人體下肢生物力學仿真和實驗的研究現狀與發展趨勢*

張雪玲，任武△，王淑婷，常金龍，李佳，胡彬彬

(1. 新鄉醫學院醫學工程學院 河南省神經傳感與控制工程技術研究中心 新鄉市智能康復設備工程技術研究中心， 新鄉 453003；2. 上海邑成測試設備有限公司， 上海 200433)

1 引 言

人們運動離不開肌肉和骨骼的相互作用，骨骼間通過關節連接，并由強韌的肌肉和韌帶提供支撐和保護，使人體可以進行穩定而協調的運動。下肢骨骼系統主要由股骨、脛骨、腓骨以及連接它們的髖關節、膝關節和踝關節組成[1]。下肢骨骼系統中關節易受到沖擊，造成骨折、炎癥和老化等現象，導致功能衰退，整體運動能力下降[2]。

近年來，人們下肢相關疾病的發病率日漸增長，由于各個關節的解剖結構和病理條件復雜，給臨床上下肢骨肌系統疾病的預防、治療和康復帶來很多困難。人體下肢生物力學研究能夠獲得組織在一定的力學環境中的病理及生理特征，探究外界及內部力學因素在人體下肢的運動、損傷和康復中的作用。結合有限元仿真技術和實驗進行下肢的生物力學研究是未來發展的一個重要趨勢。通過測量材料屬性、分析力學信號及仿真分析等方法，可以得到人體下肢病理生理變化中的力學機制[3]。

本綜述總結并且重點闡述下肢關節生物力學仿真和實驗研究進展，展望其發展趨勢，為相關疾病的預防、臨床治療和康復提供理論參考。

2 生物力學的發展現狀

生物力學的概念在20世紀60年代中期開始發展，通過對生物力學的研究，可以充分認識生命體的運作規律，有效解決生命體在運作過程中產生的各類健康問題。20世紀70年代末，我國的生物力學研究在馮元楨教授的積極推動下起步，成為一門新興的交叉學科，同時培養出了我國最早的生物力學研究隊伍[4]。在生物力學學科研究的初始階段，國內外學者的研究領域主要集中在口腔生物力學[5]、眼科生物力學[6]、骨科生物力學[7]和血液動力學[8-9]等方面。2000年以后，國內外生物力學相關研究領域主要集中在生物力學的建模仿真分析及其應用等方面[10-11]，建模仿真技術是研究生物力學的一種有效手段。

按照研究對象的不同，生物力學可以分為生物固體力學、生物流體力學和運動生物力學等三大類。近年來，隨著計算機技術的不斷發展，建模仿真技術更加完善，越來越多的學者投入到生物力學的研究中，其研究隊伍不斷壯大，生物力學學科地不斷地發展和完善。

3 人體下肢生物力學

人們的運動和生活離不開肌肉和骨骼的相互作用，人體下肢骨骼系統主要由髖關節、股骨、膝關節、脛骨、腓骨、踝關節和跖骨組成，見圖1。骨和骨之間通過軟骨或者結締組織形成關節，其中髖關節、膝關節和踝關節對人體下肢運動起至關重要的作用，也是人們在運動和生活中非常容易遭到損壞的結構[12]。現分別討論髖關節、膝關節以及踝關節的生物力學研究現狀，分析人體下肢關節在運動、損傷和康復中的生物力學特性變化。

圖1 人體下肢結構圖[13]

3.1 髖關節

髖關節由股骨頭、骨盆髖臼、關節軟骨和強大的韌帶構成，是一個多軸球窩關節。髖臼的凹面和股骨頭表面覆蓋著關節軟骨，關節軟骨將人體上段產生的重力傳遞到下肢，同時減小關節之間的摩擦力，減緩沖擊。

髖關節在矢狀面上有屈曲和伸展、在冠狀面上有內收和外展、在橫斷面上有內旋和外旋等六個自由度[14]。頸干角是股骨頸軸線和股骨干縱軸線之間的夾角，它決定髖關節在運動中的自由度，嬰兒出生時頸干角一般為140°，成年后一般變化為125°左右。當此角大于130°時容易產生髖外翻，小于120°時容易產生髖內翻。人體處于雙足站立位時，髖關節穩定的結構足以維持身體的直立姿勢，此時計算關節反作用力時，不需要考慮肌肉收縮產生的力矩，即每側股骨頭所受力為人體上段重力的一半，即自身體重的1/3。Rydell[15]使用儀器測量單足站立位時，作用于髖關節的關節反作用力大約為體重的2.3～2.9倍，步行時的關節反作用力大約為體重的1.6～3.3倍。

髖關節具有穩定的結構，可保證人體運動時的穩定性，支持人體完成站立、行走、跑步和彈跳等動作[16]，因此，髖關節損傷將影響人們的正常生活。Constantinou等[17]檢測附著在受試者軀體上的43個標記物的運動軌跡，研究發現輕度至中度髖關節骨性關節炎患者的步行速度較慢，步長較短，髖關節的活動度較低。髖關節的關節囊韌帶通過圍繞股骨頭和股骨頸來抑制關節的活動度，Logishetty等[18]對8具尸體的髖關節分別進行髖關節置換術(HRA)、雙活動度全髖關節置換術(DM-THA)和常規THA，通過檢測術后的關節活動度，發現這三種髖關節置換術基本可以恢復髖關節功能。髖部骨折常見于老年人，由于老年人骨頭中無機物含量增加且容易跌倒，增加了骨折發生概率。其中股骨的粗隆間骨折在老年人中最為普遍，約占老年人髖部骨折的40%～50%[19]。預計到2050年，全世界發生髖部骨折人數將達到626萬，且超過一半病例將在亞洲[20]。由于髖部疾病臨床治療困難，致殘率和致死率極高，給病患家屬、醫生和社會增加很多負擔，充分了解髖關節相關生物力學知識有助于臨床醫生對髖關節疾病的診斷和治療。

綜上，國內外學者對于人體髖關節生物力學已有深入研究，髖關節置換技術已較為成熟。但如何預防術后髖關節假體的脫位和不穩定性成為當下的研究重點和難點。此外，由于女性具有生育能力，其骨盆較寬，關于不同性別的髖關節生物力學的差異研究還不足。

3.2 膝關節

膝關節由股骨下端、髕骨和脛骨上端構成，是維持人體運動最重要的關節之一，它不僅能協調人體運動，同時將載荷從股骨傳遞到脛骨和腓骨。膝關節的主要運動是屈曲和伸展，另外還伴有少量的內收、外展、內旋和外旋[21]，其基本功能主要由2個關節實現，即脛股關節和髕股關節。

脛股關節由脛骨和股骨組成，股骨下端兩髁與脛骨平臺相配合形成脛股關節。股骨下端和脛骨平臺之間的匹配度較低，而半月板是位于脛骨平臺上的月牙形狀的纖維軟骨，其外側厚、內測薄，可實現脛股關節之間更優的匹配。半月板在膝關節內起到承重的作用，股骨下端和脛骨平臺之間的接觸面積非常小，當膝關節承重時，接觸面積越小，產生的應力就越大，可能對膝關節造成損傷，而半月板結構可增加脛股關節之間的接觸面積，降低接觸應力[22]。當關節應力較大時，可能造成關節炎、骨折和骨塌陷等嚴重損傷，將導致關節疼痛和嚴重的關節功能障礙。Lau等[23]和Willinger等[24]研究發現膝關節半月板切除術后的患者患骨關節炎的概率將增加。姚杰等[25]對不同高度下的跳傘著陸過程進行模擬仿真，得出高速沖擊是造成膝關節損傷的重要原因，且外側半月板更容易遭到損壞。

髕股關節由髕骨和股骨組成，通過股骨和髕骨之間的匹配以及肌肉和相關韌帶的約束來實現髕股關節的穩定性。髕股關節的接觸面積隨著膝關節屈曲角度的變化而變化，且隨著承重的增加而增加[26]。Brechter等和Powers等[27-28]就不同狀態下的髕股關節力研究，發現步行時髕股關節力約為體重的0.6倍，上、下樓梯時達到體重的4倍。髕股骨性關節炎可能會導致膝關節畸形，Otsuki等[29]基于85例膝關節骨性關節炎患者的斷層攝影圖像，提出膝關節內翻畸形與髕股骨性關節炎密切相關的結論，但該部位骨性關節炎的發病機制尚不清楚。

綜上，研究者們深入探索了膝關節的生物力學特性，對膝關節半月板的重要性已有深刻認識，但半月板切除術的術后康復問題仍值得重視。同時，膝關節骨性關節炎的發病機制尚不明確，還具有巨大的研究潛力，針對膝關節骨性關節炎的治療問題，目前只能緩解患者病癥、減輕患者痛苦，尚無有效的方式阻斷該疾病的發生。

3.3 踝關節

踝關節對人體日常活動和步態具有重要作用。踝關節由距骨、脛骨遠端和腓骨遠端組成，是人體重要的承重關節，維持人體的平衡狀態。該關節在矢狀面上有跖屈和背屈、在冠狀面上有內翻和外翻、在橫斷面上有內收和外展等六個自由度，其中踝關節最主要的運動是跖屈和背屈[30]，見圖2。踝關節的跖屈運動是指足尖下垂，足背向前伸直，足尖遠離踝部；背屈運動是指足尖向上，足背靠近踝部。一些研究表明，在踝關節的正常活動范圍內，跖屈角度可為40°～55°，背屈角度可為10°～20°[31-32]。

圖2 踝關節的跖屈/背屈、外翻/內翻、外展/內收

踝關節依靠周圍的肌肉組織和龐大的韌帶來維持踝部在各種運動中的穩定和安全。在雙足處于靜止站立位時，單側踝關節承受約1/2倍體重，Burdett[33]研究發現在正常行走時，踝關節承受力大約為體重的5倍，而跑步時關節承受力會高達體重的13倍。因此，踝部在復雜的地面環境和劇烈運動中極易造成損傷。Song等[34]對退役足球運動員進行健康調查，發現有踝關節損傷史的人群患踝部骨性關節炎的概率更高。大多數患有踝部關節炎的患者表現為后腳畸形，Knupp[35]提出踝部截骨術可降低踝關節的峰值壓力，減輕踝關節的骨性關節炎。但截骨術的手術方式要根據踝部的畸形程度、關節類型、固定方式以及醫生經驗決定。賀毅等[36]探索保守治療和螺釘內固定兩種方式治療踝部骨折后患者的足底壓力和踝關節功能差異，研究發現相比于保守治療，螺釘內固定對于治療踝部骨折和維持踝關節對位具有更好的效果。

綜上，國內外有關踝關節生物力學的研究較為豐富，踝部疾病的治療方式也較為成熟，未來可進一步提高手術精確度，提升患者術后的康復效果，可采用機器人輔助方式和術中的精準導航來實現手術的精確性以及獲得更好的預后。

4 下肢生物力學的有限元仿真研究

人體下肢的解剖結構和組織微觀結構復雜(見圖3)，其建模方法有許多種，例如多剛體模型法、角動量定理建模法、黑箱訓練法和有限元仿真法等[12]。隨著計算機技術的快速發展，有限元仿真法被廣泛應用，使生物力學計算更加精確、快速和直觀。

有限元仿真法應用有限元原理，將連續的整體離散化為有限個小單元，對小單元進行模擬仿真，預測其應力、位移等數據的變化趨勢，通過對局部小單元進行分析進而完成對整體的分析[37-38]。該方法早期被應用于航天等領域，近年來，隨著計算機技術、生物力學、醫學、數學和物理學等學科的不斷發展，有限元仿真技術被越來越多地運用到口腔、骨科和醫療器械研發等領域[39-40]。主要從有限元仿真法來分析當下的相關研究成果。

Wen等[41]使用計算機軟件分別建立不同壞死區域和病變大小等五類股骨頭壞死的有限元模型，通過有限元仿真評估不同區域股骨頭壞死對股骨頭的生物力學影響。Wu等[42]為了減輕由高處著陸時造成的下肢損傷，提供了一種新的雙關節保護支架，并使用有限元仿真技術評估其保護性能，降低著陸時膝蓋和腳踝受傷的風險。郭俊超等[43]設計了不同結構的護踝，對設計的護踝進行模擬仿真，研究傘兵著陸時其對人體踝部的防護性能。Tarnita等[44]建立膝關節的三維有限元模型，預測膝關節各個部位的應力，研究表明軟骨的接觸面積決定了應力的大小，應力過大可能導致骨關節炎。Untaroiu等[45]建立汽車駕駛員的下肢有限元模型，能更準確地認識到交通事故中駕駛員的下肢損傷機制，為駕駛安全提供幫助。有限元仿真技術的優勢在于：

(1)可設置不同的材料參數、受力位置和約束方式，進行大量重復的仿真分析，成本低、效率高；

(2)可得到臨床醫生很難直接獲得的人體組織信息，例如生物組織中應力、應變的變化趨勢；

(3)對于患者疾病的治療，可在術前就不同的手術方式進行模擬仿真，尋找出最佳手術方式，減輕患者痛苦。

圖3 人體關節、肌肉、韌帶結構示意圖

綜上，判斷通過有限元方法得到的仿真數據是否與人體真實生理病理下的生物力學特性相符合，不僅需要準確獲取組織的材料屬性、幾何參數、約束條件和外界載荷等數據，還需要與臨床結合進行驗證。此外，由于復雜的人體解剖結構和組織微觀結構，仿真結果的準確性必須由大量的預期實驗和精確的人體影像數據來保證，這是未來有限元仿真研究發展的重點。

5 下肢生物力學的實驗研究

隨著計算機技術的發展和新型傳感技術的興起，傳感器被廣泛應用于人體生物力學數據的定量測量。例如：薄膜壓力傳感器適用于足底壓力測量；拉/壓力傳感器適用于人體四肢的拉/壓力測量；傾角傳感器適用于組織結構的角度變化測量；加速度傳感器適用于下肢的步態研究等。

結合有限元仿真技術和生物力學實驗來研究人體下肢生物力學是未來發展的重要趨勢，將更加全面、有效地計算人體生物力學以及評估康復器械的使用性能[46]。

Beccai等[47]研究和設計了一種硅基三軸力傳感器，在人體殘肢與假肢之間安裝微型傳感器，可檢測殘肢與假肢接觸面間的作用力。Bus[48]使用傳感器測量糖尿病足的足底壓力和溫度變化，研究發現足部潰瘍更可能發生在足底局部壓力大、溫度升高的部位，實時監測可降低糖尿病足的足部潰瘍發生率。Tarni?[49]使用可穿戴傳感器監測正常人和患者的步態差異，可穿戴傳感器重量輕、體積小，可監測人體的步態障礙與平衡變化。Stetter等[50]將可穿戴傳感器與神經網絡相結合，根據可穿戴傳感器獲得的數據估計運動過程中產生的膝關節力，用來推斷膝關節受力的生物力學指標。Hollis等[51]使用可穿戴傳感器測量在兩種不同地面和不同速度情況下受試者跑步的運動學和動力學差異，結果表明，在高硬度地面以更快的速度跑步會導致更大的旋前偏移和旋前速度。

由于傳感技術的廣泛使用，國內外陸陸續續出現了大量的電子測試儀器供應商，形成測試儀器和軟件制造的巨大市場。在國外，美國的Tektronix公司是全球領先的電子測試儀器供應商，從臺式頻譜分析儀到便攜式頻譜分析儀都具有多功能和高性能的特點，能滿足使用者廣泛的需求。德國Dantec Dynamics Gmbh公司的無損、非接觸式的缺陷檢測技術能夠檢測各種構件和材料的內部缺陷并進行定量分析，激光電子與脈沖散斑技術能夠測試構件和材料的力學性能，例如應力、應變和變形等。英國的Sonatest公司生產的超聲波無損檢測儀具有卓越的使用性能和儀器結構，可在惡劣的環境中進行檢測。在國內，上海邑成測試設備有限公司現有動態應變采集儀、各類傳感器等多種儀器，可用于測量動態應變、加速度和位移等數據，產品價格低廉且具有高靈敏度。安泰測試設備公司致力于測試儀器的研發、維修和銷售，現有功率測試儀、信號發生器和功率放大器等，可用于實驗室生物信號的測試。圖4為使用Dewesoft動態信號數據采集儀和拉力傳感器測試手指拉力。

圖4 DeweSoft動態信號數據采集儀手指拉力測試

綜上，動態信號測試裝置可滿足對所需信號進行較為精準測試的需求，但如何將實驗測得的數據應用到臨床實踐和指導仿真建模，還需要進一步探索。目前已研發的生物力學實驗儀器多為體外使用，而在體實驗研究困難。若要測量體內組織的生物力學特性，一要考慮測量儀器的尺寸，尺寸必須足夠微小，實現被試者在測量過程中的舒適性；二要考慮測量儀器的材料性質，必須滿足儀器材料和人體組織的生物相容性，實現被試者在測量過程中的安全性。未來，研究者們需克服在體實驗的難題，同時建立一個完善的生物力學大數據庫，為更深入研究人體生物力學和臨床上疾病的治療提供幫助。

6 總結展望

本綜述回顧了生物力學學科的產生及發展現狀，重點闡述人體下肢中髖關節、膝關節和踝關節的生物力學特性。在此基礎上，總結了有限元仿真技術和生物力學實驗的研究現狀，指出未來下肢生物力學的發展趨勢：

(1)目前對不同狀態下的下肢生物力學特性研究已較為豐富，但肌肉、韌帶對關節的作用力的研究仍有不足，值得進一步探索；

(2)有限元仿真技術能夠模擬不同工況下組織內部的應力、應變，但模擬得到的數據是否和人體內最真實的力學變化相符合，還需要用生物力學實驗進行驗證；

(3)動態信號測試裝置能對研究信號進行較為精準的測試，如何將實驗測得的數據應用到臨床實踐和指導仿真建模，還需要進一步發展；

(4)生物力學體外實驗研究較豐富，但由于測量儀器的尺寸和材料問題，在體實驗研究還較少，未來需解決在體實驗的困難；

(5)增加研究樣本量，建立完善的生物力學大數據庫，為人類健康提供數據支持。