肌肉的主要生物力学特征范文
时间：2023-12-01 17:32:20
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篇1
关键词：运动损伤；防护服装；运动生物力学；防护模型
中图分类号：TS941.2 文献标志码：A
A Study on Protective Cloths Based on Sports Biomechanics
Abstract： Based on introducing sports biomechanics as well as current study on protective equipment and protective clothes， the article draws the conclusion that it is very important to study protective clothes by using sports biomechanics and puts forward the theoretical basis， technical problems and technical route for using sports biomechanics in garment applications.
Key words： sports injury； protective clothes； sports biomechanics； protective model
近年来，我国参与体育运动或日常锻炼的人口越来越多。在对全国体育人口比例的调查中发现，1996年的体育人口在总人口中所占的比例为31.4%，2000年增加到33.9%，而到2007年又增加到37.1%，短短10多年的时间里增加了5.7个百分点。
但是在运动中，由于人们并未太多地注意保护自己，常常会引起相应的关节、肌肉、韧带的意外损伤。网球运动常常会导致肘部、肩袖部损伤，范？克拉莫（Von Kramer）对网球运动中出现的损伤进行过调查，结果表明，网球运动中肘关节损伤占全部损伤的41%，是最容易损伤的部位；肩袖损伤占其全部损伤的39%，仅次于网球肘。在跑步运动中，常常会发生小腿肌肉拉伤，有研究显示，有高达35% ～ 65%的健身者与专业运动员曾经发生过下肢损伤。老年人、小孩以及肢体残疾人在日常的行走过程中，由于自身缺乏一定的平衡能力，往往会因为磕碰、摔倒等突发状况而意外导致肌肉和骨骼损伤。有国外学者曾做过相关的研究，该研究揭示了在老年人的摔倒中，将近53%是因为行走、站立的不稳定所导致的。
运动损伤已经给运动员、业余爱好者、老年人、小孩等带来了伤害，也是人们生命安全的重要隐患之一。也有不少人缺乏自我保护意识，认为在业余的体育锻炼和比赛中，做准备活动，然后再多加注意一些，受伤的几率也就小了，其实这种想法是不正确的。因为这种损伤，比如说扭伤、摔伤、各种磕碰伤，在运动损伤里只占到了2%，它的名称叫做意外伤，而将近98%的损伤是那种运动技术性伤。所以基于运动的生物力学，研制减少骨骼与肌肉损伤的防护性服装，是一个很大的趋向。
1 运动生物力学的研究
运动生物力学是生物力学的分支学科，是研究体育运动中人体机械运动规律的科学。其主要任务是运用生物学和力学的理论和方法研究人体从事各种运动、活动以及劳动的动作技术，使复杂的人体动作技术奠基于最基本的生物学和力学规律之上，并以数学、力学、生物学以及动作技术原理的形式加以定量描述。运动生物力学的发展与研究，为提高体育运动的成绩、预防运动损伤、设计研发防护器材奠定了理论基础。
1.1 运动生物力学的实际应用
对于运动生物力学的研究，特别是在应用上，具有自己的特色，大致可归结为以下几点：
（1）在竞技体育运动动作的技术方面，根据人体的体态、素质、机能等情况，研究适合个人的最佳运动和活动技术的动作方案，并通过动作技术诊断使之逐步完善；
（2）从预防运动损伤的观点出发，对各种体育、活动以及生产劳动进行生物力学分析，找出致伤因素，并设计出相应的预防与治疗措施；
（3）运动生物力学不仅研究人体，而且也研究与运动相关的器械的运动规律，按照人体形态、结构和机能的生物力学特征，设计和改进运动器材、设施、服装与用具以及劳动机器、工具等。
1.2 运动生物力学与防护器材
从运动生物力学的角度出发，对体育运动或健身锻炼中用于防护人身安全、避免运动损伤的器材，提出设计和改进的设想及要求，是一项非常艰巨的学科任务，当前基于运动生物力学研制的防护用品主要有护具、运动鞋。
新型橄榄球头盔与传统头盔相比有着本质的区别，新型头盔的外层覆盖了一种新型树脂吸振缓冲材料，它可以有效地防止运动员以头盔作为进攻武器冲撞对手。在运动的过程中，人体的各个关节肌肉常常由于过多的运动量或瞬间的挥击、拉伸发生拉伤或震伤。戴上护具后，就可以对相应部位的肌肉、韧带加压舒服，减缓可能的过度拉伸，并协助肌肉动作，对关节部位起到支撑作用。对于关节出现不同程度劳损的老人以及正在发育期的小孩来说，进行远足郊游或体育锻炼时，很有必要选择一定的护具。
国内外一线运动品牌，其运动鞋技术的每一项进步都离不开生物力学研究，结构设计和技术创新都遵循人体运动生物力学原理。国际一线运动品牌都拥有自己的核心技术，如Nike的air气囊鞋底科技和足跟稳定技术、Adidas的HUG环抱系统和智能芯片技术、李宁新一代单弦弓减震技术等。无论核心技术如何创新变化，结构设计必须遵循运动生物力学的原理，其主要的生物力学原理是缓震减震、能量回归、足跟控制、模拟踝足和回归自然。
2 防护服装的研究
伴随着运动的普及，传统的防护服装基本上从舒适性、结构设计、功能材料等角度出发进行设计研究，通过研究改变或加强面料的性能来达到服装吸湿排汗透气、防火、防水等效果，或者从服装结构设计出发，采用多开口宽松式设计，在前胸、腋下、前后衣片采用连续开口散热功能设计，设计了一套具有散热功能的篮球比赛服装。而在运动过程中能真正地起到对人体防护作用的，往往都是要通过佩戴护具来达到目的，从拳击的头盔到篮球的护足，每一个易受伤的关节都有相对应的护具来产生防护的效果。
但是现阶段基于运动生物力学研究的运动防护仅限于护具以及运动鞋，而客户对防护服装的要求却逐渐从原来的吸湿排汗等舒适性方面提升到舒适、功能、美观、防护一体化上来，更多地希望可以通过服装本身就可以达到防护人体的目的。
所以，有必要从人体出发，通过测量人体各关节点运动的三维坐标数据的变化，将其转化为人体关节运动的生物力学参数，通过分析生物力学参数数据，建立人体防护模型，明确服装面料与防护模型相互之间的关系，并结合服装材料学、服装结构设计、人体工效学等相关知识，设计具有防护性能的服装。
3 运动生物力学在服装上的应用
在体育运动、日常活动以及生产劳动中骨骼和肌肉损伤是难以避免的问题，解决这一难题，必须以人体运动为目标，运用人体解剖学、人体生理学、力学的理论与方法来探索人体运动规律，根据骨骼和肌肉的变化，建立外部防护模型，获取防护服装所需达到的力学参数，为开发运动防护服装提供理论依据。
3.1 理论依据
在运动过程中，骨骼及肌肉功能模型的研究比较成熟，是确定肌肉长度、肌肉拉力线、肌力臂、肌力矩、肌力等关键因素，但却没有明确指出骨骼及肌肉损伤的临界值，建立外防护模型是解决该问题的关键途径。
基于人体骨骼与肌肉的动力学模型，模拟在外部约束条件下骨骼和肌肉的变化，通过逆向动力学方程式和有限元模拟获取相关参数，建立外防护机制，即防护模型；在外加反应实验的作用下，明确服装材料的性能与外防护模型之间的关系，为研制高质量的运动防护服装、减少运动过程中骨骼及肌肉的损伤提供理论依据。
3.2 技术问题
（1）建立骨骼及肌肉的模型，需要运用动态捕捉系统捕捉关键点的运动信息，测量人体在空间的位置和方向，即人体骨骼、关节的运动轨迹。动态捕捉系统通常分类为 3类：机械式、电磁式和光学式，价格不菲。
（2）结合人体运动轨迹的数据，通过人体建模仿真软件进行模拟，并推导出骨骼及肌肉的最优化的防护机制。
（3）通过实验验证分析，明确防护模型与服装面料的性能特征之间的关系，为研发防护性能最优的服装提供依据。
3.3 研究方案
针对一项具体的运动，主要研究内容有以下几个方面：
（1）运用动态捕捉系统捕捉人体关键部位的空间运动轨迹；
（2）借助人体建模仿真软件，将空间运动轨迹的数据转化为生物力学参数，如各关节的位移、速度、加速度及肌肉长度、肌力臂、肌力矩等，进而计算出有关人体防护力学参数；
（3）基于骨骼及肌肉模型，运用逆向动力学的方法，建立人体外部防护机制；
（4）根据各种服装材料的性能，通过有限元的模拟，确定材料的性能与防护模型相互之间的关系，获取防护服装所需的防护参数；
（5）人体建模仿真软件对所获取的服装防护参数进行模拟，以进一步获得最优防护的服装。
技术路线如图 1 所示。
4 结语
运动损伤常常给运动员、体育爱好者、老人、小孩等带来意想不到的身体伤害，然而，传统的防护服装基本上从服装的舒适性角度进行研究，通过改变面料的特性来达到服装的防湿透气、吸湿排汗等，或从服装的结构设计出发，改变服装衣下间隙、开口特征等来提高服装的着装舒适性。国外对于运动防护服及装备的研究则比较深入，从人体的头部到脚的各个器官都配有特定的防护用具，所以基于运动生物力学研究防护服装必将是未来的研究热门。
外防护模型的建立是运动生物力学应用到服装领域的关键，也是制约防护服装研发的主要因素。防护模型的研究处于起步阶段，只有建立起防护模型，才能进一步明确服装材料与防护力学参数之间的相互转化关系，也为研制减少运动损伤的运动装备奠定技术基础。
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篇2
关键词：屈光性近视；轴性近视；生物力学机制
近20年来，我国近视眼患病率在急剧的增加，全国近视患者已超过3亿，在世界排名仅次于“近视第一大国”——日本。近视已成为倍受人们关注的公共健康问题，认知近视眼的发病机制正是解决该问题的关键所在。从近30年来近视眼研究来看，科学家们进行了大量的近视动物模型实验，对近视的发生、发展有了进一步了解。特别在形觉剥夺性近视、遗传基因定位及近视眼生物化学物质改变等方面有较深入的研究。也有学者尝试了生物力学视角的研究，但是目前还没有生物力学模型能解释所有眼的调节机制。因此需要对人眼调节机制进行有关生物力学的基础研究，建立人眼调节机制的生物力学模型，为屈光的研究提供一种新的技术方法。
1.屈光性近视的力学机制
目前，解释调节机制的经典松弛理论[1]认为：调节时睫状肌的环形纤维收缩、悬韧带松弛、晶状体变凸出、屈光力增强、睫状突和晶状体赤道部接近。调节紧张理论[2]认为：调节是由晶状体赤道部受到张力牵引而产生，至少一部分晶状体悬韧带处于紧张状态、晶体中央变凸出周边变平、屈光力增加，并从物理数学模型、尸眼解剖、临床观察等方面进行论证。尽管两种理论存在一定的差别，但是两种理论都认可人眼的调节过程通过三部分眼内组织完成。睫状肌的收缩，睫状肌的收缩使附着在睫状突上的悬韧带张力发生改变，悬韧带张力的变化使晶体的形状发生变化，晶体形状的变化使人眼的屈光力发生变化，完成调节过程。
晶状体的调节主要由睫状肌、悬韧带以及晶状体三部分来实现，其生物力学调节机制的研究基本上从这三方面来展开。“调节本身不仅是传统意义上的睫状肌收缩和晶状体变凸出，同时还伴有晶状体的相对前移调节，对眼的几乎所有屈光构成因素有着显著的影响，视近活动的累积效应是儿童近视眼发生的主要原因”[3]。“悬韧带具有一定的张力，悬韧带在拉断之前平均能被拉长4.48±1.78mm，随着年龄的增长，悬韧带的张力随年龄的增加而减少”[4]。不同屈光状态对睫状肌的动力学影响，睫状肌远点肌肉张力在不同眼屈光状态为一稳定值，且随眼静态屈光度的增加而降低。
由以上的理论研究，我们看以看到睫状肌与晶状体的调节密切相关。对于涉及到的肌肉的运动，我们可以尝试从力学的视角来对屈光不正来进行解读，从而推测屈光性近视产生的原因。笔者认为，屈光不正主要是由于晶状体变凸出，光线聚焦在了视网膜的前方，形成屈光性近视。其生物力学机制可解释为：长时间的近距离作业造成了睫状肌痉挛，并长期处于紧张状态，从而使悬韧带长期处于松弛状态，晶状体不能变凹，也就形成了屈光性近视。
2.轴性近视的力学机制
基于理性分析，认为巩膜强度减弱、眼外肌压迫眼球使眼内压增高等是造成高度近视的原因。但后来的临床及实验研究未能找出相应的证据。对眼球进行了生物力学理论分析，认为“在后部巩膜的应力分布不均，由于上、下斜肌的附着点接近视神经，在调节辐揍时对后部巩膜产生剪切作用，造成后部巩膜延长”[5]。“眼外肌的强直性收缩引起玻璃体内压力升高，在近视的形成中也具有明显作用”[6]。由此，我们不难看出，人们在生物力学的领域已经展开了对近视眼形成机制的研究，研究的重心在于力学的作用点—巩膜。只有对巩膜形变及异化的机制研究清楚，才能为近视眼的矫正奠定基础。
“轴性近视直接与巩膜形变密切相关，因此巩膜、角膜的生长及异化只能表现为眼球壁的不断增厚，不能促成眼轴的延长”[7]。因此眼球的生长必须依赖于眼内压对球壁组织张力，才能形成膨胀性生长。“在同等应力的作用下，前部巩膜的变形最小，赤道部的次之，后部巩膜最大，且高度近视患者的后巩膜承受应力较常人脆弱”[8]。后巩膜加固术能加强薄弱的后巩膜，从而达到抑制轴性近视发展的效果。近视眼巩膜的组织病理学改变早于生物力学特性的改变，并且实验性近视眼的巩膜弹性差，易发生变形，具有较低的承载能力。这些观点都从某一视角对巩膜做了研究，还需要有待进一步的研究。
另外，实验性近视眼后极部巩膜变薄，胶原纤维发生退行性变化即异化（巩膜重塑），而这也是近视眼巩膜弹性差、容易发生变形、具有较低的承载能力的病理基础。“巩膜成纤维细胞胞外基质的代谢、细胞因子的表达及自身生物力学性质等决定巩膜的生物学和生物力学性质。在近视的发生及治疗过程中，伴随有巩膜及巩膜成纤维细胞的力学——生物学特性的变化”[9]。这些理论都为巩膜重塑的生物力学机制提供了充分的理论依据。
笔者认为，轴性近视的形成是建立在屈光性近视的基础之上，当晶状体的不能正常调节已经不足以适应长期的近距离作业的刺激时，眼球就会发生新的变化，及巩膜的异化，从而导致眼球的形变，这种形变与眼外肌有密切的关系。由于长期的近距离作业，眼外肌的分作用力会破坏眼内压平衡，最终促进眼轴变长，形成轴性近视。
3.结论
3.1作为现代文明的产物，近视眼的发生已呈现愈演愈烈的趋势。对于近视形成机制，近30年来在形觉剥夺性近视、遗传基因定位及近视眼生物化学物质改变等方面有较深入的研究，生物力学方面的研究相对较浅。
3.2屈光性近视的力学研究集中于睫状肌、悬韧带以及晶状体的力学参数变化，根据参数变化尝试建立参数模型，从而纠正屈光性调节的理论机制。
3.3轴性近视的力学研究集中于力学的作用点—巩膜。通过对巩膜形变以及异化的研究，人们期望找到矫正轴性近视的突破口。
3.4从力的作用来源视角出发，眼外肌的研究必不可少，但是往往难以着手。眼外肌可以控制眼球的运动，外在的间接研究或许可以为我们研究其力学机制提供一个新的思路。（作者单位：云南师范大学体育学院）
参考文献：
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篇3
摘要：随着力学着手于生物体，尤其是人体相关运动研究的开展，生物力学成为交叉领域中重要的学科体系，运动生物力学是基于生物力学学科之上，结合体育科学体系产生的一门新兴学科，它的产生和发展，在我国此学科在理论、研究方法、测量分析等方面均取得了一定的发展。但考察分析运动生物力学和生物力学的现状，在喜悦于长足进步的同时，不得不承认，运动生物力学的基础理论并不完备，发展趋势仍有局限。
关键词：运动生物力学；发展现状；发展趋势
我国现代运动生物力学出现于上世纪五十年代末期,开始阶段只有少数几个体育学院开了运动生物力学讲座或选修课,国家体委科研所成立了运动生物力学研究组。由于众所周知的原因,运动生物力学在这一时期发展缓慢，到现在虽然有了质的飞跃，但是不能忽视这门学科本身还是有待完善的。本文就运动生物力学在我国的研究方法、研究领域和方向及发展趋势进行简单的阐述和分析，并对我国的运动生物力学作出一些展望。
一、我国运动生物力学的研究现状
1.研究方法
（1）常用的研究方法及仪器。在中国体育科学学会和原国家体委科教司的支持下,运动生物力学分会组织国内多名本学科的专家、教授讨论、撰写成的《运动生物力学测量方法》一书编入了当前运动生物力学研究中使用的主要方法和仪器。包括运动学方法中的平面定机、平面跟踪、立体定机摄影摄像测量方法;动力学方法中的三维测力台测试方法、等速测力仪测试方法;生物学方法中的人体形态学测量方法、人体重心测量方法、肌电测量方法等。另外还收入了一些国内使用尚不普及和少量国外新近使用的测量方法,包括运动学方法中的立体跟踪摄影摄像测量方法、红外光点摄像、激光测试仪、分段计时测量方法;动力学方法中的A.K.M 和B.K.M 测力仪测力方法、T.K.K 测力仪测力方法、赛艇多参数遥测分析系统测试方法、动态力的应变测试方法、人体运动能量测量方法。此外,还有多机同步测量方法、神经网络模型分析方法、数学模型与计算机仿真方法以及运动生物力学测试资料的统计处理与分析方法等［1］。
（2）新的研究方法及仪器。高精度的高速摄像测量系统的应用: 高清晰度、高速度(100～200 场/s以上) 的摄机和录像解析系统。图像自动识别仪器开始应用。高精度的红外光点遥测分析系统已用于研究实践。运动专项的测试仪器和运动器材的研制。磁感应测量仪器研制成功。数学力学模型和人体运动仿真在体育运动技术研究中的应用。运动技术分析的“专家系统”与神经网络模型已经应用于人体运动技术研究。肌电图测试分析向定量化迈进［2］。
2.目前我国的研究领域
（1）优化运动技术。针对某一特定运动项目（ 如田径、球类、速滑等）进行分析，改善运动技术的表现。如《对我国4名优秀短道女运动员弯道技术的生物力学分析》、《用力学原理分析直道滑跑技术》、《排球前后排扣球运动学分析》等［3］。这些研究以使运动员训练科学化，符合力学原理，符合人体规律，从而获得最佳的技能表现。
（2）改进人体基础运动如走、跑、跳、推、拉等，除此之外，还包括区别于竞技运动项目动作、动作系的研究。如《走步运动转变为跑步动作下肢和骨盘之运动学变化分析》、《步态生物力学研究进展》等［4］。大众体育和学校体育受到的重视远逊于竞技体育，实际上，这些研究是非常重要的，因为这些技术研究只有专业的运动员和教练员才会用得上，对于大多数人而言，充分体现“ 民本思想”，改善人体基础运动、改善健康的研究才是真正需要的。
（3）数学模式与模拟。这类数学模式模拟及电脑模拟的研究针对运动技术及人体运动进行分析，此类研究有别于一般仪器进行测量的方法，所以单分为一类［5］。
（4）运动器材设备开发设计。主要关于运动器材设计及力学特征分析，如网球拍、运动鞋、训练器材等。这方面的研究如《不同劲度网球拍对恢复系数的影响》、《不同质地泳衣对速度的影响分析》等。
（5）运动伤害的研究。主要对运动伤害机制及运动护具进行研究，避免运动损伤的发生。如《体能动力损伤机制理论研究分析》。这类研究主要是在研究的过程中部分借助于运动生物力学的研究方法、测试方法来分析造成伤害的动作规律，与人体结构结合总结得出预防运动伤害的方法［6］。
（6）人体测量学的研究由清华大学、白求恩医大和国家体科所合作，采用CT测试方法结合计算机图像处理分析系统，于1995年正式完成了中国成年人人体惯性参数的测定。
二、我国运动生物力学的发展趋势
通过对第六届全国体育科学大会和第十八届国际运动生物力学年会的对比分析，可以大致看出我国运动生物力学的发展趋势。
（1） 计算机是运动生物力学发展的核心。运动生物力学的理论研究将偏重于计算方法的准确和简炼、理论研究的系统性和完整性。借助电子计算机实现快速精确的测量和实时处理人体运动的各种力学参数，实现综合分析和联机分析，以及实现自动化控制是科技发展的必然趋势。
（2） 竞技体育方面的研究更加依赖高新技术。运动生物力学的研究将更加注重训练实践，研究成果要能为竞技体育服务，运动测试仪器的专项化以及高新技术和高新材料和仪器的创新和发展是这一发展方向的具体体现。
（3）运动损伤康复的研究将更加深入，而且与运动专项结合更加紧密，肌肉生物力学已成为热门课题，对预防运动损伤的研究也将是一个热门课题，但对于分子生物力学方面的研究成果还很少，今后，应广泛结合运动生物力学和生物学、运动生理学、运动医学等学科中的研究方法，共同解决人体运动中的有关问题。
（4）研究对象更加广泛，运动生物力学研究除继续对竞技体育进行研究外，还应向青少年、老年人、残疾人的体育运动、军事技术动作以及与人体有关的一些设备。
三、运动生物力学的展望
从以上运动生物力学学科体系现状的分析，不难看出运动生物力学的发展仍存在一定的问题。学科可以研究的内容很多，任务也不尽相同，但为适应生物力学的发展和体育科学的发展，现在运动生物力学的发展应有所侧重。运动生物力学还有许多有待于解决的问题，它的实用价值也只刚刚显露初红。
（1）提高动作技术不再局限于表层研究分析动作技术，更多应着手于研究并提出技术训练的具体方案（有关如何实现优化动作结构）；研制设计专用或通用的辅助训练动作、设施及器械。
（2）基础理论的建设将为运动生物力学发展巩固根基，开拓视野，扩展研究与应用领域。
（3）深入研究运动损伤机制，模拟分析运动损伤过程，设计合理的运动设备（器材、服装、鞋等）以防止运动损伤。
（4）计算机模拟、仿真技术是运动生物力学研究的重要手段。（云南师范大学体育学院；云南；昆明；650031）
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篇4
关键词：有限元法；手部；建模；生物力学
1 有限元法的发展历史及在人体生物力学中的运用
1.1有限元法的发展历史 有限元法（finite elementsmethods，FEM）即有限元素法[1]，是一种在工程科学技术中广泛应用的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学、生物力学等问题。其基本思想是把一个由无限个质点和有无限个自由度构成的连续体划分为有限个小单元体组成的集合体，用离散化的有限单元模型代替原有物体。通过对每个单元的力学分析，获得整个连续体的力学性质。有限元法最早可上溯到20世纪40年代。现代有限法的第一个成功的尝试是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时成功应用有限元法求解。1960年，Clough第一次提出了"有限元法"概念，使人们认识到它的功效。我国河海大学教授徐芝纶院士首次将有限元法引入我国，对它的应用起了很大的推动作用。
1.2有限元法运用于人体生物力学研究 1972年，Brekelmans[2]等首次报道将有限元分析方法应用于生物力学方面研究。80年代后，应用范围逐步扩展到颅面骨、颌骨、股骨、牙齿、关节、颈椎、腰椎及其附属结构等生物力学研究中。随着计算机技术的发展、分析工具的完善以及实践的增多，有限元方法显示了极大的优越性并已逐渐成为研究人体生物力学的重要手段。人体力学行为研究基本无法采用传统的力学实验方式来进行，因而有限元建模愈来愈成为深化人体认识的有效措施。基于有限元软件日益完善的建模功能及兼融其它计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件特性，真实再现三维人体骨骼、肌肉、血管、器官等组织成为可能，并在虚拟现实实验中，通过材料赋值、几何约束、固定载荷等过程，对挤压、拉伸、弯曲、扭转、三点弯、抗疲劳等力学实验进行模拟，能求解获得给定实验条件下模型任意部位变形、内部能量变化、应力/应变分布、极限破坏等数据[3]。
1.3有限元法在人体生物力学研究中的建模思路 有限元建模即建立为数值计算提供原始数据的计算模型，需要通过建立几何模型、材料赋值、网格划分、施加约束与载荷，最后进行求解等步骤实现，是有限元法仿真试验最关键环节。摸型的几何相拟性直接影响计算的结果，医学有限元模型的建立首先需要获得人体特定部位的几何数据，数据可以从几何参数设定、激光扫描、标本切片和磨片以及医学影像图像获得。其中医学影像法最为以无创的方式提供了高精度的人体解剖结构形态，基于医学影像技术建模是目前人体有限元建模的主要手段，可以实现人体解剖结构的可视化乃至生物力学仿真的有限元模型。包括X射线、超声、CT、MRI等途径，其中CT扫描是主流方式，CT结合MRI是新亮点。
通过X射线照片方式建模是指利用不同方位的多幅X射线照片获得几何数据重建三维模型，是一种经济、可行的方式。但因信息获取不完整，建模过程复杂，对研究者经验要求较高，现行医学有限元建模中应用较少。还有研究者基于超声影像技术建模，如赵婷婷[4]等基于超声建立了乳腺有限元模型；张桂敏[5]等在研究二尖瓣狭窄患者二尖瓣下游湍流剪应力变化方面，运用超声影像图像建立了二维有限元模型，为心瓣流体力学研究探索新的方法学途径。目前基于超声的有限元分析研究多集中在机械制造、土木工程等领域，并多采用二维有限元法分析，还没有注意到与医学相关的基本超声影像技术的三维有限元研究相关报道。这或许是因为基于超声影像技术的力学研究本就较少，三维、四维超声的概念提出较晚，与重点应用在工程技术方面的有限元法结合运用更是鲜有。相较X线与超声而言，CT/MRI图像法在医学有限元建模中应用更为普遍。MRI技术具有很高的组织对比分辨率、解析高以及无离子化辐射等特点，能清晰显示人体结构的组织学差异和生化变化。基于MRI图像能获得细致的几何模型。但MRI偏向于对肌腱、韧带等软组织的分辨，对骨的分辨不如CT清晰。此外，目前国内常用的核磁共振机扫描层厚和扫描间距一般都在2mm以上，无法获得更详细的几何数据，影响到重建图像的清晰度精确性。基于CT扫描获得几何数据的建模的方法目前应用最为广泛。CT根据密度不同来确定信号的强弱，可以通过调节扫描条件，使任何复杂形态和各种密度的组织都有较高的分辨率，适用于任何复杂形态和各种密度的三维结构。可清晰显示骨与软组织的边界，通过医学成像系统能获得骨骼比较准确的几何数据，其不足之处在于对软组织的分辨率相对较低，无法从医学成像系统获得准确的肌肉、韧带、腔等组织几何数据，须参考相关解剖资料。CT/MRI数据重建的三维模型，能够真实的再现被扫描对象的表面特征及内部结构，CT的空间分辨率高于MRI，CT对骨组织与软组织边界显示更为清晰，而MRI的对比分辨率高于CT，特别是软组织对比明显优于CT。通过CT结合MRI法将能融合二者优势，但对研究者图像处理技术有更高的要求。通过文献检索发现，目前CT提取骨组织结合MRI提取软组织方法的研究报道较少。徐志才[6]等基于CT影像数据构建了包含股骨、胫骨和腓骨的实体模型，并基于MRI影像数据构建了包含股骨软骨、胫骨软骨、内外侧半月板和内外侧副韧带的三维实体模型。将CT和MRI影像数据进行配准融合，获得包含骨性和非骨性结构的膝关节三维实体模型。
2 有限元建模的常用软件
人体生物力学有限元模型的精确性对有限元分析结果的合理性有直接影响。三维重建技术与有限元方法及其他虚拟现实技术的结合是未来发展的方向，这有赖于这些集成强大图像处理功能的有限元软件的发展。常用的建模辅助软件有：MIMlCS、MATLAB、CAD、Geomagic Studio等软件。其中最常用的是MIMlCS软件，它的FEA模块可以将扫描输入的数据进行快速处理建立3D模型，然后对表面进行网格划分以应用在有限元分析中。它还可基于扫描数据的亨氏单位对体网格进行材质分配。MIMICS的网格重划功能能方便地将不规则三角片转化成趋近于等边的三角片，显著提高STL模型的质量和处理速度，对输入数据进行最大限度的优化，目前版本已发展到MIMICS17.0。现常用有限元软件有：Ansys、ABAQUS、NASTRAN、COSMOS等。其中最常用的是Ansys软件，目前版本已发展到Ansys15.0。
3 手部三维有限元的运用进展
手部因其解剖结构复杂、运动灵活精细、力学分析困难的周围组织对手部力学因素有重要影响等方面原因，研究较人体其它部位明显偏少。在工程领域方面，杨德伟[7]等基于CT扫描数据结合ABAQUS软件建立了手抓握模型。几何模型通过人手CT扫描后简化处理得到，建立的手模型简化为以皮肤、肌肉、神经、血管等软组织为整体的软组织模型和手部骨骼模型两部分，手部复杂的组织结构未曾细化。抓握功能通过参数约束、程序运动规划控制下实现，而并非基于神经肌电活动模拟，也非通过骨、肌肉施加荷载得到，本模型在工程领域有一定实用价值，但远不能满足医学研究的需要；陈志翔[8]等在研究机器人虚拟手过程中，通过参考手部解剖结构，建立手部肌肉模型，并以程序设计约束指间运动关系，通过控制肌肉收缩量来实现手指运动，较好的拟真了手指运动机理。但模型基于数学方程人为控制，而非通过人手实际解剖结构获得。在医学领域方面，Carrigan等[9]通过CT扫描，最先建立了包括韧带、软骨、8块骨骼在内的手腕关节复合模型；国外的Ko等和国内的郭欣等[10]都建立了腕管的三维有限元模型，为进一步探讨腕部结构的力学行为提供了一个可操作的平台；Anderson等[11]最早通过腕关节三维有限元模型模拟了创伤性关节炎病理改变；Bajuri MN[12]等通过CT扫描，参照诊断标准，建立了首例类风湿性关节炎患者腕关节三维有限元模型。国内其它学者也以解决临床问题为出发点，对手的部分结构三维有限元模型的建立进行了积极的探索，如孟立民[13]建立了第一、二掌骨和大多角骨三维有限元模型，并模拟Bennett骨折和微型外固定器外固定及克氏针内固定治疗情形，研究两种治疗方法优劣问题；董谢平等[14]以中国力学可视人原始资料为依据，构建带软组织的正常手腕和佩带腕保护器手腕的三维有限元模型，验证了腕保护器防护腕部骨折的有效性；颜冰珊等[15]建立了正常下尺桡关节三维有限元模型研究了前臂桡骨骨折的临床问题；张浩[16]等基于现有个人电脑平台，建立了腕关节有限元模型，进一步证明利用医学图像处理软件和三维重建软件准确、快捷地构建腕关节的三维有限元模型有可行性。
4 小结
手部建模是虚拟现实领域研究的热点之一，在工程领域主要是机器人手的拟真研究，尤重抓握功能，在医学领域更多涉及腕关节这一部分结构，囊括手部骨骼、关节、肌肉、韧带、筋膜、血管、神经、皮肤等组织结构较完整的手部有限元模型尚未见诸报道。手部的骨骼、关节数目较多、相互关联较复杂，是一个复合性的机械结构，在建模时要同时考虑到骨骼、关节面、韧带、肌腱及其它周围组织在生物力学中的作用。目前，手部有限元建模研究较人体其它部位少，还没有形成较完整、成熟的模型，更没有统一的建模标准。如何将三维可视化手建成物理手的有限元模型是现阶段研究难点，也是实现虚拟生理手模型建立的必然阶段，相信随着计算机技术的进步及多学科更好的融合，手部有限元模型研究将有更为广阔的前景。
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篇5
中图分类号： G 804.5 文章编号：1009783X（2012）03027406 文献标志码： A
收稿日期：20110509
基金项目：国家自然科学基金（30771046）。
作者简介：张健（1963—），男，北京人，硕士，副教授，研究方向为运动生物力学；卜淑敏（1967—），女，山西人，博士，教授，研究方向为运动生理学；魏兆松（1981—），男，安徽人，硕士，讲师，研究方向为运动生物力学。
作者单位：首都体育学院，北京 100191
Capital University of Physical Education and Sports，Beijing 100191，China. 随着人口的老龄化，骨质疏松症不仅是一个医疗问题，也是一个社会问题，是常见的骨代谢性疾病，是一种危害中老年人群常见的疾病，在世界多发病中位居第6位，对该类疾病的研究及治疗在影响人类生存质量的因素中，已经占有了越来越重要的地位。骨密度是诊断骨质疏松的重要标准，受很多因素的影响。为探求骨密度对骨质疏松症的影响，本文采用去卵巢大鼠模型，通过观察各组大鼠的体重、胫骨体重指数、胫骨长度、股骨和第4腰椎的骨密度的变化情况，得出运动和雌激素对骨质疏松预防和治疗的作用。
1 材料与方法
1.1 实验动物
60只雌性健康3月龄SD大鼠，体重（220±20）g，身体情况正常。由北京维通利华实验动物中心提供，饲养于北京大学医学部实验动物学部，啮齿类动物饲料喂养，自由饮食、饮水，动物室温度22～25 ℃，相对湿度50%～55%。
1.2 方法
1.3 实验指标的测定
在取材的前2 d开始制备取材的设备和仪器并注意制备充足的材料，开始断食。在取材的当日5时从动物实验学部用专门的鼠笼把动物带到首都体育学院重点实验室进行取材。
1.3.1 体重
在平时要注意观察大鼠的精神状况和运动能力的变化，并注意各组的饮食量。在取材时要准确地测量出每只大鼠的体重。
1.3.2 股骨和腰椎骨标本的制备
大鼠饲养到期时，要提前2 d断食物，但正常饮水。麻醉后测量体重，股动脉放血处死。注意勿损伤骨质去除附着的肌肉和结缔组织将两侧股骨、胫骨和腰椎骨摘出，将摘出的骨骼用pbs生理盐水浸透的纱布包裹，装入密闭试剂盒中，放置于-20℃冰箱内，测试时将其于室温下自然解冻[12]。
1.3.3 胫骨干重和长度的测定
用水合氯醛麻醉并用电子天平（JA5002）称量出大鼠的体重。对所有的大鼠进行股动脉放血处死并取下大鼠的后下肢左、右胫骨。把胫骨按编号放置在60℃的实验室烤箱（型号 XU027200）烘烤 12 h后取出。用电子分析天平（型号 FA1004A）称量所有胫骨的质量。再用游标卡尺（精确度为0.02 mm）测出大鼠胫骨的长度（测量时，采用游标卡尺卡紧骨的两端结构，并且骨两端的距离是最短（要求骨的纵径与游标卡尺主尺面平行）。计算出左、右胫骨质量的平均值和大鼠体重的质量指数（胫骨和体重的质量指数=一侧胫骨的质量/大鼠体重）。
1.3.4 股骨和腰椎骨的骨密度的测定
1.4 实验数据的处理和统计
所有指标均以平均值±标准差表示，数理统计采用统计软件SPSS 12.0进行单因素方差分析，组间相互比较采用LDS法，对F值明显的指标，用t检验对各组均值进行多重比较。
2 结果与分析
3 实验结果与讨论
去势大鼠作为骨质疏松模型也已经是一门成熟的技术。大鼠在3月龄时性腺与内分泌系统才完全发育成熟，肌肉骨骼系统基本定型，故以3月龄青春期大鼠为研究的起始年龄；但此时大鼠的骨骼仍然在生长，至7月龄时，皮质骨才发育成熟达到骨峰值，故3～8月龄为复制成年大鼠疏松模型的合适年龄，7～8月为最佳年龄；但采用 7、8 月龄大鼠耗资较大，故在设立对照组的前提下，用3～4月龄的大鼠仍是可行的[3]。通过以上所有的实验数据分析，可以看出本次实验的造模是成功的，得到手术静止组的大鼠的体重和骨密度与假手术组、手术干预组有高度显著性差异（P
3.1 胫骨指标数据的比较分析及讨论
骨长轴方向的成长依靠软骨内骨化过程，骸软骨细胞不断增生和不断骨化（软骨变成骨的过程），使骨长度不断增加[7]。比较手术静止组与假手术静止组，可以看出SD雌性大鼠的胫骨由于在去势手术的环境下生长而导致其胫骨长度的增长不明显（P
3.2 骨密度指标分析及讨论
骨密度（BMD）是机体某一部位骨组织中单位骨面积内所含的矿物质量，是影响骨强度的一个重要因素，是评价骨强度的一个最方便、最常用的指标，并且BMD的高低也被作为诊断骨质疏松的一项主要标准。BMD受到诸多因素的影响，如遗传背景、性别、年龄、激素、营养和运动因素等。宋冰，张兆强研究显示，切除大鼠双侧卵巢后，骨矿物元素Ca、S、Mg、Zn、Co、Mn等含量显著降低（P
雌激素具有下调骨重建阈值的作用[16]，当雌激素减少时骨重建阈值提高，因此，原先使骨骼进行保留型骨重建的应变只能进行废用型骨重建了。绝经后雌激素减少，通过运动可以增加骨骼载荷以增加骨骼的应变，使之达到骨重建阈值而进行保留型骨重建，减少绝经后骨量的丢失[17]。体育运动影响骨的力学特性。影响骨的力学特性的因素包括骨的几何形态（体积、横断面、管壁厚度等）、骨矿密度（与骨组织的孔隙率呈反比）、骨质的质量（原有骨质和新形成骨质之比、矿化度、骨胶原成分和含量、骨胶原和骨矿的排列方向，以及骨基质中和骨单位周围存在的细微骨折数量等。骨骼所受的外力，即使骨产生形变的外源性机械力可概括为内源性肌肉收缩力与外源性反作用力。这些力对骨生长发育的调控主要通过调节软骨内生长与骨化、关节软骨的发育，以及软骨周缘/骨膜的骨化和软骨内成骨[18]。机械力学信号可转化成促进成骨的生化信号。力学信号激活骨细胞网络通路而成骨，尤其在达到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形态结构[19]。跑步运动时骨骼肌的频繁收缩，大量增加肌肉的血液供应，进而增加骨皮质血流量，改善骨组织血液供应，促进钙的吸收，保存骨量。陈柏龄等的研究显示：雌激素和运动均可显著提高骨密度及生物力学性能；但与雌激素相比，运动在防治Ⅰ型骨质疏松的作用中具有如下优点：1） 更强的促进骨形成的能力；2）调节骨重建的部位和方向，使骨的显微结构适应其生物力学功能；3）提高骨的硬度，增强骨抵抗变形的能力[20]。李梅、李爽等人研究显示：运动和雌激素均能明显提高去卵巢大鼠胫骨的BMD，但在维持去卵巢大鼠BMD方面，运动的功效作用优于雌激素。这可能是因为运动不仅能对骨骼系统提供有效的力学刺激，而且可以改善机体神经内分泌功能，明显提高绝经后妇女的内源性雌二醇水平，能够有效缓解绝经后各种低雌激素症状从而达到良好的维持或改善骨健康的功效[21]。
本实验手术运动组大鼠的骨密度相对手术静止组有高度显著性差异，就是运动给予骨骼机械力的作用而引起的，通过上述研究分析可以明确为什么运动组大骨密度增高。同样孙颖等[2224]的研究发现，低、中强度的跑台运动训练可以延缓股骨骨量的丢失，高强度运动并不能产生这种效果。王怡婧，张焱等人研究发现中等强度跑台运动和E2单独或联合作用均能显著增加去卵巢大鼠肝组织匀浆NO含量，二者是通过上调肝脏 eNOS 蛋白表达而发挥作用[25]；因此，大部分研究认为，中等强度的承重性练习更有利于延缓骨量的丢失。张林等人的研究显示：去卵巢后大鼠表现为高转换型骨代谢特征，雌激素下降，甲状旁腺激素分泌加强，促进骨吸收，从而骨钙流失；因此，血钙含量上升，而运动可使血钙流入并沉积在骨中，主要原因推测为：1）运动能促进血液循环，利于血钙向骨内输送和破骨细胞向成骨细胞转变，促进骨钙化，增加骨密度。2）运动负荷的机械应力可促进骨细胞的增殖，加强其活性，使骨的矿化过程加强，使血中的钙以钙盐的形式沉积在骨中，从而使骨量增加。
运动结合药物对由于去势而导致的骨矿物质丢失有预防和治疗的作用，已经成为人们的共识。很多动物实验都已经证明：适度运动结合雌激素对由于老年化而导致的骨质疏松有协同的效果。本实验的手术给药加运动组与手术给药和手术运动组大鼠间有显著性差异也证明在该实验条件下，对去势大鼠的骨骼矿物质的丢失是有效果的。
4 结论
3）本实验的不足之处，假手术运动与静止组别在一些数据指标上没有显著性的差异；可能是该运动量对健康大鼠的影响程度不高，没有去势大鼠改善效果明显的缘故。
实验的结果提示我们在预防和治疗由于老年化引起的骨质疏松，单纯的药物与运动干预，不如两者共同协同作用效果显著，并且在实际的对待人类而言，很重要的一点是必须控制好药物量及运动的强度和量度，还要安排好干预的时间和频率。
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篇6
关键词：男子 短距离 自行车运动员 力量特征
中图分类号：G804
文献标识码：A
文章编号：1004-5643（ 2015 ）01-0077-03
自行车运动属周期性力量型项目，短距离自行车运动员的肌肉力量素质要求更为全面，涵盖了绝对力量、爆发力和力量耐力的各个方面。其专项力量的提高直接关系到运动成绩的提高。运动员和教练员对自行车运动员膝、踝关节肌肉力量的提高做出了很大努力，但对各关节主要肌肉群训练的比例如何安排，练到什么程度等问题还不很清楚，也还没有一个较为可信的参考依据。本研究通过对不同训练水平男子短距离自行车运动员下肢膝、踝关节屈伸肌群的等速测试，使教练员、运动员了解肌肉力量训练的效率和质量，以更有效地提高运动成绩、避免运动损伤，为专项运动员的科学选材和肌肉力量的诊断提供科学依据。
1 研究对象和方法
1.1研究对象
选自国家集训队24名优秀运动员，按等级分为两组：优秀组（健将）10名，普通组（一级运动员）14名。（见表1）
1.2研究方法
1.2.1实验测试法
测试仪器采用美国CYBEX公司生产的CYBEX-NORM770型等速力量测试康复仪器。选取峰力矩、相对峰力矩、平均功率、屈伸力矩比等测试指标。
膝关节部位屈伸肌群力量选定慢等速60。/s和快等速300。/s两种不同的角速度进行测试；踝关节部位屈伸肌群力量选定的测试角慢等速60。/s、快等速180。/s两种不同的角速度进行测试。
在进行动态肌肉力量慢等速测试时，加载于肢体的负荷阻力较大，因此常被用于进行最大动态肌力检测与评价；在进行快等速测试时加载于肢体的运动负荷阻力较小，关节运动速度较快，因此常被用于检测和评价肌肉快速力量。
1.2.2文献资料法
通过查阅中国知网、中国学位论文全文库相关自行车运动和力量测试的相关文献，了解当前的研究现状，并进行了实验设计和可行性分析。
1.2.3专家访谈法
走访了自行车教练员、体能教练，并了解队员力量素质的训练情况，针对自行车运动员力量素质训练方法，以更好地协凋好各部位力量训练的关系。
1.2.4数理统计法
利用Microsoft Excel和Spss统计软件包将采集的数据进行统计分析，包括均值、标准差、T检验等。最后利用Microsoft Excel和Microsoft Word进行数据统计结果及图表的处理。
2 测试结果
2.1男子短距离自行车运动员膝关节屈伸肌群的测试结果
2.1.1男子短距离自行车运动员膝关节屈伸肌群峰力矩和相对峰力矩测试结果
由表2可以看出，男子优秀组和普通组短距离自行车运动员膝关节屈伸肌群峰力矩值随测试角速度的增加而减少。在测试角速度为60。/s时，左、右侧膝关节伸肌群峰力矩值优秀组运动员与普通组运动员均差异显著（P
由表3可以看出，男子优秀组和普通组短距离自行车运动员膝关节屈伸肌群相对峰力矩值随测试角速度的增加而减少。在60。/s和300。/s测试角速度时，优秀组运动员与普通组运动员膝关节屈伸肌群相对峰力矩值差异不显著（P>0.05）。
2.1.2男子短距离白行车运动员膝关节屈伸肌群比值测试结果
从表4中可以看出，男子优秀组和普通组短距离自行车运动员膝关节屈伸肌群屈伸比随测试角速度的增加而增大。在测试角速度60。/s和300。/s时，左、右侧膝关节屈伸肌群屈伸比优秀组运动员与普通组运动员均差异不显著（P>0.05）。
2.2男子短距离自行车运动员踝关节背屈跖屈肌群测试结果
从表5可以看jL，男子优秀组和普通组短距离自行车运动员踝关节背屈跖屈肌群峰力矩值随角速度的增加而减小。在测试角速度60。/s时，优秀组运动员与普通组运动员右侧踝关节背屈肌群峰力矩差异很显著（P
在测试角速度180。/s时，优秀组运动员与普通组运动员左、右侧踝关节背屈肌群峰力矩值差异很显著（P
从表6可以看出，男子优秀组和普通组短距离自行车运动员踝关节背屈跖屈肌群相对峰力矩随测试角速度的增加而减小。在测试角速度60。/s时，优秀组运动员与普通组运动员有踝关节背屈肌群相对峰力矩值差异显著（P
3 分析讨论
3.1膝关节测试结果分析讨论
男子短距离自行车运动员膝关节屈伸肌群峰力矩值和相对峰力矩值随测试角速度的增加而减少。这与以往的研究结果相一致，与运动解剖学状况和肌肉力学特征相吻合，符合经典的Hill方程关于肌肉张力与肌肉收缩速度成反比的理论。
峰力矩是指肌肉或肌群环关节运动过程中相应肌肉或肌群收缩进而产生的最大力矩输出值，能真实的反映肌肉在运动过程中的最大负荷情况，代表关节肌肉或肌群的最大肌力。通过测试结果提示：在60。/s测试速度时，普通组男子短距离白行车运动员膝关节左、右侧伸肌群和右侧膝关节屈肌群峰力矩值有待提高，应加大最大力量的训练。普通组男子短距离自行车运动员左右侧膝关节伸肌群力量发展不平衡，右侧膝关节伸肌群最大肌力水平有待提高。否则，会影响到自行车运动员在踏蹬和提位过程的网滑度，以防止男子短距离自行车动员在高速踏蹬和提拉运动中运动损伤的发生。 相对峰力矩是指峰力矩除以受试者的体重所得到的比值，它是反映运动员每公斤体重的单位体重用力的情况，比较在不同负荷条件下所发挥出的力量与体重的比值的意义在于：通过计算出运动员每公斤单位体重的肌力情况，排除了运动员体重差异对其力量大小的影响，具有可比|生。优秀组运动员和普通组运动员膝关节屈伸肌群相对峰力矩值比较之间均没有差异。自行车运动员的运动过程本身就是克服机械阻力、空气阻力、地面摩擦力做功的过程，运动员的体重对于其力量有一定的关系。在力量不受影响的情况下适当的控制体重对完成比赛项目，对其成绩的提高很有帮助。
男子短距离自行车膝关节屈伸肌群向心收缩的峰力矩的比值是衡量主对抗肌肌肉力量平衡的重要指标，比值过大或过小都影响肌肉用力的协调性和均衡性。这里强调的屈伸比的大小，不代表力矩的大小。正确的理解应该是比值的大小，是衡量膝关节屈伸肌群力量的发展协调（相对平衡）程度。屈伸比的偏低首先是由于膝关节屈肌群肌力的相对偏低造成的，屈肌群力量偏弱就会影响整个膝关节，乃至下肢肌肉的协调发力和技术动作的准确性，以及输出功率的大小。现代训练理论认为，力量是自行车项目的关键，但更要注意肌肉力量的协调发展。这里的协调并不是常说的协调性，而是指肌力分配的协调，以及运用专项技术动作过程中肌力分配的合理性。只有各肌肉间协调工作时，才能充分调动肌纤维的募集和高效工作。这一目标的实现有赖于屈伸肌比值这个指标。建议普通组男子短距离自行车运动员应及时采取有针对性的训练，在提高伸肌力量训练的同时，要加大训练屈肌的力量，从而提高运动员的屈伸肌力比。
3.2踝关节测试结果分析讨论
在60。/s测试角速度时，优秀组男子短距离自行车运动员右侧踝关节背屈肌群峰力矩明显大于普通组男子短距离自行车运动员；优秀组男子短距离自行车运动员右侧踝关节背屈跖屈肌群峰力矩普通组男子短距离自行车运动员；180。/s测试角速度时，优秀组男子短距离自行车运动员左、右踝关节背屈跖屈肌群峰力矩明显大于普通组男子短距离自行车运动员。
以上测试结果表明：普通组男子短距离自行车运动员右、踝关节背屈跖屈肌群最大肌力不足，也影响到了快速力量的发挥。尤其是在踝关节跖屈肌群快速力量表现的更为明显。说明踝关节跖屈肌群快速力量也是普通组男子短距离自行车运动员应注重发展训练的力量素质。
4 结论
（1）普通组男子短距离自行车运动员左、右膝关节伸肌群发展不平衡，应加强训练右侧膝关节伸肌群的力量，及早纠正其踏蹬不同滑的现象。（2）优秀组和普通组男子短距离自行车运动员膝关节伸肌群快速用力的持久性不强，应加强膝关节伸肌群的快速力量持续训练。（3）普通组男子短距离自行车运动员应注重发展踝关节背屈肌群最大力量和快速力量练习。（4）通过分析讨论，勿庸置疑，男子短距离自行车运动员膝、踝关节屈伸肌群的力量大小和屈伸肌群比例合理与否，是成为优秀运动员的关键因素。因此，建议普通水平的男子短距离自行车运动员应加强专项训练，提高膝、踝关节屈伸肌群的工作能力及工作特点，改善其供能代谢水平，使其更快、更好地向专项优秀运动员过渡。
参考文献：
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Bo Shijun
Wang Zizheng
Abstract： Through the isokmetic strength test ofdifferent training level ofmen's short distance cycling athlete knee， anHejoint flexor group， the paper explores different training level man short distance cyclist muscles mechanics characteristics，knee， ankle flexion and extension for the athletes improve performance effectively and avoid sports injur}r， scientificselection and provides a scientific basis for the diagnosis ofmuscle strength.
Key words： man
Short distance
篇7
关键词： 步态研究 研究方法 正常步态 不正常步态 应用
人出生后大约12―15个月就开始独立行走。此后一生中，步行成为人体活动最基本的方式之一，人的步行姿态在一定程度上是与人体所处生物学因素及环境因素相互作用的体现。步态分析是对人体步行从运动学、动力学、肌肉工作特征及其运动控制等方面，进行系统的分析研究。研究者们通过对步行姿态（步态）的研究，对人的行走功能进行评定、对疾病的恢复效果进行评价、对不正常步态进行矫正、对行走辅助功能提供参考。步态研究已经成为生物力学及医学界的一个重要课题，国内外学者们对此做了广泛而深入的研究。本文通过对步态研究的方法、研究进展等方面作综述，希望为以后步态问题的深入研究提供参考。
1.步态研究的方法的发展
随着人类科技的进步，步态研究的方法在不断更新。从原始的肉眼观察、简单工具测量到应用数码摄像技术、计算机模拟，到目前最为先进的步态系统研究方法。方法的更新和进步使步态研究更加准确和丰富，为人类的健康作出了巨大的贡献。
1.1肉眼观察法
19世纪德国生理学家webers兄弟首先发表了对人体的基本位移形式―步行的研究。由于受到当时条件的限制，他们采用了观察法，通过素描及绘画的方法对步态进行了描述［1］。这也是较早对人体步态的研究之一。很显然，这种方法的精确性差，而且仅能够粗略地描述人体的步态。所以，这种方法随着时代的发展已经不再为人们所采用。但是，他们的研究方法引发了人们对步态研究的无穷探索。
1.2走纸法［2］
走纸法是一种较为古老的步态研究方法。它是通过对测试者所走过的足迹进行测量，借助简单的工具进行步态分析的方法。这种研究法所能得到的参数很少，而且测试的工作量较大，且因为测量工具问题误差较大。至今，这种方法逐渐被淘汰。从研究方法学来说，这种方法是人类利用测量工具研究步态的开始。
1.3摄影摄像法
随着科学技术的发展，人们开始利用性能较高的摄影摄像技术分析人体步态。使用两到三台互相垂直的摄像机对人体正常步行进行拍摄。然后利用计算机分析系统对步态参数进行测定。这种方法的精确度较高，参数分析的范围比以往任何方法都要大。通过这种方法，我们可以得到步态的时间、空间、时间―空间参数，包括人体步行时的重心曲线，肢体各关节的运动曲线等。通过这些数据，我们可以对人体步行的稳定性、协调性、节奏性、对称性进行评价，从而为疾病恢复、步态矫正、假肢研制等提供重要的参考。这种方法的缺点是反馈速度慢，以及对一些力学参数的测定无能为力等。所以目前研究者主要用摄影摄像法与三维测力台配合使用，使研究更加全面，更加有说服力。
1.4三维测力台法
这种方法是让测试者在测力台上按测试要求正常步行，测力台的内部的电阻受压后，应变片因拉伸或压缩而产生电阻的电信号变化，通过放大后进入连接的计算机处理［3］。通过这种方法，我们可以获得步态的力学参数，如足底压力分布、空间各方向的分力、与地面的支撑反作用力等。通过这些参数，我们可以对行走的稳定性、对称性等进行评价。目前这一技术已经比较成熟，典型的有kistler测力台和AMFI测力台。测力台所得力学参数与数码影像分析所得的时空参数相结合，综合人体相关生理知识，我们已经能够对步态进行较为精确的描述。
1.5步态分析系统法
它由计算机、测力板和测角仪组成，利用随身携带的单片机，记录由测角仪测得的关节角度信号，并由与测力板以及安装在步行道上的压力开关相连的光电装置，控制单片机和测力板的同步周期采样，测试完毕后，用串行通讯方法将单片机的采样信号输入计算机处理，而整个步行采用无电线连接测试，并针对以往简易步态测试装置不能确定人置的不足，建立了能确定着地足位置的积分方程，再利用测角仪测得的关节角度信号和用多刚体力学建立的人体步行运动学、动力学程序，使得它像各种先进的红外步态分析系统一样，计算出步行的各种能量变化、人体行走位置、关节受力和肌肉力矩等。我国也开展了各种简易步态分析系统的研究，较有代表性的工作有：微机化步态分析系统［4］和靴式步态分析系统［5］。
2.步态研究的进展及对人类健康所作的贡献
2.1对不正常步态的研究及对人类健康的贡献
所谓不正常步，即步态特征的变化超出正常范围。whittle（1996）列出四点被视为不能正常行走的特点，一是两腿不能交替支持人体重量，二是在单腿支撑时不能静力性或动力性保持平衡，三是摆动腿不能前摆到一位置上从而变为支撑的作用，四是力量不足以令下肢移动的同时带动上肢。异常步态有时很明显仅凭肉眼观察就可看出，而有时必须通过实验仪器才可以得出步态异常。
近年来，以步态分析的方法来评估及治疗肌肉骨骼和神经方面的研究发展迅速，并由此进一步推动了对不正常步态的深入研究。这方面的研究很多，如刘永斌［6］等人对三截一瘫残疾者进行步态测试，以反映人体行走姿态变化时间历程的周期、时相及反映支撑反力的三维离曲线为基础，用特征函数的基本概念进行归类组合，提出5个相应的经验公式，以此对三截一瘫患者的行走功能进行评定。Rozendal［7］等通过三维步态分析系统提供三维平面的地面与反力的向量图，绘出偏瘫病人足―地接触力的向量环，可以发现健侧和患侧下肢的力量环和形态明显不同，借此可客观评定步态异常机理。Granataetal.（2000）［8］通过步态分析，研究延长肌腱的治疗方法对儿童脑瘫病人的影响，等等。除此以外，临床步态实验室也在不断增加。对于不正常步态的研究，可以帮助早期偏瘫、脑瘫等功能性疾病的诊断，还可以通过矫正促进疾病的恢复。医学界正在越来越多地应用步态研究成果为人类健康服务。
2.2对正常步态的研究及应用
一个正常的步态周期，通常由脚跟着地开始，至同侧脚跟再次着地为止，包括支撑和摆动阶段［9］。对正常步态的研究主要是从步态的时间、空间、时―空、力学等参数入手研究各年龄段、各类不同职业的群体、不同形体特征的步态差异，对人类的步行规律及相关影响因素进行探讨。
国内外研究主要集中于老年人、儿童等特殊人群的步态。而对于成年人特别是与步态与运动能力的关系的研究较少。如Hills and parker（1991）［10］研究表明身高与步幅显著相关。Mann and hagg（1980）研究表明，正常儿童以自然步速行走，支撑时间是整个步行周期的62%，且支撑时间似乎并不随年龄而变化。只有在步行节奏改变时，如跑或快速步行时变化才比较明显，其他学者的研究也支持了这一点。另外，granata，abel，anddamiano（2000）［11］对下肢关节角度和关节角速度的变化做了研究，指出步行时关节角度的大小是与肌肉的活动和发力是相关的。北京体育大学赵芳、周兴龙等（1996）［12］分析139名普通中老年人在正常步行下的步态，其目的是研究从中年到老年这一衰老过程步态指标的变化，希望能将步态指标作为中老年人体质衰老的评价标准。另外，一些学者对肥胖儿童、长期负重、高跟鞋等对步态的影响也做了一些研究。这些研究对于人体步态矫形，塑造人的形体美，以及利用人体步态参数为肢体残疾者制作合适的假肢，促进青少年形体的健康发展等起到了巨大的作用。不足的是对健康成年人步态与身体功能、步态与人体运动功能关系的研究还较少，相信随着研究手段的日益完善，这方面会取得较大的进步。
3.讨论
3.1随着科学技术的发展，对步态研究的方法也日益完善。从原始的观察法、走纸法等发展到准确全面的影像技术、测力台技术和步态测试系统。国内外很多学者仍然在努力尝试研究更为科学的研究方法，并且陆续有报导。另外，因应医学上对病态步态分析应用的要求，临床步态实验室不断增加，并且朝向实用性、准确性、系统性、低成本方向发展。
3.2随着研究方法的不断进步，步态研究也在不断深入，通过对正常步态从时间、空间、时间―空间、力学等参数的测定，对人体正常行走的规律及不同人群的步态特征的研究也取得了很大的成功。对一些特殊形体如肥胖、长期负重及等人群的步态也开始研究。这些研究对评价人体行走功能、矫正不正常步态等提供了科学的依据。病态步态方面的研究如“三截一瘫”者步态，为科学诊断及恢复治疗、恢复评定提供了重要参考。不足的是，对步态与运动功能的关系，健康成年人步态与身体功能的关系等的研究还较少，希望这方面能够引起研究者的重视。
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篇8
中国标准化研究院人类工效学实验研究中心是全国最大、唯一通过CNAS认可的专业实验室。该研究中心的历史可以追溯到1980年，成立初期主要致力于人类工效学基础应用研究和工效学标准化研究。2004年以来，研究中心先后通过国家财政资金支持和科研项目，投入资金近4000万元，多角度、系统地扩大和加强了原有实验室功能，实验能力得到质的飞跃。目前，研究中心占地700平方米，拥有人体测量实验平台、生物力学实验平台、可用性与人机交互实验平台、感知工效实验平台、认知工效实验平台和虚拟现实与仿真实验平台六大实验平台，同时拥有自80年代以来持续完善更新的中国人体尺寸数据库。
其中，人体测量实验平台主要用于研究人体的形态特征，为人体建模和各类工业设计提供人体尺度参数，已在2010年通过国家（CNAS）的能力认可。生物力学实验平台配备了ViconMXF20运动捕捉系统、Kistler9281EA测力台、NovelPliance及Pedar压力垫、美国BTEPrimusRS动作模拟与测试系统、美国BTEEvltech运动能力评价系统、美国MAXII型心肺功能测试系统、德国H/PCosmos运动跑台、美国Biopec多导生理仪和Noraxon表面肌电仪等国际一流水准的实验设备，可开展肢体活动范围测量、动作捕捉与分析、人体体表受力分析，关节受力分析，关节活动角度测量、动作模拟与肌肉力量测量分析、心肺功能测试、表面肌电分析等实验。可用性与人机交互实验平台主要用于研究人机交互行为，记录分析被试者在完成预设任务时的物理行为和生理心理反应，重点针对信息产品、智能化家电的人机界面设计。感知工效实验平台主要用于研究人体的听觉感知特性、视觉感知特性和环境感知特性等，听觉感知特性为产品中声音信号的设计和声品质的改善提供参考；视觉感知特性主要针对视像、照明产品提供光、色对人生理、心理的感知舒适度和医学伤害的评测；环境感知特性主要研究各类消费群体，例如老人、儿童、妇女等，在不同温度、湿度、风速等环境条件下对热舒适度的感知。认知工效实验平台主要用于研究注意、记忆、反应等各种心理认知特性，为企业宣传设计、产品说明书设计等提供对消费者易读性、易懂性的评测数据。虚拟现实与仿真实验平台主要利用虚拟现实技术对现实的“人－机－环境”交互系统进行模拟、仿真、测评和研究，解决传统工效学实验手段的局限性。
此外，中国标准化研究院的中国人体尺寸数据库是目前数据量最大、测量项目最全面、样本年龄跨度最大、采样地域分布最广的中国人体尺寸数据库。工效学基础参数数据库包含从1988年到2009年中国人人体尺寸数据库,共拥有数据量近500万条，覆盖了全中国、各民族的人体特征数据。
篇9
关键词：短跨项目；肌力；速度；运动能力
中图分类号：G804.62文献标识码：A文章编号：1007-3612(2008)05-0613-03
速度素质在短跑项目中是起主导作用的专门素质。发展速度主要是肌肉力量和肌肉收缩速率的发展。本研究的目的是通过增强运动员的小肌群的专项速度力量素质，改善运动员的用力条件；通过增强运动员上肢肌肉（主动肌群、对抗肌群）的速度力量，改善和提高上下肢的运动能力、协调能力，提高动作的效率。本研究采用的主要方法是在运动员训练过程中，通过小负荷环节末端负重训练，增加肌肉尤其是对抗肌群的速度力量，通过增加小肌群及其对抗肌群的速度力量，提高训练效果。
1研究方法
1.1实验研究方法受试者为北京体育大学10名男子短跑运动员，受试运动员为同一教练员执教、同一训练组，训练安排每周一、三、五训练三次。整个测试实验共进行两次，第一次测试是在负重训练前进行，第二次测试是在负重训练4周之后进行。
实验采用Qualisys MCU500红外远射运动信息三维测试系统对训练前后运动员的起跑技术进行测试，取得运动学参数。用Biodex等动力矩测量测量系统测量受试者右腿膝关节、踝关节、右侧肩关节进行测试。肩关节的环节力矩借用膝关节的动力头进行测试。使受试者屈肘摆臂的摆动方式更接近实际运动动作。
1.2辅助小力量周训练计划1） 练习的形式抗小阻力练习。
2） 小力量练习器械：橡皮条、小沙袋（0.5 kg系于碗关节、1 kg系于踝关节）、小哑铃、小杠铃等。
3） 练习内容放在基本部分的前段时间，大约30～45 min。
2结果与分析
2.1运动学量结果与分析表
从表1中可以看出，虽然绝大多数指标在力量训练前后并未表现出显著性的差异，但仍显现出良好变化的趋势。起跑动作后脚蹬离起跑器瞬间蹬地腿的膝角和踝角训练后都明显小于训练前，且二者有非常显著性差异；右脚着地瞬间踝角训练后也明显小于训练前，且有非常显著性差异；右脚离地瞬间的踝角在训练后却明显大于训练前，且有非常显著性差异；右脚离地瞬间的躯干角在训练后大于训练前，有显著性差异。
从表2中可以看出，训练前后起跑动作大多数指标在力量训练前后表现出显著性的差异，其它指标也显现出良好变化的趋势。第一步的支撑时间在训练后明显短于训练前，且二者之间有非常显著性差异；摆动腿膝关节最小角度训练后明显小于训练前，踝关节最大蹬伸角速度训练后明显大于训练前，这两个量之间没有显著性差异；膝关节最大蹬伸角速度、摆动腿最大折叠角速度在训练后都明显大于训练前，且二者之间都有非常显著性差异；髋关节最大蹬伸角速度训练后明显小于训练前，这两个量之间没有显著性差异。可以认为，经过训练，运动员在加速跑阶段膝关节蹬伸速度有所增加，同时用力幅度加大。同时，由于此时躯干角和小腿蹬地角均较小，蹬地力向前分量大，因此快速、大幅度的蹬伸下肢有利于身体的快速启动与向前加速。
从表3中可以看出，起跑动作技术的上臂前摆幅度、上臂后摆幅度训练后大于训练前，最大向前摆臂角速度、最大向后摆臂角速度训练后大于训练前，大腿前摆幅度增大，大腿后摆幅度减小，大腿后摆角速度增大，以上各个量训练后于训练前没有显著性差异；大腿前摆角速度训练后明显大于训练前，且而者之间有非常显著性差异。从数据对比可以看出，大腿前后摆动的幅度训练前后并无明显改变，但向前摆动角速度明显增加。这不但与大腿前群肌肉速度力量水平增加有关，还在于经过训练下肢向前摆动过程中大小腿折叠程度紧密，使向前摆动更加省力。
2.2动力学结果与分析
2.2.1踝关节动力学结果与分析由表4可以看出，训练前后踝关节跖屈、背屈肌群的肌力有非常显著性的改善。训练后环节力矩、动作的总功、动作的平均功率都明显大于训练前。不同运动形式的所有生物力学指标都表现出非常显著性的差异；运动学指标表现出非常显著性的差异。这表明，训练后运动员踝关节的力量增强，单位时间内环节克服同样阻力时，所产生的爆发力增加，环节运动的角速度增大，完成动作的时间缩短。这与运动学测试所得的生物力学指标相对应。
2.2.2膝关节动力学结果与分析由表5中可以看出，运动员对不同负荷时的反映不尽相同，运动员在训练前后膝关节的最大活动范围在不同负荷时的个体差异很大。因此，在进行训练过程中对不同的运动员应区别对待，制定出适应每个人的训练计划。
由表6可以看出，训练前后膝关节屈肌群的肌力有非常显著性的改善。结果表明，末端小负荷的训练对对抗肌群的肌肉力学特征量的改善非常有效。
2.2.3肩关节动力学结果与分析
从表7中可以看出，肩关节角度最大活动范围在训练后比训练前有非常明显的增大。从肩关节活动范围的变化可以看出，小负荷的训练对运动员肩关节屈伸肌群的力量增强有明显效果，单位时间内环节克服同样阻力时，所产生的爆发力增加，环节运动的角速度增大，完成动作的时间缩短。这与运动学实际测试所得的训练前后上臂摆动的运动生物力学指标高度对应。
由表8可以看出，训练前后肩关节屈伸肌群在不同运动形式、不同负荷下峰力矩特征指标都表现出高度同一性，训练后的峰力矩非常明显的高于训练前，且训练前后的指标都表现出非常显著性差异。这以结果于运动学测量结果向对应，肩关节肌群动力学量的改变，使得上肢的摆动幅度、摆动角速度都明显增大。结果表明，末端小负荷的训练对小关节的肌群的肌肉力学特征量的改善非常有效。
2.3训练前后30 m疾速跑成绩对比
由表9可以看出，运动员在实验前后30 m疾速跑的测试中，训练后的运动成绩非常显著的大于训练前，平均提高0．064 s。
3结论
1) 起跑动作后脚蹬离起跑器瞬间蹬地腿的膝角和踝角训练后都明显小于训练前；右脚着地瞬间踝角训练后也明显小于训练前；右脚离地瞬间的踝角在训练后却明显大于训练前，右脚离地瞬间的躯干角在训练后大于训练前。
2) 训练前后起跑动作第一步的支撑时间在训练后明显短于训练前；摆动腿膝关节最小角度训练后明显小于训练前，踝关节最大蹬伸角速度训练后明显大于训练前；膝关节最大蹬伸角速度、摆动腿最大折叠角速度在训练后都明显大于训练前；髋关节最大蹬伸角速度训练后明显小于训练前。
3) 起跑动作技术的上臂前摆幅度、上臂后摆幅度训练后大于训练前，最大向前摆臂角速度、最大向后摆臂角速度训练后大于训练前，大腿前摆幅度增大，大腿后摆幅度减小，大腿后摆角速度增大；大腿前摆角速度训练后明显大于训练前。
4) 摆动腿摆动过程中小腿向大腿折叠的角速度训练后显著增加，同时摆动腿膝关节最小角度（表征大小腿折叠紧密程度）训练后略有减小。大腿向前摆动角速度明显增加。
5) 踝关节的活动范围训练后比训练前都明显增大。训练前后踝关节跖屈、背屈肌群的肌力有非常显著性的改善。
6) 膝关节训练前后的最大活动范围都没有显著性差异。训练前后膝关节屈肌群的肌力有非常显著性的改善。
7) 肩关节角度最大活动范围在训练后比训练前有非常明显的增大。训练后的峰力矩非常明显的高于训练前，且训练前后的指标都表现出非常显著性差异。
8) 运动员在实验前后30 m疾速跑的测试中，训练后的运动成绩非常显著的大于训练前。
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篇10
关键词：板球；快速投球；观察模型；运动生物力学
中图分类号：G804.66文献标识码：A文章编号：1007-3612（2011）07-0066-03
Sports Biomechanics Observation Model of Pace Bowler’s Final Strength-Exertion Technique in Cricket
LIANG Hai-dan1, PAN Hui-ju2, FANG Ai-lian1, LIN Hui-jie1, YING Chun-yi3
（1. Taizhou University, Linhai 317000, Zhejiang China; 2. Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, Zhejiang China;
3.Zhejiang Research Institute of Sports Science, Hangzhou 310004, Zhejiang China）
Abstract:From the pedagogical angle, the paper studies pace bowler’s technical characteristic and key tactics in the final strength-exertion stage by measurements of sports biomechanics and its basic principle. It establishes sports biomechanics model, tries to give some suggestions to effective learning and passes on this technique. The results are as follows. First, the final strength-exertion stage can be divided into three parts, right foot support, double support and left foot support. Second, the motion of body gravity and the moving characteristic of the ball are revealed. Third, the motion intensity, sequence and method in the final strength-exertion stage are disclosed. Fourth, several kinetics indexes are built and its key tactics are revealed. Fifth, sports biomechanics observation model of the final strength-exertion stage is established.
Key words: Cricket; pace bowler; observation model; biomechanics
投稿日期：2010-06-09
基金项目：浙江省教育厅资助项目“我国优秀板球运动员最后用力阶段技术的运动学研究”（项目编号：Y200906976）。
作者简介：梁海丹，讲师，硕士，研究方向运动技术的测量与分析。
板球起源于英国，盛行于英国、澳大利亚、新西兰、印度、孟加拉等英联邦国家，目前开展板球运动已达到100多个国家。在我国，目前对于板球技术的研究几乎处于空白状态。通过文章检索发现，对于板球技术研究的文章非常少，主要集中在对比赛技术统计方面［1，2］，并未发现采用运动生物力学测量方法对板球技术的研究。
投球技术是板球运动中非常重要、比较复杂的技术动作，尤其是其中的最后用力阶段技术。本文采用运动生物力学测量方法和基本原理，对板球快速投球最后用力阶段的技术特征及要点进行探索，并建立其运动生物力学观察模型［3］，这能为有效地学习与传授快速投球技术提供参考。
1 研究对象与方法
1.1 研究对象 本研究的对象是快速投球最后用力阶段技术。快速投球技术过程主要包括助跑、跳步、最后用力以及跟进四个环节，其最后用力阶段技术从跳步结束时右脚着地开始至球离手时结束，并要求直臂顺时针转动投球。本研究的快速投球技术都是右手持球技术动作。
本研究中的测试对象为5名正在备战广州亚运会的国家板球集训队男性队员（表1），并且都是优秀的投手，平均年龄为22岁，平均身高为1.83 cm，平均体重为84.4 kg，均为运动健将级运动员。
表1 测试对象基本条件
1.2 研究方法
1.2.1 拍摄与解析 在临海邵家渡板球训练基地，对正在集训的国家板球队优秀男子投手的快速投球最后用力技术进行拍摄。拍摄采用三维定点定焦摄像方法，用两台Panasonic公司生产的NV―GS328型摄像机，一台置于投掷方向的左侧，一台置于投掷方向的右前方，两台摄像机主光轴成120°（图1）。拍摄频率为50帧/s，镜头高度为1.2 m，拍摄距离为10 m，技术动作处于镜头画面的中间位置，成像大小约为镜头画面的1/2。拍摄前，测试人员进行了适当次数的试投。在拍摄过程中，由教练反馈每次动作的质量，每个测试者投掷2次，选取较好的一次技术动作进行解析。
最后获得的5人次质量较高的技术动作录像在Areil运动分析软件中进行解析。三维坐标标定采用该系统本身配置的24点坐标框架进行，三维坐标位置及方向如图1所示。人体惯性参数参照系统自带的扎齐奥尔斯基人体模型。采用数字滤波平滑技术对数据的“噪音”进行过滤，截断频率为8 Hz。
1.2.2 指标及其统计 本研究中主要采用了标志性动作的时刻指标，球与重心的速度指标，肩、髋、膝的角速度指标。动作过程中的时刻均采用标准化形式，精确至1%。对5人次最后用力阶段技术中的速度与角速度曲线进行了合并，形成了这些指标的平均变化曲线。这些指标数据的计算与合并在Areil运动分析软件与Excel软件中进行。
2 结 果
2.1 最后用力阶段各时相的时间分配情况 在快速投球技术最后用力阶段技术的平均时间为0.32 s，其中存在两个比较明显的动作过程标志点，分别为左脚着地与右脚离地时刻，它们将该动作过程分成右脚支撑、双脚支撑与左脚支撑三个时段（表2）。右脚支撑阶段耗时最长，占总时间的53%；双脚支撑与左脚支撑阶段耗时较短，分别占总时间的25%与22%。在右脚支撑阶段对板球落点的预判是造成此阶段耗时较多的一个重要因素。
表2 最后用力阶段各时相的时间分配情况表（n5）
2.2 最后用力阶段板球的速度变化情况 从三个坐标方向上的曲线来看，板球速度在y与z方向上的曲线波动较明显，在x方向上的曲线并无明显变化（图2）。这说明，在该动作中，板球主要是在y轴与z轴组成的平面内运动。从三个运动过程时段来看，板球速度在右脚支撑阶段有稍微地下降现象，主要表现在在z方向上的速度下降，这与此时人体着地缓冲以及右臂的制动有较大的关系；在双脚支撑与左脚支撑阶段有明显的上升现象，前者表现在是y与z方向上的速度共同上升，后者表现在y方向上的速度急剧上升。
2.3 最后用力阶段人体重心速度变化情况 图3所示，在最后用力阶段技术中人体重心的速度变化曲线与其在y方向上的变化曲线非常相似，这说明此过程中人体重心速度主要是表现在y方向上的变化。此过程中，人体重心速度在右脚支撑阶段稍微地降低，主要表现在z方向上的速度下降，这同样与人体着地缓冲有关；在双脚支撑与左脚支撑阶段，身体重心速度与其在y方向上的速度一样急剧下降，这主要是由于人体动量向器械传递的结果。人体重心速度制动的越快、幅度越大，越有利于板球出手速度的提高。
2.4 最后用力阶段人体主要关节的运动情况
2.4.1 人体主要关节的运动强度
人体主要关节角速度的平均值与标准差说明了这些关节运动的强度，进而可以体现出该运动技术中人体环节运动的特点。如果在完成一种运动技术时某个关节角速度的平均值与标准差较大说明其运动比较强烈（表3）。在右脚支撑阶段中，左、右肩以及左膝关节的运动比较强烈；在双脚支撑阶段中，左、右肩以及左髋关节的运动比较强烈；在左脚支撑阶段中，右肩以及左、右髋关节的运动比较强烈。这说明，左、右肩以及左膝关节，左、右肩以及左髋关节，右肩以及左、右髋关节各自在相应时段中的运动较大程度上体现了最后用力阶段技术中人体关节运动的特点。
表3 人体主要关节角速度平均值及标准差（°/s）
注：“*”表示角速度平均值前三位；“”表示角速度标准差前三位。
2.4.2 人体主要关节的运动顺序以及运动方式 对在最后用力阶段技术中运动比较强烈的关节的运动顺序以及各自的运动方式进行探索。表4显示，在最后用力阶段技术中人体主要关节产生最大角速度的循序依次为左膝、右肩、左肩、右肩和左髋、右髋。在接近右脚着地时刻，左膝达到最大角速度，右肩达到第一次角速度波峰；在接近左脚着地时刻，左肩达到最大角速度；在接近右脚离地时刻，左髋达到了最大角速度，右肩达到第二次角速度波峰；在球出手时刻，右髋的角速度达到最大值。此外，右肩至左肩最大角速度的间隔最大（0.16 s），接着为左肩至右肩（0.06 s）和左髋至右髋（0.08 s），左膝至右肩、右肩至左髋、右髋至右膝几乎同时产生最大角速度。
表4 最后用力阶段中人体主要关节最大角速度时间循序
注：右肩角速度的变化存在二个明显的波峰。
图4显示，在右脚支撑阶段，左膝与右肩制动至最小角速度，左肩加速至最大角速度；在双脚支撑阶段，左肩制动，右肩与左髋加速至最大角速度；在左脚着地阶段，右肩与左髋制动，右髋加速。
2.5 若干最后用力阶段技术运动学指标 在研究了最后用力阶段技术人体及器械运动特征的基础之上，对最后用力阶段的技术要点进行探索。最后用力阶段技术的运动学指标则定量化地反映了该技术动作的要点。表5中显示了最后用力阶段技术不同时段中所包含的运动学指标以及来自国家板球队男子优秀投手的数据。这些指标的构建主要是依据质点系的动量守恒原理，即在不受外力作用下，质点系中动量只能是在各质点之间传递，总动量保持不变。在适当的理想化条件下，在最后用力阶段技术中人体重心与板球之间，人体各环节运动之间存在一定程度上的动量传递。
表5 若干最后用力阶段技术运动学指标（n5）
注：标有上升箭头的全距表示相关指标上升变化；标有下降箭头的全距表示相关指标下降变化。
3 分析与讨论
学习任何技术动作，首先必须具有对该技术客观的、合理的认知。掌握该技术过程中标志性时刻、时段以及人体与器械的运动特征，是客观地认识该技术的主要途径。本研究中将左脚着地与右脚离地作为两个标志性时刻，并将最后用力阶段技术划分成右脚支撑、双脚支撑与左脚支撑三个时段是比较合理的。首先，多数指标数值在左脚着地和右脚离地时刻开始急剧增加或降低，或者是在这两个时刻中达到了最大值或最小值。其次，多数指标数值在右脚支撑、双脚支撑与左脚支撑三个时段中成单调递增或递减变化。最后，这三个阶段各自具有明显的功能独立性。在右脚支撑阶段主要是为下肢的制动以及上肢按技术要求运动与加速做好准备；在双脚支撑阶段主要进行“下肢―上肢与躯干”能量的传递以及上肢与躯干的发力加速；在左脚支撑阶段主要进行“上肢、躯干―球”的动量传递以及为出球后跟进做准备。
当将人体的运动简化成一个质点的运动时，那么，最后用力阶段技术就可以简化为两个相互联系的质点系――板球与人体重心与地面的碰撞模型，即以相同速度运动的“板球―人体重心”质点系，当人体重心与地面相碰撞时，人体重心受到制动，同时板球脱离人体以比原先更快的速度向前飞行。从图2～3中可以发现，在右脚支撑阶段，人体重心与板球速度基本上处于稳定状态，到双脚支撑与左脚支撑阶段时，人体重心速度不断下降至最小值，同时板球速度不断提高至最大值，这体现了在人体重心制动过程中其动量向板球的传递。人体重心制动前的速度越大，制动幅度越大，制动时间越短，越有利于板球速度的提高。右脚着地时人体重心的速度、左膝与右肩的制动时间对人体重心制动前的速度有较大的影响，在双脚支撑与左脚支撑阶段人体重心速度下降的幅度（全距）则反映了人体重心的制动幅度。
此外，追求板球较高的出手速度以及控制准确落地的出手角度是快速投球技术的主要目的所在，即使板球快速地击打到22.86 cm宽与71.1 cm高的三门柱。表5中显示，优秀男子投手的出手速度为23.1 m/s，出手角度为5.5°，重心初速度为4.6 m/s，下降幅度为1.02m/s。从中发现，只有22%人体重心初速度参与了动量的传递过程，板球出手后人体重心还具有78%的初速度，这可能跟板球投手后续任务有关。投手的任务不仅仅是投球得分，还需要参与接球得分，即如果投出球后球被对方击打出来，投手要立刻准备去接住被击打出来的近距离球。
Hanavan构建了人体的十五刚体模型，使对人体运动的研究进一步具体化，能将人体各环节的运动展现出来。从图2、图4以及表4的分析中可知，在最后用力阶段技术中，先左膝与右肩制动，同时左肩加速至最大值；随后，左肩制动；左髋与右肩加速至最大值；最后，左髋与右肩制动，板球加速至最大值，右髋加速至最大值；此外，这些关节运动在右脚着地时刻或左脚着地时刻或右脚离地时刻附近进行制动与加速的转换。
在最后用力阶段技术中，人体重心部分动量依靠人体各环节依次地制动与加速传递到板球上。在人体刚体模型中的动量传递从与地面接触刚体制动开始，依次向相邻的刚体传递，最后传至板球上。在右脚支撑阶段，左膝的积极制动为左脚着地时下肢制动做好准备；在双脚着地阶段下肢积极地制动，使躯干（主要是左髋的角速度迅速提高）与右臂（右肩的角速度迅速提高）加速至最大；在左脚支撑阶段躯干与右臂积极地制动，使板球的速度迅速提高至最大。因此，人体各环节间运动协调的质量对动量传递有很大的影响。右肩与左髋在左脚支撑阶段的最大角速度及其下降幅度反映了此动量传递过程的效果及效率。
此外，人体具有生物特性，可以通过肌肉收缩产生力矩使相应环节加速。在双脚支撑阶段有可能通过人体自身内力使躯干与右臂进一步加速，这有利于提高在右脚离地时躯干与右臂的角速度，从而提高动量传递的效果，此阶段左髋与右肩角速度的提高幅度能从一个侧面反映出此作用的程度。人体通过内力的作用使左肩在右脚支撑阶段加速，在双脚支撑阶段制动，这在一定程度上能将其动量通过肩轴传递到右臂，使右臂能快速地启动加速，因此，将左肩在接近左脚着地时最大角速度以及在双脚支撑阶段中角速度下降幅度作为最后用力阶段技术运动学指标之一。在右脚支撑阶段，右臂制动主要是为其在在双脚支撑阶段的加速以及直臂转动做准备，其制动的时间对左脚着地时人体重心初速度持有一定的影响。在左脚支撑阶段，右膝关节的加速则是为球出手后维持身体平衡以及后续的迅速移动做准备。
通过图像和角度数据的逐帧分析认为，在右脚支撑阶段左膝主要是制动伸展，右肩主要是制动后伸，左肩主要是加速后伸；在双脚支撑阶段，左肩主要是制动后伸，躯干与右肩主要是加速前伸，这使左、右髋以及右肩的角速度迅速提高；在左脚支撑阶段，躯干与右肩主要是制动前伸，右大腿主要是加速前摆，这使左髋与右肩角速度在下降的同时右髋的角速度迅速提高。
4 结 论
1）以左脚着地与右脚离地作为两个标志性时刻，将最后用力阶段技术划分成右脚支撑、双脚支撑与左脚支撑三个时段是比较合理的。
2）在右脚支撑阶段，人体重心与板球速度基本上处于稳定状态；在双脚支撑与左脚支撑阶段，人体重心速度不断下降至最小值，同时板球速度不断提高至最大值。
3）在右脚支撑阶段左膝制动伸展，右肩制动后伸，左肩加速后伸；在双脚支撑阶段，左肩制动后伸，躯干与右肩加速前伸；在左脚支撑阶段，躯干与右肩制动前伸，右大腿加速前摆。
4）依据动量守恒定理以及碰撞原理，构建了若干个最后用力阶段技术的运动学指标，反映了最后用力阶段的技术要点。
5）制定了最后用力技术动作的运动生物力学观察模型（图5），其内容包括最后用力阶段技术时段的划分，不同时段中人体环节、重心以及板球的运动特点，以及不同时段中与技术要点相关的运动学指标。
参考文献：
［1］ 田轶.2007年亚洲四国女子板球冠军赛技术比较分析［J］.军事体育进修学院学报，2009（1）：83-85.
