人體膝關(guān)節(jié)走跑的動力學(xué)模擬及受損因素分析

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 1關(guān)鍵詞 1Abstract 1Keywords 21引言 32人體膝關(guān)節(jié)走跑的動力學(xué)模型 32.1生物力學(xué)模型 32.2模型的建立 42.3結(jié)果 62.4討論 73人體膝關(guān)節(jié)受損的因素分析 73.1對下肢骨的作用因素 73.2對肌腱的作用因素 73.3對肌肉的作用因素 84結(jié)語 8參考文獻(xiàn) 9致謝 10摘要：應(yīng)用動力學(xué)仿真分析軟件，可建立包括股骨、脛骨、排骨、4條主要韌帶及肌肉在內(nèi)的較完整的膝關(guān)節(jié)動力學(xué)模型，并用該模型模擬人體走跑時(shí)膝關(guān)節(jié)的動力學(xué)行為，以此探討前交叉韌帶缺損對膝關(guān)節(jié)接觸力大小的影響。首先采用文獻(xiàn)研究法，對相關(guān)理論知識進(jìn)行介紹；然后在動力學(xué)原理的理論基礎(chǔ)上，建立人體膝關(guān)節(jié)走跑的動力學(xué)模型；最后，探討人體膝關(guān)節(jié)受損的因素。關(guān)鍵詞：動力學(xué)；膝關(guān)節(jié)；韌帶Abstract:Thekineticmodelofthekneejointincludingthefemur,tibia,ribs,4majorligamentsandmuscleswasestablishedbydynamicsimulationsoftware.ThekineticmodelwasusedtosimulatethekneejointdynamicsThisstudyexploredtheimpactofanteriorcruciateligamentdefectonkneejointcontactforce.FirstUSEStheliteratureresearch,introducestherelevanttheoreticalknowledge;then,basedonthetheoryofdynamics,establishthekinematicmodelofhumankneewalking;Finallydiscusseshumankneejointdamagefactors.Keywords:dynamics;Thekneejoint.LigamentPAGE21引言由于時(shí)代的發(fā)展，社會的進(jìn)步，生物力學(xué)在未來的時(shí)間里對人類發(fā)展的影響，不管是從宏觀的層面上來看，還是從微觀的層面上來看，影響都是尤為重大的，生物力學(xué)的發(fā)展在生命科學(xué)中發(fā)揮的重要效益，不管是從生命力學(xué)本身還是從其對社會發(fā)揮的影響來看，都是尤為重大的，除此之外，對于醫(yī)學(xué)的發(fā)展和推動，發(fā)揮的重要作用也是不言而喻的，由此可見，加強(qiáng)對生物力學(xué)的研究，不管是從宏觀的層面上，還是從其微觀的層面上來看，意義都是尤為重大的，也是在具體的生物力學(xué)研究的過程中，需要著力的關(guān)注和重視的問題，它將不僅為診斷學(xué)、內(nèi)科學(xué)和外科修復(fù)手術(shù)提供新技術(shù)的理論依據(jù)，同時(shí)也將為人類更健康地生活提供指導(dǎo)原則。狹隘地講，生物力學(xué)還能幫助人們了解人體和臟器是否在正常工作，并且還可以知道在外力的作用下發(fā)生的各種效應(yīng)與發(fā)展的本質(zhì)，事前顯示出器官、肢體等進(jìn)一步的變化，同時(shí)可以為我們提供人工控制的方法與防備措施。在這方面的領(lǐng)域，還有許多未知的事物，或未能充分了解的，或人為不可控制的，所以生物力學(xué)是非常有吸引力的。拿人體的生物力學(xué)做為例子，可以用力學(xué)分析的手段去了解、學(xué)習(xí)、利用、治療、保護(hù)生物體。在這篇文章中利用動力學(xué)仿真分析軟件，包括人的主要的運(yùn)動機(jī)能以及相關(guān)的肌肉在具體的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動的過程中，需要重點(diǎn)控制的力學(xué)模型的有效控制，并且通過這樣的一種模型的有效控制實(shí)現(xiàn)對人在正常的運(yùn)動以及奔跑的過程中的有效模擬，從而對人得行為學(xué)的相關(guān)問題做出較為系統(tǒng)的研究和說明，通過這樣的方式實(shí)現(xiàn)對前交叉韌帶缺損對膝關(guān)節(jié)的綜合影響力的大小的有效管理和控制，這樣的一種方式在具體的實(shí)施過程中，取得的綜合成效也是非常可觀的，在具體的實(shí)施過程中，對于這一問題也是需要加強(qiáng)關(guān)注和重視的[1]。2人體膝關(guān)節(jié)走跑的動力學(xué)模型2.1生物力學(xué)模型通過具體的研究和系統(tǒng)的觀察，我們不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人是處于一種正常的行走的狀態(tài)的時(shí)候，膝關(guān)節(jié)運(yùn)動是由一系列的綜合力學(xué)運(yùn)動來進(jìn)行綜合的組成的，他在具體的運(yùn)動過程中，不只是單一的一項(xiàng)運(yùn)動組成的，更多的是多種運(yùn)動的總和。之所以會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，最主要的原因是因?yàn)橄リP(guān)節(jié)在具體的實(shí)施過程中，是具備較強(qiáng)的包裹性的，正是由于存在著這樣的一種較強(qiáng)的包裹性的存在，使得膝關(guān)節(jié)在具體的伸曲的過程中，是存在著較為嚴(yán)重的問題，需要著力的管理和整頓的，也是基于這樣的一個(gè)原因的存在，膝關(guān)節(jié)在具體的運(yùn)動的過程中，是存在著其特定的模型的。通過系統(tǒng)的研究和分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)在具體的研究過程中，也是已經(jīng)取得了較為有效的成果，已經(jīng)取得的膝關(guān)節(jié)的模型有：①物理模型：是從一個(gè)較為虛擬的層面上實(shí)現(xiàn)對膝關(guān)節(jié)的模仿，但是在具體的模仿過程中，只是模仿了膝關(guān)節(jié)在具體的運(yùn)動過程中的某一個(gè)或者是某幾個(gè)層面上的內(nèi)容，很多的實(shí)驗(yàn)在具體的實(shí)施過程中，采取的主要的研究模式，就是通過這樣的模式實(shí)現(xiàn)對相關(guān)問題的研究的。②生物力學(xué)模型：這樣的一種模型在具體的實(shí)驗(yàn)過程中，采取的主要的方式是通過使用生物學(xué)的原理實(shí)現(xiàn)對膝關(guān)節(jié)的相關(guān)運(yùn)動模型的有效構(gòu)建，這樣的一種模型在具體的實(shí)施過程中，是將生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行系統(tǒng)有效的結(jié)合，最終的出來的結(jié)果，他在具體的試驗(yàn)過程中，之所以能夠取得較為有效的成功，至關(guān)重要的原因就是在具體的實(shí)施過程中，遵循了能量守恒這一基本的定律。模擬得出平地行走時(shí)膝關(guān)節(jié)的最大接觸力為2645N(3.0BW)，與Thambyah以及Morrison等人的結(jié)果比較吻合，可知最大的韌帶張力為590N(0.67BW)，發(fā)生在MCL(內(nèi)側(cè)副韌帶)上。當(dāng)膝關(guān)節(jié)在具體的運(yùn)動過程中，發(fā)生了較大程度的錯(cuò)位的時(shí)候，韌帶張力發(fā)生在ACL上時(shí)是最大限度，為560N(0.63BW)。2.2模型的建立在具體的生物力學(xué)研究的過程中，充分的采用人體運(yùn)動及動力學(xué)仿真分析軟件LifeMOD，可以對人在具體的運(yùn)動過程中的相關(guān)的機(jī)能的發(fā)展，起到較大的促進(jìn)作用，從而在對于人的具體的運(yùn)動力學(xué)的構(gòu)建和管理的過程中，能夠最大程度的發(fā)揮出其原本應(yīng)該有的效用，所以在人的具體的運(yùn)動過程中，通過生物力學(xué)的原理實(shí)現(xiàn)對人在具體的運(yùn)動過程中的相關(guān)模型的建立對于實(shí)現(xiàn)生物力學(xué)的較好的研究，意義是非常重大的，從而對人在正常的運(yùn)動的狀況之下的相關(guān)狀況予以較為有效的模擬，這一點(diǎn)不管是從哪個(gè)層面上來看，綜合的研究意義都是非常重大的。為了簡化模型，基本的建模過程如下：(1)根據(jù)表1建立人體全身的骨骼模型。這種數(shù)據(jù)在具體的描述過程中，反映出來的是對于人的一些最為基本的數(shù)據(jù)情況，比如人的身高、身體重量、年齡、性別等就可以實(shí)現(xiàn)對人的相關(guān)器官的有效管理和構(gòu)建，這一點(diǎn)是尤為重要的。(2)簡化模型。留下盆骨下面的下半身模型，將骨盆以下的所有重量，加入到骨盆中，從而最大程度的實(shí)現(xiàn)模型在具體的構(gòu)建過程中的簡化，實(shí)現(xiàn)其較大的發(fā)展以及相關(guān)模型的較為有效的構(gòu)建，這一點(diǎn)是在具體的實(shí)施過程中，需要著力的關(guān)注和重視的問題。(3)建立右腿膝關(guān)節(jié)的詳實(shí)模型。從人的生理結(jié)構(gòu)上來看的話，我們不難發(fā)現(xiàn)，人的生理結(jié)構(gòu)在具體的構(gòu)建過程中，人的左肢體與右肢體從對稱的角度上來看的話，我們不難發(fā)現(xiàn)，他們是一種完全對稱的狀況，因而在以膝蓋作為主要的研究模型進(jìn)行具體的研究過程中，至關(guān)重要的環(huán)節(jié)就是將一邊的肢體作為主要的模型進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，例如在具體的研究過程中，以膝蓋的一邊作為主要的單位進(jìn)行研究，這樣的一種研究模式在具體的分析過程中，能夠最大程度的實(shí)現(xiàn)對相關(guān)模型的簡化，從而實(shí)現(xiàn)在最終的研究過程中，取得較好的成果。(4)添加肌肉組織。仿真分析軟件LifeMOD在具體的實(shí)施過程中，可以實(shí)現(xiàn)將原有的肌肉組織進(jìn)行有效的組合到人的骨盆之中，從而最大程度的實(shí)現(xiàn)對骨盆以及肌肉組織的較為有效的研究]。(5)添加控制下半身模型正常步態(tài)的運(yùn)動數(shù)據(jù)。根據(jù)過往的研究模型中，我們不難發(fā)現(xiàn)，在具體的研究過程中要添加控制下半身的模型，從而實(shí)現(xiàn)其正常的步態(tài)的相關(guān)運(yùn)動的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)是在具體的相關(guān)事宜運(yùn)營的過程中，需要著力的關(guān)注和重視的問題，也是在具體的經(jīng)營過程中，需要著力的關(guān)注和重視的問題。在本研究中，假定以8km·h－１的速度平地勻速行走。(6)完成動力學(xué)仿真分析。對相關(guān)的生物力學(xué)以及與之相關(guān)的理論進(jìn)行系統(tǒng)性的仿真分析，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的較為優(yōu)質(zhì)的分析和理解，這一點(diǎn)是在具體的分析過程中，需要著力的關(guān)注和重視的問題，這樣的一種狀態(tài)對于實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析和理解，意義也是尤為重大的，在具體的實(shí)施過程中，對于這一問題的關(guān)注，不管是從宏觀的層面上，還是從微觀的層面上來看，意義都是非常深遠(yuǎn)的，也是在具體的經(jīng)營過程中，需要重點(diǎn)的關(guān)注和加強(qiáng)的地方。(7)刪除前交叉韌帶（ACL），在具體的研究和分析的過程中，是非常有必要從生物力學(xué)的角度上，實(shí)現(xiàn)對相關(guān)的動力學(xué)的研究和管理的，得到前交叉韌帶（ACL）缺損時(shí)膝關(guān)節(jié)的接觸力還有其他韌帶張力的情況。人體的基本參數(shù)見表1，所建立的人體下肢模型如圖1所示。表1人體模型基本參數(shù)性別身高體重年齡男1.8m90kg38歲圖SEQ圖\*ARABIC1人體下肢動力學(xué)模型在相關(guān)的模型中，實(shí)現(xiàn)對ACL的切除,之后對這樣的一種組織在具體的實(shí)施過程中，采取一種較為系統(tǒng)的生物力學(xué)的模式進(jìn)行系統(tǒng)性的管理和說明，得到在ACLD(ACL缺損)時(shí)的膝關(guān)節(jié)接觸力大小。圖2膝關(guān)節(jié)四條主要韌帶的位置分布(①ACL-“前交叉韌帶”；②PCL-“后交叉韌帶”；③MCL-“內(nèi)側(cè)副韌帶”；④LCL-“外側(cè)副韌帶”)2.3結(jié)果生物力學(xué)在具體的研究過程中，是非常有必要按照相關(guān)的規(guī)定和具體的要求進(jìn)行系統(tǒng)性的管理的：正動力學(xué)分析和逆動力學(xué)分析。一方面進(jìn)行逆動力學(xué)分析，根據(jù)相關(guān)的模型實(shí)現(xiàn)對相關(guān)的動力學(xué)的有效實(shí)施：另一方面在實(shí)際的運(yùn)動過程中，對于肌肉的相關(guān)收縮進(jìn)行系統(tǒng)的了解，并且在正動力學(xué)的相關(guān)分析中，做出較為詳細(xì)的說明，模型在肌肉的不斷收縮的情況之下，實(shí)現(xiàn)較為規(guī)律的運(yùn)動，可以記錄出膝關(guān)節(jié)的接觸力及各韌帶張力的數(shù)據(jù)。圖3為人體下肢在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)平地行走時(shí)姿勢的變化情況[4]。圖SEQ圖\*ARABIC3人體平地行走時(shí)一個(gè)步態(tài)周期的姿勢通常來說，當(dāng)人在路上正常走路的時(shí)候,2645N(3.0BW)是膝關(guān)節(jié)在具體的運(yùn)動過程中的最大的摩擦壓力，在步態(tài)周期為40%時(shí)，對應(yīng)位置為腳后跟與地之間的接觸力，如圖4所示。圖SEQ圖\*ARABIC4平地行走時(shí)脛骨關(guān)節(jié)的接觸力2.4討論通過真實(shí)的幾何形狀建立人體下半身模型，并且在脛骨關(guān)節(jié)上不添加額外的約束力，膝關(guān)節(jié)可以自由滾動和滑動。使模型和方法的可靠性得到相應(yīng)的驗(yàn)證，更進(jìn)一步的分析可知前交叉韌帶缺損對脛骨關(guān)節(jié)接觸力造成的影響，當(dāng)前交叉韌帶缺損時(shí),使脛骨關(guān)節(jié)之間的接觸力變低。3人體膝關(guān)節(jié)受損的因素分析膝關(guān)節(jié)韌帶損傷，是膝關(guān)節(jié)在具體的運(yùn)動過程中，比較高發(fā)的一種磨損現(xiàn)象，在具體的研究過程中，對于這一現(xiàn)象，是非常有必要加強(qiáng)關(guān)注和重視的，因?yàn)檫@樣的一種磨損現(xiàn)象在具體的實(shí)施過程中，通常是發(fā)生在青少年時(shí)期，因而加強(qiáng)對這樣的一種現(xiàn)象的關(guān)注和研究，意義也是尤為重大的，又以前交叉差韌帶損傷最為常見。3.1對下肢骨的作用因素適度跳躍運(yùn)動對下肢骨是一種良性刺激，不僅使骨量、骨密度發(fā)生改變，而且對骨代謝產(chǎn)生有益影響，這也是運(yùn)動鍛煉對骨質(zhì)疏松癥防治作用明確的原因之一。同時(shí)，跳躍運(yùn)動也能改善肌肉和肌腱，使它們更有利于應(yīng)對跑跳時(shí)的負(fù)荷。3.2對肌腱的作用因素趙文凱對高水平三級跳遠(yuǎn)運(yùn)動員流行病學(xué)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，肌肉拉傷和勞損在損傷類型中居多川。而在跟腱末端病中，常用跳躍運(yùn)動進(jìn)行此病理模型的建立。通過一系列的外部因素實(shí)現(xiàn)對膝關(guān)節(jié)的相關(guān)因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究和分析的過程中，我們不難發(fā)現(xiàn)，過度頻繁的運(yùn)動以及下肢本來就是一種受傷的狀態(tài)是膝關(guān)節(jié)在具體的實(shí)施過程中，容易發(fā)生較大的問題的一個(gè)最為主要的原因。從動力鏈來看，下肢損傷與骨、肌肉和肌腱的“薄弱環(huán)節(jié)”有關(guān)。骨骼肌收縮產(chǎn)生動力，該力通過肌腱傳遞至骨并引起整個(gè)運(yùn)動系統(tǒng)運(yùn)動，形成一個(gè)個(gè)簡單的動作，這本身就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。如果在這樣的一個(gè)系統(tǒng)中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生較大幅度的變化的話，那么最終導(dǎo)致的結(jié)果就是整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，如跟腱與跟骨結(jié)合部的末端病，那么這個(gè)“薄弱環(huán)節(jié)”就成為動力鏈之所以不能夠正常的發(fā)揮出其既定的作用的一個(gè)最為關(guān)鍵的因素，該部位在跳躍的過程中，就會啟動保護(hù)程序?qū)崿F(xiàn)對相關(guān)機(jī)能的保護(hù)，如果這樣的一種現(xiàn)象不能夠得到及時(shí)的處理的話，那么整個(gè)鉸鏈的地方就會因?yàn)槌霈F(xiàn)較大的平衡，而使得鉸鏈出現(xiàn)較大的問題，這一點(diǎn)也是鉸鏈在具體的實(shí)施過程中，需要著力的關(guān)注和重視的問題。因此，作為動力鏈上的各個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)通過運(yùn)動訓(xùn)練使它們更加“強(qiáng)大”以適應(yīng)外力的刺激(而不是有明顯的薄弱點(diǎn))，這樣才能避免影響整體功能[6]。種種跡象表明，骨腿結(jié)合部位有可能是下肢動力鏈的“薄弱環(huán)節(jié)”。3.3對肌肉的作用因素肌肉損傷程度決定于站立行走時(shí)間的，時(shí)間越長損傷越大。機(jī)體適應(yīng)代償機(jī)制可能決定研究結(jié)論的差異，在超負(fù)荷水平上超常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)體表現(xiàn)出適應(yīng)的狀態(tài)，增強(qiáng)其對抗力，以盡量保持著肌力平衡。人在豎直站立或急速行走的時(shí)候是通過骨骼把重力傳到腳的底部，短時(shí)間站立行走時(shí)盆骨以下部位的負(fù)荷以重力為主，均勻的受力可以發(fā)揮代償調(diào)節(jié)的作用，用于支撐的腿部肌肉會有輕微或輕度的麻木、疼痛表現(xiàn);而過長時(shí)間的直立行走在重力不變的情況下，肌肉對重力的反向作用力增強(qiáng)并向人的身體傳導(dǎo)，打破腰背與下肢之間的力學(xué)平衡，引起腰背肌甚至肩頸疲勞，影響腰背肌群血液循環(huán)，出現(xiàn)腰背疼痛、僵硬。研究證實(shí)，當(dāng)人的身體在長時(shí)間高強(qiáng)度的勞動時(shí)產(chǎn)生過多的自由基會引起肌細(xì)胞膜的通透性增加，肌細(xì)胞能量供應(yīng)障礙，最后導(dǎo)致肌肉受損[7]。4結(jié)語拿人體的生物力為例，可以用力學(xué)分析的手段去了解、學(xué)習(xí)、利用、治療、保護(hù)生物體。事實(shí)上，人體的構(gòu)造比較復(fù)雜，運(yùn)動環(huán)境、人的情緒等很多因素都會影響肌肉力的大小，要想獲得人體運(yùn)動更為全面的信息，就應(yīng)該把生物科學(xué)與物理學(xué)放在一起去學(xué)習(xí)、研究，所以我們應(yīng)該把生物學(xué)與物理學(xué)知識融會貫通，能夠更好地理解并加以運(yùn)用。PAGE10參考文獻(xiàn)[1]連志強(qiáng),周定國,張洪武.人體膝關(guān)節(jié)平地行走時(shí)的動力學(xué)模擬[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2