20(8):563-565

12陈浩,徐海涛,张美超,等.坐位旋转手法对腰椎内在应力的实时监测[J].中国临床解剖学杂志,2005,23(4):

420-422

13李义凯,赵卫东,钟世镇.两种颈部旋转手法“咔嗒”声的比较研究[J].中医正骨，1998，10(6):9-10

运动生物力学的定义范文第5篇

关键词：个性化；股骨；假体；仿真

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）35-0244-02

1 引言

随着计算机图形处理技术、仿真技术的不断发展，计算机辅助临床诊断、手术等应用越来越广泛，特别是在骨科临床领域的应用，计算机辅助骨科智能导航术成为骨科手术的首选方案。此应用在处理人工关节置换方面的意义也尤为重大，它不仅可以改变传统手术医生只能依靠平时经验在大脑里进行术前模拟的状况，而且实现了手术设计方案的资源共享，更重要的是可以有效地解决移植人工假体后引起的并发症等问题。针对上述问题，提出了相应的解决方案，一是依据个性化数据，量体裁衣，设计、制造在形态学、生物力学、材料力学等方面能最佳适应个体股骨假体解剖特点的个性化、定制式的人工股骨假w；二是手术前仿真模拟、演练移植假体过程、精确预知移植后的效果。运用逆向工程技术原理及计算机仿真技术应用于术前手术仿真、移植假体设计制造等提供了现实途径， 为临床制定个性化股骨假体置换术前手术设计方案，确定股骨假体型号及手术预见效果，提供实体模型和设计依据[1]。

2个性化股骨假体移植的计算机仿真研究的具体实施方案

首先选取适合的成人股骨标本，运用逆向工程技术原理，采用医用CT技术结合数字化三维医学影像交互式控制系统Mimics软件重建活体股骨三维模型，然后根据Billing等定义及立体解析几何的原理，使用计算机辅助精准、半自动化地测量股骨头直径、容积及中心位置、股骨颈直径、颈干角、髋臼前倾及外展角度、髋臼窝半径等重要解剖参数，再应用计算机仿真技术、计算机逼近曲面拟合算法及有限元力学分析ANSYS等工具软件，虚拟理想化人工股骨假体模型，研究其形态；虚拟其移植过程，比较活体股骨关节重建模型及假体移植后的力学分布曲线，为人工股骨假体置换术前三维可视化、优化手术方案以及研制适合各人不同体质、高匹配度及最佳力学曲线分布的定制股骨假体移植等提供技术支持、实体模型和设计依据，在条件成熟时，将此技术应用于临床实验，具体在以下六个方面进行实施。

（1）选取适合的成人股骨标本，利用逆向工程技术原理，根据Billing等定义及立体解析几何的原理，探讨出一种精准、简便的股骨颈前倾角测量方法，推导出股骨颈前倾角公式，采用公式法计算右侧前倾角结果，对比传统测量结果；

（2）基于上述方法和测量过程，系统测量左右侧髋臼前倾及外展角度、髋臼窝半径等重要解剖学参数，为人工股骨假体置换手术及个性化定制假体设计提供解剖学基础并初步探讨临床应用软件设计与开发[2]；

（3）股骨三维可视化和形态学研究。采用股骨螺旋CT数据，结合数字化三维医学影像交互式控制系统Mimics软件，半自动分割髋臼窝、股骨头、股骨颈及股骨干，利用体素重建的方法对股骨假体及股骨同时进行三维重建，从不同的角度观察股骨三维立体及其周围重要组织的毗邻关系，并在模型上进行三维解剖学测量，探讨其临床应用，并为股骨假体移植、微创手术、立体定位、导航系统及仿真人工假体设计提供三维可视化模型[3]；

（4）利用有限元分析软件ANSYS对完整股骨及股骨假体间接触配合进行分析，构建正常成年人股骨三维有限元模型，模拟直接暴力作用股骨干横界面生物力学研究，计算骨与假体接触后的载荷情况，垂直水平面分别加载300-500N载荷，观察载荷不断增加后关节及股骨的应力曲线分布，提示股骨干以其内侧中下1/3交界处的应力最大，从而为假体材料和植入后的研究提供有限元力学分析基础。

（5）根据所测得的相关解剖学参数，设计个性化形态学的假体模型，同时模拟具有理想形态学的人工股骨假体植入。导入3D功能模块，虚拟三维空间精确调整假体移植进人体中的位置。在计算机中成功仿真实现个性定制假体等手术，并可预见和评估手术的结果，从而制定出最优的手术方案。患者所需的个性化股骨假体和髋臼杯的型号将以报告的形式输出，为提高手术成功率及延长假体植入的寿命提供了一条新的、精确合理的途径。

（6）经过所有样本的虚拟仿真测试，得到一套有效的治疗步骤，将其应用到具体临床实验，进一步总结其存在的问题，验证利用计算机辅助治疗股骨假体移植的方法优于传统治疗手术方案，其临床应用价值更高。

3 个性化股骨假体移植的计算机仿真研究的技术路线

在实施过程中，特别要注重标本数据的准确采集，同时在定制个性化假体过程中，重建假体三维模型、选取适合材料进行假体定制、利用仿真系统进行假体移植，都是手术方案设计的重要组成部分。个性化股骨假体移植的计算机仿真研究具体实施的技术路线：

4 讨论

个性化股骨假体移植的计算机仿真研究首先探讨一种精准、简便的股骨颈前倾角测量方法，对股骨三维可视化和形态学进行研究，结合数字化三维医学影像交互式控制系统Mimics软件，利用体素重建的方法对股骨假体及股骨同时进行三维重建，并在模型上进行三维解剖学测量，探讨其临床应用，并为人工假体设计提供三维可视化模型，再利用有限元分析软件ANSYS对完整股骨及股骨假体间接触配合进行分析，构建正常成年人股骨三维有限元模型，模拟具有理想形态学的人工股骨假体植入。根据所测得的相关参数，设计理想形态学的假体模型，导入3D功能模块，虚拟三度空间精确调整假体植入体中的位置并在计算机中成功的实现个性定制假体等手术，并可预见和评估手术的结果，从而制定出最优的手术方案，进行具体临床实验。

该研究根据人工股骨假体置换术前三维可视化、优化手术方案以及研制适合个体差异的个性股骨假体产品，来解决股骨假体移植手术由于术后经常出现假体松动、术后多种并发症，从而造成假体关节脱位、返修等诸多问题。为临床制定股骨假体置换术前方案，确定股骨假体型号及手术预见效果，提供实体模型和设计依据，研究成果可以显著降低手术风险、提高手术成功率，减少术后并发症，延长假体的寿命，提高假体匹配率[4]。

参考文献：

[1] 刘斌.股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究[D].大连：大连理工大学，2009.

[2] 吴淑琴.股骨皮质骨生物力学特性研究[J].中北大学学报，2012，33（2）：216-220.