深入了解下肢生物力学

人体下肢关节系统的生物力学行为研究人体下肢关节系统是人体运动的基础，它由大量复杂的关节协同工作，使肌肉、骨骼和关节组成一个紧密的机构系统。

研究者们发现，人体下肢关节系统的生物力学行为具有很强的可塑性，在不同的负载条件下能够适应不同的环境和要求。

因此，研究人体下肢关节系统的生物力学行为具有重要的意义，可以为人们提供更有效的运动训练方法和治疗手段。

研究人体下肢关节系统的生物力学行为，需要考虑到动态力学因素，比如肌肉、骨骼和关节的力学特性，以及肌肉、骨骼和关节之间的相互作用。

在具体的研究过程中，研究者首先要建立力学模型，以更好地识别出人体下肢关节系统的生物力学特性，并将其归结为一系列的数学方程；其次，要测量人体下肢关节系统的运动特性，如加速度、力矩、压力等；最后，要将实验测量的数据与建立的数学模型进行比较，以检验模型的准确性。

在研究人体下肢关节系统的生物力学行为时，必须考虑到多种因素，例如肌肉力量、肌肉活动、关节运动、力学运动特性等。

研究者们发现，肌肉力量会影响关节运动，而关节运动又会影响肌肉活动，这就形成了一个互动的机制。

因此，研究者需要采用复杂的实验方法，深入探究人体下肢关节系统的生物力学行为，以及它们之间的相互作用。

此外，研究者还要研究人体下肢关节系统的力学运动特性，以更好地理解人体的运动行为。

这些包括负载、加速度、力矩、压力等，它们可以帮助研究者分析人体下肢关节系统的物理特性，有助于深入了解人体下肢关节系统的生物力学行为。

人体下肢关节系统的生物力学行为是一个复杂的过程，它涉及到肌肉、骨骼和关节的力学特性，以及肌肉、骨骼和关节之间的相互作用。

因此，研究人体下肢关节系统的生物力学行为，需要采用复杂的实验方法，深入探究肌肉、骨骼和关节之间的相互作用，以及它们之间的力学运动特性。

最终，研究者可以根据研究发现，制定出更有效的运动训练方法和治疗手段，从而提高人们的运动效率。

人体行走下肢生物力学研究人类的行走是一项基本而复杂的动作。

从生物力学的角度来看，人体行走涉及到许多关键因素，如骨骼结构、肌肉力量、神经控制和运动协调等。

通过对人体行走下肢生物力学的研究，我们可以更好地了解人类行走的机制，并为改善步态障碍的治疗和康复提供依据。

在人体行走中，下肢起着至关重要的作用。

下肢包括大腿、小腿和足部，它们通过关节、肌肉和韧带相互连接，形成一个复杂的力学系统。

这个系统的主要任务是提供支撑和推动力，以保证人体的平衡和前进。

我们来看一下关节在人体行走中的作用。

人体的下肢关节主要包括髋关节、膝关节和踝关节。

髋关节是连接骨盆和大腿骨的关节，它负责支撑身体重量并提供转动力。

膝关节是连接大腿骨和小腿骨的关节，它在行走中起到了一个重要的缓冲作用。

踝关节是连接小腿骨和足部的关节，它提供了足部的灵活性和稳定性。

这些关节通过肌肉和韧带的协同作用，使得人体能够保持平衡，并进行有效的推动。

肌肉在人体行走中起着至关重要的作用。

人体的下肢肌肉主要包括大腿肌群、小腿肌群和足部肌群。

这些肌肉通过收缩和松弛的运动，产生力量并推动身体的前进。

不同的肌肉起到了不同的作用，有些肌肉主要负责支撑身体重量，如大腿肌群的股四头肌；有些肌肉主要负责提供推动力，如小腿肌群的腓肠肌。

肌肉的力量和协调性对于行走的效果至关重要，它们使人体能够保持平衡、稳定和高效地前进。

神经控制也是人体行走的关键因素之一。

人类的行走是由中枢神经系统和周围神经系统的协同作用完成的。

中枢神经系统，包括大脑和脊髓，负责指挥和协调行走动作。

周围神经系统，包括神经根、神经干和神经末梢，将指令传递给下肢肌肉，使其产生适当的收缩和松弛。

神经控制的失调可能导致步态障碍，如瘫痪或抽搐，因此对于理解人体行走的机制以及改善步态障碍的治疗具有重要意义。

运动协调是人体行走下肢生物力学研究中的另一个关键点。

人体行走是一个复杂的协调动作，涉及到多个关节、肌肉和神经的同时运动。

这种协调性使得人体能够平衡和前进，并且在不同的地形和速度下保持稳定。

急停起跳落地阶段的下肢生物力学分析任峰;江慈;宋玉全【摘要】比较了不同性别间的运动学参数差异，采用皮尔森相关系数检验确定了下肢动力学和运动学参数间的相关性。

结果表明：女性受试者在整个落地阶段膝、髋关节最大屈曲角度、前后方向上摩擦力峰值、膝关节屈伸力矩峰值出现了显著性的减小。

落地阶段髋关节屈曲角度与前后方向上的摩擦力峰值呈现显著相关。

落地初期膝关节屈曲角度与前后方向上摩擦力峰值和垂直方向上地面反作用力均呈现显著相关。

落地初期膝、髋关节的屈曲角度不一定会降低落地阶段的冲击力，但是积极的髋、膝关节活动可以降低落地阶段的冲击力。

落地初期髋、膝关节的活动度是影响膝关节前十字交叉韧带损伤的重要因素。

%This study compares the kinematics difference among different genders. Pearson correlation is used to determine the correlation between the kinematics and the kinetics in lower limbs. Results are as follows:Knee and hip maximum flexion angle, peak posterior-ground reaction force and peak knee extension moment significantly decrease during the landing of the stop-jump period with the female test-takers. The hip flexion angle at the initial foot contact is in significant correlation with the peak posterior-ground reaction force during landing of the stop-jump phase. The knee flexion angle at the initial foot contact shows significant correlation with peak posterior-ground reaction force and vertical-ground reaction forces during landing of the stop-jump phase. The hip and knee flexion angles at the initial foot contact with the ground do not necessarily reduce the impact force during landing, whereas the active hip and knee flexion motions do. The hip and kneeflexion motion of landing acts as the key factors that affects anterior cruciate ligament loading during the landing of the stop-jump phase.【期刊名称】《宁波大学学报（理工版）》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】5页(P117-121)【关键词】前十字交叉韧带;屈曲;屈伸;相关性【作者】任峰;江慈;宋玉全【作者单位】宁波大学体育学院，宁波浙江 315211;宁波大学体育学院，宁波浙江 315211;宁波大学体育学院，宁波浙江 315211【正文语种】中文【中图分类】G804.6在体育运动中落地动作是频繁出现的特征动作, 良好的落地形式不仅是完美完成动技术动作的标志, 还能够有效预防下肢的损伤. 许多研究显示[1-5], 落地阶段过高的冲击力是导致膝关节损伤的重要因素, 尤其是前十字交叉韧带的撕裂. 有研究[6]尝试分析落地阶段的生物力学机制, 以降低落地阶段的冲击力和膝关节的负荷. Devita等[1]研究显示膝关节屈曲角度的增加能有效地降低地面反作用力. Chappell等[3]研究发现女性业余运动员相比于男性业余运动员, 胫骨近端的前侧切向力峰值和膝关节屈伸力矩的峰值均增加, 但急停起跳的落地阶段膝关节屈曲角度减小. 在进一步的研究中发现[4], 疲劳状态下男性和女性业余运动员在足部最初接触地面时膝关节屈曲角度均减小, 在急停起跳落地时胫骨近端的前侧切向力均增加.这些研究结果表明了足部最初接触到地面时膝关节屈曲角度的增加可能会减小落地阶段的冲击力和膝关节负荷. 然而Yu等[6]报道称当足部最初接触到地面时膝关节屈曲角度增加5°不会对急停起跳落地阶段的地面反作用力产生显著性的影响. Decker等[5]也报道称纵跳落地阶段不同性别之间髋、膝、踝关节的运动学参数产生了显著性变化,但是不同性别间下肢动力学却没有出现显著性差异. 在之前下肢运动学和动力学的研究中, 仅仅比较了下肢动力学参数和运动学参数的不同, 没有准确地分析下肢运动学参数和动力学参数之间的关系. 急停起跳动作频繁出现在篮球、排球、艺术体操以及健美操等运动中[7-8]. 本研究旨在检验急停起跳落地阶段下肢运动学参数和动力学参数的相关性. 实验假设落地阶段运动学参数和动力学参数之间存在显著性差异, 且膝关节和髋关节的角度和角速度与落地阶段的地面反作用力和前后方向上的摩擦力呈现显著的相关性.1.1 受试者分别选择了35名男性和35名女性健康受试者(表1), 受试者均为宁波大学在校学生, 且所有受试者无膝关节病史. 所招募的受试者或从事篮球训练或从事健美操训练.1.2 数据采集本研究所执行的技术动作为急停起跳, 具体动作要求为慢速助跑、单脚上步急停随后双脚垂直起跳, 如图1所示.实验数据采集前, 每名受试者进行约10min的热身活动, 然后在专业运动员的指导下熟悉实验动作. 实验期间所有受试者对本研究内容处于不知情状态.三维运动学和动力学数据同步采集, 分别通过8个摄像头的运动捕捉系统Vicon (摄像头的频率为250Hz)和1台嵌入地板频率为1000Hz的测力台采集. Vicon系统的实验误差控制在0.5mm以下,在实验前, 要求在受试者下肢部位贴附好标志点(共12个). 然后每名受试者在长度为10m的跑道上进行助跑, 急停起跳和落地动作发生在测力台上. 每名受试者完成5次实验动作. 所采集的运动学和动力学数据通过低通滤过器分别剪切掉频率为20、100Hz的数据.实验将足部接触到地面至跳起腾空定义为一个动作周期, 足部最初接触到地面的时刻即测力台出现大于0的第1帧数据时刻, 而跳起腾空的时刻对应测力台力值减小近似于0时刻. 其动作实质主要分单脚上步急停阶段和双脚起跳2个阶段. 提取的生物力学参数包括: (1)足部最初触地时的髋关节和膝关节的关节角度及角速度. (2)髋关节和膝关节的最大屈曲角度. (3)单脚上步急停阶段水平面上地面反作用力峰值和垂直面上地面反作用力峰值. (4)单脚上步急停阶段膝关节屈伸力矩.1.3 统计学分析采用SPSS 17.0软件分析.采用独立样本t检验,t检验前对数据进行方差齐性检验, 定义P＜0.05时方差不具有齐性,P＜0.05具有齐性. 同样在t检验中定义P＜0.05具有统计学差异.采用皮尔森相关系数分析下肢的运动学参数和动力学参数同水平方向上和垂直方向上的地面反作用力的相关性. 下肢的运动学参数和动力学参数包括足部最初触地时髋关节和膝关节的屈曲角度, 足部最初触地时髋关节和膝关节的角速度,落地阶段髋关节和膝关节最大屈曲角度, 胫骨近端前侧切向力出现峰值时膝关节屈曲角度. 同时检验了地面反作用力和膝关节屈伸力矩峰值三者之间的相关性.r值描述的是2个变量间线性相关.强弱的程度: 定义|r|≥0.65具有相关性, |r|≥0.8具有显著相关性.P值是检验变量在样本来自总体中是否存在和样本一致的相关性, 定义P＜0.05为样本总体同样本具有一致的相关性.女性受试者相比于男性受试者在落地初期膝关节屈曲角度、髋关节屈曲角度均呈现了显著性减小, 在整个落地阶段膝关节最大屈曲角度, 髋关节最大屈曲角度、前后方向上摩擦力峰值、膝关节屈伸力矩峰值出现显著性减小(P≤0.03). 同时女性受试者相比于男性受试者在落地初期膝关节屈曲角速度和落地阶段的地面反作用力的峰值力矩也出现了减小, 但是未出现显著性减小(P≥0.09) (图2～4和表2).落地阶段髋关节屈曲角度与前后方向上的摩擦力峰值呈现显著相关(r=-0.927,P＜0.001)(图2和表3), 与垂直方向上的地面反作用力峰值不具有相关性(r=0.209,P=0.514)(图3和表3). 落地初期髋关节屈曲角速度与前后方向上的摩擦力峰值和垂直方向上地面反作用力峰值均未呈现出相关性(r=0.251,P=0.458;r=-0.211,P=0.534)(图2、图3和表3). 落地阶段的髋关节最大屈曲角速度与前后方向上的摩擦力峰值和垂直方向的地面反作用力峰值均呈现出相关性(r=-0.743,P=0.009;r=0.618,P=0.043)(图3、图4和表3). 落地初期膝关节屈曲角度与前后方向上摩擦力峰值和垂直方向上地面反作用力均呈现显著相关(r=-0.908,P ＜0.001;r= -0.812,P=0.002)(图2、图3和表3). 落地初期膝关节屈曲角速度与前后方向上的摩擦力峰值未呈现出相关性(r=-0.365,P=0.269)(表3), 与垂直方向上的地面反作用力峰值不具有相关性(r=-0.596,P=0.053)(表3). 落地阶段膝关节最大屈曲角度与前后方向上的摩擦力峰值和垂直方向上的地面反作用力峰值未呈现出相关性(r=-0.001,P=0.997;r= -0.210,P=0.536)(图4和表3).本研究发现男女受试者在下肢的运动学和动力学方面存在差异, 如(1)女性受试者在脚开始接触地面时, 其膝关节的屈曲角度减小, 这与文献[2-3]的研究结果相一致; (2)女性受试者相比于男性受试者在急停落地阶段前后方向上的摩擦力和膝关节屈伸力矩均出现了显著减小, 而地面反作用力未出现显著性的变化. 女性受试者在落地阶段地面反作用力峰值同男性相似, 急停落地初期膝关节屈曲角度减小, 这与文献[1]的研究结果落地阶段冲击力增加相一致.本实验结果支持了前面的研究假设, 即落地初期膝关节和髋关节的运动学影响了急停落地阶段下肢的动力学. 研究结果显示, 女性受试者在落地阶段髋关节和膝关节会产生更小的屈曲角度.进一步分析可知, 落地初期髋关节和膝关节的屈曲角度与前后方向上的摩擦力和垂直方向上的地面反作用力呈显著相关, 但是髋关节屈曲角速度和膝关节屈曲角速度却没有呈现出相关性. 综合这些实验结果表明, 落地初期的髋关节角度和膝关节角度显著地影响了落地阶段地面反作用力峰值和前后方向上的摩擦力峰值, 但是髋关节角速度和膝关节角速度却没有影响. 这些研究结果表明, 髋关节和膝关节的活动度替代了身体结构对急停落地阶段的冲击力变化产生了显著的影响.落地初期髋关节和膝关节的屈曲角度不一定会降低落地阶段的冲击力, 但是积极的髋、膝关节活动是可以降低落地阶段的冲击力.研究结果还显示, 落地初期髋关节屈曲角度对前后方向上摩擦力的影响作用大于膝关节屈曲角度的影响. 另一方面, 落地初期膝关节的屈曲角度对垂直方向上的地面反作用力的影响比落地初期髋关节的影响要大. 如膝关节角度会影响前十字交叉韧带(ACL)的载荷. 文献[9-10]研究显示,在爬楼梯和闭锁式动力学训练中前十字交叉韧带的负荷随着膝关节屈曲角度的减小而增加. 正如Nunley等[11]研究显示, 髌骨和胫骨之间的轴转角度增加伴随着膝关节屈曲角度的增加. 这些研究结果表明其他条件不变的情况下, 更小的关节角度会导致前十字交叉韧带上加载更大的负荷. DeMorat等[12]报道, 当膝关节屈曲角度达到20°时,股四头肌需要产生4500N的肌肉力量. 这些研究结果表明, 膝关节屈曲角度的增加能够有效地减小前十字交叉韧带的非直接接触式的损伤.下肢的生物力学参数能够显著地影响运动员前十字交叉韧带负荷. 最近的一些研究显示, 膝关节矢状面上的动力学参数也能够有效地影响膝关节处的负荷. 文献[13]测量了膝关节做屈伸联系时前十字交叉韧带处所受的张力变化, 发现前十字交叉韧带处所受的张力与膝关节屈伸力矩具有显著的相关关系. Shelburne等人研究行走步态下的前十字交叉韧带处的负荷, 其负荷通过骨骼肌模型进行评估, 他们的研究结果显示当膝关节处前十字交叉韧带负荷达到最大时, 其股四头肌的肌肉力量也达到最大, 膝关节屈曲角度达到最小. 文献[14-15]研究了小跳落地阶段前十字交叉韧带处的动态张力变化, 发现前十字交叉韧带张力的增加出现在足部触地期之前, 当膝关节屈曲角度达到最小时, 前十字交叉韧带的张力和地面反作用力共同达到最大. 这些研究结果说明了下肢动力学参数本质上发生在同一时间, 下肢矢状面上的生物力学在非接触性的前十字交叉韧带损伤机制中扮演了一个重要的角色.本研究只分析了落地阶段矢状面上的生物力学机制, 前十字交叉韧带处的负荷不仅受到矢状面上生物力学参数的影响, 还受到冠状面和水平面上生物力学参数的影响. 在以后的研究中应关注膝关节在冠状面上的内收和外展以及在水平面上的旋内和旋外等生物力学参数. 本研究只选择了上步急停起跳的动作形式, 此运动形式是导致运动员发生非接触性前十字交叉韧带损伤的主要动作形式之一, 研究发现的上步急停落地动作中下肢关节运动学和动力学之间的因果关系, 为今后的相关研究奠定了基础.【相关文献】[1] Devita P, Skelly W A. Effect of landing stiffness on joint kinetics and energetics in the lower extremity[J]. Medcine and Science in Sports and Exercise, 1992, 24(1):108-115. [2] Malinzak R A, Colby S M, Kirkendall D T, et al. 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了解下肢生物力学基本知识从最基本的知识开始,让下肢生物力学和矫形疗法尽可能简単易懂。

因此,我们需要从头开始, 来了解支撑上部结构的基本平台。

我们都知道,足部由26块骨头和2块籽骨(位于第一个跖趾关节下方)组成,所有骨头协调一致的合作,以维持上部结构的支撑和稳定性。

如果基础不稳定, 那么整个结构将会受到影响,通常软组织会要试“代偿”基础异常。

您将注意到足部形状为三角形, 分为3个不同部分:后足、中足和前足。

后足由跟骨和距骨组成, 它们共同形成距下关节。

中足包括楔骨、骰骨和舟骨，它们锁定在一起, 在站立中期和重心落到这个区域时支撑整个身体的重量。

最后是前足,由趾骨和跖骨(跖骨体)组成。

从图中您可以看到, 重量分散在跟骨到既骨体和关节间。

人体将所有重量施加在舟骨/楔骨和骰骨(NCC)上的一个承重位置,这三者成为支撑结构的基石。

正如内侧结构被设计为室内或室外支撑足弓的“基石”, NCC还锁定了足部, 创造出一个动态强壮的基础结构一这就是重心位置(COG)。

足部最为重要的关节是距下关节, 这是一个三平面关节, 包括:跖屈和背屈是矢状面的运动内收和外展是横切面的运动内翻和外翻是额平面的运动三平面运动这个因素是使用新形疗法的基础, 因为旋前和旋后因素都是围绕这个概念产生的。

旋前包括三个运动:1. 外展2. 背屈3. 外翻旋后包括三个运动:1. 内收2.既屈3. 内翻我们似乎讨论了很多关于旋前的内容, 这是因为几乎大部分的旋前似乎都是过量旋前, 即超过了步态周期所需提供振动吸收的、可接受的4度代偿旋前角度。

据估计西方社会有超过8o%的人口有着过量旋前问题。

旋前或旋后的结果都会导致胫骨体向内或向外旋转旋前或旋后因素相同的量, 进而对膝关节产生直接影响。

《基于多体动力学和有限元方法对人体下肢生物力学的研究》篇一一、引言人体下肢的生物力学研究在体育科学、医学康复、运动训练等多个领域具有广泛的应用价值。

本文旨在利用多体动力学和有限元方法，对人体下肢的生物力学进行深入研究，以揭示其运动机制、动力学特性和潜在的生物力学问题。

二、研究背景及意义随着科技的发展，多体动力学和有限元方法在生物医学工程领域得到了广泛应用。

多体动力学能够有效地模拟和分析复杂系统的运动学特性，而有限元方法则能够详细地描述材料和结构的力学行为。

将这两种方法应用于人体下肢的生物力学研究，有助于更深入地了解人体下肢的运动学、动力学特性以及在各种生理、病理条件下的响应机制。

这将对提高体育训练效率、预防和治疗运动损伤等方面具有重要的实用价值。

三、研究方法本研究采用多体动力学和有限元方法相结合的方式，对人体下肢进行生物力学研究。

具体步骤如下：1. 建立人体下肢的多体动力学模型。

通过收集相关的人体尺寸数据，建立各关节、肌肉、骨骼等部位的几何模型，并利用多体动力学软件进行模型参数化。

2. 利用有限元方法对人体下肢的骨骼、肌肉等组织进行建模。

根据组织的材料属性，建立相应的有限元模型。

3. 通过多体动力学模拟人体下肢的运动过程，分析其运动学和动力学特性。

同时，将模拟结果与实际实验数据进行对比，验证模型的准确性。

4. 利用有限元方法分析人体下肢在各种生理、病理条件下的力学响应，揭示其潜在的生物力学问题。

四、研究结果1. 通过多体动力学模拟，我们发现人体下肢在运动过程中，各关节的力矩、角度等运动学参数具有明显的规律性。

这些规律性参数对于理解人体下肢的运动机制具有重要意义。

2. 有限元分析表明，人体下肢在承受外力作用时，骨骼、肌肉等组织的应力分布具有明显的特点。

这些特点有助于我们了解人体在各种生理、病理条件下的响应机制。

3. 通过对比多体动力学模拟结果和实际实验数据，我们发现模型具有较高的准确性。

这为进一步研究人体下肢的生物力学提供了可靠的依据。

《基于多体动力学和有限元方法对人体下肢生物力学的研究》篇一一、引言人体下肢的生物力学研究对于理解人体运动机制、预防和治疗运动相关疾病具有重要意义。

随着多体动力学和有限元方法的快速发展，这些先进的技术手段为人体下肢生物力学的研究提供了新的途径。

本文旨在通过多体动力学和有限元方法的结合，对人体下肢的生物力学进行深入研究。

二、多体动力学在人体下肢生物力学研究中的应用多体动力学是一种研究复杂系统动力学行为的数值方法，被广泛应用于机械系统、生物医学工程等领域。

在人体下肢生物力学研究中，多体动力学可以用于构建人体下肢的骨骼、肌肉、关节等结构的数学模型，并通过运动学和动力学分析，研究人体在运动过程中的力学特性。

具体而言，我们可以通过多体动力学软件，建立人体下肢的几何模型，设置合理的材料属性、约束条件和外部载荷，模拟人体在不同运动状态下的力学行为。

比如，我们可以模拟行走、跑步、跳跃等动作过程中，下肢各部分的运动轨迹、力的大小和方向等。

这些数据对于理解人体下肢的运动机制、预防和治疗运动相关疾病具有重要意义。

三、有限元方法在人体下肢生物力学研究中的应用有限元方法是一种用于求解复杂工程问题的数值方法，其基本思想是将连续的求解区域离散成有限个单元，通过求解每个单元的近似解来得到整个问题的解。

在人体下肢生物力学研究中，有限元方法可以用于构建更为精细的模型，如肌肉、韧带、骨骼等组织的微观结构模型，并研究这些结构在运动过程中的应力、应变等力学特性。

具体而言，我们可以利用有限元软件，构建人体下肢的微观结构模型，设置合理的材料属性、边界条件和载荷条件，通过求解得到各组织的应力、应变等数据。

这些数据可以用于研究运动过程中各组织的力学响应、损伤机制等，为预防和治疗运动相关疾病提供理论依据。

四、多体动力学与有限元方法的结合应用多体动力学和有限元方法在人体下肢生物力学研究中各有优势，将两者结合起来可以取得更好的研究效果。

具体而言，我们可以先利用多体动力学方法构建人体下肢的宏观模型，研究其运动学和动力学特性；然后利用有限元方法构建微观模型，研究各组织的应力、应变等力学特性；最后将两者结合起来，综合分析人体在运动过程中的力学行为和损伤机制。