肌腱和韌帶的生物力學

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肌腱和韌帶的生物力學范文第1篇

摘 要 文章通過分析膝關節解剖結構特點和生物力學特征，結合籃球技術動作特點，確定了膝關節各部位運動損傷的發生機制。并提出通過掌握運動員膝關節的運動生物力學特征，對科學指導訓練、提高運動員的訓練水平以及預防膝關節運動損傷發生等具有非常重要的意義。

關鍵詞 膝關節生物力學 運動損傷 力量訓練

運動生物力學根據人體的形態機能特點結合對運動場地器材的改進，研究最合理、最有效的運動技術；通過改善訓練手段增加運動訓練的適應性；通過研究運動損傷發生機制、改善不合理的運動技術，在訓練中改善神經肌肉系統功能和強化運動器官承受能力，達到預防損傷的目的[1]。作者通過參閱大量文獻，闡述籃球運動員膝關節運動生物力學特征，提出其指導膝關節科學訓練和預防膝關節損傷依據。

一、膝關節結構及生物力學特征

（一）膝關節是人體結構最復雜的關節，由兩個包在同一關節囊內的關節組成，即股-髕關節為滑車關節和股-脛關節為橢圓形關節。膝關節周圍的肌肉、肌腱、前方髕韌帶、內外側副韌帶、前后十字韌帶以及內外側半月板共同維持膝關節的穩定性[2]。

（二）膝關節的側副韌帶位于關節囊的外面，有內側副韌帶和外側副韌帶兩條，其主要作用是使膝關節不能產生內收與外展運動，并且限制膝關節過度發生旋轉的活動。[這兩側韌帶在膝關節伸直時被拉緊起固定作用，此時小腿不能做內旋及外旋動作。當屈膝時，這兩側韌帶松弛，小腿可做小幅度的內、外旋動作[3]。在籃球運動中膝關節屈曲，小腿突然內收內旋，或大腿突然外展外旋可能發生外側副韌帶損傷。常見持球突破，急停跳起投籃或跳起搶籃板等動作。

（三）半月板由致密環狀纖維所組成，其中含少量軟骨組織，具有一定的彈性，它們的主要功能是使股骨與脛骨兩者的關節面更加吻合，增加膝關節的穩定性，并且有緩沖股、脛骨之間沖擊力的作用[4]。

（四）膝關節囊內共兩條十字韌帶，主要功能是限制脛骨過度前移或后移。膝關節處于半屈曲位突然完成旋轉及內收、外展是重要的損傷機制，常合并內側副韌帶或半月板損傷。

股四頭肌腱大部分止于髕骨上緣，一部分越過髕骨上緣止于髕骨表面，股四頭肌在膝屈30°時，4個頭的合力最大，加上這時髕股間的力矩最大[5]。

（五）膝關節穩定性生物力學

膝關節是全身最大的負重關節，同時它又缺乏固有的內在穩定性，韌帶、關節囊和提供的靜力和動力性穩定作用起著特別重要作用[6]。

（六）籃球運動的基本技術動作生物力學分析

膝關節主要功能是屈伸運動，在半屈或屈90°時有輕微的旋轉運動。籃球運動中的特點是膝關節于半蹲位滑步、進攻、防守、制動、踏跳與上籃、落地緩沖等。這些動作都要求膝于半屈曲位屈伸與扭轉，以實現快速變向、伸膝發力的要求。

二、膝關節力量訓練

根據膝關節運動生物力學原理，力求膝關節在運動中穩定性和靈活性相統一，力量、速度和耐力相統一。所以對膝關節周圍肌肉韌帶的力量訓練尤為重要。使膝關節適應籃球運動技術特點的力學要求，同時保護關節避免損傷發生。通過對關節周圍肌肉力量訓練經過力的傳遞結構強化至肌腱、韌帶以及骨。

（一）肌肉力量訓練相關理論

“訓練適應”是反映運動員機體在長期訓練和外界環境（指自然環境與訓練、比賽環境、其中主要是訓練負荷）刺激的作用下所產生的生物學方面的“動態平衡”（指能量消耗與補充的動態平衡）。這種適應能滿足競技比賽所需要的各種機能能力，并按照“刺激—反應—適應—再刺激—再反應—再適應”的規律變化。運動訓練的任務就是通過合理的訓練負荷，打破機體原有的生物適應與平衡，使機體在新的水平上產生新的生物適應與平衡[7-8]。

（二）方法

1.固定阻力負荷練習

又稱靜力性練習。是指人體用力時，各運動環節無運動狀態的變化，此時，肌肉產生張力但不發生長度變化。如靜止負杠鈴半蹲等。

2.動力性沖擊負荷訓練

是指肌肉先進行離心收縮、緊接著迅速進行向心收縮的練習方法。是利用肌牽張反射會產生超大力量的原理，是在一次練習中增大肌肉訓練效果的較好練習形式。

3.等動練習器械訓練

該種練習是借助專門的等動力量練習器進行，在練習中，練習的阻力與運動員的用力相適應，從而保證了肌肉在收縮過程中始終按恒速或接近恒速的方式進行。

三、結論

膝關節是人體結構最復雜關節，本身內在不穩定。籃球運動員膝關節運動專項技術動作又處于關節生物力學的薄弱點。所以運動損傷發病率高，籃球技術動作要求膝關節適應其速度力量及耐力要求。在充分了解膝關節生物力學，掌握其力學規律，根據人體形態機能特點，進行科學訓練，不斷改進運動技術，提高運動成績。同時的預防運動損傷及康復都具有重要意義。

參考文獻：

[1] 陸愛云.運動生物力學[M].人民體育出版社.2008.12：2-4.

[2] 陸愛云.運動生物力學[M].人民體育出版社.2008.12：270.

[3] 劉有志.籃球運動中膝關節損傷的機制、原因和對策[J].職業時空.2010.3.

[4] 陸裕樸.胥少汀，等.實用骨科大全[M].人民軍醫出版社.1997.3：1082.

[5] 李欣.籃球運動中常見傷病的調查分析與預防[J].2007.5.

[6] 陸裕樸.胥少汀，等.實用骨科大全[M].人民軍醫出版社.1997.3：691，1081.

肌腱和韌帶的生物力學范文第2篇

【關鍵詞】骨組織； 研究進展

【中圖分類號】R681.2 【文獻標識碼】B【文章編號】1004-4949（2014）08-0665-02

作為一門古老的學科，骨組織的發展具有悠久歷史，其發端可追溯到人類生命起源的最初階段；骨組織是隨著社會的發展與經濟的進步，針對日益增高的創傷發生率與日趨復雜和嚴重的創傷程度，而逐漸成為骨外科學領域的一個重要分支；骨組織的發展不但繼承了傳統骨科的豐厚內涵，而且更體現在其融匯吸收了現代醫學與現代生物學等生命科學領域多學科發展的最新成果。

一骨組織工程研究進展

作為組織工程研究領域中最為活躍的一部分，骨組織工程的研究已處于組織構建與缺損修復的前沿，是可能率先進入臨床應用的組織工程領域之一。骨創傷修復雄厚的理論與研究基礎，各種生物材料在臨床骨缺損治療中的長期廣泛應用，都為骨組織工程的發展提供了得天獨厚的有利條件。骨髓基質干細胞具有獲取時對機體損傷小、培養擴增后數量充足且自體細胞避免了免疫排斥反應的特點，已經成為骨組織工程研究中的最佳細胞來源。應用骨髓基質干細胞作為種子細胞已成功修復大動物的顱骨、下頜骨與四肢骨缺損。筆者所在實驗室利用BMACs復合藻酸鈣成功修復了羊顱骨標準缺損；Schliephake等利用煅燒牛骨作為支架復合BMSCs修復羊的下頜骨節段缺損，組織形態計量學結果顯示，新骨形成量較單純材料組有顯著增加；Kon

等發現BMSCs復合羥基磷灰石陶瓷后修復羊脛骨節段缺損，2個月時力學強度顯著高于單純材料組。目前的研究焦點在于如何能夠使骨髓基質干細胞的體外培養與誘導標準化，以進一步應用于大規模的臨床治療。此外，最新研究表明同種異體骨髓基質干細胞復合TCP能修復犬股骨21mm的節段缺損，而不需要進行免疫抑制治療，若進一步證實在人體可行，通過建立一個骨髓基質干細胞庫，即能更及時方便地應用組織工程方法來修復骨缺損。而Zuk等發現脂肪中也有多向分化潛能的干細胞，加以適當誘導，即可向成骨轉化，由于脂肪組織的來源也較容易，若通過進一步體內外實驗驗證，此細胞亦可成為骨組織工程又一可靠的種子細胞來源。

二軟骨組織工程研究進展

骨關節的損傷修復是骨組織治療的一個重要領域，成熟的關節軟骨自身修復能力有限，直徑大于4mm的缺損一般不能自行修復。傳統的軟骨表面刨削、鉆孔術以及微骨折術、骨膜或軟骨膜移植等方法，治療效果不佳。Brittberg等采用取自自體關節非負重部位關節軟骨的軟骨細胞，體外培養擴增后直接注射入關節軟骨缺損部位，表面由取自脛骨上端的骨膜縫合覆蓋，軟骨缺損得到了不同程度的臨床修復。同時，多種生物材料支架作為細胞載體，在大量裸鼠體內軟骨組織構建研究的基礎上，進行關節軟骨的組織工程修復。應用膠原凝膠、纖維蛋白、透明質酸等生物材料作為細胞支架，均達到了不同的修復效果。Liu等應用PLuronic-127與PGA作為細胞支架，成功修復豬膝關節軟骨負重部位直徑8mm的全層缺損，體內形成的軟骨組織具有正常軟骨的組織結構與生化組成，生物力學強度達到正常關節軟骨的70%。應用組織工程技術修復半月板與椎間盤軟骨組織缺損，也取得了較好的修復效果。通過骨髓基質干細胞的體外誘導分化，可獲得大量表型穩定的成軟骨細胞并分泌特異的軟骨基質，以此為種子細胞已成功構建組織工程化軟骨，修復關節軟骨缺損。我們實驗室研究發現，骨髓基質干細胞在體內不但能夠完成關節軟骨缺損的修復，而且關節軟骨下骨也同時得到修復。基于骨髓基質干細胞的軟骨組織工程將是未來的主要發展方向。

三肌腱組織工程研究進展

嚴重的骨與關節損傷常伴隨肌腱與韌帶損傷或缺失，長度超過H&- 的肌腱缺損一般不能直接縫合，自體肌腱是最好的移植替代材料，人體內可供肌腱移植的供區較少，故自體肌腱移植受到很大限制。最早的有關肌腱組織工程構建的報道見于1994 年，曹誼林等用酶消化分離新生牛肩部的肌腱細胞，與條索狀未編織的聚羥基乙酸網狀支架形成復合物，在體外培養C 周后，植入裸鼠皮下，再生出在組織學、生物力學等方面與正常肌腱相似的組織。Dunn等在膠原纖維中種植肌腱成纖維細胞，成功替代了兔膝關節的前交叉韌帶。種子細胞來源是組織工程化肌腱組織構建需要重點解決的問題。真皮成纖維細胞與骨髓基質干細胞來源廣泛，體外擴增能力強，均能表達I型膠原，可作為肌腱組織工程種子細胞的替代細胞。陳兵等應用豬真皮成纖維細胞作為種子細胞，在體內成功構建了具有接近正常生物力學強度的組織工程化肌腱，并原位修復了長3cm的趾淺屈肌腱全層缺損。Awad等應用自體骨髓基質干細胞，以I型膠原為支架，修復髕韌帶中央部3.8cm×3.8cm“開窗”缺損。力學環境對肌腱組織的構建至關重要。Cao等應用自體肌腱細胞與未編織的聚羥基乙酸網狀支架形成復合物，回植雞自體肌腱缺損處并維持肢體活動，形成了組織學結構、生化組成與生物力學強度等與正常肌腱組織非常接近的組織工程化肌腱。Banes等研制了可用于體外構建肌腱組織的生物反應器，通過周期間歇性力的作用，前交叉韌帶成纖維細胞與膠原纖維在體外形成的組織工程化肌腱，在組織結構、超微結構與生化組成等方面均與正常組織非常接近，證明在體外力學環境作用下，能夠構建具有一定力學強度的組織工程化肌腱組織。如何滿足骨組織在骨與韌帶、肌腱復合型損傷的治療要求，聯合構建兩類組織的復合結構，已成為目前肌腱組織工程研究的一個重要方面。

參考文獻

[1] 陳兵，丁小邦，劉方軍，崔磊，劉偉，商慶新，曹誼林。皮膚成纖維細胞構建組織工程化肌腱的初步研究。中華醫學雜志，2002，82：1105-1107。

肌腱和韌帶的生物力學范文第3篇

資料與方法

2009年9月～2011年10月收治ACL損傷患者26例，所有病例術前經理學及影像學檢查診斷為ACL斷裂并均于術中關節鏡下確診，體4股腘繩肌腱作為移植物，股骨側應用Rigid-fix系統、脛骨側應用Intrafix系統進行固定，在關節鏡下行ACL重建。其中男16例，女10例；年齡19～55歲，平均37.6歲；運動損傷5例，車禍12例，摔傷9例，均為單側損傷。Lachman試驗均為陽性；前抽屜試驗Ⅱ度14例，Ⅲ度12例；軸移4例陰性，22例陽。術前Lysholm評分34～68分，平均51.3±3.2分。

手術方法：由同一手術醫生進行關節鏡下ACL重建。首先，取膝前內外側入口置入關節鏡及手術器械，對患者行關節鏡檢查，探查半月板和關節軟骨面。如有半月板損傷，則行半月板成形或縫合，通常不行髁間窩成形。在脛骨結節內側2.5cm，內側脛骨平臺下方1.5cm，于鵝足腱處做一縱行3cm長的切口，用取腱器取自體半腱肌腱和股薄肌腱編織成四股，測量長度和直徑；利用Arthrex ACL重建平臺，修整移植物編織成4，預張15磅×15分鐘。采用股骨單隧道、脛骨單隧道技術完成鏡下ACL重建，股骨側應用Rigidfix系統、脛骨側應用Intrafix系統進行固定。

術后處理及康復：術后進行系統的康復治療，術后第2天即可換藥，拔除引流器，患肢開始等長肌力訓練。術后1周患肢佩戴卡盤支具，調節為屈30°，伸0°，開始在能耐受的情況下扶拐行走，可進行無痛的膝關節主動屈伸活動。術后3周內膝關節屈曲角度不能超過90°，3周后患者可以扶拐逐漸增加負重行走，逐漸增加膝關節屈伸活動和肌力鍛煉。術后6周時膝關節可達到屈130°，伸0°，逐漸完全負重行走，同時加強肌肉的應激性、協調性的訓練，3個月去除支具，患者可恢復辦公室工作。術后6～12個月恢復正常體育運動。

結 果

所有病例術后膝關節不穩癥狀消失，行走步態正常，傷口Ⅰ期愈合，無感染及深靜脈栓塞等嚴重并發癥。1例術后3個月仍關節僵硬，ROM（80°，10°）；2例隨訪半年后有膝關節疼痛，與寒冷刺激相關，膝關節功能良好，未作特殊處理。所有患者均己返回工作崗位，25例膝關節活動度恢復正常，膝關節屈曲達到130°，伸直達到0°，1例患者屈伸受限；隨訪時前抽屜試驗全部陰性，Lachman試驗24例陰性，2例弱陽性。術后3個月Lysholm評分及IKDC評分較術前提高，術后6個月顯著提高（P

討 論

4股繩肌腱替代骨-髕腱-骨復合體作為移植物的優點Ritchie等經過生物力學試驗證實：骨-髕腱-骨復合體的最大載荷強度為ACL的114%，而4股腘繩肌肌腱卻為ACL的278%，前者強度不及后者一半。孫康等研究證明，腘繩肌腱具有取材方便，術后并發癥少等優點。同時取半腱肌肌腱和股薄肌肌腱后對腘繩肌肌力無明顯影響。前瞻性隨機分析研究認為在臨床療效方面兩種術式無明顯差異，而骨-髕腱-骨復合體的術后并發癥較多[1]，如撕脫骨折，韌帶斷裂等及產生較多的髕前疼痛癥狀。

ACL是膝關節重要的前向穩定結構，其損傷后產生膝關節前向不穩，自行愈合的能力很差，如不行重建手術，可導致膝關節不穩，繼發半月板、軟骨損傷，加快關節退行性改變，影響運動功能。目前關節鏡下應用自體腘繩肌腱重建ACL已經成為廣大學者的共識，但采用何種固定方式仍有爭議。目前固定移植腱的方法多種多樣，包括界面螺釘、Endobutton固定、橫穿釘固定（Cross Pin）、Rigidfix系統等。每種系統均有其優勢，但也有其相對之不足，對于用何種方法固定移植的肌腱，現在國際上仍然沒有一個統一的標準。大量臨床資料證實應用Rigidfix和Intrafix系統行前交叉韌帶重建手術能夠改善癥狀，獲得滿意的療效RIGIDfix系統的優點[2，3]：①固定可靠，強度大：Kousa等通過生物力學實驗發現，橫釘的固定牢固度最佳，明顯優于擠壓螺釘；②股骨隧道與肌腱之間無“雨刷效應”，不會因兩者摩擦使骨隧道擴大或肌腱磨損；③肌腱與股骨隧道之間為軟接觸，股骨隧道不容易發生崩裂，使用擠壓螺釘固定時常發生此種并發癥；④愈合率高：移植肌腱與隧道骨床接觸面幾乎完全接觸，高于界面螺釘固定時接觸面（約75%）。

Intrafix系統的優點：同前。①螺釘有保護性的螺釘鞘，避免了螺釘與肌腱的直接接觸，保證了肌腱的功能。②固定肌腱的螺釘呈圓錐形，保證可肌腱與隧道骨床盡可能大得接觸面積，并產生加壓效果，愈合率高。2009年9月開始應用，取得了滿意的臨床效果，說明關節鏡下應用Rigidfix系統和Intrafix系統固定4股腘繩肌腱重建前交叉韌帶具有近期療效佳、移植物固定可靠、手術操作簡單、創傷小、術后恢復快等優點。

參考文獻

1 徐卿榮，朱振安.前交叉韌帶股骨等距重建位置的比較[J].中國矯形外科雜志，2004，12（10）：771-773.

肌腱和韌帶的生物力學范文第4篇

【關鍵詞】 神經性癱 骨質疏松 攣縮 異位骨化 生物力學療法 超重力場

Study of anti-osteoporosis and anti-contracture in patients with neurogenic paralysis Zhang Daxin ﹡ ， MaHaibo ， Duan Yunbo . * Department of physical medicine Rehabilitation ， China-Japan Friendship Hospital ， Beijing 100029

【 Abstract 】 Objective To assess the methods and theory of treatment and prevention， and to search the new effective approach of anti-osteoporosis， anti-contracture and clinicophysical rehabilitation in patients with neurogenic paralysis. Method Sixty patients with neurogenic paralysis were pided into two groups ( 30 in each ) ， their kinetic function was evalusated， bone mineral density ( BMD ) ， serum levels of calcium and phosphorus were determined. abilities of anti-contracture and anti-osteoporotic fracture were evaluated with the parameters of joint moving range and muscular strength. Results BMD in patients with neurogenic paralysis in both groups is significantly lower than that in normal control. The abilities of anti-contracture and anti-osteoporotic fracture were closely correlated with BMD， Serum levels of calcium and phosphorus. Conclusion Osteoporosis and contracture in patients with neurogenic paralysis may be induced by stress and calcium loss. A theory of higravity was proposed. Earlier treatment with physical rehabilitation can prevent these pathogenetic processes effectively. Biomechanical method and related theory of higravity might be useful in directing this effective treatment and other new approaches.

【 Key words 】 Neurogenic paralysis Osteoporosis Contracture Heterotopic ossification

Biomechanical Higravity

由周圍神經、脊髓和腦中樞神經功能障礙導致的神經性癱瘓患者常出現骨質疏松癥和關節攣縮 [1] 。為探索癱瘓康復理論和方法，我們先后系統地測定了兩組各 30 例神經性癱瘓患者的骨密度（ BMD ）和血鈣磷相關生化指標，如堿性磷酸酶（ AKP ） ，25 羥維生素 D （ 25 羥 VD ）和骨鈣素（ BGP ），與其相應的運動功能評價指標進行比較。

資料和方法

1. 對 30 例中樞神經性下肢癱瘓半年以上的第一組住院病人（年齡 16 ~ 73 歲，平均 36 歲，男性 26 例，女 4 例）進行骨礦鹽單光子 X 線測定和患者血鈣、磷、 AKP 和 25 羥 VD 測定，并參照各項臨床通用正常值 [2] 進行比較。第二組是 30 例病程在半年之內的神經性偏癱患者（男性 14 例，女 16 例）。分別測定患者的腰骶和股骨近端股骨粗隆、維氏（ ward ）三角經過 3 個月運動康復療法的雙光子 BMD 值，因當無統一認可的正常值而設對照組（男 65 名，女 114 名，平均年齡 30 歲），同機同期進行對照組和患者組的 BMD 值檢測。

2. 兩組神經性癱瘓攣縮康復前后綜合運動功能康復評價，包括：①患側下肢徒手肌力Brunnstrom法評價；②患側肢體關節活動度（ROM評定）：膝關節ROM屈伸< 180°，伸屈< 60°表明有攣縮存在；③四肢大關節周圍軟組織、肌肉、肌腱、韌帶硬度、張力和彈性徒手檢查等綜合運動功能評價。

3. 采用抗骨質疏松抗攣縮物理康復。重點方法分別是能有效增加骨壓電位的直立運動法和能軸向拉伸肌肉韌帶的ROM牽引法。采用以主、被動ROM和基本運動（翻身、坐平衡、爬行、直立平衡）訓練的物理醫學治療方法，統稱生物力學療法。采用電場、磁場和力場療法抗攣縮。

各組指標用 ± s 表示結果行 t 檢驗。

結 果

1．第一組30例中樞性下肢功能障礙半年以上患者單光子BMD按年齡段與正常值相比，30～39歲年齡段患者BMD低于正常值，其他成年段患者總體低于總體正常值，偶有患者高于正常平均值。第二組30例偏癱患者腰椎和股骨近端雙光子BMD低于正常值者分別占73.8%和78.6%。

2. 第一組（男19例）所測 血磷血鈣值分別為 29 ± 6 mg/L和87±12 mg/L，與正常值（鈣 80 ～ 110 mg/L）比，雖偏低，但差異無顯著意義。鈣磷濃度乘積 [Ca]×[P] = 25.2±6.4。我們出骨質疏松抗關節攣縮，超重力生物力場鈣平衡物理化學效應理論，可用方程式f(n ·α ) = k · n · c os α 表示，其中 k是參數，主要為[Ca]與[P]乘積的等變量，g為重力加速度， α 是膝關節 長骨間夾角， n為超重力作用力的倍數。

3. 兩組各30 例神經性癱瘓患者血生化測定結果：第一組24例中樞神經談話患者（男20例，女4例）血清25 羥 VD 平均值 8 ± 4 μ g / L ， 小于正常值 13 ± 5 μ g / L 。 提示 25 羥 VD 低，不利于正鈣平衡。

20 例（男 17 例，女 3 例）的 AKP 平均值為 240 ± 85U / L ， 高于正常值，提示中樞神經性癱瘓患者 AKP 活躍，成骨細胞受抑制，骨量減少， 骨質疏松化活躍；與鈣從骨內向骨外轉移、肌肉韌帶的攣縮、異位骨化和關節骨質增生相關。

肌腱和韌帶的生物力學范文第5篇

關鍵詞：髖關節肌肉模型；生物力學；膝關節

引言

人體髖關節的運送生物力學模型研究屬于運動生物力學研究范疇，而運動生物力學是運動科學中起步較晚，發展卻很迅速的一門學科，其研究范圍比較廣泛，主要包括生物與測量學、生物力學模型的建立和生物運動機制的電腦模擬等。其中，人體自身的研究是運動生物力學中一個重要的研究方向，主要通過建模來實現。

髖關節是人體最大的一個關節，其結構穩定性與活動度兼備，能夠高效地維持人身體的運動和平衡。髖關節是由盆骨和股骨兩部分組成，通過股骨頭和髖臼連接在一起，大概有二十條肌肉參與了髖關節的運動。近年來，髖關節在生物力學的基礎理論研究和骨科臨床的應用研究中都是非常受重視的環節。

1 髖關節力學模型和肌肉模型的概況

運動生物力學的能取得長足的進步，是與國內外學者不斷的努力換來的結果，從而誕生了許多人體關節模型研究的成熟理論。人體關節力學模型的建立主要包括以下幾個部分：肌肉力學的研究、關節周圍肌肉的簡化、關節肌骨力學模型的建立、模型調試和模型驗證。

肌肉張力-長度特性和肌肉張力-速度特性是肌肉得以正常收縮的兩個重要關系，兩者既相互制約又相互影響。1938年，經典Hill方程的得出，使人們第一次從量的角度認識到了肌肉張力-速度的變化關系。Huxley從橫橋和肌動蛋白理論的微觀角度得出了橫橋模型，其與Hill方程具有很強的相似度。兩者的正確性得到了后來學者的研究認同。肌肉是動作的主要肌肉（原動機）、肌肉不是動作的主動肌肉，在運動中被拉伸的這兩種形式是肌肉張力-長度特性的兩種表現方式。在等張條件下肌肉張力-長度曲線中最大作用力比較大，對應的肌肉比較長，在運動荷載相同的條件下獲得的肌肉張力-長度曲線中的最大力與同樣情況下用等長條件所獲得的的最大力相比有相當大地減少，骨骼肌不同工作條件下獲得的數據將不能進行合成。當前的關節的肌骨模型研究瓶頸主要在于完整的肌肉張力-長度-速度模型的建立，而不是將兩者孤立起來研究。

現在，研究關于下肢肌肉功能模型越來越多。2000年，一個解剖基人體下肢的生物動力模型有王西十、白瑞蒲所提出，該模型可以在仿真人體下肢運動的基礎之上，計算人體下肢的沖擊荷載或下肢節作用反力和肌肉群力，基本上堪稱一個完整的二維人體下肢解剖模型。

隨著人體動力學模型研究的不斷深入，人體動力學的建模正在走向由整體到局部、由簡單到復雜的發展道路。單純的肌肉張力-長度或肌肉張力-速度模型以滿足不了對肌肉的研究，并且模型中的參數越來越多，越來越精確。

2 肌肉力學模型的建立

2.1 肌肉生理特性分析

人體中的肌有多樣性，附著在髖關節周圍股骨和骨盆上的肌肉主要為骨骼肌，骨骼肌是髖關節運動的動力。骨骼肌主要由腹肌和福建兩部分組成，其中肌腱是肌腹與骨骼的連接部分，結締組織和肌外膜包裹在肌肉外邊，起保護作用。

近似于連鎖式的肌細胞排列而成肌纖維，又有多條肌纖維“捆綁”而成纖維素，二纖維素是肌肉產生張力的主要部分。梭形肌或菱形肌，是纖維束與肌長軸方向平行；半羽狀肌與羽狀肌，是與肌長軸成一定的夾角；這兩種類型按纖維束排列方向和與肌長軸關系把肌肉分成了兩種類型：單關節肌和多關節肌。單關節肌，顧名思義，即為直接穿過一個關節的肌肉，例如股四頭肌中的股中肌、肌內側肌等。膝關節的伸展與股中肌的伸展有直接關系，雙關節肌是穿過兩個關節的肌肉。多關節肌中最為常見的是雙關節肌，其主要存在于人體的下肢肌肉群中。雙關節肌的作用取決于關節中心到肌肉的垂直距離。若該距離較長，則具有較大的作用力臂和力矩。膝關節的功能主要通過股直肌實現，其力矩遠比髖關節大，屬于膝關節肌群范疇。而髖關節的功能主要表現在大腿的后群肌，后群肌的力臂又大于膝關節，故稱之為髖關節肌。關節的角度位置決定著雙關節肌的作用效率。股直肌對膝關節的伸膝效率增大，說明髖關節在伸展，如跑步中的后蹬階段。當髖關節屈時，伸膝運動就會受到抑制。雙關節肌在人體的運動過程中起到了儲存和釋放彈性的功能。起到減少單關節的做工量的主要作用的是下肢肌群中的雙關節肌。雙關節肌能夠利用一個關節做功另一個關節做負功來實現能量的儲存。

2.2 肌肉力學模型的分析

肌肉作為動物體最為主要的構成組織，具有極其重要的功能特性，最為主要的是能夠接受神經刺激產生收縮，進一步牽引兩端的骨骼實現相對運動。生物力學研究發現，影響肌肉張力大小的兩個最主要的因素是肌肉纖維的長度變化關系和肌肉纖維的收縮速度變化關系，另外還與許多生理學因素相關。該項發現對肌肉的發力過程研究來說具有十分重大的意義。

隨著人們對肌肉力學模型的研究不斷深入，運用數學、力學等交叉學科的研究手段對模型的建立和修改發揮著越來越重要的作用。張力-長度特性和張力-速度特性是肌肉運動變化規律中最為重要的兩個關系，也是肌肉力學建模中需要處理的兩項主要內容。肌肉力學模型的未來發展方向，必將是兩者關系的整合體。

3 結束語

綜合上述，進一步完善人體肌肉力學模型，使肌肉力學模型能夠充分反映肌肉收縮長度、速度和肌肉張力之間的變化關系；通過解剖學、生理學進一步清理髖關節周圍肌肉在不同動作、不同位置和同一動作的不同時間段所起到的作用，以及韌帶在運動過程中保護作用；將髖關節模型建立一個完善的空間三維模型，并和膝關節、踝關節的研究結合實現人體下肢運動的仿真。

參考文獻

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