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生物力學測試方法范文1
摘要：隨著力學著手于生物體，尤其是人體相關運動研究的開展，生物力學成為交叉領域中重要的學科體系，運動生物力學是基于生物力學學科之上，結合體育科學體系產生的一門新興學科，它的產生和發展，在我國此學科在理論、研究方法、測量分析等方面均取得了一定的發展。但考察分析運動生物力學和生物力學的現狀，在喜悅于長足進步的同時，不得不承認，運動生物力學的基礎理論并不完備，發展趨勢仍有局限。
關鍵詞：運動生物力學；發展現狀；發展趨勢
我國現代運動生物力學出現于上世紀五十年代末期,開始階段只有少數幾個體育學院開了運動生物力學講座或選修課,國家體委科研所成立了運動生物力學研究組。由于眾所周知的原因,運動生物力學在這一時期發展緩慢，到現在雖然有了質的飛躍，但是不能忽視這門學科本身還是有待完善的。本文就運動生物力學在我國的研究方法、研究領域和方向及發展趨勢進行簡單的闡述和分析，并對我國的運動生物力學作出一些展望。
一、我國運動生物力學的研究現狀
1.研究方法
（1）常用的研究方法及儀器。在中國體育科學學會和原國家體委科教司的支持下,運動生物力學分會組織國內多名本學科的專家、教授討論、撰寫成的《運動生物力學測量方法》一書編入了當前運動生物力學研究中使用的主要方法和儀器。包括運動學方法中的平面定機、平面跟蹤、立體定機攝影攝像測量方法;動力學方法中的三維測力臺測試方法、等速測力儀測試方法;生物學方法中的人體形態學測量方法、人體重心測量方法、肌電測量方法等。另外還收入了一些國內使用尚不普及和少量國外新近使用的測量方法,包括運動學方法中的立體跟蹤攝影攝像測量方法、紅外光點攝像、激光測試儀、分段計時測量方法;動力學方法中的A.K.M 和B.K.M 測力儀測力方法、T.K.K 測力儀測力方法、賽艇多參數遙測分析系統測試方法、動態力的應變測試方法、人體運動能量測量方法。此外,還有多機同步測量方法、神經網絡模型分析方法、數學模型與計算機仿真方法以及運動生物力學測試資料的統計處理與分析方法等［1］。
（2）新的研究方法及儀器。高精度的高速攝像測量系統的應用: 高清晰度、高速度(100～200 場/s以上) 的攝機和錄像解析系統。圖像自動識別儀器開始應用。高精度的紅外光點遙測分析系統已用于研究實踐。運動專項的測試儀器和運動器材的研制。磁感應測量儀器研制成功。數學力學模型和人體運動仿真在體育運動技術研究中的應用。運動技術分析的“專家系統”與神經網絡模型已經應用于人體運動技術研究。肌電圖測試分析向定量化邁進［2］。
2.目前我國的研究領域
（1）優化運動技術。針對某一特定運動項目（ 如田徑、球類、速滑等）進行分析，改善運動技術的表現。如《對我國4名優秀短道女運動員彎道技術的生物力學分析》、《用力學原理分析直道滑跑技術》、《排球前后排扣球運動學分析》等［3］。這些研究以使運動員訓練科學化，符合力學原理，符合人體規律，從而獲得最佳的技能表現。
（2）改進人體基礎運動如走、跑、跳、推、拉等，除此之外，還包括區別于競技運動項目動作、動作系的研究。如《走步運動轉變為跑步動作下肢和骨盤之運動學變化分析》、《步態生物力學研究進展》等［4］。大眾體育和學校體育受到的重視遠遜于競技體育，實際上，這些研究是非常重要的，因為這些技術研究只有專業的運動員和教練員才會用得上，對于大多數人而言，充分體現“ 民本思想”，改善人體基礎運動、改善健康的研究才是真正需要的。
（3）數學模式與模擬。這類數學模式模擬及電腦模擬的研究針對運動技術及人體運動進行分析，此類研究有別于一般儀器進行測量的方法，所以單分為一類［5］。
（4）運動器材設備開發設計。主要關于運動器材設計及力學特征分析，如網球拍、運動鞋、訓練器材等。這方面的研究如《不同勁度網球拍對恢復系數的影響》、《不同質地泳衣對速度的影響分析》等。
（5）運動傷害的研究。主要對運動傷害機制及運動護具進行研究，避免運動損傷的發生。如《體能動力損傷機制理論研究分析》。這類研究主要是在研究的過程中部分借助于運動生物力學的研究方法、測試方法來分析造成傷害的動作規律，與人體結構結合總結得出預防運動傷害的方法［6］。
（6）人體測量學的研究由清華大學、白求恩醫大和國家體科所合作，采用CT測試方法結合計算機圖像處理分析系統，于1995年正式完成了中國成年人人體慣性參數的測定。
二、我國運動生物力學的發展趨勢
通過對第六屆全國體育科學大會和第十八屆國際運動生物力學年會的對比分析，可以大致看出我國運動生物力學的發展趨勢。
（1） 計算機是運動生物力學發展的核心。運動生物力學的理論研究將偏重于計算方法的準確和簡煉、理論研究的系統性和完整性。借助電子計算機實現快速精確的測量和實時處理人體運動的各種力學參數，實現綜合分析和聯機分析，以及實現自動化控制是科技發展的必然趨勢。
（2） 競技體育方面的研究更加依賴高新技術。運動生物力學的研究將更加注重訓練實踐，研究成果要能為競技體育服務，運動測試儀器的專項化以及高新技術和高新材料和儀器的創新和發展是這一發展方向的具體體現。
（3）運動損傷康復的研究將更加深入，而且與運動專項結合更加緊密，肌肉生物力學已成為熱門課題，對預防運動損傷的研究也將是一個熱門課題，但對于分子生物力學方面的研究成果還很少，今后，應廣泛結合運動生物力學和生物學、運動生理學、運動醫學等學科中的研究方法，共同解決人體運動中的有關問題。
（4）研究對象更加廣泛，運動生物力學研究除繼續對競技體育進行研究外，還應向青少年、老年人、殘疾人的體育運動、軍事技術動作以及與人體有關的一些設備。
三、運動生物力學的展望
從以上運動生物力學學科體系現狀的分析，不難看出運動生物力學的發展仍存在一定的問題。學科可以研究的內容很多，任務也不盡相同，但為適應生物力學的發展和體育科學的發展，現在運動生物力學的發展應有所側重。運動生物力學還有許多有待于解決的問題，它的實用價值也只剛剛顯露初紅。
（1）提高動作技術不再局限于表層研究分析動作技術，更多應著手于研究并提出技術訓練的具體方案（有關如何實現優化動作結構）；研制設計專用或通用的輔助訓練動作、設施及器械。
（2）基礎理論的建設將為運動生物力學發展鞏固根基，開拓視野，擴展研究與應用領域。
（3）深入研究運動損傷機制，模擬分析運動損傷過程，設計合理的運動設備（器材、服裝、鞋等）以防止運動損傷。
（4）計算機模擬、仿真技術是運動生物力學研究的重要手段。（云南師范大學體育學院；云南；昆明；650031）
參考文獻：
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生物力學測試方法范文2
(1451醫院整形外科 西安710054 2.第四軍醫大學西京醫院整形外科中心 西安710032)
[摘 要] 目的:觀察皮膚伸展作用后生物力學特性和組織學的改變。方法:取4只體重20 kg左右的豬為實驗動物,采用自身對照方式進行,對伸展作用側及對照側皮膚標本分別進行拉伸斷裂強度、拉伸斷裂伸長百分率、皮膚本構關系等生物力學指標的測定及組織學的檢查。結果:伸展皮膚的粘彈性下降。組織學觀察可見伸展后表皮細胞層次增多,真皮層稍變薄。結論:皮膚伸展作用后,其生物力學性質及組織學均有明顯變化。臨床上可采用皮膚伸展術,以縮短療程,提高療效。
[關鍵詞] 皮膚伸展術 生物力學特性 組織學檢查
[中圖分類號]R622 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455(2000)09-0244-03
BIOMECHANICAL AND HISTOMORPHOLOGICAL CHANGES IN STRETCHED PIG SKIN
ZHOU Li-an LI Zhun GUO Shu-zhong et al
Depart.Plastic surgery,451 Hospital,(Xian 710054)
[Abstract] Objective:The study was designed to observe the biomechanical and histomorphological changes in stretched pig skin.Methods:On 4 pigs.stretched skin was compared with non-stretched control skin from the opposite side of the animal,using a paired t-test.The biomechanical and histomorphological properties were determined in stretched and non-stretched control skin.By using tensometer,the sin was evaluated for stress strain and parameters of strength.Result:The biomechanical properties of the stretched skin were different from the control skin.Histomorphological examination revealed that the epidermis layer increase.There was thinning of dermis,the dermal collagen bundles were thicker than those of controle.Conclusion:We concluded that the biomechanical properties and histomorphological changes were different from that of the unstretched skin.It was shown that the skin stretching technique might be accepted in the practice.
[Key words] Skin stretching technique Biomechanical property Histomorphological examination
皮膚伸展術始于1976年,Barrer[1]等采用了固位橋裝置用于關閉傷口,它是通過施加于皮緣的直接外力,線性牽引創面兩側的皮膚組織,使之產生皮膚增量,達到關閉創面的目的,作者對此已進行部分臨床及實驗研究[2-7],該方法近年來在國外受到普遍關注,認為是一種"有把握的關閉"(Sure-closure)[4]方法。但也有學者提醒使用該方法應防止用力過大造成真皮纖維的斷裂等并發癥[8]。
因此皮膚伸展術中的安全性仍是人們關心的問題,真皮決定著皮膚的生物力學性質,反之生物力學的變化也反映真皮的結構特征[9]。
本研究對伸展作用后的皮膚及對側正常皮膚進行了生物力學特性的對比測試并觀察了相應的組織形態學變化。
1 材料與方法
1.1 實驗動物 選取4只體重20kg左右白色乳豬(第四軍醫大學實驗動物中心提供),雌雄不限,3%戊巴比妥鈉(美國Sigma公司)30mg/kg肌注麻醉后,側胸、腹及背部肥皂水刷洗,剃毛,放置于牽引臺架上,術區皮膚常規消毒。
1.2 皮膚伸展方法 在胸背中央畫7cm×3.5cm標準面積,長軸為首尾方向,將兩根長針插入短邊真皮層,兩端露于皮外,U型雙鉤緊貼長針外緣插入皮膚鉤住對側的長針,連接測力計及秤砣盤,并使作用力與皮面保持在同一水平。兩側同時往秤砣盤加載,至短邊接觸,由測力計讀出皮膚此時所承受的應力為11.5kg,將長針用鐵絲固定保持短邊對合,以達到對假設創面兩側伸展的目的。
1.3 皮膚標本的制備
伸展作用5天后,在伸展作用區及相應的正常對照側,采用自制的切割裝置切取0.6×10cm的皮膚標本,中央修成0.3×1cm的雙凹形,切取方向保持一致,剪掉標本上的部分皮下組織,共制備8個皮膚試件。同時取實驗及對照側皮膚,固定包埋后,切片用HE和van Gieson染色,光鏡下觀察。
2 結果
2.1 測試方法與分析
2.1.1 生物力學指標的測試
所有的測試標本均采用Instron1122萬能強力機(英國產),測試溫度為15℃,相對濕度40%,夾距10mm,拉伸速度50mm/min。
2.1.2 統計分析采用配對t檢驗,(第四軍醫大學統計教研室完成)。
2.2 測試分析結果
2.2.1 離體豬皮膚的拉伸斷裂強度(g/mm2)
二種皮膚的最大拉伸斷裂強度分別為:對照組為2508.20±36.60g/mm2 實驗組為1974.86±20.22g/mm2表明伸展作用后的皮膚強度下降,下降幅度20.6%,相差非常顯著(t=55.7,P
2.2.2 離體豬皮膚拉伸斷裂伸長百分率
伸展作用后皮膚的拉伸斷裂伸長百分率為71.7%±2.5%,較對照組83.5%±2.6%降低。實驗組斷裂伸長百分率下降幅度為14.3%,相差非常顯著(t=47.0,P
2.2.3 離體豬皮膚的本構關系及曲線
典型的實驗組與對照組豬皮膚的本構關系及曲線見附表及圖5?？梢钥闯?在相同的應力作用下,對照組的應變能力大于實驗組
附表 實驗組和對照組豬皮膚本構關系(g/mm2)
兩種離體豬皮膚本構關系曲線
2.2.4 組織學檢查
伸展作用后表皮層厚度保持不變或稍增厚,表皮細胞層次增多,上皮釘突和真皮嵴變鈍。真皮層稍變薄,內含有大量平行且排列緊密的膠原纖維束,纖維束粗大、致密。成纖維細胞數量增多且體積增大、胞漿豐富。真皮層血管數量略有增加,主要在真皮層。
3 討論
伸展作用的皮膚生物力學特性是否能發生有意義的改變,從實驗結果可見皮膚經伸展作用后,各項生物力學指標均發生了變化。皮膚軟組織的拉伸斷裂強度是生物軟組織粘彈性指標之一,是通過將試件加載至斷裂前的瞬間應力值來表示,由實驗結果表明,伸展作用后的皮膚粘彈性下降,降幅為20.6%(P
因此在活體正常皮膚很難出現真皮纖維的斷裂,這與伸展力的廣泛均勻分布有關。因此能充分保證皮緣血運良好的伸展力不會導致纖維斷裂。皮膚軟組織的本構關系更能全面反映皮膚在不同應力的作用下組織變形的能力,它也是生物軟組織粘彈性的指標之一。同樣的應力作用下,變形越大,表明其粘彈性越強。[10]。
從本構曲線的變化趨勢可以看出,伸展作用后的皮膚在同一應力的作用下其變形程度下降,這一指標也提示伸展皮膚的粘彈性呈下降的趨勢。組織學研究顯示,伸展作用后表皮層厚度不變或稍增厚,表皮細胞層次增多。在皮膚擴張術的研究中也證實表皮細胞層增厚,細胞有絲分裂活動增加,作者認為可能是為了恢復表皮細胞的密集狀態,抑制有絲分裂[9、11、12]。伸展作用后真皮層稍變薄,內含大量平行且排列緊密的膠原纖維束,纖維束粗大、致密,成纖維細胞數量增多且體積增大,胞漿豐富。擴張術中真皮厚度也變薄[13]。雖已證實成纖維細胞被激活,但去除擴張器后擴張皮膚2年后才能逐漸恢復正常[9、14],因此無論是伸展術還是皮膚軟組織擴張術所致的皮膚增加,主要來自皮膚的機械蠕變,而不是生物蠕變。并且伸展皮膚生物力學性質的變化與皮膚快速擴張后的改變相似,說明兩種方法作用方式雖然不同,卻有著相同的結果[15]。皮膚伸展術一般不行皮下潛行分離,因此不形成皮下創面和纖維包膜,及其中存在的激活的炎性細胞[9、11]。伸展作用后的皮膚,其生物力學特性及組織學變化的恢復是否比軟組織擴張術更迅速有待進一步研究。
[參考文獻]
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生物力學測試方法范文3
摘 要 采用文獻綜述法對運動生物力學在體育教學中的作用進行綜述，結果發現：運動生物力學能夠減少學生活動過程中微損傷，促進學生健康鍛煉；運動生物力學能夠有效將體育動作細化，促進學生科學鍛煉；運動生物力學理論教學與實踐相結合，促進學生體能、身體形態、身體素質協調發展。因此運動生物力學在體育教學中起到決定性作用，同時促進合理科學終身體育鍛煉。
關鍵詞 運動生物力學 體育教學 作用
一、運動生物力學在體育教學過程的作用
（一）運動生物力學在徑賽運動項目應用
以時間計算的運動項目稱為徑賽運動[1]。體育教學過程中運動生物力學能夠幫助學生學習技術動作原理，促進學生科學理解體育技術動作重要性，減少學生鍛煉過程中微損傷。走、跑是體育動作中最基本技術，Jim L認為跑、走除了與兩腳與地面接觸后交叉時間有關系外，還與腳與地面接觸的反作用力有關，作用力如果不按合力F方向傳導，就會出現外“八”、內“八”、拖地、螺旋等錯誤的跑、走動作。體育教學中蹲踞式起跑運動生物力學原理可以發現，膝關節角度前腿在90-111°之間、后腿在118-136°之間有助于啟動時合速度達到最大值，提高運動成績和減少膝蓋前交叉和后交叉韌帶的微損傷[3]。體育教學中彎道跑應用的公式：F向心力=M（質）×g（重加速）×Tagα等于F圓周向心力=M（質）×V2/R，彎道上F向心力與所跑的半徑（R）成反比，與V2、角度、M成正比[2，4]。因此合理控制F向心力能夠有效調控身體鍛煉時協調能力，保證身體平衡，減少體育課堂中學生快速彎道跑造成的摔傷。
（二）運動生物力學在田賽運動項目應用
以高度或遠度計算的項目稱田賽運動[1]。田賽運動是體育教學過程應用運動生物力學較多的運動項目，如跳高、鉛球等。有研究發現跳躍類的運動項目包含了F水平和F垂直、F合三方面的作用力。跳高是跳躍類里典型的運動，它由F水平力、F垂直力、F合構成，助跑是由F水平力，起跳是由F垂直力，騰空過桿是由F合構成，三者構成跳高完整力學系統，但他們都與速度、角度、質量有關，合理分析運動生物力學有助于學生學習，減少錯誤動作帶來的機體的損傷。鉛球是發展力量素質練習的一項重要的考核指標，根據運動生物力S=V0/g[sin2α/2+cos]公式學分析鉛球遠度，結果發現鉛球V0、角度、H有關系[5]。因此可以發現，合理利用生物力學，能夠促進學生學習興趣，也能幫助學生科學合理的鍛煉力量素質。
二、運動生物力學理論教學與實踐相結合作用
運動生物力學可以直接利用到體育教學課程中，促進體育教學動作的細分，為科學合理體育運動奠定基礎，使競技體育成績提高和方法的內源理論基礎提供保障，同時作為交叉學科在實踐中必不可少缺少。著名的鉛球教練帕克根據運動生物力學原理制定訓練計劃，促使21歲的巴恩斯創造23.12米世界紀錄。邁克?鮑威爾於采用力學分析原理，對跳遠動作細分，找到提高動作途徑，最終在1991年東京奧運會上創造了8.95米世界紀錄。隨著科學發展，生物力學越來越被人重視，有人提出DLT，Kistler，AMTL三維測力平臺系統、等速測力儀測試系統，力學測量有測角儀、慣性傳感器、加速度儀、位移傳感器、力傳感器等，以滿足不同運動項目的多種需要，此外圖像自動識別儀器、高精度紅外光點遙測分析系統、磁感應儀器、數學力學模型。因此，可以發現運動生物力學器材出現有助于體育教學過程多遠化的發展，同時推動了運動生物力學與教學實踐相結合，改善了不合理運動規律，有助于評價學生的身體機能和素質。
三、運動生物力學在體育教學中決定性作用
運動生物力學是研究運動與身體鍛煉受力關系，它能夠貫穿每個動作即運動模型。每個動作都是符合解剖學、運動生物力學、運動規律，運動模型將力與身體運動軌跡看作了質點運動，分析人體各結構運動與運動規律之間關系，成為體育教學中重要的理論依據[6]。運動生物力能夠細化動作技術原理，促進體育教學工作，優化教學課程內容。把運動生物力學與田賽或徑賽的運動項目相結合，增強了學生體能、身體形態、身體素質協調發展，使教學過程更為豐富，達到通俗易懂。因此，運動生物力學在體育教學中起到決定性的作用。
四、小結與展望
運動生物力學在體育教學過程中作用不容忽視，它驅動體育教學力學原理，加強了學生科學合理的鍛煉身體，促進了體育教學過程多元化，豐富課程教學內容。運動生物力學細化的體育教學過程中動作，使體育教學內容簡單性，通俗易懂，增強學生身體形態、素質、體能的協調發展。運動生物力學能夠把解剖學、運動規律、動作運行軌跡緊密結合起來，這在體育教學過程中起到決定性作用。
隨著時代進步，運動生物力學作為一門交叉學科已在國內多個體育院校開展，但該學科數學和物理知識較多，體育專業學生學起來比較吃力，因此如何使該門學科得到充分的發展還需要進一步探討。國內運動生物力學的人才比英、美、意大利等國家參與社會實踐活動要少，建議教育部門讓更多運動生物力學人才到社會實踐中指導各階層的人科學合理鍛煉，促進終身體育觀念。在體育教學過程中盡量淡化考核成績，注重體育運動生物力學在教學過程，提高學習的興趣。
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生物力學測試方法范文4
關鍵詞 生物力學 步態 最新進展 應用領域
中圖分類號：R743 文獻標識碼：A
步行是人們在日常生活中最基本的運動方式，而步態是指人類步行的行為特征。步態生物力學研究是運用力學方法和技術，并基于人體機能解剖學和生理學的基本理論對人體行走功能狀態進行測量、分析、評價的應用研究。吳劍等（2002）在“步態生物力學研究進展”中對2002年之前的研究進展進行了論述，隨著科學技術的發展和三維步態分析儀器開發利用，國內外對步態研究的進程也呈現出逐步加快的趨勢，但目前在眾多的研究成果中，還沒有對新時期步態生物力學的研究進展進行的研究，因此本文通過對步態生物力學的研究進行分析，旨在為促進步態生物力學的研究進程，為以后的研究奠定基礎。
1步態的一般生物力學研究進展
1.1步態周期
步態周期是指從一側足跟著地到該足跟再次著地所構成的周期。一個步態周期分為支撐相與擺動相2個相位。支撐相在整個步態周期中約占60%；擺動相約占40%。而跑動時支撐相約占整個步態周期的65%，擺動相約占35%。一條腿在一個完整的步態周期中經歷的狀態依次為：足跟著地、足放平、支撐、足尖離地、腿彎曲擺動、腿伸直向外擺動、然后足跟著地，進入新的步態周期。前4個狀態是支撐相，后3個狀態是擺動相。步態周期與身高的差異不顯著。
1.2步長與跨步長
步長是指同側足跟或足尖到邁步后足跟或足尖之間的距離，正常成人的步長值約為150―160cm?？绮介L是指行走時一側足跟到對側足跟之間的最大距離，正常成年人的跨步長約為127cm，正常成年人隨著年齡的增長，其跨步長與年齡成負相關，與身高成正相關，另外跨步長與步頻也有相關關系。
1.3步頻與步速
步頻是指行走時每分鐘邁出的步數，步頻=60（s）/步長平均時間（s）。步速是指步行的平均速度（m/s）。對20-39歲、40-59歲、60-79歲三個年齡段的正常成人進行步態分析表明：20-39歲年齡段的正常成人的步頻為1.9412，步速為1.2616；40-59歲年齡段的步頻為1.8117，步速為1.0514；60-79歲年齡段的步頻為1.7621，步速為0.9524 。
1.4身體質心起伏
人起步時，雖然地面作用于人的腳底的靜摩擦力對人這一質點組不做功，但這一靜摩擦力對人的質心做功，正因為這個功使人的質心動能增大，人才得以起步運行。另一方面，質心動能的獲得，是以人體各質點克服靜摩擦力相對于質心做功為代價的。這一代價來源于人體各質點間相互作用的非保守力的功。對于一個健康的成人，當其正常行走時，質心起伏的幅度約為4.4cm。
1.5關節角度
人體下肢步態運動可以簡化為一個四剛體模型（包括軀干）。對于髖關節和膝關節，圍繞靜止站立位有曲屈和伸展兩個方向，定義伸展為角度負向，彎曲為角度正向；對于踝關節有背屈和跖屈兩個方向，定義背屈為角度負方向，跖屈為角度正方向。Grabiner等認為膝關節必須在支撐期完全伸直，在擺動期屈曲大約60是教謀匾跫？
2步態生物力學研究的應用
2.1功能檢測與評定
步態生物力學的研究對象為生物體的移動狀態，測量參數具有自主控制成分。步行的對稱性和圓滑性可以根據步態分析所得的參數（包括：運動學、步態時間―距離參數和動力學參數）進行推測，穩定性和波動性可根據重心位移和力的作用點進行判斷，其速度、節奏和持久性的判斷則是根據步速、步頻和步行的持續距離。從已有的研究中，主要對妊娠期婦女、老年人、“三癱一截”（腦癱、截癱、偏癱、截肢）的殘疾者、肥胖人群的行走人群進行功能檢測與評定。
邱紀方等對20例痙攣型腦癱患兒及青年，連續進行了步態的評測（包括運動分析），其測量指標分別為：屈髖畸形（改良托馬斯試驗）、膝關節伸展、繩肌長度（角）、比目魚肌長度、腓腸肌長度等。其結果表明：所有指標均與CCC具有良好的一致性（0.67～0.96）；觀測者間一致性隨測量指標的改變而有較大改變，CCC為0.34～0.87。髖外伸展的CCC左髖是0.34，右髖為0.42。
李艷霞等采用比利時Footscan USB2平板式足底壓測試系統對體質量指數>28 kg/m2的肥胖學生進行動態足底壓力測試，以此探索肥胖人群足底壓力參數的分布規律。
周有禮等通過對的動力學分析，解決了孕婦完整人體檢測資料缺乏的困境，為發現妊娠婦女步態研究奠定了基礎，但是缺乏具體的評價指標。
王琳等采用橫向比較性研究設計法對中國青春期前BMI（體重指數）小于30 kg/ m2的男性肥胖兒童和體重正常的男性兒童在步態和姿勢控制方面是否存在差別進行了研究，結果顯示：肥胖兒童在步態的穩定性和姿勢控制上均不如正常兒童的穩定。
2.2疾病的預防
生物力學測試方法范文5
關鍵詞：排球；跨步墊球；運動學分析
一、前言
排球跨步墊球及以其為基礎的各種低姿勢墊球是排球比賽過程中使用頻率較高的墊球技術動作，它又是各種低姿墊球動作的基礎?，F代排球教材中，缺乏對其技術動作科學化的描寫和分析，導致在現實教學中，教學標準不統一，教學效果也不理想。因此，本文采用三維高速攝影解析技術對跨步墊球技術特點進行分析研究，旨在探尋跨步墊球技術的動作結構特征，豐富和完善排球技術教學和教材理論，給動作技術教學、訓練、評價、診斷提供客觀的理論依據。
二、研究對象與方法
1.研究對象
研究對象為湖南師范大學男子排球隊的3名和湖南師范大學女子排球隊的1名主力運動員。研究內容為排球跨步墊球技術。
2.研究方法
本課題的研究方法主要采用實驗法，運用三維高清攝像解析系統對優秀排球運動員的排球跨步墊球技術進行運動學的研究。
（1）文獻資料法
查閱了中國期刊全文數據庫里近二十年來關于排球墊球技術及運動生物力學相關研究的文獻資料、相關論文和著作中對排球技術的研究情況和生物力學的研究進展并形成了文獻綜述，為本研究打下了扎實的研究基礎。
（2）專家訪談法
咨詢有關的運動生物力學研究專家和教師，向其請教以往寫作過的論文中所涉及的實驗方法、設計及數據處理和分析等方面的問題。
（3）實驗法
采用三維高清攝影圖像解析技術，對技術動作的結構特征進行分析。
（4）數理統計法
數據利用QToolS軟件和Excel軟件對獲得的數據指標進行計算和統計。
3.測試程序
模擬比賽情況，受試者進行充分準備活動后，按實驗要求，在專家的指導下讓四名受試運動員在測試范圍內作跨步墊球動作，每名測試對象完成兩次跨步墊球，按規范標準進行拍攝（以右側跨步動作為例）。由現場專家選定效果較好、技術較規范的兩名運動員的跨步墊球動作作為分析對象，然后計算數據的平均值。
4.測試方法
采用三維定點攝像的方法，用兩部高清攝影機，對實驗測試對象的跨步墊球技術進行三維定點拍攝，運用相應的解析系統對其動作技術進行解析，得出測試指標參數。一部置于運動員的右側，一部置于運動員的前方，兩部攝像機主光軸約成 90度，拍攝頻率為50Hz。高清錄像拍攝，頻率25幀/秒，經奇偶場分離后頻率相當于50場/秒。采用2臺sony FX-2000E高清攝像機拍攝視頻。
標定框架采用國家體育總局體育科學研究所的PEAK輻射式三維標定框架，標定精度高。選擇被分析的動作時，選擇的整個動作位于框架標定范圍內。
使用SIMI motion視頻解析系統對技術動作進行解析，采用扎齊奧爾斯基人體模型，人體模型取系統軟件自帶的人體模型，分析數據包括身體重心、軀干、各關節點位移速度、以及各關節和軀干的角度和各時段的時間等數據，所得數據采用數字化濾波法進行平滑處理，截斷頻率為10，用EXCEL 2000對視訊系統得到的數據進行坐標轉換、計算得到運動學數據，并編輯公式計算人體基本平面方程系數以及關節點在各個平面的投影坐標，再用Q-Tools計算關節角度。用Origin7.0做三維坐標圖。對解析出的數據進行對比分析與研究，并做參數間的相關分析，運用相關參數數據描述動作過程，建立整個動作結構相關環節間夾角、角速度、角加速度、速度、身體重心等量化指標和參數，揭示動作過程的運動學特點和規律。
三、動作階段的劃分
動作階段劃分是研究技術動作的重要環節。排球運動員跨步墊球技術是由準備姿勢、跨步、墊球、隨后動作四個環節組成，而對擊球效果起決定作用的是跨步和墊球兩個環節。為了確定動作結構和時相劃分方便，本文首先確定了不同動作階段的臨界點，它可表征各動作階段基本力學特征與動作質量。我們依照排球跨步墊球動作的順序把跨步墊球動作分為：跨步階段（1.4s-3.3s）、擊球階段（3.3s-4.1s）、隨后階段（4.1s-5.2s）。
四、研究結果與分析
1.排球跨步墊球技術下肢各環節運動學分析
（1）膝關節的運動
膝關節的角度特征如下：
從圖1中可以看出左、右膝關節角在0～2.64s時段的變化趨勢并不相同。2.64s時刻為跨步腳剛著地的時刻。右膝關節角變化曲線在該階段有一個明顯的先下降后上升的過程，而左膝關節則是一個逐步下降的過程。右膝關節在跨步階段要向前跨出一步完成跨步動作，在跨步過程中右膝關節先屈曲后伸展。在跨步階段身體重心落在左腳上，此時左腳起著支撐整個身體的作用，并保持重心穩定性，因此左膝關節角在跨步階段變化很小。在2.64s后，左、右膝關節的變化趨勢完全相同，當跨步腳著地后，左、右膝關節開始同時屈曲，降低身體重心。到擊球前屈曲值達到最大，身體重心此時處于最低，隨后雙腳蹬地，同時雙臂上擺擊球。
跨步墊球技術在跨步階段膝關節有一個屈膝重心下降的動作，這個動作是跨步墊球技術的重要組成部分，目的是通過拉伸膝關節蹬伸主動收縮肌群，增大肌肉收縮初長度儲備彈性勢能，同時增加墊球時的墊球距離，為后繼膝關節蹬伸動作做好準備。而且在判斷來球的方向和速度后通過跨步動作還能及時調整擊球的最佳時機和部位。在跨步墊球技術中左膝最大屈曲角度為60.6°。右膝最大屈曲角度為59.89°。下肢屈膝身體重心下降的動作幅度太大或太小都不能產生最佳的蹬伸效果，不利于整個墊球動作的完成。如果膝關節屈曲幅度過大，就會造成膝關節伸肌群過大的對抗負荷，進而影響膝關節的伸展速度及軀干和上肢各環節的整體配合。反之，膝關節屈曲幅度過小，又不能充分拉長伸膝主動收縮肌群，影響主動收縮前彈性勢能的儲備，進而影響到蹬伸效果?？绮綁|球技術下肢的蹬伸動作主要是使髖關節產生向上的運動，通過下肢的蹬伸帶動手臂向上擺動，保證擊球時動作的穩定性。由于不同運動員的身材和身體素質的不同，因此不同的運動員最佳膝關節的屈曲角度和身體的下蹲深度也不相同。合理的膝關節屈曲角度有助于運動員發揮最佳技術動作。
（2）踝關節的運動
由圖2可知：從跨步開始，右踝關節角度不斷增大，而左踝關節角度不斷減小，這是由于跨步開始時，身體以左腳為支撐，右腳向前方跨出一步，隨后身體重心下移，直至跨步結束。由于右腳向前跨步，右踝關節與左踝關節正好相反，不斷增大，直至跨步后右腳腳跟與地面接觸時增至最大。
2.排球跨步墊球技術動作整體分析
排球跨步墊球合理的動作節奏應該是身體自下位關節至上位關節的速度依次遞增。各運動環節的遞增量越大，說明動作的動量傳遞效果越好?？绮綁|球技術動作的跨步階段，單腳向前跨出一步，同時身體重心下移，軀干稍向前傾，雙手手臂伸直下壓，為后繼擊球動作調整好擊球的時機和方位，同時儲備了彈性勢能，增加了肌肉收縮做功距離。擊球動作階段，通過下肢蹬伸、軀干和上肢各運動環節的依次加速與制動，將速度傳遞至手臂，手臂通過從來球的下部向上抬，以達到最佳的擊球速度，將球平穩而有力地擊出。擊球時身體主要環節的活動順序為膝―髖―肩―肘和手腕。從完整技術動作上看，跨步墊球是在拉長相關主動收縮肌的條件下，首先由下肢肌肉主動收縮用力，然后是上肢各環節肌肉群的收縮用力，這種動作時序符合墊球技術動作力學原理。合理的技術動作能充分發揮軀干肌肉和下肢肌肉的爆發加速作用，不要過多地單純依靠上肢運動環節加速，這樣才能使上肢肌肉有較大的能量儲備，同時保證動作的穩定。在擊球動作階段上肢肌肉感覺敏銳，控制手臂的方位和調控擊球時間，并保證擊球最佳的擊球點和擊球時機。因此應加強下肢的蹬伸力量，并在擊球時加強下肢的蹬伸作用，從技術上保證下肢和軀干肌肉合理的爆發加速功能，為上肢各環節的依次加速提供運動初速度。
五、結論
1.跨步墊球技術動作結構的分類
本研究對排球跨步墊球技術的嘗試性劃分是對目前排球跨步墊球技術劃分理論的大膽嘗試。筆者根據運動生物力學中關于技術動作的階段劃分原理，根據動作結構與動作任務的不同，把排球跨步墊球術分為跨步階段、擊球階段和擊球后的隨后階段。
2.跨步墊球技術下肢的運動學特征
左膝最大屈曲角度為60.6°，左膝最大蹬伸角度為159.5°，左膝關節的活動幅度為98.9°。右膝最大屈曲角度為59.89°，右膝最大蹬伸角度為119.8°，右膝關節的活動幅度為59.1°。膝關節屈曲幅度過大，就會造成膝關節伸肌群過大的對抗負荷，進而影響膝關節的伸展速度及軀干和上肢各環節的整體配合。反之，膝關節屈曲幅度過小又不能充分拉長伸膝主動收縮肌群，影響主動收縮前彈性勢能的儲備，進而影響到蹬伸效果。
六、結語
跨步墊球技術在比賽中與其他墊球技術相比應用廣泛，技術結構較為合理。采用跨步，身體重心位于兩支撐腳之間，支撐比較穩定?？绮綁|球有利于肌肉用力的控制，也就可以較好地控制來球。
今后應結合三維動力學進行進一步的其他同類研究，通過同步裝置，對跨步墊球進行運動學與動力學的同步分析，只有這樣才能更全面地分析跨步墊球的技術特征和內在規律。
對于排球運動的技術原理等課題還有待于我們去深入研究，揭示其科學的本質和內在的規律、科學化發展，這樣才可以更好地使排球運動得以更廣泛的普及和更科學化的發展。
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生物力學測試方法范文6
【摘要】 ［目的］研制一種新型的齒輪撐開式脊柱復位固定板裝置（GDP），進行生物力學測試并評價其生物力學性能。［方法］采用醫用鈦合金制成GDP植入物，用不銹鋼制成專用工具。18具新鮮小牛腰椎標本隨機分為3組，對GDP組內固定進行載荷－應變、載荷－位移、強度、剛度、扭轉強度及極限承載能力測試，并與對照組（CD、Steffee）對比分析。［結果］齒輪撐開式脊柱復位固定板（GDP）組在載荷－應變、載荷－位移、強度、剛度、扭轉強度及極限承載能力方面均優于對照組，統計學分析有顯著性差異（P
【關鍵詞】 齒輪撐開式； 脊柱復位固定板（GDP）； 內固定； 生物力學
Abstract：［Objective］A new device of geardistraction plate (GDP) for spine reduction and fixation was designed and its biomechanical characteristics was evaluated.［Method］The GDP implants were made of titanium alloy (TC4，Ti6AL4V) and the instruments were made of stainless steel after design.Eighteen fresh calf lumbar specimens were randomly pided into three groups， the GDP group had a biomechanical test contrast to control group(CD， Steffee) in loadresponsive change， loaddisplacement， strength， stiffness， torsion intensity and ultimate strength.［Result］Results It is better than control group in loadresponsive change， loaddisplacement， strength， stiffness， torsion intensity and ultimate strength， there was a significant difference between them (P
Key words：gear distraction plate (GDP); fixation plate; internal fixation; biomechanics
目前用來治療脊柱骨折的后路內固定器械主要以釘棒系統為主，板式結構由于撐開作用差，復位骨折椎體的效果欠佳，因此臨床應用者愈來愈少，逐漸處于被淘汰的境地。為克服板式結構不能撐開的難題，作者在復習文獻的基礎上設計出一種新型的可撐開的脊柱后路復位固定板裝置即齒輪撐開式脊柱復位固定板（GDP）裝置，并通過離體生物力學對比研究了解GDP的生物力學特性，為臨床應用提供依據。
1 器械結構
GDP由帶齒條的固定板（帶有弧度）、齒狀撐開螺帽、椎弓根釘、橫向連接桿組成（圖1）。（1）固定板：為適應脊柱不同節段固定的需要，根據影像學測量固定板的設計長度為55～85 mm，弧度為－6.5°～20°，根據不同椎體的高度及臨床壓縮的程度，齒條的設計長度為10～30 mm，固定板厚5 mm，寬14 mm，固定板上有連接橫向連接桿的滑動槽;（2）齒狀撐開螺帽：為撐開椎體的關鍵部件，其齒輪與固定板的齒條吻合，中空內徑為6 mm，壁厚1 mm，齒高、寬各1 mm;（3）椎弓根螺釘：為錐形，基底部與六角錐面的螺母鑄為一體，外徑35～70 mm，長度20～55mm;（4）橫向連接桿為板式，寬4 mm，厚2 mm，長度25～45 mm，內有槽形孔，可以方便與固定板連接。
2 材料與方法
2.1 實驗材料
采用新鮮小牛脊柱（T12～S1)標本共18具，平均年齡2.8個月（2～3個月），雄性13具，雌性5具，均屬隨機取樣，并剔除病理標本，X線片顯示為正常標本。
圖1 齒輪撐開式脊柱復位固定板裝置結構圖
2.2 標本制備
截取標本后仔細剔除局部附著肌肉，保留韌帶及關節突，然后密封保存在－20℃的冰柜中，測試前逐步解凍，實驗標本上下兩端澆灌骨水泥平臺，以便于精確加載，兩平臺之間平行度≤1°（圖2）。同時在脊柱L3前方（A測試點）和后側椎弓處（B測試點），按實驗力學要求分別粘貼應變式傳感器，應變要求預調范圍達到2 500 u±2%，靈敏度﹤2 uε，位移測量采用KG－101光柵數顯高精度測量儀，精度達到0.01%，并附以千分表監測。
圖2 脊柱內固定生物力學測試示意圖
2.3 標本分組
將標本分為實驗組（GDP）及對照組（CD、Steffee），每組各6具，（三組器械皆為同一廠家相同材料制造，長度相同）。損傷腰椎標本的制作，參照Panjabi［1］方法在標本上造成屈曲型壓縮骨折模型，拍攝X線片顯示脊柱不穩，然后安裝齒輪撐開式脊柱復位內固定板裝置加以固定。對照組分別用CD及Steffee鋼板固定。
2.4 生物力學測試
標本測試按軸向壓縮、前屈、后伸和側屈4種不同生理工況建立實驗力學模型。 腰椎載荷采用分級加載，由0～500 N加生理載荷，以100 N為分級載荷。加載速度應控制在1.4 mm/min的速率，加載重心在腰椎的力學對稱軸上。脊柱的垂直及水平位移用KG101高精度數顯光柵位移傳感器測量，應變由YJ14數字應變儀采集。實驗前加預載，以消除脊柱松弛，蠕變等時間效應影響，然后正式測試，30 s內采集一次數據，重復多次以提高精度，試驗過程中標本用生理鹽水保持濕潤新鮮狀態。
2.5 數據統計處理
脊柱生物力學試驗中的應變、位移、應力、扭矩、扭角等力學量先進行數據處理，從而得到一個滿意的估計值和置位區間。然后以線形回歸、方差分析，經最小二乘法處理。按數理統計加以檢驗，計算其相關參數、t檢驗、精度分析。計算統計分析采用標準的SPSS 10.0軟件在計算機上進行，設定顯著性水平為P
3 結 果
3.1 脊柱載荷－應變變化
腰椎上A、B測試點在不同載荷下載荷—應變曲線呈線性變化，應變隨載荷的增加而增大，卸載后基本恢復原狀。腰椎A、B測試點上GDP內固定椎體應變最小，而相應對照組（CD、Steffee）的應變較大，在脊柱不同的生理工況下（垂直壓縮、前屈、后伸、側屈），實驗組內固定的平均應變比CD組小13％，比Steffee組小22％。因此GDP器械固定明顯占有優勢，固定效果最好，并接近于脊柱正常水平，在相同的應變水平下，GDP器械所承受的載荷比其他類型固定要高的多，結果統計具有顯著意義（P
3.2 脊柱載荷－位移變化
脊柱在不同內固定器械固定下負荷后，脊柱會發生壓縮性位移和水平位移。本實驗18具標本在不同生理工況下載荷－位移變化結果發現隨著生理載荷的增加，脊柱縱向位移和水平位移呈線性變化增加，卸載后恢復原狀。3種不同器械的內固定都能達到牢固固定，引起的位移比較小，GDP組的平均壓縮位移比CD組小12％，比Steffee鋼板固定組小23％，兩兩相比有顯著性差異（P
3.3 椎體的強度變化
椎體的強度反映在椎體上的應力變化，根據胡克定律：椎體上的應力與應變成正比，而應變值由應變實驗而得，如果器械固定好，應力集中小，應力傳導通暢，如果固定不好，在椎體上引起的應力集中現象明顯且應力很大。本實驗中GDP器械組的應力最小，平均7.19 MPa，固定效果最好，最牢固；而CD組8.22 Mpa，Steffee鋼板組9.25 MPa，比CD組平均應力小13％，比Steffee鋼板組的平均應力小22％，兩兩相比統計顯示具有顯著性差異（P
3.4 脊柱的軸向剛度和水平剛度
這里所謂脊柱的軸向剛度是指脊柱在載荷作用下，脊柱抵抗軸向變形能力的大小；同樣脊柱的水平剛度是指抵抗水平剪切變形能力的大小。采用GDP器械固定組的軸向剛度最高，而CD固定組相對較差，兩者相差15％；與Steffee固定組兩者相差23％，兩兩比較，統計顯示兩者均顯顯著性差異（P
3.5 脊柱的扭轉力學性能
扭轉力學性能是指脊柱扭轉強度大小及扭轉角大小，它是衡量脊柱扭轉力學特性好壞的兩個力學變量。不同內固定器械抵抗扭轉的強度和剛度各不相同，一般來說，比較好的內固定器械能夠具有相當高的扭轉強度和剛度，抵抗扭矩能力很強。結果表明，GDP器械內固定在等量扭矩作用下，扭角最小，固定后不容易引起腰椎的扭轉變形，它比CD組的扭角變形小10％，比Steffee鋼板組的扭角變形小17％，說明GDP器械占有較高的優勢，抗變形能力強，抗扭轉性能好，統計分析顯示具有顯著性差異（P
3.6 腰椎的極限力學性能
根據試驗可以看到在很大載荷下2000～3000 N，椎體不斷壓縮變形，椎間盤不斷膨出變形，椎體中部向內凹陷，體液不斷滲出，在原來骨折處再裂開，發生再骨折，而內固定器械釘桿角明顯變小，器械開始變形，螺釘轉動發生攣曲變形。而對照組器械松動明顯，有的甚至滑動，椎體不斷骨折而破壞。結果顯示：GDP器械內固定時極限載荷最高為3 750 N，其次是CD組器械的極限載荷為3 050 N，Steffee器械為2 250 N，三者相比互相相差19％和40％，統計顯示具有顯著性差異（P
4 討 論
4.1 GDP裝置的特點
（1）解決了板式結構撐開困難的缺點，固定板內孔側壁上有齒條，齒狀撐開螺帽在齒條上滾動，螺帽的中孔容納椎弓根釘的尾部，帶動椎弓根釘向一側移動，這樣就實現了板式結構的撐開作用。齒條的長度為撐開間距，根據測量椎體及椎間隙的高度，我們設計齒條的長度為3 cm，保證有足夠的撐開間距，這樣可充分恢復壓縮椎體的高度；（2）固定板本身帶有弧度，根據不同脊柱節段，固定板的弧度設計為－5°、0°、5°、10°、15°、20°等多種弧度，使椎弓根釘與固定板之間形成不同的角度即“釘板角”，它對前柱和中柱的縱向撐開復位具有重要的作用。齒狀結構及釘板角的設計不僅彌補了以往釘板結構的椎弓根固定器缺乏縱向撐開力的不足，而且改變了以往釘板結構固定器椎弓根釘水平承載為仰角承載，分解了椎弓根釘頭端的壓縮負荷，這對減少術后彎釘、斷釘有重要意義［2］。GDP利用鋼板的弧度與脊柱骨折后凸畸形之間的凸面失偶現象，通過椎弓根釘的反牽作用，對脊柱產生一個過伸折頂復位（圖3）；加上齒狀撐開螺帽的縱向撐開復位作用，兩種復合力的結合，使GDP將傳統的椎弓根固定器以縱向撐開復位為主改變為折頂復位和縱向撐開復位的聯合復位。這種復位機制的改變不僅實現了均稱的三柱前凸牽開復位，而且同時降低了在復位過程中椎弓根釘的壓縮負荷，減少了術中復位引起的彎釘與釘的疲勞。術后GDP對固定區域的椎體仍產生一個持續向前的推力，增加后伸力矩來抵抗外傷后脊柱后凸所致的前屈力矩，這對防止后凸畸形復發，維持腰椎生理前凸均有重要意義。GDP在骨折椎體的折頂復位著力點并不是在椎板而是在椎弓根。椎弓根是椎體最堅固的部位，堪稱為“力核支柱”，一般不易發生骨折，是承受折頂復位的可靠基礎。因此對合并椎板骨折或實施椎板減壓后并不影響GDP的使用。
4.2 GDP生物力學特點
（1）GDP本身帶有圓滑的弧度，使應力傳導均勻；固定板與螺釘之間采用嵌入式連接，連接牢固且切跡低，使固定板緊貼脊柱后柱，有利于力的傳導；實驗證明在相同載荷下其載荷－應變，載荷－位移均較對照組小，而其軸向剛度與水平剛度高于對照組，統計分析顯示均有顯著性差異（P
本內固定板系統和目前臨床上應用的釘棒系統復位原理不盡相同，它不需要折彎和轉棒，屬于短節段固定器械，固定節段少，保留了脊柱大部分功能活動。
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