上肢生物力学建模和典型运动的生物力学研究

□ 崔志勇(郑州大学体育学院 河南 郑州 450044)

人体是一个复杂而各异的复杂系统，由于个体活体实验具有局限性，因此人体生物特性的研究也随之发生困难。人体上肢生物力学是通过建立骨骼和肌肉组织建模来完成的，这一建模中通过对肱骨、尺骨、肩胛骨以及锁骨等连接肌肉，并建立22根肌肉的直线模型，可以精确获得骨骼的轮廓相关信息，为人体上肢的生物学力学研究提供了较为完整的具有高相似性的模型。在“骨骼-肌肉”模型基础之上，建立了三根骨组成的自由度模型，以便上肢和前臂运动的完成，通过驱动产生的复杂运动，对人体上肢的动力学进行了分析。

1、上肢运动学的研究现状

人体骨骼的运动学为人提供了不同状态下可能产生的运动学的位移、速度和加速度等参数，注重肌肉和韧带的作用力以及关节的关节力。为了适应人体运动所需应变情况的真实性，生物力学的合理研究便捷条件就有其重要的现实意义。

随着精细化程度的提高，计算机技术的发展越来越多的将科技引入到骨肌系统模型仿真人体的运动中来，全面系统的模拟全身各部分骨骼和肌肉的组织，通过三维高速影像系统定点确定变换位置，使骨骼间相互协调建立骨骼轨迹。1996年这一上肢部分骨肌系统的项目完成实现了上肢运动的仿真实验。

2、上肢动力学模型的建立

本文在研究人体“骨骼-肌肉”系统建模的基础上，所进行的动力学和运动学分析应用广泛，人们可以根据人体动力学的相关原理和建模数据提炼，指导运动康复器械设计和人体机能的恢复等等，甚至在航空航天、汽车制造等领域里也同样具有现实意义。当前，肌力是无法通过在体测验测量完成的，大多采用肌肉骨骼系统建模和肌电图的激活信号等方法。

要测得受试者的身高、体重、前臂长度、前臂近端的围长、上臂长度和上臂近端的围长，对几何模型进行简化，圆柱形的棒骨模型代表骨骼模型，圆柱体代表肱骨，圆柱体代表尺骨和桡骨，并且建立各自独立的局部坐标系，构件为坐标系固定的基础，圆柱体的轴心是局部坐标系的z轴，转动半径长度为半径长度，不同测试者的人体测量学参数不变。骨骼的每一个rigiddbody在全局坐标系统下，运动参数都包含平移矢量txd、ty、tz，旋转矢量为θx、θy、θz。根据rigidd body和marker的关系，通过转化矩阵就可以测得运动学参数。再根据解剖学参数确定刚体质心的位置，就可以得出每一个刚体质心的运动学参数。

3、屈曲运动的动力学仿真实现

本文选取的典型案例是以一个年龄为36岁的成年正常男子为例（身高171cm，体重74,1kg，上臂长度31.5cm，前臂长度33.8cm，上臂近端围长3.8cm，前臂近端围长27.6cm），右前臂在矢状面内的屈曲运动，从中立到运动完成，需要5s的时间做完整的动作，可以测得最大屈肘角度为150度左右。在完成前臂从中立到最大弯曲再返回中立的过程中，z轴围绕圆心做钟摆式运动，即地球坐标系下的z轴位移数值逐渐增加到最大值后递减到初始数值，而x轴方向的位移数值则没有发生较大数值的变化；y轴位移矢量增加到屈曲90度后减小，待伸展后又增加，到垂直后再减少，循环往复。通过测量可以看出，前臂运动过程中，矢状面内肘关节转矩在屈曲60°的时候达到最大值，屈曲角度的增加，矢状面内关节转矩降低，直至屈曲达到150°以上，保持0°为0.54Nm。冠状面内肘关节转矩则与屈曲角度是正比关系，随着角度的增加而增加，随着角度的减小而减小，在屈伸过程中，可产生屈曲运动的加速度。横断面内基本保持不变。

4、总结

上肢作为人体重要组成部分，是协调人们完成各种复杂运动的基础，因此在日常生活中，上肢关节是提高人活动范围和能力的基本保证。然而，人们在运动中会造成对上肢肌肉或者骨骼的损害，因此对上肢运动的生物力学研究，预防上肢运动的损害性，有重要的现实意义和指导作用，为提供适合中国人肩关节的需要提供建议和参考。当然，模型的建构中存在不足，比如肌肉的直线连接，与真实的肌肉弧线组织有差异等，都需要进一步完善，这一项工程不是一蹴而就的，需要反复试验，尽量减少人为的干预，为临床手术提供辅助设计，不断加深对人类自身的认识程度，为上肢生物力学研究提供更广阔的空间和真实有效的结果。

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