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髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特征范文第1篇

【關(guān)鍵詞】 髖假體 應(yīng)力 物理 生物力學(xué) 有限元

Abstract［Objective］To study the stress distribution rule of artificial hip prothesis combined with different materials under the stress condition， with the help of three-dimesional (3D) finite element analysis (FEA) ［Methods］1Three-dimesional (3D) finite element analysis was used to test biomechanics of total hip replacement by single pelvic standing Global stress mode of femur and acetabular of prosthesis implantation and stress disposition of prosthesis exertion on the bone interface were also measured ［Results］Equivalent stress peak value all located at the distal end of corresponding femoral bone area after various kinds of prosthetic replacement， but decreased to some extent， most obviously in the calear femorale， with the maximum dodge rate The dodge rate of femur was lower in corresponding area that used CFR/PSF as handle which elastic modulus was lower than that of Ti alloy 2Stress of different kinds of prosthesis increased gradually on femoral bone interface from proximal to remote end， but the stress value of corresponding interface had no difference in the same area with the same material prosthesis(P>005) The corresponding interface showed higher stress when use CFR/PSF as handle 3 Before the replacement， higher stress force was found in the fornix of acetabular top， and decreased gradually toward around After the replacement， the stress force concentrated in the perimeter area of acetabular， and decreased from top area to posteroinferior to anteroinferior The stress value of corresponding interface in different combination in the same area had no difference (P>005) ［Conclusion］1 It showes a higher stress dodge in the calcar femorale after using various kinds of prosthesis implantation After using CFR/PSF of lower elastic modulus as handle， the stress dodge rate is lower in femur， but the interface stress is higher， and this is the main factor and reason for the prosthesis loosening 2 The stress force rule meets the design principle that the stress force decreases gradually in the bone interface from proximal to distal The stress value in different combination of same prosthesis handle has no significant difference， that showes mechanical factor is not the main standard for selecting prosthesis combination

Key words：hip prosthesis;stress force/physics;biomechanics/finite element

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（total hip replacement，簡(jiǎn)稱THR）是公認(rèn)的治療髖關(guān)節(jié)疾病的安全有效的方法。但是，無菌性松動(dòng)仍然是影響人工關(guān)節(jié)長(zhǎng)期使用的主要原因。人們先后提出"骨水泥病、微粒病"的概念。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)在眾多的相關(guān)因素中，機(jī)械力學(xué)因素是造成假體松動(dòng)的主要原因之一［1］。然而，對(duì)于相同的假體柄而言，使用金屬對(duì)金屬、陶瓷對(duì)陶瓷、陶瓷對(duì)聚乙烯或者金屬對(duì)聚乙烯組合，其假體對(duì)骨界面的應(yīng)力是如何呢？這些力學(xué)因素是否是我們選擇不同組合的標(biāo)準(zhǔn)呢？這將是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

三維有限元法作為生物力學(xué)一種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法，可以測(cè)量骨與假體的應(yīng)力分布，并能對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行控制和模擬人體的生物力學(xué)條件，并且已有眾多學(xué)者采用此種方法成功進(jìn)行全髖置換的研究［2~4］。因此，作者采用三維有限元分析方法，來探討不同材料假體組合對(duì)非骨水泥型人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后骨界面的應(yīng)力分布規(guī)律，為人工髖關(guān)節(jié)的臨床應(yīng)用和設(shè)計(jì)制造提供有益的參考。

1材料與方法

11模型的設(shè)計(jì)與建立

選擇一例50~60歲的股骨頸骨折行人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的病例，術(shù)前先行患髖及相應(yīng)股骨中上段CT平掃，采用Super-sap軟件建立全髖置換前三維有限元模型。普魯斯(Plus)公司提供假體樣品，以EP-FIT壓配式球形臼、PE標(biāo)準(zhǔn)襯、鈷鉻鉬合金球頭、SL鈦合金柄為原模型。用千分卡尺對(duì)假體進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)繪，模擬骨整合后的界面狀態(tài)，將假體與骨界面節(jié)點(diǎn)的自由度進(jìn)行耦合，建立假體植入后的三維有限元模型。通過改變假體的材料參數(shù)，彈性模量、泊松比制造8種置換后模型。整個(gè)實(shí)驗(yàn)共建立9個(gè)模型。節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)如表1所示。

表1模型節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐智闆r（個(gè)）髖臼骨部分股骨部分假體部分節(jié)點(diǎn)單元節(jié)點(diǎn)單元節(jié)點(diǎn)單元置換前5204122102198100置換后478382189714593267301512模型命名分組

按照不同材料組合，分別命名為PCA（PE-鈷鉻鉬合金；其中P代表超高分子量聚乙烯內(nèi)襯、C代表鈷鉻鉬合金球頭、T代表Al2O3陶瓷、A代表鈦合金柄，以下類同）、PTA（PE-陶瓷）、TTA（陶瓷-陶瓷）、CCA（鈷鉻鉬合金-鈷鉻鉬合金）。另假設(shè)以復(fù)合材料CFR/PSF作為柄的各種組合，分別命名為PCF（F代表CFR/PSF）、PTF、TTF、CCF；而置換前命名為ZHQ。

13材料參數(shù)

上述各模型涉及的各種材料均簡(jiǎn)化為同性的均質(zhì)線彈性材料。由于SL柄與股骨髓腔相匹配，近端（大粗隆附近）主要與松質(zhì)骨接觸，柄下端使假體柄表面與股骨小粗隆以下的皮質(zhì)骨相接觸，與骨腔固定的位置主要在髓腔的狹部及骨干髓腔。因此對(duì)股骨嚴(yán)格區(qū)分皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨。而髖臼只考慮與臼杯接觸的部分，置換前主要是髖臼軟骨和軟骨下骨（皮質(zhì)骨）；置換后主要是松質(zhì)骨。為了較真實(shí)模擬置換后人工股骨頭與內(nèi)襯間相互運(yùn)動(dòng)情況，在其兩者之間應(yīng)加一種接近髖關(guān)節(jié)滑液性質(zhì)的物質(zhì)，作者以泊松比為0499［5］的組織替代。各材料參數(shù)均采用相關(guān)文獻(xiàn)［4、6］及由Plus公司提供。表2所示。表2組織材料參數(shù)組成彈性模量向

人工髖關(guān)節(jié)置換后，承受的載荷有兩類，即人體的體重及運(yùn)動(dòng)時(shí)的載荷，單足站立時(shí)的情況是比較典型的［7~9］。該患者體重為72 kg，單髖站立位時(shí)為60 kg（5/6×72），經(jīng)骶髂關(guān)節(jié)向下作用于股骨頭，關(guān)節(jié)合力通過股骨頭中心。根據(jù)骨盆力學(xué)原理，作用于股骨大轉(zhuǎn)子上的外展肌力Fm’，其載荷大小為Fm’=3 bw，外展肌力Fm與水平軸大約為60°（圖1）。據(jù)力矩平衡作用在股骨頭上的力T2=Ty+Tz；Ty=Fm’+bw；Tz= cos60Fm；Fm=Fm’／sin60。根據(jù)等效應(yīng)力原理我們將髖關(guān)節(jié)載荷加載于模型中髖臼骨表面及大粗隆相應(yīng)區(qū)域，從而將力均勻的傳遞至髖關(guān)節(jié)。

圖1單髖受力示意圖及股骨分區(qū)簡(jiǎn)圖15統(tǒng)計(jì)方法

為量化分析假體對(duì)骨界面應(yīng)力及股骨近端應(yīng)力，將髖臼分為臼頂、后壁、前壁三個(gè)象限；將假體及相應(yīng)股骨分成5個(gè)水平節(jié)段，每個(gè)節(jié)段再分成內(nèi)外（冠狀面）2個(gè)象限，內(nèi)側(cè)象限由近至遠(yuǎn)分別為A1、B1、C1、D1、E1，與之相應(yīng)的外側(cè)象限分別為A2、B2、C2、D2、E2（圖1）。取每個(gè)象限所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力均值作為該區(qū)域的骨質(zhì)應(yīng)力水平。各組間均數(shù)比較用單因素方差分析后繼以多樣本均數(shù)間差異的顯著性檢驗(yàn)（F檢驗(yàn)），ONE-WAY ANOVA。

2結(jié)果

獲得了髖關(guān)節(jié)置換前后的三維有限元模型（圖2-3）。同時(shí)獲得了髖關(guān)節(jié)在單足站立時(shí)的股骨應(yīng)力和假體對(duì)骨界面的應(yīng)力。

圖2置換前髖關(guān)節(jié)三維模型側(cè)位圖圖3置換后髖關(guān)節(jié)三維模型側(cè)位圖

21置換前后的應(yīng)力結(jié)果

211以鈦合金為柄

212以CFR/PSF為柄

213置換后股骨的應(yīng)力遮擋率（η）

應(yīng)力遮擋率η=1－σ/σ0（式中σ為術(shù)后等效應(yīng)力，σ0為術(shù)前等效應(yīng)力）［3］

綜合圖4-8可以看出，各種假體置換后沒有改變股骨總體的應(yīng)力模式，等效應(yīng)力（von Mises）峰值均位于假體遠(yuǎn)端相應(yīng)股骨區(qū)域，但應(yīng)力峰值有所下降，以股骨距區(qū)下降最為明顯，遮擋率最大，而以彈性模量較鈦合金低的CFR/PSF作為柄的股骨相應(yīng)區(qū)域的遮擋率均較小。對(duì)于相同的柄比較而言，不管是金屬-金屬、陶瓷-陶瓷、陶瓷-聚乙烯還是金屬-聚乙烯組合，其置換后股骨相同區(qū)域的應(yīng)力大小無明顯差異（P>005）。

22置換后假體對(duì)骨界面的應(yīng)力

221股骨側(cè)

圖9-10可見：各種組合的假體對(duì)股骨界面的應(yīng)力從近端至遠(yuǎn)端均呈逐漸增高趨勢(shì)，且在B1C1（B2C2）變化幅度較大，然后在假體中下段界面趨向緩和。而相同假體柄的不同組合其相應(yīng)界面應(yīng)力值無明顯差別（P>005），但彈性模量低的CFR/PSF較鈦合金柄在股骨相應(yīng)界面存在較高的應(yīng)力，在A1、A2象限兩者有顯著差異（P

轉(zhuǎn)貼于

222髖臼側(cè)

圖11、12可見：各種組合的假體（臼杯）對(duì)髖臼骨界面應(yīng)力較大范圍分布在髖臼四周，但從髖臼頂部后下前下呈逐漸遞減趨勢(shì)，且髖臼頂部與其它區(qū)域相比有非常顯著差異（P005）。而置換前在髖臼頂穹部存在較高應(yīng)力，最大應(yīng)力值為161 Mpa，然后向四周逐漸減少（圖13）。

3討論

31骨吸收，松動(dòng)與應(yīng)力遮擋

在自然狀態(tài)下，髖關(guān)節(jié)力是通過股骨頭傳遞到整個(gè)股骨上的；手術(shù)后假體和股骨構(gòu)成了一個(gè)新的力學(xué)系統(tǒng)，髖關(guān)節(jié)力的傳遞改由植入的假體來共同完成，這樣兩種或兩種以上材料組成一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，彈性模量較大的材料承擔(dān)更多的負(fù)荷［10］，即所謂的應(yīng)力遮擋。根據(jù)Wolff定律，應(yīng)力刺激增加時(shí)，骨應(yīng)變量增加，骨代謝中骨形成成份增加；應(yīng)力刺激減少時(shí)，骨應(yīng)變量減少，骨代謝以吸收增加為主。

由于應(yīng)力遮擋作用，一般股骨近端骨量丟失明顯。LMolfetta［11］報(bào)告1和7區(qū)的骨密度丟失最明顯，在術(shù)后4個(gè)月內(nèi)丟失為12 7 %，2和6區(qū)在術(shù)后7個(gè)月內(nèi)骨量丟失為5 4 %，3和5區(qū)術(shù)后7個(gè)月骨量增加50%，4區(qū)在整個(gè)2年隨訪中骨量沒有明顯變化。

上述發(fā)生骨量變化的原因主要在于應(yīng)力分布不均勻，假體柄尖端應(yīng)力過度集中并反復(fù)作用，造成局部骨硬化、骨質(zhì)增生和骨膜肥厚等增生改變，同時(shí)使近端應(yīng)力減少甚至消失，則造成骨質(zhì)脫鈣吸收。本試驗(yàn)證明置換后股骨遠(yuǎn)端應(yīng)力比正常應(yīng)力略小，而近端應(yīng)力明顯減少，使柄尖端處產(chǎn)生骨膜增生與近端處產(chǎn)生骨質(zhì)吸收與其相一致，并且以彈性模量較鈦合金低的CFR/PSF作為柄的股骨應(yīng)力值較接近生理范圍，相應(yīng)區(qū)域的遮擋率較小，從力學(xué)角度給予證實(shí)。林劍浩等報(bào)告了股骨假體周圍骨丟失由近及遠(yuǎn)呈遞減梯度改變。體外光彈性應(yīng)力測(cè)試及有限元分析表明股骨假體周圍骨質(zhì)應(yīng)力遮擋現(xiàn)象由近端向遠(yuǎn)端呈逐漸減弱趨勢(shì)。本試驗(yàn)得出相同的結(jié)果，符合骨反應(yīng)改變。圖4股骨內(nèi)側(cè)各象限等效應(yīng)力VMS均值圖5股骨外側(cè)各象限等效應(yīng)力VMS均值圖6股骨內(nèi)側(cè)各象限等效應(yīng)力VMS均值圖7股骨外側(cè)各象限等效應(yīng)力VMS均值圖8置換后股骨應(yīng)力遮擋率圖9假體對(duì)股骨內(nèi)側(cè)界面應(yīng)力圖10假體對(duì)股骨外側(cè)界面的應(yīng)力圖11各種假體（臼杯）對(duì)髖臼骨界面的應(yīng)力圖12置換后假體對(duì)髖臼應(yīng)力圖圖13置換前髖臼應(yīng)力圖32界面應(yīng)力問題探討

假體對(duì)骨界面的力可分解為兩個(gè)部分，一部分為切向應(yīng)力，稱為剪應(yīng)力，一部分為法向應(yīng)力，稱為正應(yīng)力。由于假體和骨的剪切模量不同，假體的剪切模量大，剪應(yīng)變??；骨的剪切模量小，剪應(yīng)變大，因此同樣的應(yīng)力下兩者在界面處的變形不同，這就使兩者發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。

有學(xué)者認(rèn)為［12］間充質(zhì)細(xì)胞在受到壓應(yīng)力時(shí)可分化為成骨細(xì)胞，促使骨代謝向骨形成轉(zhuǎn)換；在受到張應(yīng)力或剪切應(yīng)力時(shí)又可向成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)變，促使纖維組織形成。亦有人提出，垂直壓力有利于關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，但過大的垂直壓力會(huì)造成骨松質(zhì)的吸收。有關(guān)壓應(yīng)力促進(jìn)骨生長(zhǎng)的認(rèn)識(shí)源于骨折的加壓治療，剪應(yīng)力一直被認(rèn)為不利于骨折愈合，是發(fā)生骨不連的重要原因，但用有限元分析方法計(jì)算出骨骺的次級(jí)骨化區(qū)中心區(qū)域及軟骨生長(zhǎng)板處均處于剪切應(yīng)力狀態(tài)下，而此處是骨生長(zhǎng)的鈣化區(qū)，同時(shí)計(jì)算出關(guān)節(jié)軟骨表面處于靜水壓力狀態(tài)，此處的關(guān)節(jié)軟骨永不鈣化，據(jù)此提出，剪應(yīng)力可促進(jìn)軟骨細(xì)胞的分化和基質(zhì)的鈣化，由此得出壓、剪切應(yīng)力均對(duì)骨生長(zhǎng)具有明顯作用。

因此，假體置換的成功及長(zhǎng)期穩(wěn)定取決于骨界面有一個(gè)良好的應(yīng)力環(huán)境及骨組織的正常生理代謝。骨組織應(yīng)力適應(yīng)性有一定的范圍，如果低于或超出這一范圍，都將會(huì)導(dǎo)致骨組織吸收，但究竟何種形式的應(yīng)力分布及大小對(duì)假體一骨界面有損害作用則很難界定。目前，由于對(duì)活體骨組織承受壓力的生理限度并不十分清楚，所以只能盡量降低載荷，從而避免假體一骨界面應(yīng)力的過分集中導(dǎo)致界面骨組織的病理性損傷。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于股骨側(cè)，界面應(yīng)力從近端至遠(yuǎn)端呈逐漸增高趨勢(shì)的規(guī)律符合該假體的設(shè)計(jì)原理。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)柔軟的柄可以降低應(yīng)力遮擋，卻增加了界面應(yīng)力，而界面應(yīng)力過大是產(chǎn)生假體微動(dòng)主要因素，這一點(diǎn)與Huiskes的研究結(jié)果相符。對(duì)于髖臼側(cè)，置換前，應(yīng)力集中發(fā)生在髖臼軟骨下骨的頂穹部，最大應(yīng)力（VMS）為161Mpa，應(yīng)力以放射狀分布向周邊逐漸減弱，這證實(shí)了先前的髖關(guān)節(jié)經(jīng)關(guān)節(jié)軟骨的壓力分布結(jié)果，也與許多研究表明的在髖臼的頂穹部存在較高的軟骨退變發(fā)生率相一致［6］。置換后，各種組合的假體（臼杯）對(duì)髖臼骨界面應(yīng)力較大范圍分布在髖臼四周，但從髖臼頂部后下前下呈逐漸遞減趨勢(shì)。根據(jù)骨重建理論，當(dāng)骨受到應(yīng)力時(shí)，這些位置的成骨細(xì)胞處于應(yīng)力集中區(qū)。骨處于應(yīng)力區(qū)內(nèi)會(huì)增加其密度和硬度，而處于力學(xué)刺激較弱的區(qū)域則會(huì)弱化密度乃至失去鈣化特征，從而出現(xiàn)上述的臨床結(jié)果［11］。而文立成等根據(jù)Amstutz的分區(qū)方法對(duì)25例28個(gè)H/G非骨水泥型人工全髖關(guān)節(jié)進(jìn)行髖臼側(cè)X線隨訪觀察，隨訪時(shí)間36～76個(gè)月，平均48個(gè)月，發(fā)現(xiàn)骨吸收部位均在1區(qū)。應(yīng)力遮擋理論固然能夠部分解釋股骨吸收現(xiàn)象，但無法用來解釋髖臼側(cè)的骨質(zhì)吸收、假體松動(dòng)現(xiàn)象。

綜上所述：對(duì)于相同的柄比較而言，不管是金屬-金屬、陶瓷-陶瓷、陶瓷-聚乙烯還是金屬-聚乙烯組合，其股骨和髖臼相應(yīng)界面應(yīng)力值無明顯差別（P>005）。因此，從生物力學(xué)角度考慮，當(dāng)使用相同的柄時(shí)，醫(yī)生可以為患者選擇不同的假體組合，從而有更大的選擇空間；換而言之，力學(xué)因素并不是選擇假體組合的主要標(biāo)準(zhǔn)。但為何使用不同的材料其遠(yuǎn)期效果會(huì)如此大的差別呢？當(dāng)然這與假體的制作水平、患者的骨質(zhì)條件及醫(yī)生的手術(shù)技術(shù)等密切相關(guān)，然而磨損碎屑是導(dǎo)致晚期假體無菌性松動(dòng)最為關(guān)鍵的因素。人工關(guān)節(jié)磨損顆?？杉せ罹奘杉?xì)胞釋放IL-1，2，6、TNF-a、PDGF-2等多種溶骨因子，從而介導(dǎo)了骨-假體界面骨溶解。

因此，材料的耐磨損性和生物相容性是評(píng)定人工髖假體材料的基本條件。同時(shí)，應(yīng)結(jié)合術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)、患者的骨質(zhì)條件及經(jīng)濟(jì)狀況等，為不同的患者選擇適合的假體。

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髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特征范文第2篇

關(guān)鍵詞：汽車安全；乘員下肢；有限元模型；生物力學(xué)；損傷機(jī)理

中圖分類號(hào)：U461.91文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.02.04

汽車正面碰撞事故中，下肢是乘員最容易受到傷害的部位之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)乘員系上安全帶以及汽車配有安全氣囊時(shí)，下肢損傷所占比例約為頭部損傷的兩倍，而下肢損傷中55%的AIS2+損傷為KTH部位的損傷[1]。正面碰撞事故中KTH部位的損傷類型主要包括髕骨骨折、股骨骨折（包括股骨髁部、頭頸部和骨干骨折）以及髖關(guān)節(jié)損傷等，盡管不會(huì)直接危及生命，但致殘率高，且康復(fù)期長(zhǎng)，給傷者和社會(huì)帶來沉重的負(fù)擔(dān)。因此，乘員KTH部位損傷研究是汽車乘員保護(hù)領(lǐng)域的重要課題。

鑒于乘員KTH部位損傷的多發(fā)性和嚴(yán)重性，相關(guān)學(xué)者對(duì)正面碰撞事故中乘員KTH部位的損傷機(jī)理和耐受極限等進(jìn)行了大量的生物力學(xué)試驗(yàn)研究。Powell[2-3]、Melvin[4]和Viano[5-6]等通過膝部撞擊試驗(yàn)研究了KTH部位的損傷閾值，美國聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS 208法規(guī)以此為依據(jù)，將股骨軸向壓縮力（10 kN）作為乘員下肢的損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。而Rupp等[7]通過19組KTH部位正面碰撞試驗(yàn)得知：乘員骨盆的耐受極限遠(yuǎn)低于股骨，其損傷閾值僅為5.70（±1.38）kN。因此，正面碰撞事故中乘員KTH部位的損傷機(jī)理和耐受極限存在較大爭(zhēng)議，目前尚無定論。

為研究交通事故中乘員KTH部位的損傷機(jī)理，建立了一個(gè)高仿真度的中國乘員下肢生物力學(xué)有限元模型，著重對(duì)其KTH部位的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，并通過計(jì)算機(jī)仿真模擬，研究了正面碰撞事故中汽車乘員艙前端碰撞面與KTH部位的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)乘員KTH部位損傷程度的影響，為汽車安全性設(shè)計(jì)提供參考。

1 乘員下肢模型的建立

根據(jù)國標(biāo)GB 10000中50百分位中國成年男性的身體尺寸標(biāo)準(zhǔn)（身高1 678 mm，體重59 kg），選定一位30歲，身高1 680 mm，體重約60 kg的中國成年男性志愿者進(jìn)行下肢螺旋CT掃描，獲得人體下肢的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，并重建下肢骨骼的三維幾何模型。在此基礎(chǔ)上，利用ANSYS ICEM CFD軟件及其獨(dú)特的Block-Controlled網(wǎng)格劃分法建立下肢骨骼的有限元模型。由于肌肉、韌帶等下肢軟組織難以從CT影像中提取，本文通過研究其解剖學(xué)結(jié)構(gòu)確定下肢各軟組織的形態(tài)特征，在下肢骨骼模型的基礎(chǔ)上利用HyperMesh有限元前處理軟件構(gòu)建下肢軟組織的有限元模型。

建立的中國乘員下肢生物力學(xué)有限元模型如圖1所示。該模型具有完整的下肢解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，包括下肢骨骼、關(guān)節(jié)以及皮膚、肌肉等軟組織。

下肢骨骼模型包括骨盆、股骨、髕骨以及小腿骨等，均采用六面體單元?jiǎng)澐?，區(qū)分了皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨。皮質(zhì)骨除長(zhǎng)骨骨骺區(qū)域采用一層實(shí)體單元模擬外，其余部位如長(zhǎng)骨骨干、髕骨等均采用兩層單元?jiǎng)澐?，以獲得較好的計(jì)算精度和效率，且皮質(zhì)骨模型厚度按照CT影像中皮質(zhì)骨的真實(shí)厚度連續(xù)變化，最大程度再現(xiàn)下肢骨骼的解剖學(xué)特征。

關(guān)節(jié)模型則包括下肢兩個(gè)重要關(guān)節(jié)――膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。在交通事故中，乘員膝關(guān)節(jié)往往首先與汽車乘員艙前部發(fā)生碰撞，首當(dāng)其沖。膝關(guān)節(jié)軟組織模型包括韌帶、關(guān)節(jié)囊、半月板以及關(guān)節(jié)軟骨等，其中膝關(guān)節(jié)韌帶主要包括內(nèi)側(cè)副韌帶（Medial Collateral Ligament，MCL）、外側(cè)副韌帶（lateral collateral ligment，LCL）、前交叉韌帶（Anterior cruciate Ligament，ACL）、后交叉韌帶（Premature Capacity Lose，PCL）以及髕韌帶。除關(guān)節(jié)囊采用殼單元外，膝關(guān)節(jié)其余軟組織均采用實(shí)體單元模擬。髖關(guān)節(jié)模型由髖臼和股骨頭構(gòu)成，髖臼內(nèi)覆有一層軟骨實(shí)體單元，關(guān)節(jié)周圍由殼單元韌帶模型進(jìn)行加固。關(guān)節(jié)軟骨和韌帶模型的厚度參考文獻(xiàn)中相關(guān)解剖學(xué)數(shù)據(jù)設(shè)定[8-9]。各關(guān)節(jié)面之間定義為自動(dòng)面-面接觸（Automatic_Surface_to_Surface），關(guān)節(jié)軟組織間為單面接觸（Automatic_Single _Surface）。

肌肉與皮膚能夠吸收碰撞能量，改變骨骼的受力分布情況，具有一定的緩沖作用。肌肉采用六面體單元模擬，與長(zhǎng)骨模型共節(jié)點(diǎn)連接，并在表面附上一層殼單元模擬皮膚，厚度定義為1 mm。

乘員下肢有限元模型共包括177 101個(gè)單元，197 949個(gè)節(jié)點(diǎn)，最小單元尺寸0.7 mm，最小雅克比0.5，滿足計(jì)算要求。骨骼采用彈塑性材料模擬，肌肉、韌帶等采用粘彈性材料模擬，其它軟組織則定義為線彈性材料。骨骼和韌帶均定義了失效，以模擬骨折和韌帶撕裂。乘員下肢模型的材料參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)獲得，并進(jìn)行了一定的修正，見表1[10-11]。

2 KTH模型的驗(yàn)證

乘員KTH部位主要包括膝關(guān)節(jié)、大腿和髖關(guān)節(jié)三大部分，而大腿AIS2+損傷多為股骨骨折，因此模型驗(yàn)證的對(duì)象分別為膝關(guān)節(jié)、股骨和髖關(guān)節(jié)。本文通過模擬Haut等[12]的獨(dú)立膝關(guān)節(jié)沖擊試驗(yàn)和Kerrigan等[13]的股骨動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分別針對(duì)乘員膝關(guān)節(jié)模型和股骨模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并參考Rupp等[7]的沖擊試驗(yàn)，綜合驗(yàn)證了膝關(guān)節(jié)-大腿模型的有效性。骨盆模型來自于本研究團(tuán)隊(duì)成果[14]，髖關(guān)節(jié)模型驗(yàn)證過程在此不再贅述。

2.1 獨(dú)立膝關(guān)節(jié)沖擊驗(yàn)證

為了研究乘員膝關(guān)節(jié)的耐受極限，Haut等對(duì)獨(dú)立的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行了軸向撞擊試驗(yàn)。試驗(yàn)中將大腿從距膝關(guān)節(jié)約15 mm處截?cái)嗖傂怨潭ü晒墙孛?，并用繩索系住股四頭肌腱使膝關(guān)節(jié)呈90°彎曲。質(zhì)量約為4.5 kg的剛性圓柱撞錘在兩根導(dǎo)軌的引導(dǎo)下加速到3.4 m/s軸向撞擊膝關(guān)節(jié)部位，并記錄載荷-時(shí)間歷程。本文通過模擬Haut等的試驗(yàn)，對(duì)乘員KTH模型中的膝關(guān)節(jié)模型進(jìn)行了動(dòng)態(tài)沖擊驗(yàn)證，仿真參考試驗(yàn)設(shè)置，如圖2所示。

獨(dú)立膝關(guān)節(jié)沖擊驗(yàn)證仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示。Haut等的試驗(yàn)中，60歲以下年齡段尸體樣本膝關(guān)節(jié)的平均骨折極限為6.7±1.7 kN，仿真過程中出現(xiàn)的碰撞力峰值為5.4 kN，位于試驗(yàn)結(jié)果區(qū)間，且載荷上升趨勢(shì)與試驗(yàn)曲線相吻合。60歲以下年齡段的10組試驗(yàn)中，共有9組試驗(yàn)出現(xiàn)骨折，其中7處骨折發(fā)生在髕骨部位。仿真過程中髕骨模型最大應(yīng)力達(dá)到105 MPa，髕骨下端發(fā)生單元失效，如圖4所示，與試驗(yàn)骨折部位相對(duì)應(yīng)。因此，本文建立的乘員膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型能夠準(zhǔn)確模擬乘員膝關(guān)節(jié)的損傷。

2.2 股骨動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲驗(yàn)證

股骨模型參考Kerrigan等的股骨動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖5所示。試驗(yàn)中將股骨兩端塞入下方帶有弧形金屬板的金屬方盒內(nèi)，以提供一個(gè)簡(jiǎn)單的支撐條件，并保持股骨姿態(tài)與其在人體中的姿態(tài)一致。試驗(yàn)中金屬盒采用聚氨酯泡沫填充塞實(shí)，仿真時(shí)通過定義長(zhǎng)骨兩端與金屬盒的剛性連接（Constrained_Extra_Nodes_Set）來模擬。前端為弧形的剛性沖擊器以1.2 m/s的恒定速度從L-M方向加載于股骨中部直至骨折。

在動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲加載條件下，股骨中部彎矩-位移曲線仿真與試驗(yàn)對(duì)比如圖6所示。股骨模型中部承受的彎矩隨加載處位移的增加而增加，直至發(fā)生骨折，耐受極限為417 N?m，與Kerrigan等的試驗(yàn)結(jié)果412±102 N?m相接近。仿真曲線位于試驗(yàn)曲線范圍內(nèi)，因此股骨模型能較好地反映股骨的動(dòng)態(tài)生物力學(xué)響應(yīng)。

2.3 乘員膝部沖擊驗(yàn)證

為了研究軸向沖擊條件下乘員KTH部位的耐受限度，Rupp等對(duì)不含骨盆和大腿肌肉的下肢進(jìn)行了膝部軸向沖擊試驗(yàn)，如圖7所示。膝關(guān)節(jié)呈90°彎曲，股骨頭頂部由固定剛性杯狀裝置支撐，剛性沖擊塊在氣動(dòng)裝置的加速下軸向加載于乘員膝部位置，加載速率約為300 N/ms。為使沖擊塊穩(wěn)定地傳遞沖擊載荷，沖擊塊前端接觸面按膝部形狀塑造。仿真參考試驗(yàn)設(shè)置，如圖8所示。

仿真輸出沖擊塊接觸力-時(shí)間歷程曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖9所示。仿真曲線與試驗(yàn)曲線能較好地吻合，試驗(yàn)中股骨骨折的耐受極限為7.59±1.58 kN，而模型仿真得到的耐受極限為7.03 kN，位于試驗(yàn)結(jié)果區(qū)間內(nèi)。

圖10為膝部軸向沖擊載荷下仿真與試驗(yàn)骨折部位對(duì)比。在Rupp等的沖擊試驗(yàn)中，股骨均于股骨頸處發(fā)生骨折，如圖10d所示。仿真模擬過程中，下肢模型最大應(yīng)力均出現(xiàn)在股骨頸部。且頸部應(yīng)力隨時(shí)間逐漸增大。當(dāng)仿真進(jìn)行到20 ms時(shí)，股骨頸部應(yīng)力達(dá)到最大值121 MPa，23 ms時(shí)股骨頸部單元失效發(fā)生骨折，如圖10c所示，與試驗(yàn)骨折部位相同，因此模型生物仿真度較好。

3 正面碰撞乘員KTH部位的損傷分析

汽車乘員艙前端碰撞面設(shè)計(jì)角度，以及乘員坐姿的差異會(huì)導(dǎo)致乘員艙碰撞面與乘員KTH部位的相對(duì)位置關(guān)系有所不同。本文在Haut及Rupp等的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，運(yùn)用建立的乘員KTH生物力學(xué)有限元模型，基于汽車正面碰撞事故，仿真模擬研究了上述相對(duì)位置關(guān)系對(duì)乘員KTH生物力學(xué)響應(yīng)及損傷的影響。

3.1 撞擊面水平旋轉(zhuǎn)對(duì)KTH部位的損傷影響

撞擊面水平旋轉(zhuǎn)對(duì)乘員KTH部位的損傷影響分析如圖11所示，定義撞擊面水平碰撞角α為撞擊塊撞擊面法線與股骨軸線投影到水平面上的夾角，且向旋轉(zhuǎn)為正，向外側(cè)旋轉(zhuǎn)為負(fù)。參考Rupp等的試驗(yàn)方法，利用固定剛性杯狀裝置支撐股骨頭部以模擬髖關(guān)節(jié)，采用類似于Haut等試驗(yàn)中的撞擊塊（4.5 kg）并水平旋轉(zhuǎn)α角度后軸向撞擊乘員下肢膝關(guān)節(jié)部位，撞擊速度設(shè)為3 m/s。仿真過程中，保持膝關(guān)節(jié)模型呈90°彎曲，并用剛性墻模擬地面對(duì)足部的支撐。

本文分別進(jìn)行了-30°、-15°、0°、15°、30°五組不同水平角的碰撞仿真模擬，不同水平角碰撞下股骨軸向力對(duì)比如圖12所示。撞擊塊處于中性位置時(shí)（α=0°），股骨軸向力峰值約為4.74 kN；當(dāng)α=15°時(shí)，股骨軸向力為4.36 kN，相對(duì)于中性位置略有下降，而當(dāng)α=-15°時(shí)，股骨軸向力為3.25 kN，僅為撞擊塊中性位置時(shí)的69%。當(dāng)撞擊塊向內(nèi)、外側(cè)旋轉(zhuǎn)30°時(shí)，股骨軸向力下降更為明顯，尤其是向外側(cè)旋轉(zhuǎn)30°時(shí)（α=-30°），股骨軸向力峰值僅為1.84 kN，降幅高達(dá)61%。由此可見，無論撞擊塊向內(nèi)側(cè)或者外側(cè)旋轉(zhuǎn)，股骨軸向力均會(huì)出現(xiàn)下降，且水平碰撞角越大，股骨軸向力越小，尤其是當(dāng)撞擊塊向外側(cè)旋轉(zhuǎn)時(shí)，載荷降幅較大。內(nèi)、外側(cè)旋轉(zhuǎn)相同角度而導(dǎo)致的載荷差異，可能是由于股骨頭偏離股骨軸線內(nèi)伸的緣故。

圖13所示為不同水平角碰撞下KTH各部位的最大應(yīng)力值對(duì)比。不同碰撞角度下，最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在股骨頸部，其次為髕骨和股骨髁部。當(dāng)撞擊塊處于中性位置時(shí)，股骨頸部最大應(yīng)力為98.8 MPa，而當(dāng)沖擊器分別向內(nèi)、外側(cè)旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)力值均出現(xiàn)下降，且當(dāng)撞擊塊向外側(cè)旋轉(zhuǎn)時(shí)，各部位應(yīng)力值較低。撞擊塊向外側(cè)水平旋轉(zhuǎn)15°和30°時(shí)，股骨頸部應(yīng)力最大值分別為73.9 MPa和52.0 MPa，相對(duì)中性位置分別下降25%和47%。因此，撞擊塊從中性位置向兩側(cè)小角度水平旋轉(zhuǎn)有利于降低乘員下肢的沖擊載荷，尤其是向大腿外側(cè)旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度可在一定程度上降低乘員下肢的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 撞擊面前傾及乘員坐姿對(duì)KTH部位的損傷影響

對(duì)于汽車內(nèi)部的真實(shí)環(huán)境，為了滿足人機(jī)工程學(xué)和乘坐舒適性的要求，乘員艙前端面設(shè)計(jì)時(shí)往往向乘員膝部?jī)A斜一定角度。此外，由于車內(nèi)座椅相對(duì)于乘員艙地板高度較低，乘坐時(shí)乘員膝部相對(duì)于髖關(guān)節(jié)會(huì)稍稍抬起，且乘員坐姿的不同也會(huì)導(dǎo)致大腿“上抬”角度有所差異。而撞擊面法線和股骨軸線在矢狀面上的角度關(guān)系直接影響到乘員KTH部位的受力特征。本文基于下肢生物力學(xué)模型研究了正面碰撞事故中上述因素對(duì)乘員KTH部位損傷的影響，如圖14所示。保持膝關(guān)節(jié)模型呈90°彎曲，并用剛性墻模擬地面對(duì)足部的支撐，將撞擊塊向前傾斜一定角度，定義撞擊面法線與水平基準(zhǔn)的夾角為撞擊面前傾角θ，并調(diào)整下肢模型姿勢(shì)使乘員大腿稍稍向上抬起，定義股骨軸線與水平基準(zhǔn)的夾角為β。股骨頭支撐方式、撞擊塊類型與上節(jié)相同，撞擊塊以3 m/s的速度水平撞擊膝關(guān)節(jié)部位。β和θ分別取值0°、10°、20°和30°，排列組合進(jìn)行4×4共16組碰撞仿真模擬，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

表2為β角和θ角不同組合下股骨軸向力仿真結(jié)果。16組仿真結(jié)果表明，當(dāng)β=10°且θ=0°時(shí)，股骨軸向力最大，為4.81 kN；而當(dāng)β=0°且

θ=30°時(shí)，股骨軸向力最小，僅為1.62 kN，降幅為66%。由此可見，適當(dāng)?shù)摩陆呛挺冉墙M合能夠顯著降低乘員大腿在正面碰撞過程中的載荷。此外，僅從單一因素進(jìn)行分析，股骨軸向力隨β角或θ角的變化規(guī)律并不明顯，體現(xiàn)出乘員KTH部位在正面碰撞過程中損傷機(jī)理的復(fù)雜性。

為了分析股骨軸向力與撞擊面前傾角θ和乘員坐姿角β的相關(guān)性，以（θ-β）為橫坐標(biāo)，股骨軸向力為縱坐標(biāo)，如圖15所示。當(dāng)β=0°或10°時(shí)，（θ-β）≥-10°，股骨軸向力隨（θ-β）值的增大而減少。當(dāng)（θ-β）一定時(shí)，股骨軸向力隨β或θ的變化并不明顯。當(dāng)β=20°或30°時(shí)，股骨軸向力先隨著（θ-β）的增大而遞增，當(dāng)（θ-β）=

-10°時(shí)，股骨軸向力達(dá)到最大值，隨后股骨軸向力隨著（θ-β）的增大而遞減。當(dāng)（θ-β）一定時(shí)，β=20°或30°時(shí)的股骨軸向力相差不大，但明顯低于β=0°或10°時(shí)的股骨軸向力。

在圖14所示的約束和加載條件下，股骨應(yīng)力最大值多出現(xiàn)在頸部，股骨頸部應(yīng)力隨（θ-β）的變化關(guān)系如圖16所示。16組仿真結(jié)果表明，當(dāng)β=10°且θ=0°時(shí)，股骨頸部應(yīng)力值最大，達(dá)104.6 MPa；而當(dāng)β=0°且θ=30°時(shí)，股骨頸部應(yīng)力值最小，僅為39.8 MPa，降幅達(dá)62%，如圖17所示。股骨頸部應(yīng)力變化趨勢(shì)與股骨軸向力變化趨勢(shì)相同，當(dāng)（θ-β）=

-10°，股骨頸部應(yīng)力最大；當(dāng)（θ-β）偏離-10°時(shí)，股骨應(yīng)力遞減。

圖18為髕骨應(yīng)力隨（θ-β）的變化關(guān)系。髕骨最大應(yīng)力出現(xiàn)在β=0°且θ=10°時(shí)，最大應(yīng)力為97.7 MPa；最小應(yīng)力仍出現(xiàn)在β=0°且θ=10°時(shí)，僅為45.5 MPa，降幅54%。髕骨應(yīng)力變化趨勢(shì)與股骨有所不同，當(dāng)β或θ一定，（θ-β）在（-10°，20°）之間變化時(shí)，髕骨應(yīng)力較大但變化較??；而（θ-β）20°時(shí)，髕骨應(yīng)力下降明顯。此外，當(dāng)（θ-β）一定時(shí)，β=0°或10°

時(shí)的髕骨應(yīng)力略高于β=20°或30°時(shí)。

綜上所述，乘員膝部正面碰撞時(shí)，KTH部位的損傷風(fēng)險(xiǎn)和撞擊面法線與乘員股骨軸線在矢狀面上投影的夾角（θ-β）關(guān)系緊密，適當(dāng)?shù)摩扰cβ組合能夠有效改善乘員KTH部位的受力和損傷情況。

4 結(jié)論

（1）建立了具有精細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的50百分位中國成年乘員下肢生物力學(xué)有限元模型，該模型包括下肢骨骼、關(guān)節(jié)以及皮膚、肌肉等軟組織，其中下肢骨骼模型包括骨盆、股骨、髕骨以及小腿骨等，關(guān)節(jié)模型包括髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。該模型有助于研究汽車正面碰撞事故中乘員下肢的損傷風(fēng)險(xiǎn)和損傷機(jī)理，為汽車安全性設(shè)計(jì)提供參考。

（2）模擬相關(guān)生物力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)乘員KTH模型的仿真可靠性進(jìn)行了全面的驗(yàn)證。結(jié)果表明，模型具有較好的生物仿真度，能夠準(zhǔn)確模擬正面碰撞事故中乘員KTH部位的生物力學(xué)響應(yīng)和損傷細(xì)節(jié)。

（3）研究了正面碰撞事故中汽車乘員艙前端碰撞面與乘員KTH部位相對(duì)碰撞角度對(duì)乘員KTH部位的損傷影響。仿真分析表明，乘員膝部正面碰撞時(shí)，KTH部位的損傷風(fēng)險(xiǎn)和撞擊面法線與乘員股骨軸線在水平面和矢狀面上的投影角緊密相關(guān)，其損傷風(fēng)險(xiǎn)隨水平面投影角絕對(duì)值的增大而降低，水平面投影角為0°時(shí)損傷風(fēng)險(xiǎn)最大，碰撞面向兩側(cè)水平旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度有利于降低乘員KTH部位的損傷風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)矢狀面投影角（θ-β）位于-10°附近時(shí)，大腿（股骨）損傷風(fēng)險(xiǎn)較高；當(dāng)（θ-β）偏離-10°時(shí)，損傷風(fēng)險(xiǎn)遞減；而當(dāng)（θ-β）位于（-10°，20°）之間時(shí)，髕骨損傷幾率較大。

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髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特征范文第3篇

關(guān)鍵詞：短跑技術(shù)；屈蹬技術(shù)；髖動(dòng)力；放松技術(shù)；綜述

中圖分類號(hào)：G808.1；G82　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　文章編號(hào)：1006-7116(2009)03-0077-06

從1896年第一屆現(xiàn)代奧運(yùn)會(huì)，美國運(yùn)動(dòng)員伯克以11.8s奪得100m跑桂冠，到2008年牙買加人博爾特創(chuàng)造了9.69s的世界記錄，100m跑成績(jī)提高了2.1s。除了科學(xué)化訓(xùn)練及場(chǎng)地器械更新等因素外，短跑技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，也是重要因素。源于短跑實(shí)踐的短跑技術(shù)理論，對(duì)短跑技術(shù)的發(fā)展起預(yù)測(cè)及導(dǎo)向作用，是短跑技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)。我國短跑技術(shù)理論的發(fā)展，經(jīng)歷了20世紀(jì)五六十年代的引進(jìn)與借鑒，七八十年代的補(bǔ)充與修訂。在發(fā)展過程中，原來被公認(rèn)的技術(shù)理論，由于不能適應(yīng)現(xiàn)代短跑運(yùn)動(dòng)發(fā)展的需要逐漸被舍棄，而有些技術(shù)理論則在爭(zhēng)論過程中逐漸得到大家的認(rèn)可。在世界短跑水平穩(wěn)固發(fā)展而我國短跑水平卻停滯不前的關(guān)鍵時(shí)期，有必要對(duì)那些曾經(jīng)是大家爭(zhēng)論的焦點(diǎn)問題進(jìn)行回顧與總結(jié)。

1　前蹬阻力――動(dòng)力問題

傳統(tǒng)的短跑技術(shù)理論以重心相對(duì)于支撐點(diǎn)的空間位置，將一個(gè)完整的單步分成著地緩沖(前蹬)與后蹬兩個(gè)階段，并根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論分析支撐過程中的人體受力情況。其主要觀點(diǎn)是，在緩沖階段，由于重心在支撐點(diǎn)后方，支撐反作用力與人體跑進(jìn)的方向相反。因此，支撐反作用力是阻力，人體做減速運(yùn)動(dòng)。在重心移過支撐上方后，此時(shí)支撐腿蹬伸發(fā)力，支撐反作用力與人體跑進(jìn)的方向一致，是動(dòng)力。所以，該理論認(rèn)為在前蹬階段只能被動(dòng)緩沖以減少制動(dòng)阻力；在后蹬階段要積極蹬伸，以加強(qiáng)后蹬效果。這一技術(shù)理論對(duì)我國短跑運(yùn)動(dòng)的發(fā)展曾起到重大作用。然而，隨著場(chǎng)地器材的更新，相關(guān)學(xué)科成果的滲透以及分析手段、方法的進(jìn)步，許多學(xué)者對(duì)這一理論產(chǎn)生了懷疑。前蹬階段問題的焦點(diǎn)主要集中在兩個(gè)方面：先進(jìn)的著地技術(shù)能否有效地減小制動(dòng)力；前蹬階段是否存在阻力，為減小制動(dòng)力而加快小腿回?cái)[速度的技術(shù)是否正確。

蘇仕君通過三維測(cè)力臺(tái)對(duì)短跑支撐階段人體受力情況的測(cè)量，從數(shù)值上定量地確定了前蹬階段阻力存在的事實(shí)。李誠志指出，這種阻力的大小取決于腳著地瞬間相對(duì)地面的水平速度，腳著地瞬間正向水平速度越大，前蹬制動(dòng)力就越大，反之則小。因此，在腳著地前，加快小腿的回?cái)[速度對(duì)減小制動(dòng)力是非常有益的。大多數(shù)學(xué)者對(duì)此著地技術(shù)稱為“后扒式”或“鞭打式”著地技術(shù)。黃香伯對(duì)此技術(shù)的數(shù)理分析表明，鞭打扒地動(dòng)作可使人體在前支撐期間獲得動(dòng)力，前支撐期間動(dòng)力的大小取決于多種因素，但最主要的因素是鞭打速度。金發(fā)倉用三維測(cè)力臺(tái)對(duì)“戳地式”、“正常式”和“后扒式”3種落地技術(shù)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的研究表明，“扒地式”落地技術(shù)能加強(qiáng)后蹬階段的水平分力，用力方向較為合理，并能縮短支撐時(shí)間。朱謙通過教學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，注重“后扒式”著地技術(shù)的教學(xué)和發(fā)展與“后扒式”動(dòng)作技術(shù)有關(guān)肌群的力量訓(xùn)練，能優(yōu)化支撐階段各運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，并有效提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。同時(shí)他指出，腳主動(dòng)積極“后扒”產(chǎn)生的地面反作用力的水平分力與運(yùn)動(dòng)方向一致，能減弱由支撐地面產(chǎn)生的與運(yùn)動(dòng)方向相反的反作用力的影響，因而能變前蹬減速為加速。此外，主動(dòng)“后扒”的技術(shù)還能減輕支撐腿負(fù)擔(dān)，節(jié)省能量，利用已有的慣性和肌肉收縮力量，提高速度和后程的跑速。駱建等對(duì)短跑途中跑著地緩沖技術(shù)的生物力學(xué)研究結(jié)果表明，著地緩沖開始瞬間的“扒地式”著地技術(shù)的好壞，不僅對(duì)減小人體在著地緩沖時(shí)受到與人體運(yùn)動(dòng)方向相反的支撐反作用力的水平分力大小有重要作用，而且對(duì)增大步長(zhǎng)也有關(guān)鍵性影響。張仲景等認(rèn)為，后蹬扒地是短跑運(yùn)動(dòng)中支撐腳扒地技術(shù)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是推動(dòng)人體快速向前運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?。在快速跑?dòng)中，如果忽視支撐腳后蹬扒地的用力動(dòng)作，就會(huì)間斷支撐腳扒地式著地技術(shù)的連續(xù)性，延長(zhǎng)支撐時(shí)間，從而喪失跑動(dòng)動(dòng)作協(xié)調(diào)配合的整體效益，影響人體前移的速度。此外，在途中跑過程中，正確的后蹬扒地技術(shù)可以防止支撐腿膝關(guān)節(jié)過度伸展，縮小大腿后擺的幅度，有利于使髖屈肌群、股后肌群所產(chǎn)生的收縮力量和擺動(dòng)力量得到充分的發(fā)揮與利用，從而加大大腿前擺的速度。王志強(qiáng)等對(duì)不同水平短跑運(yùn)動(dòng)員途中跑支撐反作用力的研究結(jié)果表明，制動(dòng)力效應(yīng)不僅與著地前腳相對(duì)于地面的水平速度有關(guān)，而且著地的動(dòng)作效果對(duì)其的影響可能更大。較小的著地水平速度和合理的前支撐段技術(shù)可以在不增加制動(dòng)效應(yīng)的基礎(chǔ)上增加前支撐距離，從而增加支撐步長(zhǎng)，提高技術(shù)效果。

從上述眾多學(xué)者對(duì)“后扒式”著地技術(shù)的分析可知，該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地減小制動(dòng)效應(yīng)。而著地前小腿的回?cái)[速度對(duì)降低腳的水平速度起關(guān)鍵性作用。因此，在著地瞬間，擺動(dòng)腿大腿應(yīng)積極下壓，小腿做向后的加速運(yùn)動(dòng)。但是，也有學(xué)者對(duì)此觀點(diǎn)進(jìn)行了反駁。早在1982年蔡國鈞就提出，過分地追求小腿的回?cái)[速度是不對(duì)的。此后，陳有源對(duì)“后扒式”著地技術(shù)也進(jìn)行了否定。他從轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)角度對(duì)支撐過程進(jìn)行分析后認(rèn)為，著地后人體是以支撐腳為軸向前轉(zhuǎn)動(dòng)，著地反沖力始終通過轉(zhuǎn)軸，力矩為零。因此，無論它的大小如何，都不能成為支撐腿繞足或關(guān)節(jié)向前轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力。所以，把鞭打、扒地和小腿后屈作為減小著地反沖力對(duì)人體的制動(dòng)作用，將不具有任何意義。

綜上所述，大多數(shù)學(xué)者對(duì)“后扒式”著地技術(shù)持肯定態(tài)度，但也有學(xué)者從不同角度提出相反的意見。盡管還沒有研究報(bào)道有優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員腳向后的速度大于或等于人體質(zhì)心向前的速度，但大量的研究結(jié)果證明，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的小腿后屈速度明顯大于一般運(yùn)動(dòng)員。因此，盡量減小腳相對(duì)于地面的速度是短跑運(yùn)動(dòng)員應(yīng)努力的方向。同時(shí)我們也要認(rèn)識(shí)到，短跑是一項(xiàng)要求肢體環(huán)節(jié)高度協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，各環(huán)節(jié)間的運(yùn)動(dòng)應(yīng)視為一個(gè)系統(tǒng)，在其它環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)沒有達(dá)到一定要求之前過分追求小腿的回?cái)[速度會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)功能的破壞，從而影響跑速。所以，對(duì)不同水平運(yùn)動(dòng)員，根據(jù)其身體形態(tài)及各環(huán)節(jié)生物力學(xué)參數(shù)來定量評(píng)價(jià)其著地技術(shù)的優(yōu)劣，以及對(duì)“后扒式”著地技術(shù)對(duì)整個(gè)支撐階段重要影響的研究應(yīng)引起大家的關(guān)注。

2　屈蹬技術(shù)

所謂的“屈蹬技術(shù)”，是相對(duì)傳統(tǒng)的基于后蹬理論下的髖、膝、踝3關(guān)節(jié)充分蹬直的技術(shù)而言的短跑技術(shù)。在20世紀(jì)80年代初期，李誠志、黃宗成對(duì)短跑技術(shù)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，世界優(yōu)秀短跑選手的后蹬腿膝關(guān)節(jié)的屈曲度，明顯大于我國選手。他們多采用“屈蹬式”的蹬地動(dòng)作。即蹬地階段不強(qiáng)調(diào)蹬地腿充分蹬伸，如美國運(yùn)動(dòng)員蹬離時(shí)的膝角為151°，而我國運(yùn)動(dòng)員較直，為161°。此后，關(guān)于“屈蹬式”短跑技術(shù)的報(bào)道大量出現(xiàn)，眾多學(xué)者分別從運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)、肌肉生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等對(duì)此技術(shù)的優(yōu)越性進(jìn)行了深入探討。

在1981年B?B丘巴等就注意到了蹬伸階段的“屈蹬現(xiàn)象”。隨后他們從生理解剖學(xué)上也證實(shí)了膝關(guān)節(jié)從164°伸展到168°，髖、踝關(guān)節(jié)間的距離縮短的事實(shí)。劉建生在1983年通過三角函數(shù)也推算出膝關(guān)節(jié)大于一定角度時(shí)再伸展，其長(zhǎng)度增加是很微小的結(jié)論。這就在功能解剖學(xué)上證明了傳統(tǒng)后蹬理論欲通過充分蹬直3關(guān)節(jié)來追求做功距離的設(shè)想是不正確的。趙杰認(rèn)為，屈蹬技術(shù)一方面沒有發(fā)揮最大肌肉力量因而可以保持較高的收縮速度，另一方面能保持較大的肌拉力角和肌拉力矩，從而提高大小腿折疊的力量，縮短前擺半徑，提高擺動(dòng)腿前擺速度。王魯克報(bào)道，“屈蹬式”與傳統(tǒng)的后蹬型技術(shù)相比較，更具有經(jīng)濟(jì)性、實(shí)效性。具體表現(xiàn)在，屈蹬式技術(shù)支撐腿后蹬時(shí)膝角變化小，支撐后蹬時(shí)間短，小腿傾角及后蹬角小，利于增大向前水平速度，減小重心波動(dòng)差，增大步幅，提高跑的實(shí)效性。于湘澤認(rèn)為“屈蹬技術(shù)”能縮短支撐時(shí)間，提高步頻。代進(jìn)軍等提出，后蹬過程中過度伸直膝關(guān)節(jié)會(huì)導(dǎo)致后蹬角度增大。而后蹬角度一旦增大，就會(huì)引起騰空高度的增加和騰空時(shí)間的延長(zhǎng)。這雖然能起到增大步長(zhǎng)作用，卻貽誤了跑的頻率、損害了步長(zhǎng)與頻率的合理配置，從而影響了提高跑速的綜合效益。而“屈蹬技術(shù)”不僅適應(yīng)跑道的性能，而且服從跑的整體技術(shù)需要。這對(duì)保持跑的向前性、連續(xù)性、平穩(wěn)直線性十分有益，從而可以獲得步長(zhǎng)、步頻的雙重效益。徐萱俊的肌電圖實(shí)驗(yàn)顯示，后蹬過程中，膝關(guān)節(jié)角度超過155°，肌肉活動(dòng)強(qiáng)度明顯下降。李強(qiáng)從解剖學(xué)和肌肉生理學(xué)對(duì)“屈蹬技術(shù)”優(yōu)越性的描述為，“屈蹬技術(shù)”能避免髖關(guān)節(jié)出現(xiàn)主動(dòng)不足的現(xiàn)象，能充分發(fā)揮主要關(guān)節(jié)的力量；短跑技術(shù)有利于減小后蹬角，并可協(xié)調(diào)步幅與步頻的關(guān)系；有利于肌肉的彈性成分儲(chǔ)存能量，使收縮成分產(chǎn)生的張力變化趨于緩和，防止肌肉的損傷。

綜上所述，“屈蹬技術(shù)”不僅能更好地適應(yīng)并充分利用塑膠跑道的物理性能，而且能更有效地提高跑速。相對(duì)于“后蹬式”短跑技術(shù)，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：一是有利于蹬離地后的折疊擺動(dòng)，提高擺腿速度，這符合現(xiàn)代短跑的技術(shù)特征要求；二是能減小重心波動(dòng)，有利于速度的保持和增加；三是能優(yōu)化步頻和步長(zhǎng)的關(guān)系，從整體上提高跑的綜合效應(yīng)。此外，相關(guān)研究者從其它角度對(duì)“屈蹬技術(shù)”現(xiàn)象做了不同的解釋。王志強(qiáng)等嘲提出，膝、踝關(guān)節(jié)的主要作用是起堅(jiān)固的支撐，膝關(guān)節(jié)緩沖和蹬伸幅度過大不利于髖動(dòng)力作用的實(shí)現(xiàn)。而駱建則認(rèn)為，蹬伸后段所獲得的有效反作用力小于人體前進(jìn)中的阻力，屬于無效蹬伸，因此應(yīng)提前結(jié)束蹬伸過程。王保成認(rèn)為，支撐腿膝角變化過大，就增加了腿的支撐時(shí)間，降低整條腿在身體下的擺動(dòng)速度。

因此，無論是“屈蹬技術(shù)”帶來短跑成績(jī)顯著提高的事實(shí)，還是大家從各方面對(duì)此技術(shù)優(yōu)越性的合理解釋，我們都有理由相信，“屈蹬式”短跑技術(shù)符合場(chǎng)地器材發(fā)展的需要，有利于運(yùn)動(dòng)員充分發(fā)揮其競(jìng)技能力，代表現(xiàn)代短跑技術(shù)的發(fā)展方向。而我國目前的實(shí)際情況是，很多少年兒童只能在煤渣跑道甚至是泥土場(chǎng)地上接受短跑初級(jí)訓(xùn)練，為了取得訓(xùn)練效果或競(jìng)賽名次，“后蹬式”短跑技術(shù)仍是他們的主流技術(shù)。毫無疑問，這將會(huì)給他們?nèi)蘸蟾邔哟蔚挠?xùn)練帶來了不利影響。因此，如何銜接不同場(chǎng)地上的短跑技術(shù)，使這些少年兒童更快地適應(yīng)塑膠跑道，或者是如何在煤渣跑道和泥土場(chǎng)地上提高“屈蹬式”短跑技術(shù)的適用性等方面的問題應(yīng)引起大家的重視。

3　短跑核心動(dòng)力來源――髖動(dòng)力

隨著運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的進(jìn)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)支撐階段髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度與速度比膝關(guān)節(jié)的要大得多。結(jié)合現(xiàn)代短跑技術(shù)特點(diǎn)及髖關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到髖關(guān)節(jié)才是跑進(jìn)的動(dòng)力來源。髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是支撐階段支撐腿的伸髖參數(shù)；二是支撐過程中擺動(dòng)腿的屈髖參數(shù)，由擺動(dòng)腿的速度、幅度體現(xiàn)。

丘巴的研究結(jié)果表明，在短跑中身體質(zhì)量中心速度損耗的減小是由髖關(guān)節(jié)的伸展力矩所決定的。J?瓦澤爾認(rèn)為，對(duì)跑速起決定作用的是髖部伸肌的工作能力。宮本莊指出，途中跑蹬地過程中股四頭肌收縮強(qiáng)度不高，僅起支撐作用，而股后肌群才是最后完成后蹬動(dòng)作的關(guān)鍵肌肉。朱謙在研究中指出，髖所擁有的肌纖維數(shù)量和力量比膝、踝大得多，髖伸展幅度達(dá)70°左右，膝17°左右，踝25°左右，表明髖是取得跑速動(dòng)力的主要關(guān)節(jié)。K?維曼通過髖角從支撐階段開始即始終處于伸展?fàn)顟B(tài)這一現(xiàn)象認(rèn)為，髖股部肌肉能夠單獨(dú)地完成短跑支撐階段所需的伸髖一伸膝活動(dòng)。如果收縮速度相同，髖股部肌肉作用產(chǎn)生的動(dòng)作速度比膝部伸肌大得多。依藤章對(duì)東京世界田徑錦標(biāo)賽的研究結(jié)果表明，在起跑和途中跑中髖關(guān)節(jié)的伸展速度越快，跑速越快。王衛(wèi)星認(rèn)為，快速伸髖對(duì)跑速的影響遠(yuǎn)大于快速伸膝。王志強(qiáng)等提出，短跑途中跑中髖是人體水平加速的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，兩大腿的剪絞速度及支撐腿伸髖的角速度是影響支撐階段人體水平速度的主要因素。狩野豐通過核磁共振技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，大腿上70％部位的內(nèi)收肌群和股后肌群的橫截面積與100m跑成績(jī)成正相關(guān)，而股四頭肌及50％部位符肌群橫截面積卻不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的相關(guān)性。

大家除了對(duì)支撐腿伸髖技術(shù)及其作用作了深入分析外，對(duì)擺動(dòng)腿參數(shù)對(duì)短跑速度的影響也展開了廣泛的研究：Winfried認(rèn)為，產(chǎn)生較高跑速的原因是有力的擺腿而不是快速的蹬地。金原勇、阿江通良提出，大腿運(yùn)動(dòng)的角速度及擺動(dòng)幅度是衡量短跑技術(shù)的最好尺度。劉建生認(rèn)為，當(dāng)肌肉牽動(dòng)人體某部分運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須要同時(shí)牽引人體的另外一部分做相反的運(yùn)動(dòng)。因此，只有擺動(dòng)腿積極前擺，才能使支撐腿迅速后劃。金發(fā)倉曾指出，我國短跑運(yùn)動(dòng)員步頻慢的主要原因是擺動(dòng)腿速度慢，加快擺動(dòng)腿前擺與下壓速度并重視擺腿高度是提高我國短跑成績(jī)的主要途徑。阿江通良。通過身體各部分之間能量傳遞利用的想法對(duì)短跑技術(shù)進(jìn)行分析認(rèn)為，髖部的屈伸肌群是短跑水平運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿υ?。關(guān)于擺動(dòng)腿迅速上擺的作用，蘇仕君認(rèn)為，高抬大腿能增加勢(shì)能，加快腳的扒地速度，拉長(zhǎng)大腿后群肌肉，加長(zhǎng)工作距離，增大步幅；吳太平指出，快速前擺大腿能對(duì)人體產(chǎn)生向前上方的拉力，減少制動(dòng)，使身體快速前移，縮短支撐時(shí)間，并帶動(dòng)同側(cè)髖關(guān)節(jié)前移從而增大步長(zhǎng)。徐開春的研究結(jié)果表明，快速擺動(dòng)大腿可以加大支撐腿對(duì)地面的壓力，使支撐

腿具有更大的勢(shì)能，加快兩腿的交換頻率，達(dá)到增加步速，加快重心前移的作用。王志強(qiáng)等在研究中指出，擺動(dòng)腿快速前擺對(duì)支撐階段人體水平速度的保持和增加有著重要的意義。徐茂典認(rèn)為，擺動(dòng)腿最大的擺動(dòng)速度是影響支撐時(shí)間的關(guān)鍵，并直接影響途中跑的步頻和速度。緩沖期加快擺動(dòng)腿的擺動(dòng)速度能有效地加快重心的前移速度。

綜上所述，大家在對(duì)支撐階段髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行描述時(shí)，也對(duì)快速伸髖和擺腿對(duì)保持和提高跑速的重要作用進(jìn)行了論證，從兩方面證實(shí)了髖是人體加速的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，髖關(guān)節(jié)是跑進(jìn)過程中的重要?jiǎng)恿碓?。在?shí)踐中，髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度與速度對(duì)動(dòng)力效果的提高、身體重心的快速前移、支撐時(shí)間的縮短等積極作用已得到人們認(rèn)可。因此，很多運(yùn)動(dòng)員希望通過加大支撐過程中髖的運(yùn)動(dòng)幅度與速度來提高跑速。但是，我們應(yīng)注意，一方面短跑要求運(yùn)動(dòng)過程中人體的各環(huán)節(jié)必須高度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特征必須服從于整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。為了求大而增大的做法必然要導(dǎo)致動(dòng)作系統(tǒng)的連續(xù)性和平衡性遭到破壞，影響整體動(dòng)作結(jié)構(gòu)的功能，勢(shì)必影響跑速的保持和提高。另一方面，過大的伸髖及伸膝所獲得的微小利益，相對(duì)于此舉導(dǎo)致的低效支撐時(shí)間過長(zhǎng)、后繼折疊不力、后蹬角過大等問題而言是得不償失的。因此，在對(duì)不同等級(jí)運(yùn)動(dòng)員做技術(shù)診斷和指導(dǎo)時(shí)，必須根據(jù)其自身的特點(diǎn)及同等水平運(yùn)動(dòng)員的共同技術(shù)特征來進(jìn)行。脫離運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際競(jìng)技能力去要求其做相關(guān)的技術(shù)改進(jìn)，必將事倍功半。

4　放松技術(shù)

從短跑的項(xiàng)目特征來看，它是距離最短、強(qiáng)度最大的極限體能類項(xiàng)目，要求運(yùn)動(dòng)員在極度缺氧的情況下，能充分發(fā)揮人體的速度、爆發(fā)力。這就在神經(jīng)肌肉的功能特點(diǎn)上對(duì)短跑運(yùn)動(dòng)員提出了較高的要求，一方面，要求神經(jīng)靈活性高、興奮與抑制轉(zhuǎn)換快；另一方面，肌肉的收縮與放松能力強(qiáng)，并高度協(xié)調(diào)。因此，從短跑項(xiàng)目的生理特點(diǎn)上我們就能看出，放松技術(shù)對(duì)于提高跑速具有十分重要的作用。美國著名短跑教練溫特曾說過，教會(huì)任何一個(gè)田徑運(yùn)動(dòng)員掌握放松技術(shù)，會(huì)取得好的甚至驚人的效果，特別是對(duì)短跑運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)起很大的作用。美國著名學(xué)者維蘇茨金對(duì)世界優(yōu)秀短跑運(yùn)動(dòng)員研究表明，短跑運(yùn)動(dòng)員的100m跑成績(jī)由10.9s提高到10s的諸因素中，爆發(fā)力的提高占20.57％，力量的增加占12.34％，肌肉放松能力的改善占21.57％。這一成果有力地證明了高速跑中放松技術(shù)對(duì)提高成績(jī)的重要作用。所謂短跑的放松技術(shù)是指住短跑過程中，運(yùn)動(dòng)員通過心理、生理等因素的合理調(diào)節(jié)，以保持在高速跑中身體的協(xié)調(diào)放松，使神經(jīng)系統(tǒng)與肌肉系統(tǒng)高度配合，肌肉的收縮與舒張得以按照技術(shù)要求協(xié)調(diào)進(jìn)行，人體以最大限度發(fā)揮肌體的能量并獲得最高速度的一種提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的有效方法。沈紅斌提出，放松技術(shù)有利于減少高速跑時(shí)的多余動(dòng)作，有效地降低運(yùn)動(dòng)員賽前的焦慮程度，穩(wěn)定情緒并改善神經(jīng)系統(tǒng)的沖動(dòng)，減輕高速跑時(shí)大腦皮質(zhì)的負(fù)擔(dān)，加快大腦皮質(zhì)中樞興奮和抑制的轉(zhuǎn)換速度，有利于步頻的提高。王魯克報(bào)道，放松技術(shù)有利于減小肌肉本身對(duì)抗肌的阻力，增大肌肉收縮前的初長(zhǎng)度，加快動(dòng)作速度，提高肌肉工作效率，改善肌肉工作的能量供應(yīng)過程，減少能量消耗，有利于提高能量利用率和速度耐力。于湘澤認(rèn)為，放松技術(shù)能增強(qiáng)技術(shù)動(dòng)作的節(jié)奏感，使短跑技術(shù)更加完善；能提高肌肉、關(guān)節(jié)的靈活性和柔韌性，可加大運(yùn)動(dòng)幅度，有效地增加步長(zhǎng)。宋廣林等報(bào)告，肌肉的協(xié)調(diào)放松能力對(duì)于提高速度素質(zhì)，經(jīng)濟(jì)高效地利用無氧代謝中的ATP-CP系統(tǒng)供能具有重要的意義。

根據(jù)上述相關(guān)研究可知，放松技術(shù)對(duì)提高跑速有以下4個(gè)方面的作用：一是能減輕神經(jīng)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，加快大腦皮質(zhì)興奮與抑制的轉(zhuǎn)換，有利于提高步頻；二是能增強(qiáng)神經(jīng)對(duì)肌肉系統(tǒng)的控制能力，增加主動(dòng)肌的收縮力量，減小對(duì)抗肌的阻力；三是增大肌肉、關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度，有效地提高步幅；四是增強(qiáng)技術(shù)動(dòng)作的節(jié)奏感，減小神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)的能量消耗。因此，可以說放松技術(shù)是現(xiàn)代短跑技術(shù)的重要特征之一，是高水平運(yùn)動(dòng)員取得勝利的必備技能。但是，對(duì)如何提高放松技術(shù)的訓(xùn)練方法和手段的研究卻相對(duì)滯后。只有相關(guān)學(xué)者對(duì)放松大步跑、下坡跑、柔韌性練習(xí)等方法對(duì)放松技術(shù)訓(xùn)練的作用作了一定的探討，而在技術(shù)和力量訓(xùn)練方法和手段等方面的研究顯得十分薄弱。因此，加強(qiáng)短跑放松訓(xùn)練方法手段的研究，是豐富我國短跑技術(shù)理論的重要內(nèi)容。

髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特征范文第4篇

摘 要 本文將對(duì)排球運(yùn)動(dòng)員在上步和扣球起跳過程中身體各部分的力量變化進(jìn)行研究。對(duì)在攝影、足底壓力和肌電多機(jī)同步測(cè)試的情況下獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分析和研究表明，排球運(yùn)動(dòng)員在起跳過程中下肢的伸肌群完成的是拉長(zhǎng)―伸縮的周期性收縮。

關(guān)鍵詞 排球 扣球起跳 專項(xiàng)力量

現(xiàn)在，排球運(yùn)動(dòng)員的體能訓(xùn)練已經(jīng)成為了排球研究中的重點(diǎn)，其中關(guān)于彈跳力的訓(xùn)練更是重點(diǎn)。20世紀(jì)90年代古巴女排的成功主要就是依賴其自身出色的彈跳來實(shí)現(xiàn)的，這就足以見得彈跳力的訓(xùn)練和研究重要性。我國關(guān)于排球運(yùn)動(dòng)員的彈跳的研究主要是對(duì)不同項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員的肌力特征、不同關(guān)節(jié)的肌力表現(xiàn)特征等。

一、扣球起跳中的緩沖環(huán)節(jié)特征

在此我們將對(duì)運(yùn)動(dòng)員在起跳過程中右側(cè)下肢在各個(gè)環(huán)節(jié)中的變化為主要分析的內(nèi)容。運(yùn)動(dòng)員的關(guān)節(jié)角度在關(guān)節(jié)緩沖階段逐漸減小。在緩沖幅度上，髖關(guān)節(jié)緩沖的幅度明顯比較小，主要是由于運(yùn)動(dòng)員雙腳在著地的過程中，髖關(guān)節(jié)角度已經(jīng)比較小了，在較短時(shí)間內(nèi)的緩沖后就需要做加速蹬伸的動(dòng)作。關(guān)于最大緩沖角度上，在排球比賽中，很多動(dòng)作都發(fā)生在下蹲幅度較小的情況下，因此緩沖的幅度較大會(huì)影響動(dòng)作完成的效果[1]。膝關(guān)節(jié)較長(zhǎng)的緩沖時(shí)間會(huì)抑制彈跳力，因?yàn)榧∪獾恼硰椥泽w，它的彈性形變和時(shí)間有著緊密的聯(lián)系，在起跳時(shí)間延長(zhǎng)的作用下，在肌肉的變形中會(huì)儲(chǔ)存一部分能量，其余的部分主要以熱能形式散發(fā)出去，進(jìn)而對(duì)收縮的效果產(chǎn)生一定的影響。肌肉在收縮時(shí)間中，在一定的范圍下，肌梭對(duì)牽拉的速度和長(zhǎng)度會(huì)比較敏感，膝關(guān)節(jié)的幅度會(huì)比較接近一些，在比較短的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的工作距離，可以很好的說明膝關(guān)節(jié)的伸縮肌的離心收縮力量比較強(qiáng)。

二、扣球起跳的蹬伸環(huán)節(jié)特征

蹬伸角主要指運(yùn)動(dòng)員在起跳的過程中雙腳離地的時(shí)刻下肢各個(gè)關(guān)節(jié)的角度。蹬伸幅度指的是重心的最低點(diǎn)的那一刻到雙腳離開地面的那一刻下肢各個(gè)關(guān)節(jié)角度發(fā)生的變化值。

運(yùn)動(dòng)員身體得到起跳初速度的關(guān)鍵就在于蹬伸，蹬伸質(zhì)量對(duì)運(yùn)動(dòng)員重心的騰起高度有著重要影響，在起跳上步中運(yùn)動(dòng)員的髖關(guān)節(jié)首先實(shí)現(xiàn)蹬伸加速，該過程中膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的角度仍舊減小，在將膝關(guān)節(jié)的角度減為最小時(shí)，進(jìn)行蹬伸動(dòng)作，此時(shí)踝關(guān)節(jié)的角度會(huì)減小，直到最后踝關(guān)節(jié)的角度才會(huì)增大。運(yùn)動(dòng)員在起跳的過程中，髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等都是呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，但此時(shí)的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)依次是增大的。以上分析充分顯示了運(yùn)動(dòng)員在起跳的過程中需要具有大關(guān)節(jié)肌群首發(fā)力以及末端環(huán)節(jié)的共同作用下實(shí)現(xiàn)蹬伸來得到一定的加速度，在大關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)下對(duì)小關(guān)節(jié)進(jìn)行帶動(dòng)，在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的相應(yīng)順序下實(shí)現(xiàn)蹬伸加速，最終實(shí)現(xiàn)較為理想的起跳效果，并不是單靠對(duì)膝關(guān)節(jié)的蹬伸來實(shí)現(xiàn)加速，這就要求排球運(yùn)動(dòng)員在扣球起跳的過程中下肢要合理的按照蹬伸順序完成加速度用力，特別是踝關(guān)節(jié)的加速度蹬伸是蹬伸效果匯總最主要的影響因素。

經(jīng)過分析我們知道了運(yùn)動(dòng)員在上步扣球起跳的階段中右腿下肢三個(gè)關(guān)節(jié)的角度的變化中可以知道，在運(yùn)動(dòng)員的起跳中膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的角度變化呈現(xiàn)的都是：先減小、后增大的趨勢(shì)。著充分說明了伸―拉肌群主要完成的是拉長(zhǎng)和縮短的周期[2]，上步扣球的起跳是為了獲得更大的垂直向上的速度，如果肌肉按照上述的順序進(jìn)行收縮，會(huì)很好的發(fā)揮肌肉的力量，進(jìn)而有利于轉(zhuǎn)換助跑的水平，使得運(yùn)動(dòng)員獲得更大的垂直速度。由此可見排球運(yùn)動(dòng)員下肢關(guān)節(jié)伸縮肌群的力量主要是靠拉長(zhǎng)和收縮的收縮能力來實(shí)現(xiàn)的，因此在對(duì)運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)向力量的測(cè)量和訓(xùn)練時(shí)，要將其考慮在內(nèi)。

三、足底壓力

足底壓力是保持運(yùn)動(dòng)員身體重心高度以及豎直方向上運(yùn)動(dòng)速度獲得的重要因素。運(yùn)動(dòng)員在起跳中右足的足底壓力在研究圖表中顯示的是兩個(gè)波峰和一個(gè)波谷，其中第一個(gè)波峰是對(duì)地面給予人的最大沖擊力的大小，在起跳腳著地后，起跳腿的伸肌肌群出現(xiàn)了退讓型收縮，實(shí)現(xiàn)了對(duì)快速助跑起跳中造成的強(qiáng)大沖擊力的抗衡，在伸肌肌群產(chǎn)生的肌力同外力相同的情況下形成波谷。波谷的值反映了起跳腿的緩沖能力，這個(gè)點(diǎn)和人體在起跳中向上加速度最小值，第二波峰出現(xiàn)在膝關(guān)節(jié)開始發(fā)生蹬伸之前，這個(gè)力的獲得主要是在人體中心前移，雙腿的擺動(dòng)以及雙臂向上的作用下產(chǎn)生的。根據(jù)牛頓定律可知，這個(gè)點(diǎn)和加速度的最大值是對(duì)應(yīng)的，這個(gè)時(shí)候起跳的腿所承受的力量在整個(gè)過程中是最大的，因此這個(gè)值對(duì)起跳腿的支撐力的變化有著真實(shí)的反映。

四、起跳動(dòng)作中肌電學(xué)的特點(diǎn)

關(guān)于起跳動(dòng)作中的肌電學(xué)的特點(diǎn)，排球運(yùn)動(dòng)員在完成緩沖動(dòng)作中，股直肌的做功百分比為29%，半腱肌的做功百分比為27%，這兩部分明顯高于臀大肌和腓腸肌。在蹬伸的階段中，股直肌以及半腱肌的做功百分比有一定的下降，但是腓腸肌卻出現(xiàn)了極大的提升。著充分說明了在起跳中半腱肌的作用十分法，因此在訓(xùn)練中要注意對(duì)該肌肉的針對(duì)聯(lián)系，同時(shí)還要重視股后肌群的訓(xùn)練，保證最終達(dá)到各種力量相互協(xié)調(diào)的目的。

五、小結(jié)

根據(jù)以上對(duì)排球運(yùn)動(dòng)員在排球扣球起跳和專項(xiàng)力量的分析中得知了關(guān)于排球運(yùn)動(dòng)員身體力量變化的一些特征。排球運(yùn)動(dòng)員在起跳中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的變化很好的說明了下肢伸肌群完成的是伸長(zhǎng)和收縮，在運(yùn)動(dòng)員平時(shí)的訓(xùn)練中要強(qiáng)化對(duì)下肢伸肌群力量和素質(zhì)的訓(xùn)練。

參考文獻(xiàn)：

髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特征范文第5篇

【關(guān)鍵詞】 骨水泥型髖關(guān)節(jié)； 非骨水泥型髖關(guān)節(jié)； 髖關(guān)節(jié)置換術(shù)； 應(yīng)用比較

在股骨頸骨折后，最常發(fā)生的并發(fā)癥是股骨頭的缺血壞死，但對(duì)于股骨頭的缺血性壞死，目前還沒確切療效的治療方案，特別是對(duì)于Ⅲ期以上的股骨頭壞死[1-3]。曾有文獻(xiàn)報(bào)道，用旋轉(zhuǎn)截骨、髓內(nèi)減壓及帶血管或不帶血管骨移植等方法把股骨頭保留下來并讓它生存下去，但以上的治療效果均不太理想[4-5]。對(duì)于股骨頭壞死，人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是臨床上選擇的最終治療方法，在掌握好了恰當(dāng)?shù)氖中g(shù)指征后，再選擇合適的髖關(guān)節(jié)假體，加上正確的手術(shù)操作手法及術(shù)后進(jìn)行有效的康復(fù)鍛煉，獲得了良好的療效。

1 骨水泥型和非骨水泥型髖關(guān)節(jié)置換術(shù)

骨水泥型和非骨水泥型髖關(guān)節(jié)置換術(shù)均是治療股骨頸骨折的方法。其中，骨水泥由粉劑和液劑（丙烯酸粘固劑、聚甲基丙烯酸甲酯）雙組分構(gòu)成的黏結(jié)劑或骨填充劑。骨水泥型髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是用骨水泥對(duì)骨折后的置換人工髖關(guān)節(jié)進(jìn)行粘接固定，對(duì)骨折進(jìn)行固定及作為藥物控釋載體等，骨水泥型假體對(duì)髖關(guān)節(jié)的固定是屬于“機(jī)械固定”。而非骨水泥中生物固定型的假體常用Zweymuller人工關(guān)節(jié)假體，它是由鈦合金鍛造出來的，具有良好的生物間相容性，能把髖關(guān)節(jié)假體與自身骨組織之間進(jìn)行直接的固定。且非骨水泥型假體的表面有多個(gè)孔，當(dāng)植入到人體后，骨組織會(huì)發(fā)生刺激生長(zhǎng)的反應(yīng)，促使骨與假體的表面密切結(jié)合，從而形成緊密的生物固定[6-8]。對(duì)于非骨水泥型假體中對(duì)髖臼的固定，目前有使用螺釘固定和不使用螺釘固定兩種方法，此兩種方法的效果何如，學(xué)術(shù)上一直爭(zhēng)論不定。

2 骨水泥型和非骨水泥型治療股骨頸骨折的進(jìn)展

對(duì)于使用骨水泥型人工髖關(guān)節(jié)進(jìn)行置換的應(yīng)用，曾水平等[9-11]曾報(bào)道使用骨水泥型假體來治療19例老年性股骨頸骨折，患者經(jīng)治療術(shù)后的Harris評(píng)分有明顯的改善，也明顯提高了患者的生活質(zhì)量。他在原文中認(rèn)為老年人出現(xiàn)股骨頸骨折的同時(shí)往往會(huì)伴有骨質(zhì)疏松和髖關(guān)節(jié)的周圍軟組織出現(xiàn)松弛，此時(shí)就很難對(duì)骨折的股骨頸進(jìn)行良好的固定及軟組織維持平衡。Friendly的股骨假體是采用第4代的骨水泥技術(shù)及多種可選擇髖關(guān)節(jié)假體組成，作為了一種新的方法來解決假體股骨頸不牢固及軟組織難維持平衡的困難。而Nakano等 [12-14]也報(bào)道了，利用Friendly骨水泥的股骨假體來置換老年的骨折后股骨頸骨，也取得了良好的療效。張曉崗[15]對(duì)23例術(shù)前仍有行走能力的大于70歲的老年患者進(jìn)行骨水泥型的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，獲得了滿意的效果，隨訪2年后，根據(jù)在1980年召開的第一屆全國骨科學(xué)術(shù)的會(huì)議上擬訂的髖關(guān)節(jié)置換評(píng)定效果標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其所選的23例進(jìn)行評(píng)定，其中20例優(yōu)，2例良，1例好，患者均滿意。而李奇志[16]也曾選擇了26例年齡在76～96歲的老年患者來進(jìn)行骨水泥型的人工股骨頭的置換術(shù)。取得結(jié)果有：術(shù)后的傷口為Ⅰ期愈合，在1～3 d內(nèi)便可下床活動(dòng)，且并沒肺部及泌尿系的感染，沒出現(xiàn)深靜脈栓塞和壓瘡等。對(duì)26例進(jìn)行隨訪3個(gè)月～3年后，有24例能恢復(fù)滿意，滿意率為92.31%。

隨著對(duì)治療髖關(guān)節(jié)疾病日益廣泛使用的人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的發(fā)展，非骨水泥型的人工髖關(guān)節(jié)置換也開始在臨床上使用，并也獲得了良好的療效。自20世紀(jì)90年代開始，我國內(nèi)便開始陸續(xù)引進(jìn)使用新一代人工關(guān)節(jié)，非骨水泥型人工置換髖關(guān)節(jié)，此種髖關(guān)節(jié)不但在制造的材料上或者是設(shè)計(jì)的理念上都跟以往的置換髖關(guān)節(jié)有很大的不同。樓險(xiǎn)峰等[17]對(duì)新一代非骨水泥型的雙極人工的股骨頭置換術(shù)中期療效進(jìn)行了觀察，對(duì)46例股骨頸的骨折患者及3例股骨頭出現(xiàn)無菌性壞死的患者進(jìn)行了非骨水泥型的雙極人工的股骨頭置換術(shù)治療，術(shù)后其中的33例患者的Harris評(píng)分在97分以上，其優(yōu)良率可達(dá)97%。

3 骨水泥型及非骨水泥型髖關(guān)節(jié)使用的情況

3.1 使用年限長(zhǎng)短 對(duì)于人工髖關(guān)節(jié)的使用年限長(zhǎng)短，受到多方面的影響，材料的耐磨損度只是其中主要的一方面，其他方面比如說患者體重，平時(shí)運(yùn)動(dòng)量，平時(shí)負(fù)重量等等都有關(guān)聯(lián)。對(duì)于不同材料的髖關(guān)節(jié)的理論壽命均不相同，分別為：鈦合金為10～15年，鈷鉻鉬合金為10～15年，超低碳不銹鋼材料為4～6年，最新型金屬對(duì)金屬在20年以上，第四代納米復(fù)合陶瓷為30～40年。

3.2 舒適程度 現(xiàn)普遍認(rèn)為使用骨水泥型的假體在置換后很少會(huì)出現(xiàn)肢體的疼痛，且較少發(fā)生股骨干劈裂，置換后可獲得很好的髖部活動(dòng)功能，并且降低了假體的翻修率。但骨水泥會(huì)對(duì)骨組織產(chǎn)生熱的損傷及易形成磨損顆粒、出現(xiàn)疲勞老化等導(dǎo)致骨水泥的界面出現(xiàn)骨溶解、假體松動(dòng)等而影響其穩(wěn)定。而非骨水泥型的人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的手術(shù)，其費(fèi)用低，時(shí)間較短，且手術(shù)安全性高，手術(shù)的創(chuàng)傷性小等優(yōu)點(diǎn)，其中假體的固定屬于生物學(xué)的固定，對(duì)患者的影響較小，此就避免如骨水泥髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中注入骨水泥過程中所產(chǎn)生不良的反應(yīng)，不會(huì)因骨水泥而引起類似的并發(fā)癥，及避免了術(shù)后假體需反復(fù)修復(fù)更換所帶來的麻煩，避免了再次取出髖關(guān)節(jié)而導(dǎo)致對(duì)骨質(zhì)過多破壞的損害[18]。

3.3 適合人群 由于骨水泥型置換后可獲得很好的髖部活動(dòng)功能，且其使用時(shí)間比非骨水泥時(shí)間長(zhǎng)，但其需要對(duì)假體進(jìn)行定期翻修，且易因骨水泥會(huì)對(duì)骨組織產(chǎn)生熱的損傷及易形成磨損顆粒、出現(xiàn)疲勞老化等并發(fā)癥。而非骨水泥型髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，其費(fèi)用低，手術(shù)時(shí)間短，手術(shù)安全性高，手術(shù)的創(chuàng)傷性小，且不會(huì)因注入骨水泥而產(chǎn)生不良的反應(yīng)，避免了術(shù)后假體需反復(fù)修復(fù)更換所帶來的麻煩，減少再次取出更換髖關(guān)節(jié)而對(duì)骨質(zhì)破壞損害[19-20]。故對(duì)于中老年性的患者，追求使用的時(shí)間過長(zhǎng)，十幾年甚至幾十年的患者，適合選擇骨水泥型假體進(jìn)行髖關(guān)節(jié)的置換，以獲得更好的生活質(zhì)量。而對(duì)于年齡過大，使用的時(shí)間不長(zhǎng)，身體基礎(chǔ)狀態(tài)不算很好的患者，則適合選用非骨水泥型假體進(jìn)行髖關(guān)節(jié)的置換，以便減少手術(shù)帶來的二次傷害。

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