上肢生物力學建模和典型運動的生物力學研究

□ 崔志勇(鄭州大學體育學院 河南 鄭州 450044)

人體是一個復雜而各異的復雜系統，由于個體活體實驗具有局限性，因此人體生物特性的研究也隨之發生困難。人體上肢生物力學是通過建立骨骼和肌肉組織建模來完成的，這一建模中通過對肱骨、尺骨、肩胛骨以及鎖骨等連接肌肉，并建立22根肌肉的直線模型，可以精確獲得骨骼的輪廓相關信息，為人體上肢的生物學力學研究提供了較為完整的具有高相似性的模型。在“骨骼-肌肉”模型基礎之上，建立了三根骨組成的自由度模型，以便上肢和前臂運動的完成，通過驅動產生的復雜運動，對人體上肢的動力學進行了分析。

1、上肢運動學的研究現狀

人體骨骼的運動學為人提供了不同狀態下可能產生的運動學的位移、速度和加速度等參數，注重肌肉和韌帶的作用力以及關節的關節力。為了適應人體運動所需應變情況的真實性，生物力學的合理研究便捷條件就有其重要的現實意義。

隨著精細化程度的提高，計算機技術的發展越來越多的將科技引入到骨肌系統模型仿真人體的運動中來，全面系統的模擬全身各部分骨骼和肌肉的組織，通過三維高速影像系統定點確定變換位置，使骨骼間相互協調建立骨骼軌跡。1996年這一上肢部分骨肌系統的項目完成實現了上肢運動的仿真實驗。

2、上肢動力學模型的建立

本文在研究人體“骨骼-肌肉”系統建模的基礎上，所進行的動力學和運動學分析應用廣泛，人們可以根據人體動力學的相關原理和建模數據提煉，指導運動康復器械設計和人體機能的恢復等等，甚至在航空航天、汽車制造等領域里也同樣具有現實意義。當前，肌力是無法通過在體測驗測量完成的，大多采用肌肉骨骼系統建模和肌電圖的激活信號等方法。

要測得受試者的身高、體重、前臂長度、前臂近端的圍長、上臂長度和上臂近端的圍長，對幾何模型進行簡化，圓柱形的棒骨模型代表骨骼模型，圓柱體代表肱骨，圓柱體代表尺骨和橈骨，并且建立各自獨立的局部坐標系，構件為坐標系固定的基礎，圓柱體的軸心是局部坐標系的z軸，轉動半徑長度為半徑長度，不同測試者的人體測量學參數不變。骨骼的每一個rigiddbody在全局坐標系統下，運動參數都包含平移矢量txd、ty、tz，旋轉矢量為θx、θy、θz。根據rigidd body和marker的關系，通過轉化矩陣就可以測得運動學參數。再根據解剖學參數確定剛體質心的位置，就可以得出每一個剛體質心的運動學參數。

3、屈曲運動的動力學仿真實現

本文選取的典型案例是以一個年齡為36歲的成年正常男子為例（身高171cm，體重74,1kg，上臂長度31.5cm，前臂長度33.8cm，上臂近端圍長3.8cm，前臂近端圍長27.6cm），右前臂在矢狀面內的屈曲運動，從中立到運動完成，需要5s的時間做完整的動作，可以測得最大屈肘角度為150度左右。在完成前臂從中立到最大彎曲再返回中立的過程中，z軸圍繞圓心做鐘擺式運動，即地球坐標系下的z軸位移數值逐漸增加到最大值后遞減到初始數值，而x軸方向的位移數值則沒有發生較大數值的變化；y軸位移矢量增加到屈曲90度后減小，待伸展后又增加，到垂直后再減少，循環往復。通過測量可以看出，前臂運動過程中，矢狀面內肘關節轉矩在屈曲60°的時候達到最大值，屈曲角度的增加，矢狀面內關節轉矩降低，直至屈曲達到150°以上，保持0°為0.54Nm。冠狀面內肘關節轉矩則與屈曲角度是正比關系，隨著角度的增加而增加，隨著角度的減小而減小，在屈伸過程中，可產生屈曲運動的加速度。橫斷面內基本保持不變。

4、總結

上肢作為人體重要組成部分，是協調人們完成各種復雜運動的基礎，因此在日常生活中，上肢關節是提高人活動范圍和能力的基本保證。然而，人們在運動中會造成對上肢肌肉或者骨骼的損害，因此對上肢運動的生物力學研究，預防上肢運動的損害性，有重要的現實意義和指導作用，為提供適合中國人肩關節的需要提供建議和參考。當然，模型的建構中存在不足，比如肌肉的直線連接，與真實的肌肉弧線組織有差異等，都需要進一步完善，這一項工程不是一蹴而就的，需要反復試驗，盡量減少人為的干預，為臨床手術提供輔助設計，不斷加深對人類自身的認識程度，為上肢生物力學研究提供更廣闊的空間和真實有效的結果。

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