运动生物力学的作用范文
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篇1
摘 要 采用文献综述法对运动生物力学在体育教学中的作用进行综述，结果发现：运动生物力学能够减少学生活动过程中微损伤，促进学生健康锻炼；运动生物力学能够有效将体育动作细化，促进学生科学锻炼；运动生物力学理论教学与实践相结合，促进学生体能、身体形态、身体素质协调发展。因此运动生物力学在体育教学中起到决定性作用，同时促进合理科学终身体育锻炼。
关键词 运动生物力学 体育教学 作用
一、运动生物力学在体育教学过程的作用
（一）运动生物力学在径赛运动项目应用
以时间计算的运动项目称为径赛运动[1]。体育教学过程中运动生物力学能够帮助学生学习技术动作原理，促进学生科学理解体育技术动作重要性，减少学生锻炼过程中微损伤。走、跑是体育动作中最基本技术，Jim L认为跑、走除了与两脚与地面接触后交叉时间有关系外，还与脚与地面接触的反作用力有关，作用力如果不按合力F方向传导，就会出现外“八”、内“八”、拖地、螺旋等错误的跑、走动作。体育教学中蹲踞式起跑运动生物力学原理可以发现，膝关节角度前腿在90-111°之间、后腿在118-136°之间有助于启动时合速度达到最大值，提高运动成绩和减少膝盖前交叉和后交叉韧带的微损伤[3]。体育教学中弯道跑应用的公式：F向心力=M（质）×g（重加速）×Tagα等于F圆周向心力=M（质）×V2/R，弯道上F向心力与所跑的半径（R）成反比，与V2、角度、M成正比[2，4]。因此合理控制F向心力能够有效调控身体锻炼时协调能力，保证身体平衡，减少体育课堂中学生快速弯道跑造成的摔伤。
（二）运动生物力学在田赛运动项目应用
以高度或远度计算的项目称田赛运动[1]。田赛运动是体育教学过程应用运动生物力学较多的运动项目，如跳高、铅球等。有研究发现跳跃类的运动项目包含了F水平和F垂直、F合三方面的作用力。跳高是跳跃类里典型的运动，它由F水平力、F垂直力、F合构成，助跑是由F水平力，起跳是由F垂直力，腾空过杆是由F合构成，三者构成跳高完整力学系统，但他们都与速度、角度、质量有关，合理分析运动生物力学有助于学生学习，减少错误动作带来的机体的损伤。铅球是发展力量素质练习的一项重要的考核指标，根据运动生物力S=V0/g[sin2α/2+cos]公式学分析铅球远度，结果发现铅球V0、角度、H有关系[5]。因此可以发现，合理利用生物力学，能够促进学生学习兴趣，也能帮助学生科学合理的锻炼力量素质。
二、运动生物力学理论教学与实践相结合作用
运动生物力学可以直接利用到体育教学课程中，促进体育教学动作的细分，为科学合理体育运动奠定基础，使竞技体育成绩提高和方法的内源理论基础提供保障，同时作为交叉学科在实践中必不可少缺少。著名的铅球教练帕克根据运动生物力学原理制定训练计划，促使21岁的巴恩斯创造23.12米世界纪录。迈克・鲍威尔於采用力学分析原理，对跳远动作细分，找到提高动作途径，最终在1991年东京奥运会上创造了8.95米世界纪录。随着科学发展，生物力学越来越被人重视，有人提出DLT，Kistler，AMTL三维测力平台系统、等速测力仪测试系统，力学测量有测角仪、惯性传感器、加速度仪、位移传感器、力传感器等，以满足不同运动项目的多种需要，此外图像自动识别仪器、高精度红外光点遥测分析系统、磁感应仪器、数学力学模型。因此，可以发现运动生物力学器材出现有助于体育教学过程多远化的发展，同时推动了运动生物力学与教学实践相结合，改善了不合理运动规律，有助于评价学生的身体机能和素质。
三、运动生物力学在体育教学中决定性作用
运动生物力学是研究运动与身体锻炼受力关系，它能够贯穿每个动作即运动模型。每个动作都是符合解剖学、运动生物力学、运动规律，运动模型将力与身体运动轨迹看作了质点运动，分析人体各结构运动与运动规律之间关系，成为体育教学中重要的理论依据[6]。运动生物力能够细化动作技术原理，促进体育教学工作，优化教学课程内容。把运动生物力学与田赛或径赛的运动项目相结合，增强了学生体能、身体形态、身体素质协调发展，使教学过程更为丰富，达到通俗易懂。因此，运动生物力学在体育教学中起到决定性的作用。
四、小结与展望
运动生物力学在体育教学过程中作用不容忽视，它驱动体育教学力学原理，加强了学生科学合理的锻炼身体，促进了体育教学过程多元化，丰富课程教学内容。运动生物力学细化的体育教学过程中动作，使体育教学内容简单性，通俗易懂，增强学生身体形态、素质、体能的协调发展。运动生物力学能够把解剖学、运动规律、动作运行轨迹紧密结合起来，这在体育教学过程中起到决定性作用。
随着时代进步，运动生物力学作为一门交叉学科已在国内多个体育院校开展，但该学科数学和物理知识较多，体育专业学生学起来比较吃力，因此如何使该门学科得到充分的发展还需要进一步探讨。国内运动生物力学的人才比英、美、意大利等国家参与社会实践活动要少，建议教育部门让更多运动生物力学人才到社会实践中指导各阶层的人科学合理锻炼，促进终身体育观念。在体育教学过程中尽量淡化考核成绩，注重体育运动生物力学在教学过程，提高学习的兴趣。
参考文献：
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篇2
关键词：乒乓球；运动生物力学；研究方法；研究领域
中图分类号：G804.6文献标识码：B文章编号：1007-3612(2007)10-1381-03
随着现代科技水平的不断提高，运动生物力学研究手段与方法也不断地更新，研究内容和层次不断深入、系统，运动生物力学的研究方法在许多运动项目中有了广泛的应用，对于认识运动项目技术的规律和提高运动技术水平，起到了重要的作用。
对于运动生物力学的原理和方法在乒乓球运动项目中的应用，国内外已进行了许多研究，但已有的研究不够系统和深入，所用的运动生物力学研究方法比较单一，乒乓球专项化的运动生物力学仪器很少，对于乒乓球与球台或球拍碰撞的原理、乒乓球飞行的运动状态、乒乓球动作技术原理等有些方面揭示得还不够全面或尚未揭示，对于运动器材、服装的研究很少。
近年来，国际乒联对乒乓球竞赛规则的三大改革，以及现代世界乒乓球技术的迅猛发展，都要求我们要借助于科技的力量和手段，更加全面地、深刻地认识乒乓球运动的规律，不断地更新观念，技术上不断创新进步，训练方法上要更加科学合理，以促进乒乓球运动的发展。本文根据乒乓球运动专项运动生物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋势、以及乒乓球运动发展的实际需求，对运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究领域和研究方法的发展趋势进行展望，以期对乒乓球运动规律有更加深刻而全面的认识，为运动生物力学如何更好地结合乒乓球专项特点为乒乓球运动实践服务提供借鉴。
1运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究领域的展望
从运动生物力学角度来看，乒乓球运动是通过乒乓球和球拍位置的变化（平动和转动）与运动员机体的活动相结合的一项运动。运动员的击球动作使球拍和球碰撞后，击出的球以一定的动量、动量矩落到对方台面，与台面发生碰撞，反弹后再与对方的球拍相碰撞。归纳起来，乒乓球项目中的运动包括：运动员的运动（动作技术）、乒乓球在空中的运动（速度、旋转、弧线）、乒乓球的碰撞运动（乒乓球与球台或球拍碰撞）。对乒乓球这三个方面的运动生物力学研究分析需要一定的设备仪器与方法。与乒乓球运动相关联的还有球、球台、球拍等器材以及运动员的服装。
以往对乒乓球运动的运动生物力学研究在上述方面已进行过一定的研究，但对于乒乓球与球台或球拍碰撞的原理、乒乓球飞行的运动状态、乒乓球动作技术原理等有些方面尚未揭示，或揭示得还不够全面，对于运动器材、服装的研究很少。根据运动生物力学和乒乓球运动的发展趋势，运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究领域，可以预计运动技术研究仍将会占较大比例，同时，在全民健身、运动医学、康复医学、运动器材、服装及实验仪器设备等方面也会开展研制。具体可以开展以下几个方面的研究：
1） 动作技术诊断；
2） 乒乓球与球拍碰撞、与球台碰撞的研究；
3） 对乒乓球拍运动的研究；
4） 乒乓球拍、乒乓球运动鞋的研制与优化；
5） 乒乓球运动员肌肉、骨骼力学特性的研究；
6） 乒乓球专项测试仪器的开发；
7） 乒乓球运动员损伤机理和预防的研究。
2运动生物力学研究方法在乒乓球运动中的应用与展望
按研究方法划分，运动生物力学应用在乒乓球运动中的研究大体可分为两类: 一是力学理论研究方法，二是实验研究方法。两者应当紧密结合，才能使运动生物力学更好地在运动实践中应用。
2.1运动生物力学的力学理论研究方法在乒乓球运动项目中的应用与展望该研究方法因为是通过模拟手段对人体运动仿真，一般包括5个步骤：1) 确定运动恃征，建立目标函数；2) 选择模型确定刚体的自由度；3) 建立动力学模型（拉氏方法、Kane方法、雅各宾法等）；4) 实测已知数据并求解；5) 根据求解结果解释运动规律，这一步骤是将求得的数学规律化为体育运动语言对运动技术进行合理的指导。
纵观运动生物力学在乒乓球运动中应用的现状，可以看到，以往用的最多的是运用力学原理对一些现象进行解释。而利用力学理论研究的方法却很少。根据此研究方法，可以对乒乓球中许多问题进行研究。
如对于乒乓球运动员的伤病的研究，至今还没有在击球过程中对腕、肘、肩关节、颈椎、腰椎等的关节力和力矩的定量分析，而对其认识有助于对乒乓球运动员运动损伤的认识和预防。可以利用力学理论研究的方法对关节力和力矩进行推算。以计算上肢各关节的关节力和力矩为例。首先确定乒乓球运动员击球过程中上肢的运动特征。二、建立上肢模型，整个上肢可分为上臂、前臂和手（包括器械）三个部分，根据上肢实际的生理结构和以往生物力学建模的经验，可将人体上肢简化为3刚体7自由度的物理模型。三、运用多刚体系统动力学理论中的Kane方法，建立系统运动学和动力学方程，四、通过摄像的方法获取上肢的运动学参数以及郑秀媛公布的人体环节参数，求出腕、肘、肩关节的关节力和力矩。五、根据关节力和力矩对乒乓球运动员的伤病进行认识。
2.2运动生物力学的实验研究方法在乒乓球运动中的应用和展望运动生物力的实验研究方法在乒乓球运动项目中应用现状是，动力学研究几乎没有，运动学测试也不多，所运用到的生物力学仪器很少。所以实验研究方法在乒乓球运动项目中有极大的发展空间。
2.2.1常用的生物力学仪器将在乒乓球项目中的广泛应用许多已经在其他专项中运用较为广泛的生物力学仪器在乒乓球运动项目中尚未广泛使用。比如，三维测力台，肌电仪，足底压力鞋垫。
三维测力台可以反映地面对人体的反作用力。运动员击球的力最终是通过人体蹬地面，同时地面给人体的反作用力而实现的。而对乒乓球运动员地面反作用力的动力学特征的描述至今尚无。
通过在运动员的鞋子里放上压力鞋垫，可以得出在移动过程中，脚底压力的分布图，可以为乒乓球运动员鞋子的设计提供参数。
通过肌电仪可对完成某动作所参与的肌肉活动的强度和时间进行描述，确定主要的参与肌群。用在乒乓球运动员身上，就可以很清楚的知道完成某动作的肌肉用力顺序是什么，哪些是主动肌，哪些是被动肌，可为力量训练提供参考。
2.2.2开发乒乓球专项化、反馈快速化的运动技术测试仪器这是运动生物力学测试仪器的发展趋势，至今为止，在乒乓球界中尚无有此类测试仪器的研发成功。近年来其他运动项目共用运动学、动力学及生物学指标，测试仪器的质量、功能、效率不断提高，同时，某些运动项目专用的测试仪器不断出现。例如，体操项目单杠、双杠、高低杠、跳马、吊环的测力系统、赛艇多参数遥测分析系统、起跑蹬力测试系统、蹬冰力测试系统、游泳出发测力系统等。
其他专项的研究可为乒乓球专项化的测试仪器提供借鉴，比如考虑是否可以在乒乓球拍上安装加速度传感仪。随着科学技术的迅速发展，加速度传感器体积和质量都可以做到非常小，精度可以达到很高，此仪器可以实时监控球拍三个方向上的速度、加速度和角速度，并可据此推算球拍的受力情况，以及击打乒乓球后，球体获得的初速度。而对乒乓球拍的运动情况的所做的研究非常之少。
如果这些设想可以实现的话，将丰富乒乓球理论知识，对乒乓球运动的实践将会有快捷的帮助。
2.2.3多机同步测试的研究多机同步测试研究是运动生物力学研究的发展趋势。人体运动十分复杂，因此，多机同步测试方法对各项运动技术研究十分重要。由于多机同步测试研究需要的仪器多、经费多、时间长、技术人员多，而且多数动力学指标和生物学指标的测试在正式大赛中很难进行，所以，多机同步研究的报道较少。随着科学技术的进步和对运动技术研究的深入，多机同步测试研究将会得到较快发展。
对于乒乓球这项精密的运动，以往的研究多是从一维的视角来进行的，对乒乓球运动的生物力学的研究应朝着多维的研究视角发展。比如，将摄像系统和测力台系统同步的测试方法，综合运动学和动力学的数据对乒乓球运动进行更加深入、全面的认识。
2.2.4生物反馈技术将在乒乓球运动技术训练中应用运动生物力学测试中提供给运动员、教练员的技术动作的速度、幅度、方向、力量等指标数据，运动员在训练中很难掌握，如将测试的数据转换成声、光信号直接提示给运动员，表示其当前的动作是否达到了要求或某个范围，运动员接收到声、光信号后，便马上做出反应，调整动作的幅度、强度、速度等就容易得多。这方面研究在其他专项中已经取得了一定进展，例如北京体育大学金季春教授指导其博士生闫松华所研制的用于短跑训练的“测试鞋”，对每一步的着地时间和腾空时间进行实时监控，正朝着生物反馈的方向发展。
生物反馈技术在乒乓球运动技术训练中的应用也是乒乓球运动项目生物力学发展的趋势。
2.3将力学理论研究方法和实验研究方法紧密结合是运动生物力学在乒乓球运动中应用的研究方法的发展趋势力学理论研究方法的基础是经典力学理论，并应用它解释分析生物体运动及探索其运动规律。力学理论研究方法优点是能使研究工作更加严谨和深人，但由于模拟研究目标和对运动数学化描述的困难，这类研究难度很大，且研究结果与运动实践尚有一定的距离。所以力学理论研究方法必须辅之实验和经验，才能使它在实际应用方面的作用得以发挥，力学理论方法与实验测试方法两者应当紧密结合。前者提供了运动普遍规律，对分析有理论指导意义，后者是理论研究与实际应用的桥梁，能使研究更好地为运动实际服务。实验研究方法，通过各种实验手段，测试记录体育运动过程，并以此作为依据，结合经验，对运动技术进行分析对比，从而提出改进技术的意见和建议。这种研究方式是以具体运动员的具体动作作为研究对象。
实验通常用高速摄影、录像、测力台测得运动学和外力参数，用肌电测试仪测得人体内力参数，然后通过数据处理和分析，来诊断运动技术的优劣及动作的合理性。这种方法以实验手段为主，与运动实践联系紧密，能对运动员的技术训练直接施加影响。但由于该方法研究和实验的对象是具有个体特征的人，不可避免地造成对共性的运动规律研究的困难，从而使研究结论难以达到理论升华。因此实验方法必须和力学理论研究共同发展、相辅相成，才能使运动生物力学学科渐趋深入完善。
用理论力学理论研究方法和实验研究的方法对乒乓球运动进行运动生物力学的研究，将提供认识乒乓球运动规律的多维视角，会对乒乓球运动规律有更加深刻而全面的认识，进而可使运动生物力学更好地为乒乓球实践服务。是运动生物力学在乒乓球运动中应用的发展趋势。
3总结
根据乒乓球运动专项运动生物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋势、以及乒乓球运动发展的实际需求，运用多种运动生物力学的理论力学和实验研究相结合的方法，对乒乓球运动中的多个领域进行分析和研究，是运动生物力学在乒乓球运动项目中的研究发展趋势。
参考文献：
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篇3
关键词：排球扣球技术；运动生物力学
1.上步扣球起跳技术的生物力学分析
张清华，华立君，陈刚利用三维录像法对男子排球运动员四号位上步扣球起跳技术进行生物力学分析。结果表明：上步扣球起跳动作可分为缓冲、等长制动和蹬伸三个阶段，各阶段时间占总起跳时间的比重是影响扣球起跳效果的关键因素；缓冲阶段人体重心的水平速度损失，蹬伸阶段的垂直位移是影响重心腾起高度的重要因素；在蹬伸时表现出以大关节带动小关节，髋、膝、踝三关节依次加速蹬伸的特点。通过对得出的生物力学参数可以得出以下结论：（1）排球运动员上步扣球起跳动作起跳缓冲时间与起跳高度成高度负相关，说明缓冲时间以较短为宜，但并非越短越好，各阶段时间占总起跳时间的比重是影响起跳效果的关键。（2）在扣球起跳时缓冲阶段人体重心的水平速度损失，蹬伸阶段的垂直位移是影响人体重心的垂直腾起速度和重心腾起高度的重要因素。（3）扣球起跳阶段运动员膝关节在缓冲阶段，有意识的主动完成下沉动作，造成缓冲幅度过大，对动作完成的效果会有一定的影响，在蹬伸时表现出以大关节带动小关节，髋、膝、踝三关节依次加速蹬伸的特点。
2.排球扣球技术中滞空动作的运动生物力学分析
经过大量的研究证明，在排球扣球起跳中，优秀的排球运动员都会有滞空的现象。王斌，何智美对排球运动中滞空技术的研究也进行了详细的论述，他们用美国造的LOCAM、16mm高速摄影机，以每秒100格的拍摄频率进行拍摄。在正式拍摄前，预先让受试队员学习掌握三个技术动作，第一个动作，按四号位助跑起跳扣球动作，助跑起跳后，当跳至或接近最高点时，收腿使小腿与水平线基本平行，在身体下落前放小腿；第二个动作，不摆臂起跳，跳起后直腿；第三个动作，摆臂起跳，跳起后直腿。正式拍摄时，拍摄了三个动作，三个动作均在四号位按强攻的助跑动作助跑、采用二步、斜线助跑，双脚起跳。通过对这三个动作的研究，可以发现，只有第一个动作才能产生滞空现象，说明产生滞空的原因与起跳后的姿势有关。通过进一步对数据分析还可以得出，并非跳得越高，就越容易产生滞空，关键是跳在空中，要配合手臂、膝关节的收展，才具备了产生滞空的条件。滞空现象的出现，增加了空中的时间，能够更好的完成挥臂下压的动作，增加扣球的威力。正确认识滞空，首先必须弄清楚腾空并不等于滞空，运动员的腾空时间长短并不能说明他的滞空情况。跳得高，腾空时间长的运动员不等于就有滞空能力。而实际上有的运动员弹跳较高，但空中动作不协调，滞空技术欠佳，仍无滞空表现。弹跳高，腾空时间长只是创造了良好的滞空条件，而要具备滞空能力，必须掌握滞空技术。
3.排球扣球技术中起跳后空中姿态的生物力学研究
运用生物力学的方法对排球4号位强攻扣球技术的研究中发现，空中击球的身体姿态存在两种不同类型，根据其空中背弓与向前折体挥臂击球的姿态，将其分别称为尖括号“
4.排球扣球技术挥臂动作的生物力学研究
通过文献查阅可知排球扣球技术挥臂动作的正确与否直接影响强攻效果。使用两台高速摄像机和表面肌电仪对7名青年男子年排球运动员强攻扣球手臂挥/摆动作进行运动学和表面肌电学同步分析；结果：运动员在引臂后拉期主要由三角肌前束和三角肌后束完成，在甩肴击打期和击打作用期，肱三头肌、背阔肌、前臂屈腕的这些主动肌的电活动明显增强，起拮杭作用的肱二头肌和前臂伸腕肌群的电活动也非常强烈，而且，在各个阶段每对主动肌/拮抗肌表现为较好的协调性；背弓角为1302°±47°、挥臂角为1132°±61°。最后出手球速为235±07m/s；背弓角，挥臂角与最后出手球速的相关系数r分别为-0512（p
5.结论与建议
5.1结论
5.1.1排球扣球技术的起跳技术在整个扣球技术里面起着举足轻重的作用。
5.1.2滞空动作与起跳后的姿势有关。
5.1.3合理的空中姿态的形成与好的助跑与起跳技术密切相关，可以影响加速和攻球威力。
5.1.4排球扣球技术挥臂动作的正确与否直接影响强攻效果。
5.2建议
5.2.1上步扣球起跳时膝盖要缓冲，大关节带动小关节，髋、膝、踝三关节依次加速蹬伸，要加强下肢专项力量。
5.2.2助跑起跳后，当跳至或接近最高点时，收腿使小腿与水平线基本平行，在身体下落前放小腿，掌握滞空技术
5.2.3提高强攻威力应加强妓的柔韧性与背伸肌、腰腹肌及伸展魏关节肌群力量的训练，同时，在技术训练中.应从助跑、蹬地、起跳形成初始负舰角抓起，强调蹬地时依次充分伸展髓、膝、躁三大关节，空中背弓与收腹动作要依靠大肌群连贯、协调用力，改变“[”型空中姿态，以产生“
参考文献
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篇4
摘 要 采用文献资料法、归纳分析对目前举重科研中使用的运动生物力学方法进行综述，为丰富发展举重教学和科研提供参考价值。
关键词 举重 运动学 动力学 生物学
在中国知网上以举重、挺举、生物力学为关键词，查阅了国内外文献资料并进行归纳总结。本研究试图从举重的运动学研究、举重的动力学研究、举重的生物学研究，三个方面对举重中涉及到的生物力学科研进行综述，为更好的进行举重运动生物力学科研提供参考价值。
一、举重的运动学研究
国外学者[1]认为在过渡阶段和下蹲支撑阶段女子和男子相比，屈膝幅度明显较小，动作也慢。此外，男子在第一发力阶段施加在杠铃上的功明显要大于第二发力阶段。相反，女子在两个动作阶段表现出近似的机械功。约翰·加汉姆尔[2]提出了抓举技术“杠心”（杠铃横杠中心点，即杠铃重心所在位置）的最佳轨迹成明显的“S”形轨迹。张跃[3]通过分析我国优秀运动员抓举技术在不同动作阶段“两心”在矢状面和水平面上的偏移，结合“杠心”最佳轨迹的特点，揭示动作技术的稳定性。刘宗友[4]发现优秀男子举重运动员的杠心轨迹穿越重心轨迹，杠心几乎贴着人体重心向上运行，表现出发力“近”的特点。单信海[5]等通过研究崔文华抓举200.5公斤超世界记录的技术分析，也发现杠心轨迹穿越重心轨迹的特点。而WolfgangBaumann[6]等通过研究发现运动员的杠铃轨迹均没有穿越垂直参考线，而是表现为杠铃向身体的后方运动，最终导致运动员在发力后的后跳。而这被Vorobyev[7]认为是动作技术不稳定的表现。从杠铃的轨迹及膝关节角的变化上看，抓举动作存在两次最大伸膝过程和一次屈膝过程[8]。Enoka，R.M指出[9]，举重的屈膝过程在确定身体姿势，使杠铃的运动轨迹更靠近髋关节和背部肌有一定意义，允许在一个更加适宜的阶段充分利用膝关节伸肌的力量。Garhammer，J[10]指出抓举技术的优秀运动员在过渡阶段仍能保持杠铃垂直速度的继续上升。Tadao Isaka[11]、杨斌胜[12]、张跃[13]、Raoul F [14]研究结果证实了上述观点，指出：在过渡阶段，膝关节回屈的同时，为了保持杠铃垂直速度的继续增加，应积极快速地伸髋。
二、举重的动力学研究
国外学者[15]通过摄像和测力台同步测试对10名男子举重运动员的抓举技术的60%和70%强度进行了测试，结果表明在抓举60%和70%的强度时，受试者在第二发力阶段的地面反作用力明显大于第一发力阶段和失重阶段。艾康伟[16]通过应用逆向动力学的分析方法对抓举的技术动作各关节的受力和净矩进行计算分析，他们对抓举动作髋关节净力矩分析表明，对于抓举，髋关节最大净力矩与对应此时刻的髋关节角度呈负相关。刘平等[17]指出抓举技术失败动作分为杠铃前掉和后掉，前掉主要和发力效果因子及接铃调整因子有关，后掉主要是接铃调整失败。杠铃最大速度、惯性上升高度和发力最大力量是监控发力效果的主要指标，接铃Fy力变化、跳步距离、引膝Fy力变化是监控接铃的主要指标。跳步是影响动作成败的关键因素，它与杠铃的横向运动趋向、接铃成败高度相关，引膝Fy力、发力弹杠时杠铃前向运动和发力杠铃后向运动是决定跳步距离的主要因素。Yung-Hui Lee等[18]得出在抓举过程中的两种典型的地面反作用力曲线：两种曲线在杠铃离地前0.2秒到杠铃离地瞬间这段时间都呈现稳定的增长趋势。Carlock[19]等通过统计学分析发现运动员的纵跳能力和举重表现呈高度相关。K.Funato[26]发现高水平运动员与一般运动员相比，在抓举时的地面反作用力有两个明显特征：1.失重时间较短，能够更好的利用肌肉收缩弹性能；2.在失重期间表现出更大的向前的水平力，说明更好的利用了伸髋肌群的力量。
三、举重的生物学研究
陆爱云等[20]认为从肌肉的活动顺序上来看，股直肌、竖直肌、胫骨前肌是较早动员的肌肉，尔后才是肱三头肌、三角肌、前臂屈肌及肱二头肌等，反映出举重项目是大肌肉先活动再带动小肌肉的特点。卢德明[21]使用八导遥测肌电仪测试了股四头肌（内、外、直肌），臀大肌、股二头肌、小腿三头肌、骶棘肌和背阔肌等8块肌肉的肌电图。各动作阶段肌电图曲线的电压值以校准信号的电压值为标准进行测量、计算得到，各动作阶段肌电的振动频率由该动作阶段的时间与振动次数求得。孙砺等[22]选取8块在抓举过程中具有代表性的浅层骨骼肌做同步肌电测量。运用相关软件得出8名运动员在3个不同重量的抓举全过程中8块骨骼肌活动的先后顺序（时序）。庞军等[23]研究使用Motionanalysis三维分析系统及Norexon 16道肌电仪，对一般水平的运动员在不同重量下进行挺举的动作进行了生物力学方面的浏试。通过运动学和肌电图分析，得出一般运动员在捉举不同重蚤杠铃时具有不同的生物力学特征。
四、小结与展望
综上所述，我们发现：目前对于举重项目的研究，以抓举为主，挺举相对较少。特别对于挺举的运动学研究文献相对匮乏，其中还以女子挺举为主，对于优秀男子举重运动员的挺举研究不多。同时运动学、动力学及肌电学敏感数据之间相关性研究尚未发现，未来以期为突破口，这将丰富和发展运动生物力学在举重科研中的理论。
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篇5
关键词：足底压力分布、踝关节、专项运动
生物力学的研究范围包括整个人体，足部生物力学的研究是其中重要的一部分。由于体育运动中，运动损伤的多发性使其成为众多科研项目的焦点内容。其中，踝关节损伤是所有运动损伤中最常见的运动损伤之一。这类损伤经常发生在篮球、排球和足球等通常需要迅速敏捷地跑动、急停和跳起的项目中。因此，不同专项足踝部的伤病发生机制与防治已成为学术界研究的热点。此外，随着专项运动员和教练员对专项运动鞋的防伤能力和功能表现力的要求越来越高，对不同专项动作中足踝部的生物力学特征研究就显得尤为紧迫和重要。本文在阅读大量相关文献的基础上，应用目前最先进的足底压力分布测试系统，对网球、足球2个专项的6名男子大学生运动员进行了2个特征动作的足部的生物力学分析。试图通过不同项目指标的对比分析得出不同专项的足底压力和运动学特征，从而为足踝部损伤研究和运动鞋专项化的相关领域提供实验依据和理论基础。
1.研究方法：
1.1文献资料法
1.2实验法
1.3对比分析法
2.研究对象：本研究选取湖北大学体育学院6名本科生为研究对象，其中三名为足球专项，3名为网球专项。6名受试者均无下肢足底足踝病痛史。
3.实验器材：1.Novel Pedar system （鞋垫式足底压力测量系统）――垂直压力测量/静止状态和运动状态. 2.身高、体重测量器
4.实验步骤：
4.1.进行Novel Pedar system 足底压力分布测试系统的连接和调试。
4.2要求受试者均穿着运动服装、体操鞋，测量受试者身高、体重后登记受试者情况。
4.3选择符合各受试者鞋内底尺码的测试鞋垫，确保测试鞋垫边缘无折痕，鞋垫大小与鞋内底边缘吻合，配戴测试设备后，受试者进行3-5分钟适应性动作练习。
4.4采集网球、足球2个项目运动员各自专项特征动作的足底压力分布数据，共2个特征动作分别是网球项目中网前急停反手截击球（右手执拍）， 足球项目中的急停转身跑左转90度，每人每个动作测试三次，2次动作间隔2分钟。
5.测试指标：
压力峰值：分区内所有传感器在测试阶段内受到的最大合力。
压强峰值：分区内每个传感器在测试阶段内所受压强的最大值。
压力峰值百分比：某分区压力峰值占前中后足的压力峰值总和的百分比。
6.实验数据处理：
6.1采用Excel进行数据分析。
6.2选取网球和足球受试者三次动作取平均值进行分析。
6.3将每只鞋垫分为前足区、中足区、后足区三个分区，这三个分区覆盖了整个足底，此外在定前足区内义了三个特定区域，第一跖趾关节区、趾区、除趾外其他四趾^。
7.实验结果与分析：
7.1网球（网前急停反手截击球）
在网球急停反手截击动作中从跑动、急停到最后的截击步仍然以前足的承载为主趾区的压力峰值尤其显著、后足尤其是支撑脚后足的受力从跑动截击过程有不断增大的趋势，中足几乎不受力，支撑脚的足底压力峰值普遍大于发力脚，急停和截击步足底受力大于跑动步。
7.2足球（急停左转向跑）
由跑动到急停，足球运动员的前足受力面积变小，前足受力集中到前足的局部。
在跑动步离地蹬伸阶段，趾对身体向前移动起着举足轻重的作用，但在急停步的落地缓冲阶段，趾的作用减弱，其他四趾对地的制动作用增大。我们从左脚和右脚的跑动步和急停步对足球急停左转向跑动作的足底压力进行分析可以看出从跑动步到急停步，前足压力峰值明显降低后足的压力峰值明显增大，但前足内侧的压强峰值始终维持较高的水平。
两个项目足底压力分布的对比：
1.第一跖趾关节和趾的足底受力模式。第一跖趾关节区和趾区是前足受力明显的两个特殊区域，这两个位于前足内侧的区域通常是各个动作中前足压力峰值和压强峰值发生的区域。此外，比起缓冲阶段它们在足部主动发力的离地蹬伸阶段起着更重要的推动人体向前的作用。
2.网球运动中，趾区的足底压力峰值表现显著，显示了网球运动中趾作为推动人体重心移动的最后一个小关节，其支撑稳定性和关节力量比起第一跖趾关节更为重要，足球运动中不论是第一跖趾关节区还是趾区都表现出2个项目动作中最大的压强峰值。比较2个项目前足内侧压强峰值情况，可以得到足球项目动作前足内侧压强峰值较大，网球项目动作较小。
3.对比网球急停反手截击球和足球急停转向跑动作，从跑动到急停时后足均有受力增大的变化趋势，因此急停阶段后足明显的受力增大趋势是由于急停阶段为了增大身体重心向后的加速度，运动员必须增大对地受力面积以增大对地反作用力从而达到急停的目的，尽管后足受力增幅较大并且分担了前足载荷的很大部分但是从压力峰值百分比上仍然可以看出，前足依然是急停阶段最主要的承载区域。
8.结论：
8.1足部承担离地蹬伸任务时前足承担主要载荷，中后足受力不显著，足部承担落地缓冲任务时后足和中足受力增大，前、中、后足共同承担身体载荷。
8.2足球项目前足内侧压强峰值最大，网球相对较小。
8.3网球运动中，趾区的压强峰值超过第一跖趾关节区，足球运动中，第一跖趾关节区和趾区压强峰值大。
9.建议：
综上所述我们从运动生物力学的角度出发，对2个专项的运动鞋设计提出以下建议：
9.1网球运动网前截击等动作需要其专项鞋考虑到指在网球特征动作中的重要作用和影响应当增大鞋底跖趾关节部位的灵活性以及趾区域足底支撑的稳定性，以利于趾部位在网球动作中更好的充当最后关节支撑面的作用。
9.2足球运动专项鞋应当具备良好的前足减震缓冲能力并提供稳定性来抵抗踝关节在跖屈位置时的内翻力，通过对鞋面材料进行加厚和加固以增加运动员踢球的舒适度同时提供正常的距下关节灵活性。
参考文献：
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篇6
1、正确技术与合理技术区别统一
在教学训练中，什么是正确的技术呢?可能有人会说，世界冠军选手的技术动作最正确，其实不然。从运动技能学和运动生物学的观点来看，绝对正确的技术是不存在的，只有合理技术(或动作)。所谓合理技术，就其动作结构首先要符合力学原理，其次是要符合其自身解剖学特征，换言之，就是要符合每个运动员的自身特点。因为，每个运动员的身体形态，结构比例不同，骨杠杆所产生的力学效应也不同。那种不考虑自身的特点而一味去模仿他人的技术动作显然是不可取的。美国著名短跑选手刘易斯的教练汤姆•雷特兹博士曾说过：“对刘易斯进行科学的指导即把生物力学原理应用于他的训练，教给他适合他身体条件的动作和符合力学原理的姿势。”由此，我们可以看出，在教学训练中应教会学生掌握合理的技术动作，而不是所谓的模仿他人的“正确”技术。在合理掌握动作的基础上，尽量使学生结合自身的身体形态、机能和运动素质的特点去改进和掌握技术动作。对于那些跑得快、跳得远而动作不规范的学生运动员，不必过分地强调动作的规范程度，而应让他保持自身的动作结构。因为在某种程度上讲，需要改进的只是那些受力不合理的动作。
2、运用生物力学的原理讲解分析技术动作，指导训练
讲解的目的是使学生了解技术动作及构成动作的内在因素。因此，在讲解中仅对技术动作做外在的描述，不利于运动员理解和掌握动作，无法分析技术动作的优劣，要讲清动作结构的实质，分析技术动作的内在因素，必须从力学原理去分析描述技术动作。恰当的分析讲解有助于学生理解和掌握动作的本质属性，使之知道我为什么要这样做。如在短跑教学训练中，对影响跑速二因素的讲解，当今大多数短跑研究指出，对于短距离跑(50-200m)步频和步幅的提高主要在着地阶段。因此，步频和步幅的提高关键是处理好着力脚的着地点与身体重心投影点之间的距离。如果脚的着力点与身体重心投影点的距离大，虽然可以增大步长，但支撑腿的运动范围大，则着力时间就长，人体受前支撑反作用力的平阻力就大。从而产生减速现象，使步频降低。反之，如果脚的着地点与身体重心投影点的距离适中，前支撑反作用力的水平阻力就小，脚着地时间就短，使身体重心向前运动的冲量增加，从而达到在不影响步频的基础上，增大步长的目的。这样的讲解分析，使运动员理解了那种为增大步长而采取踢小腿的跑法是不可取的，同时也加深了运动员对“摆髋”和“积极扒地”技术的理解。又如在跨栏跑教学中，我们对跨栏技术的讲解：跨栏实质是短跑，只不过在跑进过程中要越过障碍而已。因此，怎样才能在保持跑速的情况下，顺利地越过栏架呢?关键是跨栏步技术。上栏时，摆动腿大小腿充分折叠高抬前摆，可以缩短摆动半径，减少阻力，加快上栏速度，提高起跨腿的支撑反作用力，增加起跨力量，过栏时起跨腿大小腿充分折叠又能小跨腿绕髋关节的转动半径，从而减少转动惯性，提高角速度：加快起跨腿的向前提位。下栏时，摆动腿积极主动快速下压上体迅速抬起，可促使起跨腿的向前提拉(相向运动)，更主要的是缩短摆动脚着力点与身体投影点之间的距离，减少落地制动力，加快人体重心快速向前移动，很快而自然地转入栏间跑。
在跳远教学训练中，发现有的队员跳挺身式还没有跳蹲距式效果好。通过分析原因，我教学的对象大都是12―14岁的少年选手，他们的身体素质各方面都还未达到跳挺身式的要求，所以在教学中我利用生物力学原理力求抓好蹲距式跳远技术中的关键环节，注重摆动腿的快速大幅度前摆。一方面可克服蹲距式跳远中空中上体前旋。另外，通过屈膝摆动动作可使摆动环节的质量向上移动，因而使人体总质心的相对位置升高。提高重心相对高度(其升高的数值的点起跳后人体重心腾起高度的25%左右)，通过摆动可增加起跳力(当摆环节质心做竖直向上加速运动时，必然对施力部位产生反作用力，通过起跳腿的肌肉用力作用于地面，从而增大了直跳力，进一步推动人体重心飞得更远)。
篇7
关键词：生物力学；骨质疏松；腰椎；模型；体层摄影术
脊柱的生物力学试验可以通过体内和体外试验两种方式进行。近年来有限元分析法作为一种骨科生物力学的研究方法越来越受到关注。有限元分析不仅能模拟脊柱的各种运动方式，还能模拟正常人、患者和手术后的脊柱外形，从而计算出相应的各个结构的受力和位移情况。腰椎的有限元模型可以为骨质疏松椎体弥补以上试验的不足，为骨质疏松椎体的生物力学试验提供良好的试验模型。拟建立包含多个完整的功能脊柱单位（Functional spinal unite，FSU）骨质疏松腰椎的三维有限元模型，模型包括四个椎体和三个个椎间盘。模型将用于骨质疏松的椎体的治疗评价的生物力学试验。
1 资料与方法
1.1 一般资料：①志愿者1名：根据国人解剖学数值选取1个有代表性的健康成年男性志愿者，35岁，身高175 cm，体重73 kg；②General Electrics 64层螺旋CT机；③计算机工作站：Intel（R）Xeon（TM）CPU 3.00 G 双核四节点（8 cpu），内存：16 G，硬盘：320 G；④医学图像处理软件Mimics 10.0（Materialise's interactive medical image control system 10.0）：一款由比利时Materialise 公司开发的介于医学与机械领域之间的一套逆向软件，可以快捷的将CT或是MRI的断层扫瞄的二维图像转化为机械领域中CAD/CAM软件或完全的三维模型；⑤有限元分析软件MSC.PATRAN 2005：MSC.PATRAN最早由美国宇航局（NASA）倡导开发的，是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化身和交互图形界面集于一身，构成一个完整CAE集成环境；⑥有限元分析软件ABAQUS：ABAQUS由美国公司开发，是世界知名的高级有限元分析软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库。
1.2 方法与步骤：模型的建立：①螺旋CT扫描：采用General Electrics 64层螺旋CT对已经选定的对象进行螺旋扫描及断层图像处理。扫描时志愿者采取仰卧位静止不动，尽量保持扫描断面与身体长轴垂直。扫描参数如下：层厚0.699 mm，球管电流200 mA、电压120 kV。②CT图像处理及保存：在CT工作站中，通过调整图灰度、增加对比度等，对图像观察细节进行处理，得到清晰的骨窗断层图像，并将其保存为DICOM格式，刻录为光盘保存。③CT图像处理及胸腰段三维图像的重建：将DICOM格式的图像数据导入三维重建软件Mimics。在MIMICS中逐层分割提取已选取的CT图像，去除骨骼周围软组织图像，尽量把胸腰椎T11～T12～L1～L2段从背景中分割。得到处理后每一个断层的CT图像，然后重建出胸腰段的三维图像。④胸腰段椎体三维实体模型的建立和光滑处理：把生成的三维图像数据导入Magic rp软件，利用Remesh模块对模型进行光滑处理，生成光滑和几何高度近似，具有较好面网格质量的模型以便导入Patran前处理软件，构建有限元模型。⑤胸腰段三维模型的前处理：将优化的面网格文件导入MSC Patran前处理软件，生成正常T11～T12～L1～L2段椎体的四面体单元。并在体单元的基础上根据解剖结构的材料属性不同，把椎体分割成皮质骨、松质骨、椎体后部3个部分，其中皮质骨厚度约为1～2 mm。⑥T11/T12、T12/L1、L1/L2椎间盘的建模过程：在已有的椎体四面体单元的基础上生成椎间盘和终板模型，采用六面体单元划分。椎间盘髓核被模拟为不可压缩的体单元（Hybird）。髓核的体积约占椎间盘体积的35%～45%，靠近中后部1/3。椎间盘的上下表面由1.0 mm 厚的软骨终板构成。⑦关节突关节、椎间盘纤维、韧带的建模过程：选择关节软骨，并把关节软骨层的表面接触选用面-面接触单元模拟（无摩擦的滑动表面接触单元），关节囊使用三维Truss单元模拟。纤维环纤维由只承受拉应力的Truss单元构建，纤维在环状体中呈剪刀状方式走行，并与椎间盘平面成平均25°～40°的夹角。有限元模型包含的前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带以及黄韧带均采用只受拉力Truss单元模拟。⑧赋予各结构材料学参数：对整个胸腰段有限元模型单元材料相关属性进行设定，构建与实际模型在材料参数和力学行为上相吻合的三维有限元模型，其中纤维、韧带、关节囊为只受拉应力的线弹性材料。各部位的材料属性见表1。
表1 正常胸腰段有限元模型的材料参数
结构弹性模量（MPa）泊松比截面积（mm2）皮质骨 12 0000.30
松质骨1000.2
关节软骨100.4
L5-椎体后部3 5000.25
终板1 0000.4
椎间盘纤维环基质4.20.45
椎间盘髓核0.20.4999
纤维环纤维500非线性
前纵韧带200.33 8.0后纵韧带700.320.0黄韧带500.360.0棘间韧带280.335.5棘上韧带280.335.5横突间韧带500.310.0关节囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41
骨质疏松的材料模型为在正常模型材料参数的基础上，皮质骨、终板、后部结构模量减少33%，松质骨减少66%，同时考虑髓核脱水，弹性模量增加1倍，其他结构保持不变。见表2。
表2 骨质疏松胸腰段有限元模型的材料参数
结构弹性模量（MPa）泊松比截面积（mm2）皮质骨 8 0400.30
松质骨340.2
关节软骨100.4
L5-椎体后部2 3450.25
终板6700.4
椎间盘纤维环基质4.20.45
椎间盘髓核0.40.4999
纤维环纤维500非线性
前纵韧带200.338.0后纵韧带700.320.0黄韧带500.360.0棘间韧带280.335.5棘上韧带280.335.5横突间韧带500.310.0关节囊1000.340.0骨水泥（PMMA）3 0000.41
2 结果
正常脊柱胸腰段三维有限元模型已经建立起来。完整的脊柱胸腰段三维有限元模型包括共276 580个四面体单元，8 532个六面体单元，673个杆单元，总计共95 219个结点。见表3。
表3 正常胸腰椎有限元模型的单元划分
结构单元类型数量节点
95 219椎体骨四面体单元276 580椎间盘、终板六面体单元8 532韧带、关节囊、纤维三维杆单元673
建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。
完全按照上述步骤我们利用有限元软件Patran前处理功能，对不同组织的物理特性进行定义，皮质骨、终板、后部结构模量减少33%，松质骨减少66%，同时考虑髓核脱水，弹性模量增加1倍，其他结构保持不变。基本符合真实的生物力学要求，真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性，成功建立了T11～L1的骨质疏松有限元模型。见图1。
图1 建立关节囊、纤维、韧带的正常胸腰段脊柱有限元模型
3 讨论
1974年，Belytschko首先将有限元分析法应用于脊柱力学研究，建立二维椎间盘模型，标志着有限元在骨科生物力学分析中应用的开端[1]。Liu等在1975年首次提出三维有限元模型，将其用于椎间盘生物力学研究并将理论结果与试验结果进行了比较。由于有限元法在求解过程中条理清晰，步骤同一，通用性强，特别适合计算机仿真计算。随着电脑软硬件技术的发展，有限元法在骨结构生物力学及医疗研究中愈显重要且前景广阔。
有限元分析不仅能模拟脊柱的各种运动方式，还能模拟正常人、患者和手术后的脊柱外形，从而计算出相应的各个结构的受力和位移情况。脊柱某些结构的外在位移用普通试验方法容易测得，但内在应力的改变则需要复杂的测试技术，利用有限元分析能够精细地得到模型内部地受力变化。这比外在位移来说更具有深远地意义。而计算机技术的进步及功能完善的专用软件的问世，为确保有限元模型的精确性奠定了基础。现今的研究成果使有限元模型不仅能逼真地模拟椎骨、椎间盘，还能将脊柱周围的韧带、肌肉直接或者间接地加入模型，使模型更加真实完善。正因为如此，近年来有限元分析法作为一种骨科生物力学的研究方法越来越受到关注。有限元模型最大的优势在于可以反映集体内部的应力变化情况，这是其他试验方法难以做到的。
3.1 骨质疏松腰椎三维有限元模型的建立：有限元建模有多种方法，由于人体结构的不规则性，同时CT、MRI机器普及，图像建模的方法比较适合于临床生物力学的研究，目前多数临床相关的研究是通过此方法建模的[2-3]。
在本试验中，我们采用General Electrics 64层螺旋CT对已经选定的对象进行薄层螺旋扫描及断层图像处理。得到清晰的胸腰段椎体骨窗断层图像，并将其保存为DICOM格式，再将DICOM格式的图像数据导入三维重建软件Mimics。这样通过CT建立的胸腰段椎体有限元仿真模型与真实的胸腰段脊柱在几何上就近似人体骨形态。并且我们建立的是四面体椎体模型，四面体相比六面体，对复杂几何体的形状拟和较好。脊柱六面体有限元模型和本课题建立的四面体椎体加六面体椎间盘的胸腰段有限元模型示意图：见图2～3。
图2 脊柱六面体有限元模型
图3 胸腰段六面体、四面体混合有限元模型
另外，由于韧带从生理结构上，只承受拉力作用，不受压力作用，因此，本试验中采用只受拉力作用的线弹性材料模型，采用三维杆单元模拟，一定程度上符合韧带的生理特性。由于CT无法建立椎间盘模型（因为在CT上椎间盘的灰度和周围软组织的灰度重叠无法取值）且椎间盘结构复杂，文章根据椎间盘的生理结构，通过CAD构建了简化的椎间盘模型。椎间盘被固定在相邻的椎体之间，分散来自椎体的压力，通过与双侧软骨终板结合的纤维环和髓核使椎体间具有一定的活动度。
3.1.1 三维胸腰椎体几何模型的准确性：我们研究所建立的有限元模型是骨质疏松椎体压缩性骨折好发的脊柱胸腰段，更符合临床实际情况。模型的建立选择健康成年人的胸腰段脊柱作为基础，应用螺旋CT扫描获得胸腰段脊柱的详细轮廓数据，经Materialise Mimics逆向处理软件，建立胸腰段脊柱的三维实体模型。本研究采用基于CT原始数据的先进逆向建模技术，解决了CAD传统正向建模技术无法构建骨骼等复杂几何体的问题，从而保证了几何高度近似，为下一步的研究提供了良好的三维模型。
3.1.2 三维胸腰椎体网格模型的优点：在对胸腰椎体进行网格划分时，考虑到椎体的几何复杂性，对椎体采用自适应四面体网格划分方法，并对在着重考察和形状非常不规则的区域进行网格细化处理，保证了网格模型和几何模型的高度近似性。因此，本研究的网格模型更加细化和逼真，保证了计算的准确性。同时对于椎间盘模型，采用六面体模型，保证了椎间盘纤维模型的合理构建。采用椎体骨四面体和椎间盘六面体的复合网格模型，即保证了网格模型的几何逼真，又保证了胸腰椎各解剖部位的合理构建，为胸腰椎生物力学的研究提供了良好的网格模型。
3.1.3 胸腰椎模型材料属性的可靠性：因为试验条件的限制，本研究胸腰段脊柱有限元模型各部位的材料属性及基本参数采用了国外学者在胸腰椎材料力学研究中的试验结果，并已被不同研究学者引用进行胸腰脊柱的有限元模拟分析[4-6]。虽然因为研究的方法、试验的条件以及力学标本来自不同地区人种的关系，不同研究学者的材料试验造成材料属性有所偏差，但是本研究采用同一学者的研究结果，对不同模型进行力学分析，从纵向上进行定性比较分析，是合理的。
3.2 胸腰椎模型建立的临床意义：很多老年病如椎间盘退变，椎体的压 缩性骨折等都与老年性的骨质疏松有关，而很多的骨质疏松椎体的病因和治疗均与其生物力学有关，因此，分析不同的手术及创伤对骨质疏松的腰椎的影响是十分关键的。精确的生物力学试验可以帮助选择准确的植入物和手术方法，指导患者的术后康复和锻炼[7-8]。目前，很多学者通过有限元模型来进行骨科研究，并取得了好的成果[9-12]。本试验建立的有限元模型可以在计算机上随意的对椎体产生变形，可以模拟椎体骨折的模型，分析骨折后的生物力学变化，同时可对目前治疗骨质疏松骨折的新技术如椎体成型和后凸成型做比较，以及椎体疏松后内固定松动的问题，还可用于腰椎退变性滑脱，能够很好的模拟腰椎的生物力学试验。我们建立此模型想利用此模型观察骨质疏松椎体骨折后椎体成形后的相邻椎体骨折的问题，最近越来越多的报道认为这种骨折与椎体刚度和强度的增强有关。是否椎体成形术后的相邻椎体的骨折是由椎体的生物力学的改变引起，目前尚无定论。以往试验利用有限元的方法对椎体增强后的相邻椎体的生物力学进行了报道，但得出的结论不一致。这些生物力学试验均证明了椎体刚度的增强是目前相邻椎体骨折的原因[13-14]，认为相邻椎体的骨折与骨水泥增强椎体的弹性模量有关，但部分学者认为相邻椎体的骨折和椎体的增强没有关系[15]。我们将利用建立的有限元模型对目前比较关注的椎体成型手术后的相邻椎体的骨折问题进行进一步的探讨。通过更精确的模型来排除其他因素对增强椎体周围椎体的影响。
3.3 试验的局限性及展望：有限元模型材料参数的获得是通过生物试验得到的，但是到目前为止，退变组织的材料参数的获得对于我们模拟退变的三维有限元模型来说仍是个难以解决的问题，不同研究学者对材料属性的定义有所偏差。另外，虽然近年来建立的生物力学有限元模型越来越接近客观实体，并且对生物力学机制有更深入的理解和预测。但有限元法是一种理论性的分析，只有在更好地结合临床检测与试验观察之后，才能最真实地反映脊柱的受力状况，为疾病的发生、发展分析及疾病的治疗提供准确的参考。
今后，我们还将做深入的研究。包括进一步完善有限元模型的设计，特别是退变椎间盘和髓核的有限元模拟，并考虑肌肉力的影响；探讨KP治疗中骨水泥最佳的注射容积量；骨水泥在治疗椎中不同的分布对治疗椎体及相邻椎体的生物力学的影响；使用不同性质的骨水泥对脊柱的生物力学的影响；把有限元分析和生物试验的方法良好的结合起来。
本研究建立的骨质疏松腰椎三维有限元模型接近真实的生物力学标本，是理想的研究骨质疏松腰椎生物力学的数字化模型，可应用于胸腰段骨质疏松后凸成形术相关的有限元生物力学研究。
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篇8
关键词：有限元 医学 仿真实验
Research of experimental of medical's Finite Element Analysis（FEA） simulation
Niu Xiaodong， Lu Lirong
Shanxi Changzhi medical college， Changzhi， 046000， China
Abstract： It will solve many complex problems if apply FEA to medical research， and these problems are difficult to solve but need to be solved in the physics of medical applications. So that it can provides theoretical guidance and scientific foundation for medical research and clinical treatment. Have the experimental course of medical’s FEA simulation， medical colleges have a very important significance for student’s study， teacher’s teaching and research， cooperation of college and affiliated hospitals.
Key words： FEA； medical； experimental of simulation
有限元分析是一种广泛应用于工程科学技术的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等物理场问题。1956年Turner等人提出有限元（Finite Element，FE）的概念。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。
随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到越来越广泛的重视，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机大多数设计制造已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、生物医学研究等各个领域的广泛应用已使设计水平发生了质的飞跃。
1 医学有限元国内外研究现状分析
有限元方法最早应用于骨科研究，开始于脊柱生物力学[1]。几十年来其在解决生物力学问题上得到了广泛应用，尤其近年来，随着数字及计算机技术的不断进步，有限元法本身已不再是相对独立地研究生物力学性质，它越来越多地与各种动力学模型、参数优化选择、临床放射学与实物测量、有机化学、组织学与免疫组化等方法巧妙结合，使结果更加准确可靠，成为生物力学研究中的一种重要工具。有限元方法在医学上的研究主要包括以下四个方面。
1.1 有限元模型的建立
有限元模型的建立，直接影响有限元仿真实验结果的精度、计算机计算过程、计算时间的长短，且模型建立的优劣与建模人员的专业素质和有限元知识分不开。现有研究的模型包括：人眼[2]、牙齿及矫正器[3]、脊柱[4]、颅脑骨骼[5]、胃[6]等人体骨骼及器官的三维有限元模型。
1.2 力学实验仿真
A.Pandolfi，F.Manganiello对所建立的人眼角膜模型进行了力学分析[7]。Tammy L HD等对建立的胫股关节三维有限元模型分析了骨骼变形对关节面接触行为的影响以及约束关节运动对接触应力的影响等[8]。
脊柱生物力学仿真是有限元法在生物力学中研究最早、分析最多、临床上应用最广泛的领域。杜东鹏等则对腰椎间盘膨隆的力学机制与腰椎疲劳骨折分别进行了探讨[9]。
头颅及颞下关节也是有限元在生物力学中研究的重点。吕长生等对建立的足部骨组织模型进行有限元分析，为运动损伤或运动鞋的评价等提供了依据[10]。王芳等建立并验证中国人全颈椎有限元模型，用于挥鞭样损伤分析[11]。米那瓦尔・阿不都热依木采用有限元方法，对颌面外科手术术后的颜面软组织形态变化进行预测[12]。
1.3 医疗器械的力学性能评价及优化设计
牙科是有限元法在临床应用中的一大领域，相应的各种牙科固定器材得以研制开发，这些器材的力学性能又是研制过程中重点解决的问题。蔡玉惠等研究了RPA卡环在游离端义齿应用中支持组织的应力分布状况，对RPA卡环的临床应用具有力学上的指导作用[9]。
在内固定钢板方面，张美超等从临床应用出发，利用有限元法对颈前路蝶型钢板进行生物力学模拟分析，得到了与其一致的易断裂部位预测[9]。
在人工关节方面，Heegaard JH等建立了髌骨的计算模型，并且模拟了在人工膝关节中去掉股骨假体对髌骨活动的影响[13]。王永书等对患者胸腰椎爆裂性骨折节段（T12～L2）部位利用有限元进行手术模拟，均与标本模型及术后CT扫描基本相符[14]。
1.4 血流动力学CFD应用
Tarbell JM用FIDAP和Fluent软件进行了血管壁中组织液流动的数值研究[15]。乔爱科等利用有限元分析方法得出冠状动脉搭桥术中对称双路搭桥比单路搭桥具有更合理的血流动力学，可以避免动脉粥样硬化的危险性血流动力学因素，从而减少手术再狭窄的发生[16]。杨金有应用CFD计算流体力学软件进行人体主动脉内血流数值模拟分析，为阐明血管疾病的发病机理提供理论依据[17]。姚伟用计算流体力学软件Fluent计算人体小腿骨间膜组织间隙中蛋白质非均匀分布情况下组织液流动[18]。
2 医学有限元仿真实验方法
通过上述医学有限元研究可得医学仿真实验的方法主要分为四步：（1）通过螺旋CT技术，采集大量的样本图像。运用现有医用物理实验室计算机对样本图像进行建模处理，并进行相关的有限元分析。（2）通过查阅相关国内外资料，针对所需建立模型的生理、物理等参数特性，在几种常用图像处理软件（Mimcs，Proe等）中选取较为合理准确的有限元建模软件。（3）在常用有限元分析软件（ANSYS，Fluent等）中选取较为合理准确的软件对模型进行有限元分析。（4）将有限元分析结果与实际测量数据进行对比，分析有限元模型的准确性。
3 有限元法在医学研究中的优势
有限元法在医学研究中具有四个方面的突出优势：（1）可根据需要产生各种各样的标本，对模型进行实验条件仿真，模拟拉伸、弯曲、扭转等各种力学实验，可以在不同实验条件下模拟任意部位变形、应力/应变分布、内部能量变化、极限破坏分析等情况。（2）标本也可以进行修正以模拟任何病理状态。同一个标本在虚拟计算中可进行无数次加载或组合而不会被损坏。（3）其结果不受实验条件的影响，也排除了实验条件造成的误差，而且可以重复计算，节约成本。（4）利用有限元法进行的模拟实验具有实验时间短、费用少、可模拟复杂条件、力学性能测试全面及可重复性好等优点。
4 医学院校开展医学有限元仿真实验的意义
在医学院校开展医学有限元仿真实验，可以使学生将相关医学、物理、生物等课程的知识综合应用于仿真实验中，给生物医学工程专业学生的毕业设计提供更为广阔的范围，使研究具有更高的水平；激发学生的创新思维和热情，使学生在自主科研创新的基础上，设计相关仿真实验加以验证、研究。同时，开展仿真实验要求教师不仅需要对本专业知识做到“了如指掌”，而且需要教师具有仿真实验相关的医学、物理学、生物学等非本专业学科的专业知识，还要求教师必须掌握螺旋CT扫描技术，Mimics，ANSYS等建模、仿真软件的计算机应用技术。这些知识对于教师实验教学、科研水平的提高具有十分重要而深远的意义。在开展医学仿真实验的基础上，建设医学仿真实验室，不仅可以为学生提供毕业实习条件，加强实习基地建设，而且与医院相关科室进行合作，可以在生物力学基础上预测手术中、长期效果，对医生手术具有较为科学的指导，加强了学校与医院的合作。
5 结束语
建立医学有限元实验有两个关键的问题：（1）医用有限元模型快速准确的建立。模型的快速准确建立可以减少仿真实验所需时间、降低费用、增加仿真的准确性和可信性。（2）建立通用的有限元模型库，为进一步的实验教学和科研打下坚实的基础。因此需要在具体实验实践中逐步探索和积累。
将工程有限元分析同医学结合开设实验课，属于多学科之间的交叉领域，不仅可以提高学生对所学专业知识的综合运用能力，增强学生就业与学习深造的竞争力，而且可以加强多学科教师的教学和科研合作，提高教师的教学科研水平。同时提高相关实验室的利用率，为学生自主开展创新实验提供平台，加强学校和附属医院的教学科研合作，为医学院校提供更为广阔的教学和科学研究领域。
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篇9
1、短跑中摆臂动作的重要性
在短跑运动中,两臂与两腿由于受神经系统的支配作用,必须按同一速率运动,协同一致。所以摆臂质量直接影响两腿的活动。一个优秀运动员一侧腿的支撑时间仅占一个复步时间的22.1%,而摆动时间占77.9%,两者相比为1:3.5。因此,在新的短跑技术观念上要突出摆臂技术的重要性,在训练结构上要加强摆臂动作的研究,掌握摆臂技术的规律和生物力学的特征,为正确理解摆臂技术提供生物力学依据。我国传统的半握拳摆臂姿势,是否科学合理有待进一步分析研究。摆臂在跑的支撑阶段起着控制躯干纵轴旋转的作用,如果摆臂幅度及力度不够,躯干的纵轴旋转幅度也会随速度的加快而增大,这样就可能过多的消耗体能,直接影响速度的发挥和跑的质量。摆臂动作技术一直是我国短跑运动员的弱点,教练也常常忽略发展运动员的上肢力量,过多地注意了发展下肢的力量,而由于手臂动作无力,上体平衡动作稳定性差,导致两腿前摆不足。另外,摆臂动作的质量对步频有直接的影响,手臂的速度加快,能带动腿的摆动加快。
臂的摆动方向、速度和幅度等因素的变化都对人体产生不同的作用力,摆臂和后蹬是协调配合的,摆臂的速度越快、越有力,产生的动力也越大,位移速度也越快,对后蹬腿产生的附加力也就越大,后蹬的效果越好,步长也随之增大,有利于伸直后蹬腿的3个关节,促进骨盆扭转的灵活性。
2、短跑中摆臂的要求
在起跑瞬间后,两臂屈肘用力地前后摆动,使身体向前上方运动,躯干前倾的角度与水平线成15°～20°角。起跑后加速度跑段的两臂有力的前后摆具有重要意义,在开始几步身体处于很大的前倾时,重心移动的初速度较小。因此,加速度跑段应更加有力地大幅度地摆臂。跑段中要对手臂摆动的幅度加大,使身体略为前倾,这样更省力。
3、短跑中手指自然伸直摆臂的生物力学分析
在短跑技术中,为了发挥最大的运动潜力,对身体姿势,各部分运动的协调配合,必须更趋于完善,使已经积累的速度、力量、能力与应当达到的运动成绩相和谐。在摆臂动作中,手指半握拳会导致手指、手腕的速度放松和手腕下压,增加了前臂内侧肌群的收缩力,形成手腕下拉而产生分力。如果手指自然伸直,作用力的方向相同,没有产生分力,那么它是省力的。其二,如果手指成半握拳,手臂在摆动过程中受的空气阻力要大于手指自然伸直。其三,根据上肢骨骼的解剖学原理,我们的肩、肘、腕、手指各关节的自由度明显大于轴性关节。所以手指自然伸直摆臂是符合力学原理的。人体关节周围总有作用方向不同的肌肉群,当屈肌收缩时,伸肌充分放松,减少屈肌收缩的阻力。如果屈肌收缩时伸肌放松不充分,那么屈肌的力量,就有一部分要为伸肌紧张所抵消,而当摆臂前摆结束后,向后摆臂时手指自然伸直,指尖朝下,有利于血液的回心。
总的来说,从理论上认为,人体的上肢屈肌群力量一般都大于伸肌群,伸直手掌摆臂能加强伸肌群的工作能力,同时使屈肌群得到伸张,从而使肩关节放松,增大摆臂幅度和力量。伸掌摆臂技术,由于以肩关节为转动轴,使杠杆臂的工作距离加强,转动惯量加大,同时也要求肩关节屈肌和伸肌都需要加强有力的收缩,从而增加摆臂的效果。
众所周知,100m短跑是在很短的时间内完成全程跑,要提高0.01秒的成绩,也都要付出巨大的代价。半握拳时,手指运动不灵活,动作僵硬,势必影响整个摆臂动作完成的连贯性。许多外国选手因打破半握拳式传统观念,采用手指自然张开的用力摆臂动作而取得优异成绩。
篇10
【摘要】
目的 评价踝关节骨折修复下胫腓前韧带的生物力学稳定性。方法 采集国人新鲜足标本一具，截取踝关节以上15 cm下肢小腿横行截断，暴露下胫腓前韧带。载荷实现分级加载，选用小腿极限载荷(踝关节负重力为4.5 BW)20％作为生理载荷，即以0、100、200、300、400、500 N为分级载荷。万能材料试验机(WD5)的加载速率为1.40 mm/min，以准静态方式加载，载荷施加于下肢胫腓骨上。并模拟足运动中立位、跖屈位(30°)、背屈位(20°)、旋后外旋位等四种生理运动状况，正常足及切除下胫腓前韧带测定踝关节的应力变化、距骨的移位变化及轴向刚度数据。结果 标本在正常足及切断下胫腓前韧带的不同功能位上，踝关节的应力变化、距骨的移位变化及轴向刚度，统计学有显著性差异(P＜0.05)。结论 在对内、外踝满意固定后，下胫腓前韧带的修复能更好恢复踝关节的生物弹性，最大限度恢复其原来的结构和功能，避免晚期创伤性关节炎的发生。
【关键词】 下胫腓前韧带 生物力学 踝关节骨折
Abstract：Objective To evaluate the biomechanical stability of restoration of anterior lower tibiofibular ligament in ankle fracture.Methods Collect a fresh foot sample of Chinese，cut off transversely of the shank 15 cm above the ankle joint，operate carefully around the ankle joint as per the clinic procedures，to expose the anterior lower tibiofibular ligament，calcaneofibular ligament，anterior and posterior talofibular ligament for the test.The entire structural simulation is based on the fresh foot sample of normal human corpse and in the phased loading，with 20％ of the shank limit load(the bearing capacity of ankle joint at 4.5 BW) as the physiological load，i.e.the phased load of 0，100，200，300，400 and 500N.The loading rate of the universal material tester (WD5) is 1.40 mm/min，and with the quasistatic loading mode.The load is applied on tibiofibular bone of the shank to simulate the 4 physiological movement status of the foot，i.e.neutral position，metastarsal bending position(30°)，posterior bending position(20°) and esternally rotated position.The normal foot and amputation of anterior lower tibiofibular ligament was used to test the stress change of ankle joint，displacement and axial rigidity of astragalus.Results The sample is placed in the different functional positions of the normal foot and when cutting off anterior lower tibiofibular ligament，it is significantly different in the stress change of ankle joint，displacement and axial rigidity of astragalus and in 2 status(normal foot and cutting off anterior lower tibiofibular ligament)(P＜0.05).Conclusion Upon the satisfactory fixation of the interior and exterior ankle，restoration of anterior lower tibiofibular ligament can better restore the biological flexibility of the ankle joint，maximally recover its original structure and function and avoid the occurrence of late traumatic arthritis.
Key words：anterior lower tibiofibular ligament；biomechanics；ankle fracture
踝关节骨折、脱位是创伤骨科常见的一种损伤［1］。目前认为，三角韧带、下胫腓全部韧带及部分骨间膜同时损伤时可出现下胫腓分离、距骨向外脱位。然而，临床上占多数的WeberB(旋后外旋)型踝关节骨折，在距骨的强力外旋下，首先产生的是下胫腓前韧带损伤，随后产生外踝的螺旋骨折。由此看来下胫腓前韧带对踝关节的稳定作用是不容忽视的。
我院自1999年以来，对该类骨折在内、外踝的坚强固定基础上，常规探查修复下胫腓前韧带，取得了良好效果。在此基础上进行针对下胫腓前韧带的生物力学研究。本研究对下胫腓前韧带在完整和损伤踝关节标本上进行生物力学实验［2］，观察下胫腓前韧带的损伤，对踝关节稳定性的影响，为临床提供可靠的科学依据。
1 材料与方法
1.1 标本来源及制作 采集国人新鲜足标本1具，截取踝关节以上15 cm下肢小腿横行截断。大体测量标本尺寸(见表1)。并进行X线正侧位摄片，确认无疾病，无踝关节损伤、先天性畸形、骨折、严重退行性变等病理性变化，在小腿上部切除肌肉暴露胫腓骨并用骨水泥固定做上端夹具。按照临床方法在踝关节周围小心行手术，暴露下胫腓前韧带、跟腓韧带、距腓前韧带和后韧带备用。同时制作足踝运动夹具，固定足底，能达到足的三维运动允许进行伸、屈、旋转和外翻活动。
标本制作完成后立即进行生物力学实验，实验结束或转换另一实验需维持新鲜状态，用双层塑料袋在－30℃冰柜内保存。在下一实验前，需24 h解冻后进行其他实验，注意冷冻保持足始终维持中立位状态。表1 新鲜国人下肢尸体标本的一般资料
1.2 实验力学模型的建立 所有实验标本在结构模拟、载荷、高度、材料力学性质、加载方式上均保持一致，以提供精度［3］。全部结构模拟均以正常人尸体新鲜足标本为标准，载荷实现分级加载，选用小腿极限载荷(踝关节负重力为4.5 BW)20％作为生理载荷，即以0、100、200、300、400、500 N为分级载荷。万能材料试验机(WD5)的加载速率为1.40 mm/min，以准静态方式加载，载荷施加于下肢胫腓骨上，并模拟足运动中立位、跖屈位(30°)、背屈位(20°)、旋后外旋位等四种生理运动状况，正常足及切除下胫腓前韧带观察踝关节失稳情况。
标本实验前，应对标本的踝关节结构中距骨、胫骨远端、腓骨远端进行材料力学性质测量［3］，测量结果如表2所示。在测试时用等渗盐水纱布湿敷，以免标本干燥。踝关节的位置模拟步态站立相的中期(约为步态周期的28％)，此时为单肢负重中期，踝关节处于中立位(90°)，负重约为一倍体重左右(设60 kg)，加载每次持续5 s。
实验前在内踝、胫腓骨远端前方、外踝和胫腓骨远端后方A、B、C、D四处粘贴电阻应变片，用以测量踝关节内外踝负重应变变化规律，并在踝关节胫骨、腓骨、距骨设测量位移标记点a、b、c。所有这些应变测试和位移测试应进行应变温度补偿、防潮处理，以保证每具标本具有良好的传导性和高灵敏度。表2 踝关节距骨、胫腓骨的材料力学性质测量结果
1.3 生物力学测试 一切准备就绪后，将应变片接入YJK14数字式电阻应变仪，实验前应予载50N以消除骨的时间效应，即骨的松弛、蠕变等粘弹性影响。实验时依次加载100 N等级，控制好机器速率1.40 mm/min，按不同生理运动情况循环加载，依次切断踝关节相关韧带，测量踝关节的应变、移位变化和稳定性［4］。
1.4 数据处理 将所有数据通过统计学方法计算各参数均值及标准差，用统计分析软件SPSS 11.0方差分析进行评价，确定P＜0.05为有显著性差异。
2 结
果
标本在正常足及切断下胫腓前韧带两种状态下的不同功能位上，踝关节的应力变化、距骨的移位变化及轴向刚度，均有统计学的显著性差异(P＜0.05)。详细情况见表3～6。
3 讨
论
3.1 实验结果分析
3.1.1 踝关节在不同功能位下的应力变化 正常足在中立位时内、外踝上的应变分别为(21±1.30) uε和(189±12.28) uε，胫腓前、后关节上应变分别为(142±9.23) uε和(78±5.09) uε。当足处于背屈20°状态下，内、外踝上应变比中立位分别增加29％和34％，在胫腓前、后关节上分别增加5％和38％。当足处于跖屈30°状态，内踝应变比正常中立位增加78％，外踝应变未增加，而在胫腓前、后处，特别在后部应变表3 正常踝关节不同生理运动位置时应变值情况表4 下胫腓前韧带损伤情况下踝关节不同生理运动位置时应变值情况表5 踝关节下胫腓前韧带损伤时不同功能位的距骨移位变化情况 表6 踝关节在不同功能位下胫腓前韧带损伤时的轴向刚度情况增加78％，有明显变化。当足处于旋后外旋状态时，内踝应变增加74％，外踝应变反而减小，在胫腓联合前、后处应变增加明显，达到72％。这说明此状态踝关节受力增大，应变增加明显，容易导致失稳。
手术切断下胫腓前韧带后，足在不同功能位上的应力变化比正常足在功能位上的应变起了明显的变化。此时在中立位，内外踝的应变增加不明显，而在胫腓前后联合处应变比正常时分别增加了38％和69％(P＜0.05)，增加很明显。当足处于背屈20°状态下，内外踝上应变增加同样不明显，相反有所下降，而在胫腓联合前后处分别增加48％和69％(P＜0.05)，应变增加十分明显。当足处于跖屈30°状态，同样内外踝上应变变化不明显，而在胫腓联合前后处应变分别增加50％和29％(P＜0.05)，增加明显。当足在内翻外旋位时，这时对外踝应变影响明显，应变增加74％(P＜0.05)，而内踝影响不明显(仅10％)，在胫腓联合处前后应变反而减小26％和18％(P＜0.05)，但均有所影响。此时踝关节处于半失稳状态。
3.1.2 踝关节在不同功能位下胫腓前韧带损伤距骨的移位变化 在正常足负重时，即踝关节500 N作用下，足处于中立位时，踝关节距骨的移位，即距骨的纵向垂直移位和水平方向移位分别为(1.86±0.12) mm和(0.26±0.02) mm；当足处于背屈20°时，其移位分别比中立位大5％和7％；当足处于跖屈30°时，其移位分别比中立位大6％和76％。但当足在旋后外旋位时，其距骨移位分别达到(2.07±0.17) mm和(1.30±0.11) mm，比中立位分别高10％和80％，距骨来回晃动在水平方向比较大。
当下胫腓前韧带损伤之后，使距骨与胫骨接触不再十分密切，间隙增大，增大了距骨产生水平移动和垂直移动引起的转动。在损伤状态下，足处于中立位时，其距骨的位移分别为(2.04±0.16) mm和(0.29±0.02) mm，比足踝韧带完好无损状态下的中立位位移增大9％和10％(P＜0.05)，背屈20°时比正常足背屈20°时的位移分别增大8％和18％(P＜0.05)，跖屈30°时比正常足的位移分别增加8％和26％(P＜0.05)，在旋后外旋状况下，比正常足的位移分别增加11％和20％(P＜0.05)，位移明显增大足踝关节开始处于不稳定状态，以实验中观察到距骨运动范围明显增大。
3.1.3 踝关节的轴向刚度 正常足踝关节的轴向刚度在中立位时为(268.81±17.50) N/mm，背屈20°时为(284.09±19.90) N/mm，跖屈30°时为(252.53±19.22) N/mm，旋后外旋位时为(241.55±19.40) N/mm，此时的轴向刚度完全能满足人体各种功能运动所需的刚度要求，足踝关节是相当稳定、坚固。
但当下胫腓前韧带切除之后，踝关节的轴向刚度有了变化，明显出现下降趋势。这表示它抵抗变形能力衰减，即使在中立位时轴向刚度也下降了9％，其他不同功能位下降了8％～11％，与正常相比有一定的差异(P＜0.05)。
3.2 WeberB踝关节骨折现有术式及优缺点 在20世纪60年代，学者们认为构成踝穴的内踝极其重要，因此在治疗时，把重点放在内踝上。20世纪70年代起，人们逐渐觉察到外踝是治疗关节损伤的关键。随着对踝关节骨折的深入研究，腓骨的重要性也更加明显［5］。踝关节的稳定，需要结构完整的踝穴，而踝穴又依赖下胫腓联合保持其完整性。此外证实腓骨骨折后的短缩和外侧移位是发生骨关节炎最常见的原因。目前优先整复腓骨骨折的移位，然后再整复内踝和下胫腓韧带联合，已成为手术的常规程序［6］。荣国威等［7］通过尸体标本分别观察下胫腓韧带、骨间膜、腓骨、内踝和三角韧带等损伤与下胫腓联合分离的关系，结果表明形成下胫腓分离必须具备三个条件，即内踝或三角韧带损伤、下胫腓韧带损伤、腓骨与骨间膜在同一水平的损伤。将内踝与腓骨内固定以后，即使施加外翻、外旋应力，也不会出现下胫腓分离。因此，如果内侧损伤是内踝骨折所致，可将内踝与腓骨行内固定治疗，而不需要进行下胫腓联合固定。
目前广泛接受的观点是，下胫腓联合分离不应当行坚强固定，以往曾流行的下胫腓关节融合或者用拉力螺钉固定下胫腓联合都是不可取的。因为这将限制腓骨相对于胫骨干的位移和旋转，从而影响踝穴对距骨的顺应性调节［8］。WeberB型踝关节骨折即LangeHansen分型的旋后－外旋型，距骨的外旋使外踝受到向后向外的应力，使下胫腓前方的韧带受力最大。下胫腓前方的分离是下胫腓联合的部分断裂，就像展开一本书一样［9］。外踝的解剖复位固定，必然使下胫腓联合复位，经距骨受伤时的惯性外旋依然作用于下胫腓前韧带，势必造成距骨的轻度外移及踝关节不稳定。因为距骨外移1 mm能减少20％～40％胫距关节负重面的作用，移位5 mm能减少80％的作用，关节负重时会疼痛，长时间导致创伤性关节炎［10，11］。
3.3 WeberB踝关节骨折修复下胫腓前韧带的临床意义 通过临床实践及生物力学研究，作者认为在对内、外踝满意固定后，下胫腓前韧带的修复能更好恢复踝关节的生物弹性，最大限度恢复其原来的结构和功能，避免晚期创伤性关节炎的发生。
