肌肉的生物力学特性

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肌肉的生物力学特性范文第1篇

关键词：屈光性近视；轴性近视；生物力学机制

近20年来，我国近视眼患病率在急剧的增加，全国近视患者已超过3亿，在世界排名仅次于“近视第一大国”——日本。近视已成为倍受人们关注的公共健康问题，认知近视眼的发病机制正是解决该问题的关键所在。从近30年来近视眼研究来看，科学家们进行了大量的近视动物模型实验，对近视的发生、发展有了进一步了解。特别在形觉剥夺性近视、遗传基因定位及近视眼生物化学物质改变等方面有较深入的研究。也有学者尝试了生物力学视角的研究，但是目前还没有生物力学模型能解释所有眼的调节机制。因此需要对人眼调节机制进行有关生物力学的基础研究，建立人眼调节机制的生物力学模型，为屈光的研究提供一种新的技术方法。

1.屈光性近视的力学机制

目前，解释调节机制的经典松弛理论[1]认为：调节时睫状肌的环形纤维收缩、悬韧带松弛、晶状体变凸出、屈光力增强、睫状突和晶状体赤道部接近。调节紧张理论[2]认为：调节是由晶状体赤道部受到张力牵引而产生，至少一部分晶状体悬韧带处于紧张状态、晶体中央变凸出周边变平、屈光力增加，并从物理数学模型、尸眼解剖、临床观察等方面进行论证。尽管两种理论存在一定的差别，但是两种理论都认可人眼的调节过程通过三部分眼内组织完成。睫状肌的收缩，睫状肌的收缩使附着在睫状突上的悬韧带张力发生改变，悬韧带张力的变化使晶体的形状发生变化，晶体形状的变化使人眼的屈光力发生变化，完成调节过程。

晶状体的调节主要由睫状肌、悬韧带以及晶状体三部分来实现，其生物力学调节机制的研究基本上从这三方面来展开。“调节本身不仅是传统意义上的睫状肌收缩和晶状体变凸出，同时还伴有晶状体的相对前移调节，对眼的几乎所有屈光构成因素有着显著的影响，视近活动的累积效应是儿童近视眼发生的主要原因”[3]。“悬韧带具有一定的张力，悬韧带在拉断之前平均能被拉长4.48±1.78mm，随着年龄的增长，悬韧带的张力随年龄的增加而减少”[4]。不同屈光状态对睫状肌的动力学影响，睫状肌远点肌肉张力在不同眼屈光状态为一稳定值，且随眼静态屈光度的增加而降低。

由以上的理论研究，我们看以看到睫状肌与晶状体的调节密切相关。对于涉及到的肌肉的运动，我们可以尝试从力学的视角来对屈光不正来进行解读，从而推测屈光性近视产生的原因。笔者认为，屈光不正主要是由于晶状体变凸出，光线聚焦在了视网膜的前方，形成屈光性近视。其生物力学机制可解释为：长时间的近距离作业造成了睫状肌痉挛，并长期处于紧张状态，从而使悬韧带长期处于松弛状态，晶状体不能变凹，也就形成了屈光性近视。

2.轴性近视的力学机制

基于理性分析，认为巩膜强度减弱、眼外肌压迫眼球使眼内压增高等是造成高度近视的原因。但后来的临床及实验研究未能找出相应的证据。对眼球进行了生物力学理论分析，认为“在后部巩膜的应力分布不均，由于上、下斜肌的附着点接近视神经，在调节辐揍时对后部巩膜产生剪切作用，造成后部巩膜延长”[5]。“眼外肌的强直性收缩引起玻璃体内压力升高，在近视的形成中也具有明显作用”[6]。由此，我们不难看出，人们在生物力学的领域已经展开了对近视眼形成机制的研究，研究的重心在于力学的作用点—巩膜。只有对巩膜形变及异化的机制研究清楚，才能为近视眼的矫正奠定基础。

“轴性近视直接与巩膜形变密切相关，因此巩膜、角膜的生长及异化只能表现为眼球壁的不断增厚，不能促成眼轴的延长”[7]。因此眼球的生长必须依赖于眼内压对球壁组织张力，才能形成膨胀性生长。“在同等应力的作用下，前部巩膜的变形最小，赤道部的次之，后部巩膜最大，且高度近视患者的后巩膜承受应力较常人脆弱”[8]。后巩膜加固术能加强薄弱的后巩膜，从而达到抑制轴性近视发展的效果。近视眼巩膜的组织病理学改变早于生物力学特性的改变，并且实验性近视眼的巩膜弹性差，易发生变形，具有较低的承载能力。这些观点都从某一视角对巩膜做了研究，还需要有待进一步的研究。

另外，实验性近视眼后极部巩膜变薄，胶原纤维发生退行性变化即异化（巩膜重塑），而这也是近视眼巩膜弹性差、容易发生变形、具有较低的承载能力的病理基础。“巩膜成纤维细胞胞外基质的代谢、细胞因子的表达及自身生物力学性质等决定巩膜的生物学和生物力学性质。在近视的发生及治疗过程中，伴随有巩膜及巩膜成纤维细胞的力学——生物学特性的变化”[9]。这些理论都为巩膜重塑的生物力学机制提供了充分的理论依据。

笔者认为，轴性近视的形成是建立在屈光性近视的基础之上，当晶状体的不能正常调节已经不足以适应长期的近距离作业的刺激时，眼球就会发生新的变化，及巩膜的异化，从而导致眼球的形变，这种形变与眼外肌有密切的关系。由于长期的近距离作业，眼外肌的分作用力会破坏眼内压平衡，最终促进眼轴变长，形成轴性近视。

3.结论

3.1作为现代文明的产物，近视眼的发生已呈现愈演愈烈的趋势。对于近视形成机制，近30年来在形觉剥夺性近视、遗传基因定位及近视眼生物化学物质改变等方面有较深入的研究，生物力学方面的研究相对较浅。

3.2屈光性近视的力学研究集中于睫状肌、悬韧带以及晶状体的力学参数变化，根据参数变化尝试建立参数模型，从而纠正屈光性调节的理论机制。

3.3轴性近视的力学研究集中于力学的作用点—巩膜。通过对巩膜形变以及异化的研究，人们期望找到矫正轴性近视的突破口。

3.4从力的作用来源视角出发，眼外肌的研究必不可少，但是往往难以着手。眼外肌可以控制眼球的运动，外在的间接研究或许可以为我们研究其力学机制提供一个新的思路。（作者单位：云南师范大学体育学院）

参考文献：

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[3] 王超英.高度近视眼巩膜生物力学特性初步研究[J].眼科研究，2003，21（2）：113—115.

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[5] 周伊.眼球-眼外肌有限元模型的建立与力学分析[J]北京生物医学工程，2006，25（3）：228—230.

[6] 张新.实验性近视眼巩膜病理学与生物力学特性的改变[J].眼科新进展，2012，32（11）：1017—1020.

[7] 张艳明.形觉剥夺性近视中巩膜重塑机制的研究[J].眼科研究，2007，25（5）：390—392.

肌肉的生物力学特性范文第2篇

关键词　腰椎间盘突出症　斜扳法　相关性　生物力学　研究

腰椎斜扳法是推拿临床治疗腰椎间盘突出症常用的手法，若动用得当，有利于治疗，否则有可能加重椎间盘损伤。本文试从生物力学角度分析腰椎扳手法对腰椎间盘的影响。

1　腰椎间盘的解剖学特点与生物力学特性椎间盘由软骨终板、纤维环和髓核三部分构成。其中软骨终板与髓核均具有椎间盘和椎体均匀受力的作用。纤维环分为外、中、内三层，相邻两层纤维与椎间盘平面的夹角为±30°[1]。纤维环的这种排列方向，使相邻椎体可以有轻度活动，但脊椎旋转运动时，部分纤维紧张，又起限制脊椎旋转的作用。椎间盘突出的主要原因是纤维环损伤。而在引起椎间盘损伤的诸应力中，扭转是最主要的类型[2]。纤维环承受扭转载荷的能力较弱。是由其解剖学特点决定的。纤维环的不同层次不同方向排列，在脊椎旋转时，只有部分纤维环受到牵拉，而另一部分则松弛，这样容易造成部分受牵拉纤维的损伤。若在腰椎间盘突出症患者，其纤维环已经发生了损伤，抗扭转能力更为减弱。因此，椎间盘的解剖学特点与其生物力学特性决定了椎间盘在扭转时容易受损伤。

2　腰椎斜扳手法的操作及其对椎间盘的影响腰椎斜扳手法的操作[3]：患者侧卧位，医生用一手抵住患者肩前部，另一手抵住臀部，或一手抵住患者肩后部，另一手抵住髂前上嵴部。把腰被动旋转至最大限度后，两手同时用力作相反方向扳动。扳法操作时动作必须果断而迅速，用力要稳，两手动作配合要协调，扳动幅度一般不能超过各关节的生理活动范围。以上述操作可以看出，斜扳手法的生物力学特点是使腰椎产生旋转。由于椎体不易变形，故腰椎旋转的应力完全作用在椎间盘上，即斜扳手法操作瞬间，椎间盘的部分纤维环受到了牵拉。对于受损的纤维环来说，这种牵拉力是不容忽视的。因此，对本手法的操作在力量和活动范围上作了一定的限制。如果操作用力过大，则必然对纤维产生新的损伤。

3　腰椎斜扳手法的注意事项腰椎斜扳手法操作前，应嘱患者保持舒适的。患者侧卧位，下面的下肢伸直，上面屈膝屈髋。这种可较好地放松腰部肌肉。具体操作时，应掌握手法的用力、角度、时间和次数等。手法用力的大小应适宜，勿用猛力与暴力；双手用力的方向应前后相反；力的作用点最好集中在腰椎突出节段。腰椎的旋转角度不宜超过其病理生理活动范围，若旋转角度过大，则极易损伤椎间盘及腰部软组织。本手法在操作时要果断而迅速，尽量在短时间内完成；让腰椎在旋转位停留一段时间的做法是不可取的。此外，腰椎斜扳手法不宜频繁动用。综上所述，椎间盘的解剖结构和生物力学特性决定了椎间盘的抗扭转能力较弱。而腰椎斜扳手法却在腰椎旋转位操作，因此，应恰当动用。本文反对暴力操作及对同一患者频繁使用，以避免造成椎间盘新的损伤。

参考文献

［1］　胡有谷主编.腰椎间盘突出症.北京：人民卫生出版社，第二版.1995，103

肌肉的生物力学特性范文第3篇

关键词：有限元法；手部；建模；生物力学

1 有限元法的发展历史及在人体生物力学中的运用

1.1有限元法的发展历史 有限元法（finite elementsmethods，FEM）即有限元素法[1]，是一种在工程科学技术中广泛应用的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学、生物力学等问题。其基本思想是把一个由无限个质点和有无限个自由度构成的连续体划分为有限个小单元体组成的集合体，用离散化的有限单元模型代替原有物体。通过对每个单元的力学分析，获得整个连续体的力学性质。有限元法最早可上溯到20世纪40年代。现代有限法的第一个成功的尝试是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时成功应用有限元法求解。1960年，Clough第一次提出了"有限元法"概念，使人们认识到它的功效。我国河海大学教授徐芝纶院士首次将有限元法引入我国，对它的应用起了很大的推动作用。

1.2有限元法运用于人体生物力学研究 1972年，Brekelmans[2]等首次报道将有限元分析方法应用于生物力学方面研究。80年代后，应用范围逐步扩展到颅面骨、颌骨、股骨、牙齿、关节、颈椎、腰椎及其附属结构等生物力学研究中。随着计算机技术的发展、分析工具的完善以及实践的增多，有限元方法显示了极大的优越性并已逐渐成为研究人体生物力学的重要手段。人体力学行为研究基本无法采用传统的力学实验方式来进行，因而有限元建模愈来愈成为深化人体认识的有效措施。基于有限元软件日益完善的建模功能及兼融其它计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件特性，真实再现三维人体骨骼、肌肉、血管、器官等组织成为可能，并在虚拟现实实验中，通过材料赋值、几何约束、固定载荷等过程，对挤压、拉伸、弯曲、扭转、三点弯、抗疲劳等力学实验进行模拟，能求解获得给定实验条件下模型任意部位变形、内部能量变化、应力/应变分布、极限破坏等数据[3]。

1.3有限元法在人体生物力学研究中的建模思路 有限元建模即建立为数值计算提供原始数据的计算模型，需要通过建立几何模型、材料赋值、网格划分、施加约束与载荷，最后进行求解等步骤实现，是有限元法仿真试验最关键环节。摸型的几何相拟性直接影响计算的结果，医学有限元模型的建立首先需要获得人体特定部位的几何数据，数据可以从几何参数设定、激光扫描、标本切片和磨片以及医学影像图像获得。其中医学影像法最为以无创的方式提供了高精度的人体解剖结构形态，基于医学影像技术建模是目前人体有限元建模的主要手段，可以实现人体解剖结构的可视化乃至生物力学仿真的有限元模型。包括X射线、超声、CT、MRI等途径，其中CT扫描是主流方式，CT结合MRI是新亮点。

通过X射线照片方式建模是指利用不同方位的多幅X射线照片获得几何数据重建三维模型，是一种经济、可行的方式。但因信息获取不完整，建模过程复杂，对研究者经验要求较高，现行医学有限元建模中应用较少。还有研究者基于超声影像技术建模，如赵婷婷[4]等基于超声建立了乳腺有限元模型；张桂敏[5]等在研究二尖瓣狭窄患者二尖瓣下游湍流剪应力变化方面，运用超声影像图像建立了二维有限元模型，为心瓣流体力学研究探索新的方法学途径。目前基于超声的有限元分析研究多集中在机械制造、土木工程等领域，并多采用二维有限元法分析，还没有注意到与医学相关的基本超声影像技术的三维有限元研究相关报道。这或许是因为基于超声影像技术的力学研究本就较少，三维、四维超声的概念提出较晚，与重点应用在工程技术方面的有限元法结合运用更是鲜有。相较X线与超声而言，CT/MRI图像法在医学有限元建模中应用更为普遍。MRI技术具有很高的组织对比分辨率、解析高以及无离子化辐射等特点，能清晰显示人体结构的组织学差异和生化变化。基于MRI图像能获得细致的几何模型。但MRI偏向于对肌腱、韧带等软组织的分辨，对骨的分辨不如CT清晰。此外，目前国内常用的核磁共振机扫描层厚和扫描间距一般都在2mm以上，无法获得更详细的几何数据，影响到重建图像的清晰度精确性。基于CT扫描获得几何数据的建模的方法目前应用最为广泛。CT根据密度不同来确定信号的强弱，可以通过调节扫描条件，使任何复杂形态和各种密度的组织都有较高的分辨率，适用于任何复杂形态和各种密度的三维结构。可清晰显示骨与软组织的边界，通过医学成像系统能获得骨骼比较准确的几何数据，其不足之处在于对软组织的分辨率相对较低，无法从医学成像系统获得准确的肌肉、韧带、腔等组织几何数据，须参考相关解剖资料。CT/MRI数据重建的三维模型，能够真实的再现被扫描对象的表面特征及内部结构，CT的空间分辨率高于MRI，CT对骨组织与软组织边界显示更为清晰，而MRI的对比分辨率高于CT，特别是软组织对比明显优于CT。通过CT结合MRI法将能融合二者优势，但对研究者图像处理技术有更高的要求。通过文献检索发现，目前CT提取骨组织结合MRI提取软组织方法的研究报道较少。徐志才[6]等基于CT影像数据构建了包含股骨、胫骨和腓骨的实体模型，并基于MRI影像数据构建了包含股骨软骨、胫骨软骨、内外侧半月板和内外侧副韧带的三维实体模型。将CT和MRI影像数据进行配准融合，获得包含骨性和非骨性结构的膝关节三维实体模型。

2 有限元建模的常用软件

人体生物力学有限元模型的精确性对有限元分析结果的合理性有直接影响。三维重建技术与有限元方法及其他虚拟现实技术的结合是未来发展的方向，这有赖于这些集成强大图像处理功能的有限元软件的发展。常用的建模辅助软件有：MIMlCS、MATLAB、CAD、Geomagic Studio等软件。其中最常用的是MIMlCS软件，它的FEA模块可以将扫描输入的数据进行快速处理建立3D模型，然后对表面进行网格划分以应用在有限元分析中。它还可基于扫描数据的亨氏单位对体网格进行材质分配。MIMICS的网格重划功能能方便地将不规则三角片转化成趋近于等边的三角片，显著提高STL模型的质量和处理速度，对输入数据进行最大限度的优化，目前版本已发展到MIMICS17.0。现常用有限元软件有：Ansys、ABAQUS、NASTRAN、COSMOS等。其中最常用的是Ansys软件，目前版本已发展到Ansys15.0。

3 手部三维有限元的运用进展

手部因其解剖结构复杂、运动灵活精细、力学分析困难的周围组织对手部力学因素有重要影响等方面原因，研究较人体其它部位明显偏少。在工程领域方面，杨德伟[7]等基于CT扫描数据结合ABAQUS软件建立了手抓握模型。几何模型通过人手CT扫描后简化处理得到，建立的手模型简化为以皮肤、肌肉、神经、血管等软组织为整体的软组织模型和手部骨骼模型两部分，手部复杂的组织结构未曾细化。抓握功能通过参数约束、程序运动规划控制下实现，而并非基于神经肌电活动模拟，也非通过骨、肌肉施加荷载得到，本模型在工程领域有一定实用价值，但远不能满足医学研究的需要；陈志翔[8]等在研究机器人虚拟手过程中，通过参考手部解剖结构，建立手部肌肉模型，并以程序设计约束指间运动关系，通过控制肌肉收缩量来实现手指运动，较好的拟真了手指运动机理。但模型基于数学方程人为控制，而非通过人手实际解剖结构获得。在医学领域方面，Carrigan等[9]通过CT扫描，最先建立了包括韧带、软骨、8块骨骼在内的手腕关节复合模型；国外的Ko等和国内的郭欣等[10]都建立了腕管的三维有限元模型，为进一步探讨腕部结构的力学行为提供了一个可操作的平台；Anderson等[11]最早通过腕关节三维有限元模型模拟了创伤性关节炎病理改变；Bajuri MN[12]等通过CT扫描，参照诊断标准，建立了首例类风湿性关节炎患者腕关节三维有限元模型。国内其它学者也以解决临床问题为出发点，对手的部分结构三维有限元模型的建立进行了积极的探索，如孟立民[13]建立了第一、二掌骨和大多角骨三维有限元模型，并模拟Bennett骨折和微型外固定器外固定及克氏针内固定治疗情形，研究两种治疗方法优劣问题；董谢平等[14]以中国力学可视人原始资料为依据，构建带软组织的正常手腕和佩带腕保护器手腕的三维有限元模型，验证了腕保护器防护腕部骨折的有效性；颜冰珊等[15]建立了正常下尺桡关节三维有限元模型研究了前臂桡骨骨折的临床问题；张浩[16]等基于现有个人电脑平台，建立了腕关节有限元模型，进一步证明利用医学图像处理软件和三维重建软件准确、快捷地构建腕关节的三维有限元模型有可行性。

4 小结

手部建模是虚拟现实领域研究的热点之一，在工程领域主要是机器人手的拟真研究，尤重抓握功能，在医学领域更多涉及腕关节这一部分结构，囊括手部骨骼、关节、肌肉、韧带、筋膜、血管、神经、皮肤等组织结构较完整的手部有限元模型尚未见诸报道。手部的骨骼、关节数目较多、相互关联较复杂，是一个复合性的机械结构，在建模时要同时考虑到骨骼、关节面、韧带、肌腱及其它周围组织在生物力学中的作用。目前，手部有限元建模研究较人体其它部位少，还没有形成较完整、成熟的模型，更没有统一的建模标准。如何将三维可视化手建成物理手的有限元模型是现阶段研究难点，也是实现虚拟生理手模型建立的必然阶段，相信随着计算机技术的进步及多学科更好的融合，手部有限元模型研究将有更为广阔的前景。

参考文献：

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[13]孟立民，苏啸天，张银光.微型外固定支架和克氏针治疗Bennett骨折的三维有限元分析[J].中国组织工程研究，2012，16（9）：1626-1630.

[14]董谢平，王冬梅，何剑颖.腕保护器抗冲击载荷的有限元分析[J].中国组织工程研究与临床康复，2011，15（30）：5531-5534.

肌肉的生物力学特性范文第4篇

关键词：生物力学；有限元分析；步态研究

中图分类号：G804.01文献标识码：B文章编号：1007-3612(2007)08-1080-03

有限元法(finite element method,FEM)是一种在工程科学技术中广泛应用的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等物理场问题。有限元法应用于生命科学的定量研究,已取得了长足进展。在步态生物力学研究领域，尽管足底压力测量、影像分析和表面肌电等技术被广泛应用，但足部骨骼、软组织等结构内部的应力传递机理始终无法得到力学解释。当FEM应用于足部生物力学研究时，复杂的骨胳几何结构、边界条件和材料的不均匀性等问题便找到了可能的解决途径。

1步态的数值建模几何参数

1.1X光照片从不同方位的多幅X光照片获得几何数据重建足部的三维模型是一种方便、经济的方式。Jocob 和Patil［1,2］通过某健康者和某患有Hansen氏病的主体的X光照片获得的足部几何数据，进行了有限元对比分析。但是该方法所得到的模型相对粗糙, 只能给出足部的大致轮廓, 难以细致分辨足部各骨及其组织。

1.2 CT扫描图像的三维重建CT主要为横断层成像，但带有越来越多的图像后处理系统，如多维断层重建、三维图像重建、扫描后再次放大、立体模型与几何模型测量法等，可以清晰地反映出物体内部的不同结构和组织，对研究及建模带来很大方便。Camacho等［3］分析了间隔为1mm 的人体足部CT断层扫描照片(图1)，为进行有限元分析建立了一套较精确的模型。

1.3MRI图像重建MRI为核磁共振成像，该技术既具有成像清晰、解析度高的特点，又能清晰显示人体结构的组织学差图1人体足部CT断层扫描建立模型异和生化变化，在不改变的情况下，可直接获取横、矢、冠、斜4种断层图象。研究人员可以得到十分细致的足部几何模型。Gefen 等［4］从MRI图像中重建出正常人足部骨骼的几何构形。Zhang Ming等［5］通过Coronal MRI技术，间隔2 mm建立了糖尿病足的模型(图2)。

图2糖尿病足的模型通过上述医学成像系统获得的足部骨骼的几何学数据是比较精确的，但对于韧带、肌肉和足底腱膜等其它组织，则还需要从解剖学作更深入的研究，利用图像后处理分析（由输出的通用图像数据文件，存储在计算机中；采用直方图修正法来改善图像质量，或高斯滤波进行图像平滑以减少噪声，Sobel梯度算子检测边缘）来获得可靠的模型几何数据。常用的影像分析软件有mimics、3d-doctor等。通常方法是从上述软件得到各组织的边界数据，再从制图软件（solidwork、pro/e、ug等）建立实体模型，这样才有利于有限元分析软件（ansys、abaqus、femlab等）更好的处理。

2步态的数值建模材料力学参数

Huiskes［6］研究发现在准静态荷载下，骨和软骨可视为各向同性的线弹性材料。但是，Clift［7］对关节软骨做了有限元分析，证实关节软骨的应力―应变关系随时间的变化呈现出一定的非线性，故把关节软骨看作一种非均质、各向异性的材料更合理。Keyak［8］等把骨的应变张量看成力学激励，这样，应变张量中的各元素就是骨再造方程中的系数，然而，系数之多又给计算机模拟数值解造成了一定困难。Koosltra［9］等假设骨能够根据其应力―应变状态来调整小梁骨的方向性和内部密度分布，用应变能作为力学激励，由于它是标量，使方程的系数为常数，可以保证数值解的取得。因此，骨单元的划分一般采用六面体块单元或楔形单元。考虑到关节软骨在足部运动中起的重要作用，如果把关节软骨都简化为线弹性材料，计算结果必将有很大误差。因此，从模型的整体出发，在建模过程中一方面要注意把一些对足部运动影响不大的关节软骨(如跗骨间关节)加以简化，以减小模型的复杂度；另一方面，为保证计算的精确性，对于一些大关节软骨(如 距下关节)则要考虑为非线性，最好结合影像分析，获取其运动参数，以提供较为准确的边界条件。如何定义足部各关节的运动方式，并建立相应的足部模型约束条件是足部有限元分析的难点。

韧带，足底皮肤及肌肉等软组织属于非线性材料，所以可划分为簧单元。Race and Amis［10］对正常人体下肢韧带进行了单轴拉伸实验，得出韧带的材料参数可按下式取值：

3步态有限元分析的应用

3.1医学的临床诊断应用Jocob 和Patil利用三维有限元模型分析了Hansen氏病和糖尿病病人经常发生足骨变形、肌肉麻痹和足底局部溃烂等病理现象的力学原因，为解释和防治上述病情提供了大量有价值的信息。Gefen［12］模拟切断跖腱膜，发现完全切断后足弓广泛变形，长韧带承担的张应力显著增加，超过正常均值的2倍，据此提出手术切断跖腱膜必须慎重的观点。研究还发现糖尿病足第一跖骨头下软组织的张应力是正常足的4倍，第二跖骨头下张应力是正常足的8倍［13］。随着组织硬化加重，接触应力的峰值分别增加38%和50%，表明糖尿病足的损伤很可能始于更深的组织层，即内侧跖骨突出部下方的组织最脆弱。吴立军［14］等建立扁平足第二跖纵弓有限元模型，计算得出扁平足的第二跖骨动态应力比正常足增加了8%～21%，增加了第二跖骨疲劳骨折的危险性。Zhang Ming等模拟糖尿病足软组织硬度的增加，发现足部应力集中于跟部和中间跖骨区，说明了这两个部位溃烂的力学机理。Peter R.Cavanagh［15］等应用逆向有限元分析，说明了糖尿病足跟部软组织材料非线性建模的重要性，并且显式计算了足跟与不同材料和厚度的鞋之间的接触应力，为缓解病人跟部疼痛的力学因素提供进一步信息。

3．2辅助设计合理的鞋类、假肢和医疗器械应用有限元分析改进足踝矫形器(Ankle-Foot orthosis,AFO)和假肢的设计是康复工程和生物力学研究的热点。Abu-Hasaballah 等［16］用有限元法分析发现主要接触压力发生在AFO的穿夹部分，而最小压力发生在小牛皮外壳部分, 因此建议用小牛皮作为原材料制作AFO，既可以减轻AFO重量，又可以提高其舒适度。Lemmon 等［17］对用于治疗足部疾病的特殊鞋类的内垫的效果做了有限元分析, 并且验证了用准静态平面应变有限元法研究跖骨前端的足鞋界面，可以得到对足底应力分布的合理预测这一假设。此外，Shiang TY［18］研究了不同鞋跟垫材料对足底冲击波的吸收能力，并且发现，只有用二阶非线性应力―应变曲线才能正确地描述这些制鞋材料，肯定了FEM在设计具有特殊功能的鞋类中起到的关键作用。Gu yaodong等［19］应用非线性材料特性，对青年女性高跟鞋状态下足部应力分布的研究，发现跖骨区应力值为平底鞋状态下的2～3倍，足底腱膜处为平底鞋状态下的1.5倍，从力学角度说明了鞋跟高度给足部结构应力值带来的变化和高跟鞋状态引发的常见足病的成因。Syngellakis等［20］发现只要认真设定模型的关键参数，有限元法是评估各种塑胶足踝矫形器的可靠方法,并且可用来满足特殊患者的需要。Chen等［21］分析了2种完全接触式鞋垫的足底压力再分布情况，与平鞋垫相比，除了中足和趾区，完全接触式鞋垫可减低足底其它部位的正常应力峰值及平均值。Saunders等［22］建立了一个立体的加后跟垫的踝足模型，利用基于某截肢患者步态分析所得到的载荷条件加以分析，以了解假肢足跟部的粘弹性，旨在使假肢设计更加个性化。Xiao-Qun Dai［23］等对足、袜、鞋三者接触的力学分析，以解释由袜导致的不同足底摩擦系数，发现低摩擦系数的袜子明显减少足、鞋之间的剪力，对减少足底水泡和溃疡等症状有显著效果。

4结论

足部结构的特点在于其形状的不规则性，其外形一般多为自由形状的曲面，难以用准确的数学解析方程进行描述。因此，对足部各种力学行为进行计算机仿真模拟有助于认识和研究步态的内在力学机理。步态生物力学有限元研究虽然已取得一定的成果，但仍有许多问题尚待探讨。在模型的形态上，目前主要还是以骨骼为主，韧带、肌肉、软骨等结构还缺乏精确的分析；在生物材料特性上，虽然清楚材料性能参数直接影响着研究结果，但生物材料性能测试还缺少办法。

未来的研究主要围绕着足部三维运动参数的获取、三维有限元模型的完善以及足部运动状态下压力、剪切力的准确测量。随着计算机硬件的飞速发展与各类有限元应用软件的持续改进，医学影像技术对足部结构分辨能力的提高和图像识别技术的进步，在相当细微的程度上构建三维足模型成为了可能，同时，使FEM模拟仿真的精确度、准确度与计算速度不断提高。人们可以更方便地建立有针对性的有限元模型，用以模拟各种运动状况，为研究复杂的足部功能、足疾病因、物理治疗和康复器械提供更强的研究手段。

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肌肉的生物力学特性范文第5篇

[摘要]目的：研究顽固性肩周炎与肱二头肌生物力学发病机理和临床意义。方法：采用针刀松解肱二头肌长头、短头，配合手法治疗，一周治疗一次，一般治疗一次症状明显减轻，治疗二次病情明显好转。结果：经采用针刀松解肱二头肌长头、短头，配合“三维式”手法，病人获得满意效果，总有效率达98.64％。结论：通过临床研究，探讨顽固性肩周炎发病机理与肱二头肌生物力学平衡失调有直接关系，和女性过早停经，内分泌失调有着重要意义。根据临床病症分为“三级标准”，为临时床治疗和研究提供了重要依据，是顽固性肩周炎的治疗，达到“安全、无痛苦、无后遗症”，深受中老年患者的欢迎。

[关键词]肩关节周围炎；肱二头肌；生物力学；内分泌失调；发病机理

肩周炎是肩关节周围发生无菌性炎症，是中老年人的常见病、多发病。多见于50岁左右的女性，故有人称它为“五十肩”。本病是由于肩关节囊及其周围韧带、肌腱和滑膜囊发生了慢性非特异性炎症所致，俗称漏肩风、冻结肩等，正式名称应为“肩关节周围炎”。通过临床观察和研究，认为肩周炎发病机理与肱二头肌生物力学平衡失调有密切关系，和女性过早停经及内分泌失调有着重要意义。现就将我院近年来研究的病例，报告如下：

1　研究对象

1.1　对象：本组研究对象为住院病例33例，门诊病例40例，共为73例，男性27例，女性46例；年龄最小38岁，最大63岁；其中单侧左肩31例，右肩39例，双肩3例6肩，共合76肩。病程最短6个月，最长者3年。

1.2　临床表现：本组患者主要症状为肩关节疼痛、肌肉无力、活动障碍；肩关节为钝痛、刀割样痛31例，夜间疼痛加重67例，疼痛持续性肌肉痉挛34例，疼痛局限在肩关节67例，向上肢放射47例，有向后放射到肩胛骨71例，穿上衣耸肩困难70例，肩内外旋时疼痛加重63例，梳头洗脸困难59例，患侧手摸背受限69例，出现檫屁股困难37例，病人不敢患侧卧位71例。

1.3　临床体征：患者均有不同程度肩关节疼痛，肩关节活动受限73例，上举困难者69例，影响穿衣服70例，梳头洗脸困难59例，后背檫屁股困难37例，肩峰下压痛29例，肱二头肌短头压痛73例，肱二头肌长头压痛63例，“天宗”穴压痛59例，放射到三角肌10例，岗上肌、岗下肌附着点压痛37例。

1.4　影像学检查：肩关节周围炎是软组织病变，所以X光检查多为阴性，对直接诊断虽无帮助，但可以排除骨与关节病，对于中老年患者可以排除其它疾病，以防延误诊断，病程久者可见关节间隙变窄，退行性改变，老年患者可见骨质疏松，岗上肌腱钙化等征象。

2　临床分级标准

2.1　轻度：肩关节痛，活动后疼痛，活动度稍受限，①上举＞150°，②外展＞60，③内旋＞70°，④手指能摸到T12后棘突。

2.2　中度：肩关节痛较剧，白天疼痛，活动度受限，①上举＞90°，②外展＞45°，③内旋＞40°，④手指可摸到骶椎后棘突。

2.3　重度：肩关节痛剧烈，夜间剧，活动度明显受限，①上举＜60°，②外展＜45，③内旋＜40°，④手指摸不到骶椎后棘突。

3　治疗方法

3.1　定点：患者取侧身卧位，患侧朝上，健侧在下，脱掉上衣，充分暴露患侧肩部，患者全身放松，根据患者病情，用紫药水棉签，依次做好肱二头肌长头、短头，肩峰，岗上肌、岗下肌定点定位，铺巾，常规碘酒、酒精按外科无菌消毒。

3.2　针刀松解：术者带无菌一次性手套，用0.5％利多卡因10ml局部侵润麻醉，同时在肩胛上神经注射，取一次性针刀4号或3号，按定点部位，采用针刀刺入四步规程，依次松解肱二头肌长头、短头，剥离粘连、切开关节囊减压，及岗上肌松解，肱二头肌长头、短头是关键部位，只要方法正确，部位准确，可达到立竿见影效果。

3.3　三维手法：在针刀松解粘连，切开减压，达到“开口效应”时，再配合“三维手法”，以右肩关节为例：①肩前旋转法术者左手稳住患者肩关节，右手握稳肘关节，以肩关节为中心，前后摆动，循序渐进，当自感肩关节活动开的瞬间，右肘上抬外旋，使患者不觉晓瞬间，肩前旋转手法完成。②肩中旋转法基本方法、要领同前，方向正中向上。③肩后旋转法基本方法、要领同前，方向向后，上抬外旋，使患者不觉晓瞬间，肩后旋转手法完成。使肩关节粘连充分松解，肩关节功能得到很快恢复。

4　康复功能训练(针刀术后6小时练功)

①双手抡拳：左右肩关节划圈抡动15圈。②双肩耸肩：双手叉腰，上下前后缩头耸肩，每次15下。③双手揪耳：两手交叉揪住耳廓，连揪15下。④双手攀天：十指相挟，手心向上，举过头顶，上下前后摇动30下。⑤长鹰展翅：双臂平抬成飞翔势，上下扇动30下。⑥双手托头：两手插入脑后，手心向上十指相挟，向上托头20下。⑦双手晃肘：两臂同时抱肘，上下左右晃动30下。早晚各一次。

5　治疗疗程

一般治疗一次，休息七天后，根据病情再选择二次治疗，两次为一疗程。大部分病人一次治愈，少部分病人需要二次治疗，及少数病人需要治疗三次。

5.1　疗效标准。治愈：临床治愈，肩关节疼痛和麻木等症状完全消失，肩关节功能活动正常，3个月以上无复发；好转：显效，症状、体征基本消失，长时间激烈活动后疼痛出现；有效：症状、体征减轻，负重或剧烈活动后疼痛加重；无效：症状、体征无改善。

5.2　治疗结果：结果本组随访6个月至1年。6个月结果：其中治愈37例39肩，好转19例21肩，有效5例5肩，有效率83.5％。1年结果：治愈7例8肩，好转2例2肩，有效2例2肩，无效1例1肩，有效率15％。总效率达98.5％。无效一例经全面检查，肺部CT检查，右上肺占位性病变，转上级医院手术治疗。

6　讨论

6.1　肩周炎的发病机理：肩周炎是发生于肩关节周围软组织退行性变和慢性无菌性炎症。俗称冻结肩、漏肩风、五十肩，是常见和多发疾病，多为单侧发病，右侧较左侧多见，少数可双侧同时发病。多发于中老年人，女性高于男性。肩周炎的早期变化是纤维性的关节囊收缩变小。肩关节造影可说明关节的容积减小。在病变的晚期除关节囊的严重收缩外，其他软组织也都受到波及，呈普遍的胶原纤维的退行性变，受累的组织都呈进行性纤维化，有的血管分布增加，滑膜增厚，软组织失去弹性、短缩与硬化。由于软组织很脆，以致当肱骨外展时即可造成撕裂。

女性患肩周炎人数是男性的5到10倍，这和女性的生理特点有关。女子在45岁到55岁之间处于更年期，身体处于内分泌平衡失调期，其体内雌性激素分泌量急剧减少。由于雌性激素减少，会导致高密度脂蛋白水平下降，而高密度脂蛋白是代谢体内多余血脂的物质，它的减少会导致体内的血脂大量沉积在

血管内壁，尤其容易沉积在受过炎症的关节组织内，造成关节组织的血管阻塞、气血不通，加重炎性反应，肿胀导致疼痛。女性发病年龄逐向年轻，本组一例月经早停，38岁患上此病。

糖尿病也可引起肩周炎，具体机理还有待进一步行研究，多倾向于胶原蛋自理论，胶原蛋白是组成韧带和腱鞘的主要成分，而韧带则在关节腔内把不同的骨骼相连接，当胶原蛋白出现问题时则会影响关节功能，其中，葡萄糖分子会与胶原蛋白结合，使胶原蛋白功能变性。对于糖尿病患者，由于血糖升高，导致葡萄糖与胶原蛋白的结合物在肩部软骨和腱鞘的不正常沉积，引起肩关节僵硬，活动受限。

6.2　肱二头肌生物力学：肩关节退行性改变、过度运动，而致使肱二头肌长头肌生物力学平衡失调，在肩关节疾病中有着重要意义。过度运动肱二头肌长头肌腱，使组织学及生物力学特性发生了显著的改变。过度运动后，肌腱某些部位胶原纤维发生变性，部分断裂，纤维细胞数量减少。细胞由梭型变为圆形，部分向软骨细胞分化，形成纤维软骨样结构。生物力学实验中发现肌腱所能承受的最大载荷和最大应力均有显著的降低。肌腱最易发生断裂部位和肌腱发生变性部位一致。肩关节过度运动可以导致肱二头肌腱变性、劳损，使肱二头肌腱生物力学平衡失调，从而诱发肩周炎有着重要临床意义。

6.3　针刀治疗肩周炎临床疗效：肩周炎的形成认识并不十分明确。但一般认为是因肩部慢性劳损，退变或一次急剧的创伤，引起肩部软组织急、慢性无菌性炎症反应有关。而由于解剖、病理、生化、免疫学及病因学知识的积累，以及影象诊断技术的进步，使更精确，更科学的诊断有了条件。传统意义上肩周炎已被细分为“肱二头肌长头腱鞘炎”、“喙突炎”、“岗上肌腱炎”、“肩峰下滑囊炎”、“冻结肩”、“肩撞击综合症”等具体定位定性疾病。患病后如果给予积极治疗、认真养护，会有不同程度的恢复，乃至完全康复。反之则加重病情，影响劳动及生活，甚至不能自理。

通过临床系统观察，总结研究，认为本病发病机理与肱二头肌生物力学平衡失调有密切关系，和女性过早停经及内分泌失调有着重要意义。治疗顽固性肩周炎的效果，关键是通过针刀调节肱二头肌生物力学，使其恢复肱二头肌生物力学平衡，达到事半功倍之效，配合“三维手法”，为肩关节功能恢复起到重要作用。以及肩关节“康复功能训练”，为肱二头肌生物力学平衡和肩关节功能恢复，均有着重要意义，有部分患者针刀治疗后，效果立竿见影，甚至患肢立即举起。为中老年的身体康复，是一种“安全、无后遗症”的绿色疗法；可向基层和社区推广。

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