人体髋关节运动生物力学模型和肌肉模型研究

郭琳

摘 要：运动生物力学人体建模中最重要的任务之一包括髋关节生物力学的建立，在人体肌肉力学模型的创建中存在着很多不同的意见主要表现在髋关节周围肌肉的简化到最后髋关节力学模型的建立。文章主要任务是创建一个简单的肌肉模型，使髋关节周围的肌肉能够得到最大程度地简化，从而建立合理的检测模型。膝关节力学模型和髋关节力学模型都是下肢力学模型中比较重要的两项内容，但目前来看，有关髋关节力学模型的研究无论是从深度还是广度上来说都不及膝关节。以前关于髋关节模型的研究主要是建立在生理实验基础上，由于参数的确定均与生理实验相关，所以致使模型中参数没有较明确的力学意义，促使对以后的研究造成很大的困难，为了后续的研究提供一定的参考和方便必须建立一个较为合理的人体髋关节力学模型。

关键词：髋关节肌肉模型；生物力学；膝关节

引言

人体髋关节的运送生物力学模型研究属于运动生物力学研究范畴，而运动生物力学是运动科学中起步较晚，发展却很迅速的一门学科，其研究范围比较广泛，主要包括生物与测量学、生物力学模型的建立和生物运动机制的电脑模拟等。其中，人体自身的研究是运动生物力学中一个重要的研究方向，主要通过建模来实现。

髋关节是人体最大的一个关节，其结构稳定性与活动度兼备，能够高效地维持人身体的运动和平衡。髋关节是由盆骨和股骨两部分组成，通过股骨头和髋臼连接在一起，大概有二十条肌肉参与了髋关节的运动。近年来，髋关节在生物力学的基础理论研究和骨科临床的应用研究中都是非常受重视的环节。

1 髋关节力学模型和肌肉模型的概况

运动生物力学的能取得长足的进步，是与国内外学者不断的努力换来的结果，从而诞生了许多人体关节模型研究的成熟理论。人体关节力学模型的建立主要包括以下几个部分：肌肉力学的研究、关节周围肌肉的简化、关节肌骨力学模型的建立、模型调试和模型验证。

肌肉张力-长度特性和肌肉张力-速度特性是肌肉得以正常收缩的两个重要关系，两者既相互制约又相互影响。1938年，经典Hill方程的得出，使人们第一次从量的角度认识到了肌肉张力-速度的变化关系。Huxley从横桥和肌动蛋白理论的微观角度得出了横桥模型，其与Hill方程具有很强的相似度。两者的正确性得到了后来学者的研究认同。肌肉是动作的主要肌肉（原动机）、肌肉不是动作的主动肌肉，在运动中被拉伸的这两种形式是肌肉张力-长度特性的两种表现方式。在等张条件下肌肉张力-长度曲线中最大作用力比较大，对应的肌肉比较长，在运动荷载相同的条件下获得的肌肉张力-长度曲线中的最大力与同样情况下用等长条件所获得的的最大力相比有相当大地减少，骨骼肌不同工作条件下获得的数据将不能进行合成。当前的关节的肌骨模型研究瓶颈主要在于完整的肌肉张力-长度-速度模型的建立，而不是将两者孤立起来研究。

现在，研究关于下肢肌肉功能模型越来越多。2000年，一个解剖基人体下肢的生物动力模型有王西十、白瑞蒲所提出，该模型可以在仿真人体下肢运动的基础之上，计算人体下肢的冲击荷载或下肢节作用反力和肌肉群力，基本上堪称一个完整的二维人体下肢解剖模型。

随着人体动力学模型研究的不断深入，人体动力学的建模正在走向由整体到局部、由简单到复杂的发展道路。单纯的肌肉张力-长度或肌肉张力-速度模型以满足不了对肌肉的研究，并且模型中的参数越来越多，越来越精确。

2 肌肉力学模型的建立

2.1 肌肉生理特性分析

人体中的肌肉具有多样性，附着在髋关节周围股骨和骨盆上的肌肉主要为骨骼肌，骨骼肌是髋关节运动的动力。骨骼肌主要由腹肌和福建两部分组成，其中肌腱是肌腹与骨骼的连接部分，结缔组织和肌外膜包裹在肌肉外边，起保护作用。

近似于连锁式的肌细胞排列而成肌纤维，又有多条肌纤维“捆绑”而成纤维素，二纤维素是肌肉产生张力的主要部分。梭形肌或菱形肌，是纤维束与肌长轴方向平行；半羽状肌与羽状肌，是与肌长轴成一定的夹角；这两种类型按纤维束排列方向和与肌长轴关系把肌肉分成了两种类型：单关节肌和多关节肌。单关节肌，顾名思义，即为直接穿过一个关节的肌肉，例如股四头肌中的股中肌、肌内侧肌等。膝关节的伸展与股中肌的伸展有直接关系，双关节肌是穿过两个关节的肌肉。多关节肌中最为常见的是双关节肌，其主要存在于人体的下肢肌肉群中。双关节肌的作用取决于关节中心到肌肉的垂直距离。若该距离较长，则具有较大的作用力臂和力矩。膝关节的功能主要通过股直肌实现，其力矩远比髋关节大，属于膝关节肌群范畴。而髋关节的功能主要表现在大腿的后群肌，后群肌的力臂又大于膝关节，故称之为髋关节肌。关节的角度位置决定着双关节肌的作用效率。股直肌对膝关节的伸膝效率增大，说明髋关节在伸展，如跑步中的后蹬阶段。当髋关节屈时，伸膝运动就会受到抑制。双关节肌在人体的运动过程中起到了储存和释放弹性的功能。起到减少单关节的做工量的主要作用的是下肢肌群中的双关节肌。双关节肌能够利用一个关节做功另一个关节做负功来实现能量的储存。

2.2 肌肉力学模型的分析

肌肉作为动物体最为主要的构成组织，具有极其重要的功能特性，最为主要的是能够接受神经刺激产生收缩，进一步牵引两端的骨骼实现相对运动。生物力学研究发现，影响肌肉张力大小的两个最主要的因素是肌肉纤维的长度变化关系和肌肉纤维的收缩速度变化关系，另外还与许多生理学因素相关。该项发现对肌肉的发力过程研究来说具有十分重大的意义。

随着人们对肌肉力学模型的研究不断深入，运用数学、力学等交叉学科的研究手段对模型的建立和修改发挥着越来越重要的作用。张力-长度特性和张力-速度特性是肌肉运动变化规律中最为重要的两个关系，也是肌肉力学建模中需要处理的两项主要内容。肌肉力学模型的未来发展方向，必将是两者关系的整合体。

3 结束语

综合上述，进一步完善人体肌肉力学模型，使肌肉力学模型能够充分反映肌肉收缩长度、速度和肌肉张力之间的变化关系；通过解剖学、生理学进一步清理髋关节周围肌肉在不同动作、不同位置和同一动作的不同时间段所起到的作用，以及韧带在运动过程中保护作用；将髋关节模型建立一个完善的空间三维模型，并和膝关节、踝关节的研究结合实现人体下肢运动的仿真。

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