肌肉的生物力學特性

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肌肉的生物力學特性范文第1篇

關鍵詞：屈光性近視；軸性近視；生物力學機制

近20年來，我國近視眼患病率在急劇的增加，全國近視患者已超過3億，在世界排名僅次于“近視第一大國”——日本。近視已成為倍受人們關注的公共健康問題，認知近視眼的發病機制正是解決該問題的關鍵所在。從近30年來近視眼研究來看，科學家們進行了大量的近視動物模型實驗，對近視的發生、發展有了進一步了解。特別在形覺剝奪性近視、遺傳基因定位及近視眼生物化學物質改變等方面有較深入的研究。也有學者嘗試了生物力學視角的研究，但是目前還沒有生物力學模型能解釋所有眼的調節機制。因此需要對人眼調節機制進行有關生物力學的基礎研究，建立人眼調節機制的生物力學模型，為屈光的研究提供一種新的技術方法。

1.屈光性近視的力學機制

目前，解釋調節機制的經典松弛理論[1]認為：調節時睫狀肌的環形纖維收縮、懸韌帶松弛、晶狀體變凸出、屈光力增強、睫狀突和晶狀體赤道部接近。調節緊張理論[2]認為：調節是由晶狀體赤道部受到張力牽引而產生，至少一部分晶狀體懸韌帶處于緊張狀態、晶體中央變凸出周邊變平、屈光力增加，并從物理數學模型、尸眼解剖、臨床觀察等方面進行論證。盡管兩種理論存在一定的差別，但是兩種理論都認可人眼的調節過程通過三部分眼內組織完成。睫狀肌的收縮，睫狀肌的收縮使附著在睫狀突上的懸韌帶張力發生改變，懸韌帶張力的變化使晶體的形狀發生變化，晶體形狀的變化使人眼的屈光力發生變化，完成調節過程。

晶狀體的調節主要由睫狀肌、懸韌帶以及晶狀體三部分來實現，其生物力學調節機制的研究基本上從這三方面來展開。“調節本身不僅是傳統意義上的睫狀肌收縮和晶狀體變凸出，同時還伴有晶狀體的相對前移調節，對眼的幾乎所有屈光構成因素有著顯著的影響，視近活動的累積效應是兒童近視眼發生的主要原因”[3]。“懸韌帶具有一定的張力，懸韌帶在拉斷之前平均能被拉長4.48±1.78mm，隨著年齡的增長，懸韌帶的張力隨年齡的增加而減少”[4]。不同屈光狀態對睫狀肌的動力學影響，睫狀肌遠點肌肉張力在不同眼屈光狀態為一穩定值，且隨眼靜態屈光度的增加而降低。

由以上的理論研究，我們看以看到睫狀肌與晶狀體的調節密切相關。對于涉及到的肌肉的運動，我們可以嘗試從力學的視角來對屈光不正來進行解讀，從而推測屈光性近視產生的原因。筆者認為，屈光不正主要是由于晶狀體變凸出，光線聚焦在了視網膜的前方，形成屈光性近視。其生物力學機制可解釋為：長時間的近距離作業造成了睫狀肌痙攣，并長期處于緊張狀態，從而使懸韌帶長期處于松弛狀態，晶狀體不能變凹，也就形成了屈光性近視。

2.軸性近視的力學機制

基于理性分析，認為鞏膜強度減弱、眼外肌壓迫眼球使眼內壓增高等是造成高度近視的原因。但后來的臨床及實驗研究未能找出相應的證據。對眼球進行了生物力學理論分析，認為“在后部鞏膜的應力分布不均，由于上、下斜肌的附著點接近視神經，在調節輻揍時對后部鞏膜產生剪切作用，造成后部鞏膜延長”[5]。“眼外肌的強直性收縮引起玻璃體內壓力升高，在近視的形成中也具有明顯作用”[6]。由此，我們不難看出，人們在生物力學的領域已經展開了對近視眼形成機制的研究，研究的重心在于力學的作用點—鞏膜。只有對鞏膜形變及異化的機制研究清楚，才能為近視眼的矯正奠定基礎。

“軸性近視直接與鞏膜形變密切相關，因此鞏膜、角膜的生長及異化只能表現為眼球壁的不斷增厚，不能促成眼軸的延長”[7]。因此眼球的生長必須依賴于眼內壓對球壁組織張力，才能形成膨脹性生長。“在同等應力的作用下，前部鞏膜的變形最小，赤道部的次之，后部鞏膜最大，且高度近視患者的后鞏膜承受應力較常人脆弱”[8]。后鞏膜加固術能加強薄弱的后鞏膜，從而達到抑制軸性近視發展的效果。近視眼鞏膜的組織病理學改變早于生物力學特性的改變，并且實驗性近視眼的鞏膜彈性差，易發生變形，具有較低的承載能力。這些觀點都從某一視角對鞏膜做了研究，還需要有待進一步的研究。

另外，實驗性近視眼后極部鞏膜變薄，膠原纖維發生退行性變化即異化（鞏膜重塑），而這也是近視眼鞏膜彈性差、容易發生變形、具有較低的承載能力的病理基礎。“鞏膜成纖維細胞胞外基質的代謝、細胞因子的表達及自身生物力學性質等決定鞏膜的生物學和生物力學性質。在近視的發生及治療過程中，伴隨有鞏膜及鞏膜成纖維細胞的力學——生物學特性的變化”[9]。這些理論都為鞏膜重塑的生物力學機制提供了充分的理論依據。

筆者認為，軸性近視的形成是建立在屈光性近視的基礎之上，當晶狀體的不能正常調節已經不足以適應長期的近距離作業的刺激時，眼球就會發生新的變化，及鞏膜的異化，從而導致眼球的形變，這種形變與眼外肌有密切的關系。由于長期的近距離作業，眼外肌的分作用力會破壞眼內壓平衡，最終促進眼軸變長，形成軸性近視。

3.結論

3.1作為現代文明的產物，近視眼的發生已呈現愈演愈烈的趨勢。對于近視形成機制，近30年來在形覺剝奪性近視、遺傳基因定位及近視眼生物化學物質改變等方面有較深入的研究，生物力學方面的研究相對較淺。

3.2屈光性近視的力學研究集中于睫狀肌、懸韌帶以及晶狀體的力學參數變化，根據參數變化嘗試建立參數模型，從而糾正屈光性調節的理論機制。

3.3軸性近視的力學研究集中于力學的作用點—鞏膜。通過對鞏膜形變以及異化的研究，人們期望找到矯正軸性近視的突破口。

3.4從力的作用來源視角出發，眼外肌的研究必不可少，但是往往難以著手。眼外肌可以控制眼球的運動，外在的間接研究或許可以為我們研究其力學機制提供一個新的思路。（作者單位：云南師范大學體育學院）

參考文獻：

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肌肉的生物力學特性范文第2篇

關鍵詞　腰椎間盤突出癥　斜扳法　相關性　生物力學　研究

腰椎斜扳法是推拿臨床治療腰椎間盤突出癥常用的手法，若動用得當，有利于治療，否則有可能加重椎間盤損傷。本文試從生物力學角度分析腰椎扳手法對腰椎間盤的影響。

1　腰椎間盤的解剖學特點與生物力學特性椎間盤由軟骨終板、纖維環和髓核三部分構成。其中軟骨終板與髓核均具有椎間盤和椎體均勻受力的作用。纖維環分為外、中、內三層，相鄰兩層纖維與椎間盤平面的夾角為±30°[1]。纖維環的這種排列方向，使相鄰椎體可以有輕度活動，但脊椎旋轉運動時，部分纖維緊張，又起限制脊椎旋轉的作用。椎間盤突出的主要原因是纖維環損傷。而在引起椎間盤損傷的諸應力中，扭轉是最主要的類型[2]。纖維環承受扭轉載荷的能力較弱。是由其解剖學特點決定的。纖維環的不同層次不同方向排列，在脊椎旋轉時，只有部分纖維環受到牽拉，而另一部分則松弛，這樣容易造成部分受牽拉纖維的損傷。若在腰椎間盤突出癥患者，其纖維環已經發生了損傷，抗扭轉能力更為減弱。因此，椎間盤的解剖學特點與其生物力學特性決定了椎間盤在扭轉時容易受損傷。

2　腰椎斜扳手法的操作及其對椎間盤的影響腰椎斜扳手法的操作[3]：患者側臥位，醫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。把腰被動旋轉至最大限度后，兩手同時用力作相反方向扳動。扳法操作時動作必須果斷而迅速，用力要穩，兩手動作配合要協調，扳動幅度一般不能超過各關節的生理活動范圍。以上述操作可以看出，斜扳手法的生物力學特點是使腰椎產生旋轉。由于椎體不易變形，故腰椎旋轉的應力完全作用在椎間盤上，即斜扳手法操作瞬間，椎間盤的部分纖維環受到了牽拉。對于受損的纖維環來說，這種牽拉力是不容忽視的。因此，對本手法的操作在力量和活動范圍上作了一定的限制。如果操作用力過大，則必然對纖維產生新的損傷。

3　腰椎斜扳手法的注意事項腰椎斜扳手法操作前，應囑患者保持舒適的。患者側臥位，下面的下肢伸直，上面屈膝屈髖。這種可較好地放松腰部肌肉。具體操作時，應掌握手法的用力、角度、時間和次數等。手法用力的大小應適宜，勿用猛力與暴力；雙手用力的方向應前后相反；力的作用點最好集中在腰椎突出節段。腰椎的旋轉角度不宜超過其病理生理活動范圍，若旋轉角度過大，則極易損傷椎間盤及腰部軟組織。本手法在操作時要果斷而迅速，盡量在短時間內完成；讓腰椎在旋轉位停留一段時間的做法是不可取的。此外，腰椎斜扳手法不宜頻繁動用。綜上所述，椎間盤的解剖結構和生物力學特性決定了椎間盤的抗扭轉能力較弱。而腰椎斜扳手法卻在腰椎旋轉位操作，因此，應恰當動用。本文反對暴力操作及對同一患者頻繁使用，以避免造成椎間盤新的損傷。

參考文獻

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肌肉的生物力學特性范文第3篇

關鍵詞：有限元法；手部；建模；生物力學

1 有限元法的發展歷史及在人體生物力學中的運用

1.1有限元法的發展歷史 有限元法（finite elementsmethods，FEM）即有限元素法[1]，是一種在工程科學技術中廣泛應用的數學物理方法，用于模擬并解決各種工程力學、熱學、電磁學、生物力學等問題。其基本思想是把一個由無限個質點和有無限個自由度構成的連續體劃分為有限個小單元體組成的集合體，用離散化的有限單元模型代替原有物體。通過對每個單元的力學分析，獲得整個連續體的力學性質。有限元法最早可上溯到20世紀40年代。現代有限法的第一個成功的嘗試是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飛機結構時成功應用有限元法求解。1960年，Clough第一次提出了"有限元法"概念，使人們認識到它的功效。我國河海大學教授徐芝綸院士首次將有限元法引入我國，對它的應用起了很大的推動作用。

1.2有限元法運用于人體生物力學研究 1972年，Brekelmans[2]等首次報道將有限元分析方法應用于生物力學方面研究。80年代后，應用范圍逐步擴展到顱面骨、頜骨、股骨、牙齒、關節、頸椎、腰椎及其附屬結構等生物力學研究中。隨著計算機技術的發展、分析工具的完善以及實踐的增多，有限元方法顯示了極大的優越性并已逐漸成為研究人體生物力學的重要手段。人體力學行為研究基本無法采用傳統的力學實驗方式來進行，因而有限元建模愈來愈成為深化人體認識的有效措施。基于有限元軟件日益完善的建模功能及兼融其它計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件特性，真實再現三維人體骨骼、肌肉、血管、器官等組織成為可能，并在虛擬現實實驗中，通過材料賦值、幾何約束、固定載荷等過程，對擠壓、拉伸、彎曲、扭轉、三點彎、抗疲勞等力學實驗進行模擬，能求解獲得給定實驗條件下模型任意部位變形、內部能量變化、應力/應變分布、極限破壞等數據[3]。

1.3有限元法在人體生物力學研究中的建模思路 有限元建模即建立為數值計算提供原始數據的計算模型，需要通過建立幾何模型、材料賦值、網格劃分、施加約束與載荷，最后進行求解等步驟實現，是有限元法仿真試驗最關鍵環節。摸型的幾何相擬性直接影響計算的結果，醫學有限元模型的建立首先需要獲得人體特定部位的幾何數據，數據可以從幾何參數設定、激光掃描、標本切片和磨片以及醫學影像圖像獲得。其中醫學影像法最為以無創的方式提供了高精度的人體解剖結構形態，基于醫學影像技術建模是目前人體有限元建模的主要手段，可以實現人體解剖結構的可視化乃至生物力學仿真的有限元模型。包括X射線、超聲、CT、MRI等途徑，其中CT掃描是主流方式，CT結合MRI是新亮點。

通過X射線照片方式建模是指利用不同方位的多幅X射線照片獲得幾何數據重建三維模型，是一種經濟、可行的方式。但因信息獲取不完整，建模過程復雜，對研究者經驗要求較高，現行醫學有限元建模中應用較少。還有研究者基于超聲影像技術建模，如趙婷婷[4]等基于超聲建立了乳腺有限元模型；張桂敏[5]等在研究二尖瓣狹窄患者二尖瓣下游湍流剪應力變化方面，運用超聲影像圖像建立了二維有限元模型，為心瓣流體力學研究探索新的方法學途徑。目前基于超聲的有限元分析研究多集中在機械制造、土木工程等領域，并多采用二維有限元法分析，還沒有注意到與醫學相關的基本超聲影像技術的三維有限元研究相關報道。這或許是因為基于超聲影像技術的力學研究本就較少，三維、四維超聲的概念提出較晚，與重點應用在工程技術方面的有限元法結合運用更是鮮有。相較X線與超聲而言，CT/MRI圖像法在醫學有限元建模中應用更為普遍。MRI技術具有很高的組織對比分辨率、解析高以及無離子化輻射等特點，能清晰顯示人體結構的組織學差異和生化變化。基于MRI圖像能獲得細致的幾何模型。但MRI偏向于對肌腱、韌帶等軟組織的分辨，對骨的分辨不如CT清晰。此外，目前國內常用的核磁共振機掃描層厚和掃描間距一般都在2mm以上，無法獲得更詳細的幾何數據，影響到重建圖像的清晰度精確性。基于CT掃描獲得幾何數據的建模的方法目前應用最為廣泛。CT根據密度不同來確定信號的強弱，可以通過調節掃描條件，使任何復雜形態和各種密度的組織都有較高的分辨率，適用于任何復雜形態和各種密度的三維結構。可清晰顯示骨與軟組織的邊界，通過醫學成像系統能獲得骨骼比較準確的幾何數據，其不足之處在于對軟組織的分辨率相對較低，無法從醫學成像系統獲得準確的肌肉、韌帶、腔等組織幾何數據，須參考相關解剖資料。CT/MRI數據重建的三維模型，能夠真實的再現被掃描對象的表面特征及內部結構，CT的空間分辨率高于MRI，CT對骨組織與軟組織邊界顯示更為清晰，而MRI的對比分辨率高于CT，特別是軟組織對比明顯優于CT。通過CT結合MRI法將能融合二者優勢，但對研究者圖像處理技術有更高的要求。通過文獻檢索發現，目前CT提取骨組織結合MRI提取軟組織方法的研究報道較少。徐志才[6]等基于CT影像數據構建了包含股骨、脛骨和腓骨的實體模型，并基于MRI影像數據構建了包含股骨軟骨、脛骨軟骨、內外側半月板和內外側副韌帶的三維實體模型。將CT和MRI影像數據進行配準融合，獲得包含骨性和非骨性結構的膝關節三維實體模型。

2 有限元建模的常用軟件

人體生物力學有限元模型的精確性對有限元分析結果的合理性有直接影響。三維重建技術與有限元方法及其他虛擬現實技術的結合是未來發展的方向，這有賴于這些集成強大圖像處理功能的有限元軟件的發展。常用的建模輔助軟件有：MIMlCS、MATLAB、CAD、Geomagic Studio等軟件。其中最常用的是MIMlCS軟件，它的FEA模塊可以將掃描輸入的數據進行快速處理建立3D模型，然后對表面進行網格劃分以應用在有限元分析中。它還可基于掃描數據的亨氏單位對體網格進行材質分配。MIMICS的網格重劃功能能方便地將不規則三角片轉化成趨近于等邊的三角片，顯著提高STL模型的質量和處理速度，對輸入數據進行最大限度的優化，目前版本已發展到MIMICS17.0。現常用有限元軟件有：Ansys、ABAQUS、NASTRAN、COSMOS等。其中最常用的是Ansys軟件，目前版本已發展到Ansys15.0。

3 手部三維有限元的運用進展

手部因其解剖結構復雜、運動靈活精細、力學分析困難的周圍組織對手部力學因素有重要影響等方面原因，研究較人體其它部位明顯偏少。在工程領域方面，楊德偉[7]等基于CT掃描數據結合ABAQUS軟件建立了手抓握模型。幾何模型通過人手CT掃描后簡化處理得到，建立的手模型簡化為以皮膚、肌肉、神經、血管等軟組織為整體的軟組織模型和手部骨骼模型兩部分，手部復雜的組織結構未曾細化。抓握功能通過參數約束、程序運動規劃控制下實現，而并非基于神經肌電活動模擬，也非通過骨、肌肉施加荷載得到，本模型在工程領域有一定實用價值，但遠不能滿足醫學研究的需要；陳志翔[8]等在研究機器人虛擬手過程中，通過參考手部解剖結構，建立手部肌肉模型，并以程序設計約束指間運動關系，通過控制肌肉收縮量來實現手指運動，較好的擬真了手指運動機理。但模型基于數學方程人為控制，而非通過人手實際解剖結構獲得。在醫學領域方面，Carrigan等[9]通過CT掃描，最先建立了包括韌帶、軟骨、8塊骨骼在內的手腕關節復合模型；國外的Ko等和國內的郭欣等[10]都建立了腕管的三維有限元模型，為進一步探討腕部結構的力學行為提供了一個可操作的平臺；Anderson等[11]最早通過腕關節三維有限元模型模擬了創傷性關節炎病理改變；Bajuri MN[12]等通過CT掃描，參照診斷標準，建立了首例類風濕性關節炎患者腕關節三維有限元模型。國內其它學者也以解決臨床問題為出發點，對手的部分結構三維有限元模型的建立進行了積極的探索，如孟立民[13]建立了第一、二掌骨和大多角骨三維有限元模型，并模擬Bennett骨折和微型外固定器外固定及克氏針內固定治療情形，研究兩種治療方法優劣問題；董謝平等[14]以中國力學可視人原始資料為依據，構建帶軟組織的正常手腕和佩帶腕保護器手腕的三維有限元模型，驗證了腕保護器防護腕部骨折的有效性；顏冰珊等[15]建立了正常下尺橈關節三維有限元模型研究了前臂橈骨骨折的臨床問題；張浩[16]等基于現有個人電腦平臺，建立了腕關節有限元模型，進一步證明利用醫學圖像處理軟件和三維重建軟件準確、快捷地構建腕關節的三維有限元模型有可行性。

4 小結

手部建模是虛擬現實領域研究的熱點之一，在工程領域主要是機器人手的擬真研究，尤重抓握功能，在醫學領域更多涉及腕關節這一部分結構，囊括手部骨骼、關節、肌肉、韌帶、筋膜、血管、神經、皮膚等組織結構較完整的手部有限元模型尚未見諸報道。手部的骨骼、關節數目較多、相互關聯較復雜，是一個復合性的機械結構，在建模時要同時考慮到骨骼、關節面、韌帶、肌腱及其它周圍組織在生物力學中的作用。目前，手部有限元建模研究較人體其它部位少，還沒有形成較完整、成熟的模型，更沒有統一的建模標準。如何將三維可視化手建成物理手的有限元模型是現階段研究難點，也是實現虛擬生理手模型建立的必然階段，相信隨著計算機技術的進步及多學科更好的融合，手部有限元模型研究將有更為廣闊的前景。

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肌肉的生物力學特性范文第4篇

關鍵詞：生物力學；有限元分析；步態研究

中圖分類號：G804.01文獻標識碼：B文章編號：1007-3612(2007)08-1080-03

有限元法(finite element method,FEM)是一種在工程科學技術中廣泛應用的數學物理方法，用于模擬并解決各種工程力學、熱學、電磁學等物理場問題。有限元法應用于生命科學的定量研究,已取得了長足進展。在步態生物力學研究領域，盡管足底壓力測量、影像分析和表面肌電等技術被廣泛應用，但足部骨骼、軟組織等結構內部的應力傳遞機理始終無法得到力學解釋。當FEM應用于足部生物力學研究時，復雜的骨胳幾何結構、邊界條件和材料的不均勻性等問題便找到了可能的解決途徑。

1步態的數值建模幾何參數

1.1X光照片從不同方位的多幅X光照片獲得幾何數據重建足部的三維模型是一種方便、經濟的方式。Jocob 和Patil［1,2］通過某健康者和某患有Hansen氏病的主體的X光照片獲得的足部幾何數據，進行了有限元對比分析。但是該方法所得到的模型相對粗糙, 只能給出足部的大致輪廓, 難以細致分辨足部各骨及其組織。

1.2 CT掃描圖像的三維重建CT主要為橫斷層成像，但帶有越來越多的圖像后處理系統，如多維斷層重建、三維圖像重建、掃描后再次放大、立體模型與幾何模型測量法等，可以清晰地反映出物體內部的不同結構和組織，對研究及建模帶來很大方便。Camacho等［3］分析了間隔為1mm 的人體足部CT斷層掃描照片(圖1)，為進行有限元分析建立了一套較精確的模型。

1.3MRI圖像重建MRI為核磁共振成像，該技術既具有成像清晰、解析度高的特點，又能清晰顯示人體結構的組織學差圖1人體足部CT斷層掃描建立模型異和生化變化，在不改變的情況下，可直接獲取橫、矢、冠、斜4種斷層圖象。研究人員可以得到十分細致的足部幾何模型。Gefen 等［4］從MRI圖像中重建出正常人足部骨骼的幾何構形。Zhang Ming等［5］通過Coronal MRI技術，間隔2 mm建立了糖尿病足的模型(圖2)。

圖2糖尿病足的模型通過上述醫學成像系統獲得的足部骨骼的幾何學數據是比較精確的，但對于韌帶、肌肉和足底腱膜等其它組織，則還需要從解剖學作更深入的研究，利用圖像后處理分析（由輸出的通用圖像數據文件，存儲在計算機中；采用直方圖修正法來改善圖像質量，或高斯濾波進行圖像平滑以減少噪聲，Sobel梯度算子檢測邊緣）來獲得可靠的模型幾何數據。常用的影像分析軟件有mimics、3d-doctor等。通常方法是從上述軟件得到各組織的邊界數據，再從制圖軟件（solidwork、pro/e、ug等）建立實體模型，這樣才有利于有限元分析軟件（ansys、abaqus、femlab等）更好的處理。

2步態的數值建模材料力學參數

Huiskes［6］研究發現在準靜態荷載下，骨和軟骨可視為各向同性的線彈性材料。但是，Clift［7］對關節軟骨做了有限元分析，證實關節軟骨的應力―應變關系隨時間的變化呈現出一定的非線性，故把關節軟骨看作一種非均質、各向異性的材料更合理。Keyak［8］等把骨的應變張量看成力學激勵，這樣，應變張量中的各元素就是骨再造方程中的系數，然而，系數之多又給計算機模擬數值解造成了一定困難。Koosltra［9］等假設骨能夠根據其應力―應變狀態來調整小梁骨的方向性和內部密度分布，用應變能作為力學激勵，由于它是標量，使方程的系數為常數，可以保證數值解的取得。因此，骨單元的劃分一般采用六面體塊單元或楔形單元。考慮到關節軟骨在足部運動中起的重要作用，如果把關節軟骨都簡化為線彈性材料，計算結果必將有很大誤差。因此，從模型的整體出發，在建模過程中一方面要注意把一些對足部運動影響不大的關節軟骨(如跗骨間關節)加以簡化，以減小模型的復雜度；另一方面，為保證計算的精確性，對于一些大關節軟骨(如 距下關節)則要考慮為非線性，最好結合影像分析，獲取其運動參數，以提供較為準確的邊界條件。如何定義足部各關節的運動方式，并建立相應的足部模型約束條件是足部有限元分析的難點。

韌帶，足底皮膚及肌肉等軟組織屬于非線性材料，所以可劃分為簧單元。Race and Amis［10］對正常人體下肢韌帶進行了單軸拉伸實驗，得出韌帶的材料參數可按下式取值：

3步態有限元分析的應用

3.1醫學的臨床診斷應用Jocob 和Patil利用三維有限元模型分析了Hansen氏病和糖尿病病人經常發生足骨變形、肌肉麻痹和足底局部潰爛等病理現象的力學原因，為解釋和防治上述病情提供了大量有價值的信息。Gefen［12］模擬切斷跖腱膜，發現完全切斷后足弓廣泛變形，長韌帶承擔的張應力顯著增加，超過正常均值的2倍，據此提出手術切斷跖腱膜必須慎重的觀點。研究還發現糖尿病足第一跖骨頭下軟組織的張應力是正常足的4倍，第二跖骨頭下張應力是正常足的8倍［13］。隨著組織硬化加重，接觸應力的峰值分別增加38%和50%，表明糖尿病足的損傷很可能始于更深的組織層，即內側跖骨突出部下方的組織最脆弱。吳立軍［14］等建立扁平足第二跖縱弓有限元模型，計算得出扁平足的第二跖骨動態應力比正常足增加了8%～21%，增加了第二跖骨疲勞骨折的危險性。Zhang Ming等模擬糖尿病足軟組織硬度的增加，發現足部應力集中于跟部和中間跖骨區，說明了這兩個部位潰爛的力學機理。Peter R.Cavanagh［15］等應用逆向有限元分析，說明了糖尿病足跟部軟組織材料非線性建模的重要性，并且顯式計算了足跟與不同材料和厚度的鞋之間的接觸應力，為緩解病人跟部疼痛的力學因素提供進一步信息。

3．2輔助設計合理的鞋類、假肢和醫療器械應用有限元分析改進足踝矯形器(Ankle-Foot orthosis,AFO)和假肢的設計是康復工程和生物力學研究的熱點。Abu-Hasaballah 等［16］用有限元法分析發現主要接觸壓力發生在AFO的穿夾部分，而最小壓力發生在小牛皮外殼部分, 因此建議用小牛皮作為原材料制作AFO，既可以減輕AFO重量，又可以提高其舒適度。Lemmon 等［17］對用于治療足部疾病的特殊鞋類的內墊的效果做了有限元分析, 并且驗證了用準靜態平面應變有限元法研究跖骨前端的足鞋界面，可以得到對足底應力分布的合理預測這一假設。此外，Shiang TY［18］研究了不同鞋跟墊材料對足底沖擊波的吸收能力，并且發現，只有用二階非線性應力―應變曲線才能正確地描述這些制鞋材料，肯定了FEM在設計具有特殊功能的鞋類中起到的關鍵作用。Gu yaodong等［19］應用非線性材料特性，對青年女性高跟鞋狀態下足部應力分布的研究，發現跖骨區應力值為平底鞋狀態下的2～3倍，足底腱膜處為平底鞋狀態下的1.5倍，從力學角度說明了鞋跟高度給足部結構應力值帶來的變化和高跟鞋狀態引發的常見足病的成因。Syngellakis等［20］發現只要認真設定模型的關鍵參數，有限元法是評估各種塑膠足踝矯形器的可靠方法,并且可用來滿足特殊患者的需要。Chen等［21］分析了2種完全接觸式鞋墊的足底壓力再分布情況，與平鞋墊相比，除了中足和趾區，完全接觸式鞋墊可減低足底其它部位的正常應力峰值及平均值。Saunders等［22］建立了一個立體的加后跟墊的踝足模型，利用基于某截肢患者步態分析所得到的載荷條件加以分析，以了解假肢足跟部的粘彈性，旨在使假肢設計更加個性化。Xiao-Qun Dai［23］等對足、襪、鞋三者接觸的力學分析，以解釋由襪導致的不同足底摩擦系數，發現低摩擦系數的襪子明顯減少足、鞋之間的剪力，對減少足底水泡和潰瘍等癥狀有顯著效果。

4結論

足部結構的特點在于其形狀的不規則性，其外形一般多為自由形狀的曲面，難以用準確的數學解析方程進行描述。因此，對足部各種力學行為進行計算機仿真模擬有助于認識和研究步態的內在力學機理。步態生物力學有限元研究雖然已取得一定的成果，但仍有許多問題尚待探討。在模型的形態上，目前主要還是以骨骼為主，韌帶、肌肉、軟骨等結構還缺乏精確的分析；在生物材料特性上，雖然清楚材料性能參數直接影響著研究結果，但生物材料性能測試還缺少辦法。

未來的研究主要圍繞著足部三維運動參數的獲取、三維有限元模型的完善以及足部運動狀態下壓力、剪切力的準確測量。隨著計算機硬件的飛速發展與各類有限元應用軟件的持續改進，醫學影像技術對足部結構分辨能力的提高和圖像識別技術的進步，在相當細微的程度上構建三維足模型成為了可能，同時，使FEM模擬仿真的精確度、準確度與計算速度不斷提高。人們可以更方便地建立有針對性的有限元模型，用以模擬各種運動狀況，為研究復雜的足部功能、足疾病因、物理治療和康復器械提供更強的研究手段。

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肌肉的生物力學特性范文第5篇

[摘要]目的：研究頑固性肩周炎與肱二頭肌生物力學發病機理和臨床意義。方法：采用針刀松解肱二頭肌長頭、短頭，配合手法治療，一周治療一次，一般治療一次癥狀明顯減輕，治療二次病情明顯好轉。結果：經采用針刀松解肱二頭肌長頭、短頭，配合“三維式”手法，病人獲得滿意效果，總有效率達98.64％。結論：通過臨床研究，探討頑固性肩周炎發病機理與肱二頭肌生物力學平衡失調有直接關系，和女性過早停經，內分泌失調有著重要意義。根據臨床病癥分為“三級標準”，為臨時床治療和研究提供了重要依據，是頑固性肩周炎的治療，達到“安全、無痛苦、無后遺癥”，深受中老年患者的歡迎。

[關鍵詞]肩關節周圍炎；肱二頭肌；生物力學；內分泌失調；發病機理

肩周炎是肩關節周圍發生無菌性炎癥，是中老年人的常見病、多發病。多見于50歲左右的女性，故有人稱它為“五十肩”。本病是由于肩關節囊及其周圍韌帶、肌腱和滑膜囊發生了慢性非特異性炎癥所致，俗稱漏肩風、凍結肩等，正式名稱應為“肩關節周圍炎”。通過臨床觀察和研究，認為肩周炎發病機理與肱二頭肌生物力學平衡失調有密切關系，和女性過早停經及內分泌失調有著重要意義。現就將我院近年來研究的病例，報告如下：

1　研究對象

1.1　對象：本組研究對象為住院病例33例，門診病例40例，共為73例，男性27例，女性46例；年齡最小38歲，最大63歲；其中單側左肩31例，右肩39例，雙肩3例6肩，共合76肩。病程最短6個月，最長者3年。

1.2　臨床表現：本組患者主要癥狀為肩關節疼痛、肌肉無力、活動障礙；肩關節為鈍痛、刀割樣痛31例，夜間疼痛加重67例，疼痛持續性肌肉痙攣34例，疼痛局限在肩關節67例，向上肢放射47例，有向后放射到肩胛骨71例，穿上衣聳肩困難70例，肩內外旋時疼痛加重63例，梳頭洗臉困難59例，患側手摸背受限69例，出現檫屁股困難37例，病人不敢患側臥位71例。

1.3　臨床體征：患者均有不同程度肩關節疼痛，肩關節活動受限73例，上舉困難者69例，影響穿衣服70例，梳頭洗臉困難59例，后背檫屁股困難37例，肩峰下壓痛29例，肱二頭肌短頭壓痛73例，肱二頭肌長頭壓痛63例，“天宗”穴壓痛59例，放射到三角肌10例，崗上肌、崗下肌附著點壓痛37例。

1.4　影像學檢查：肩關節周圍炎是軟組織病變，所以X光檢查多為陰性，對直接診斷雖無幫助，但可以排除骨與關節病，對于中老年患者可以排除其它疾病，以防延誤診斷，病程久者可見關節間隙變窄，退行性改變，老年患者可見骨質疏松，崗上肌腱鈣化等征象。

2　臨床分級標準

2.1　輕度：肩關節痛，活動后疼痛，活動度稍受限，①上舉＞150°，②外展＞60，③內旋＞70°，④手指能摸到T12后棘突。

2.2　中度：肩關節痛較劇，白天疼痛，活動度受限，①上舉＞90°，②外展＞45°，③內旋＞40°，④手指可摸到骶椎后棘突。

2.3　重度：肩關節痛劇烈，夜間劇，活動度明顯受限，①上舉＜60°，②外展＜45，③內旋＜40°，④手指摸不到骶椎后棘突。

3　治療方法

3.1　定點：患者取側身臥位，患側朝上，健側在下，脫掉上衣，充分暴露患側肩部，患者全身放松，根據患者病情，用紫藥水棉簽，依次做好肱二頭肌長頭、短頭，肩峰，崗上肌、崗下肌定點定位，鋪巾，常規碘酒、酒精按外科無菌消毒。

3.2　針刀松解：術者帶無菌一次性手套，用0.5％利多卡因10ml局部侵潤麻醉，同時在肩胛上神經注射，取一次性針刀4號或3號，按定點部位，采用針刀刺入四步規程，依次松解肱二頭肌長頭、短頭，剝離粘連、切開關節囊減壓，及崗上肌松解，肱二頭肌長頭、短頭是關鍵部位，只要方法正確，部位準確，可達到立竿見影效果。

3.3　三維手法：在針刀松解粘連，切開減壓，達到“開口效應”時，再配合“三維手法”，以右肩關節為例：①肩前旋轉法術者左手穩住患者肩關節，右手握穩肘關節，以肩關節為中心，前后擺動，循序漸進，當自感肩關節活動開的瞬間，右肘上抬外旋，使患者不覺曉瞬間，肩前旋轉手法完成。②肩中旋轉法基本方法、要領同前，方向正中向上。③肩后旋轉法基本方法、要領同前，方向向后，上抬外旋，使患者不覺曉瞬間，肩后旋轉手法完成。使肩關節粘連充分松解，肩關節功能得到很快恢復。

4　康復功能訓練(針刀術后6小時練功)

①雙手掄拳：左右肩關節劃圈掄動15圈。②雙肩聳肩：雙手叉腰，上下前后縮頭聳肩，每次15下。③雙手揪耳：兩手交叉揪住耳廓，連揪15下。④雙手攀天：十指相挾，手心向上，舉過頭頂，上下前后搖動30下。⑤長鷹展翅：雙臂平抬成飛翔勢，上下扇動30下。⑥雙手托頭：兩手插入腦后，手心向上十指相挾，向上托頭20下。⑦雙手晃肘：兩臂同時抱肘，上下左右晃動30下。早晚各一次。

5　治療療程

一般治療一次，休息七天后，根據病情再選擇二次治療，兩次為一療程。大部分病人一次治愈，少部分病人需要二次治療，及少數病人需要治療三次。

5.1　療效標準。治愈：臨床治愈，肩關節疼痛和麻木等癥狀完全消失，肩關節功能活動正常，3個月以上無復發；好轉：顯效，癥狀、體征基本消失，長時間激烈活動后疼痛出現；有效：癥狀、體征減輕，負重或劇烈活動后疼痛加重；無效：癥狀、體征無改善。

5.2　治療結果：結果本組隨訪6個月至1年。6個月結果：其中治愈37例39肩，好轉19例21肩，有效5例5肩，有效率83.5％。1年結果：治愈7例8肩，好轉2例2肩，有效2例2肩，無效1例1肩，有效率15％。總效率達98.5％。無效一例經全面檢查，肺部CT檢查，右上肺占位性病變，轉上級醫院手術治療。

6　討論

6.1　肩周炎的發病機理：肩周炎是發生于肩關節周圍軟組織退行性變和慢性無菌性炎癥。俗稱凍結肩、漏肩風、五十肩，是常見和多發疾病，多為單側發病，右側較左側多見，少數可雙側同時發病。多發于中老年人，女性高于男性。肩周炎的早期變化是纖維性的關節囊收縮變小。肩關節造影可說明關節的容積減小。在病變的晚期除關節囊的嚴重收縮外，其他軟組織也都受到波及，呈普遍的膠原纖維的退行性變，受累的組織都呈進行性纖維化，有的血管分布增加，滑膜增厚，軟組織失去彈性、短縮與硬化。由于軟組織很脆，以致當肱骨外展時即可造成撕裂。

女性患肩周炎人數是男性的5到10倍，這和女性的生理特點有關。女子在45歲到55歲之間處于更年期，身體處于內分泌平衡失調期，其體內雌性激素分泌量急劇減少。由于雌性激素減少，會導致高密度脂蛋白水平下降，而高密度脂蛋白是代謝體內多余血脂的物質，它的減少會導致體內的血脂大量沉積在

血管內壁，尤其容易沉積在受過炎癥的關節組織內，造成關節組織的血管阻塞、氣血不通，加重炎性反應，腫脹導致疼痛。女性發病年齡逐向年輕，本組一例月經早停，38歲患上此病。

糖尿病也可引起肩周炎，具體機理還有待進一步行研究，多傾向于膠原蛋自理論，膠原蛋白是組成韌帶和腱鞘的主要成分，而韌帶則在關節腔內把不同的骨骼相連接，當膠原蛋白出現問題時則會影響關節功能，其中，葡萄糖分子會與膠原蛋白結合，使膠原蛋白功能變性。對于糖尿病患者，由于血糖升高，導致葡萄糖與膠原蛋白的結合物在肩部軟骨和腱鞘的不正常沉積，引起肩關節僵硬，活動受限。

6.2　肱二頭肌生物力學：肩關節退行性改變、過度運動，而致使肱二頭肌長頭肌生物力學平衡失調，在肩關節疾病中有著重要意義。過度運動肱二頭肌長頭肌腱，使組織學及生物力學特性發生了顯著的改變。過度運動后，肌腱某些部位膠原纖維發生變性，部分斷裂，纖維細胞數量減少。細胞由梭型變為圓形，部分向軟骨細胞分化，形成纖維軟骨樣結構。生物力學實驗中發現肌腱所能承受的最大載荷和最大應力均有顯著的降低。肌腱最易發生斷裂部位和肌腱發生變性部位一致。肩關節過度運動可以導致肱二頭肌腱變性、勞損，使肱二頭肌腱生物力學平衡失調，從而誘發肩周炎有著重要臨床意義。

6.3　針刀治療肩周炎臨床療效：肩周炎的形成認識并不十分明確。但一般認為是因肩部慢性勞損，退變或一次急劇的創傷，引起肩部軟組織急、慢性無菌性炎癥反應有關。而由于解剖、病理、生化、免疫學及病因學知識的積累，以及影象診斷技術的進步，使更精確，更科學的診斷有了條件。傳統意義上肩周炎已被細分為“肱二頭肌長頭腱鞘炎”、“喙突炎”、“崗上肌腱炎”、“肩峰下滑囊炎”、“凍結肩”、“肩撞擊綜合癥”等具體定位定性疾病。患病后如果給予積極治療、認真養護，會有不同程度的恢復，乃至完全康復。反之則加重病情，影響勞動及生活，甚至不能自理。

通過臨床系統觀察，總結研究，認為本病發病機理與肱二頭肌生物力學平衡失調有密切關系，和女性過早停經及內分泌失調有著重要意義。治療頑固性肩周炎的效果，關鍵是通過針刀調節肱二頭肌生物力學，使其恢復肱二頭肌生物力學平衡，達到事半功倍之效，配合“三維手法”，為肩關節功能恢復起到重要作用。以及肩關節“康復功能訓練”，為肱二頭肌生物力學平衡和肩關節功能恢復，均有著重要意義，有部分患者針刀治療后，效果立竿見影，甚至患肢立即舉起。為中老年的身體康復，是一種“安全、無后遺癥”的綠色療法；可向基層和社區推廣。

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