生物力学中人体关节运动规律的一种实验方法

本文介绍研究人体关节运动规律的一种离体实验方法及原理,按照此种方法可以测量出生物关节的运动规律,这对建立生物力学模型和生物工程设计都是必需的。根据我们的实验,人体肘关节和膝关节都不是通常的运动付,而是特殊的生物铰。     

运动生物力学发展现状及挑战

狭义的运动生物力学特指人体运动中的生物力学,主要解决竞技体育领域中如何提高运动成绩和减少运动损伤的问题.随着相关学科的融合和发展,当前运动生物力学的研究已扩展到与人类运动相关的生物学、医学、力学等学科领域.近年来,智能测试、大数据分析、人工智能等技术快速发展,对运动生物力学实验、仿真方法产生了重要的影响,在不断拓展和深化着该学科的研究内容和方向的同时,也对运动生物力学发展提出了新的挑战.本文综述了近年来运动生物力学领域的研究现状,并指出了相关研究方向的关键问题及发展趋势:在理论建模和模拟仿真计算方面,肌肉本构理论及肌肉力计算准确性是重点和难点;实验测试的新技术在竞技体育运动项目中的应用研究中扮演重要角色,其中基于深度学习的人体关键点检测算法在解决竞技体育的非接触测量方面有突破性进展;对于骨、韧带、软骨、肌肉等组织的宏观损伤机制认识不断清晰,但对于其早期损伤预测以及跨尺度损伤发生机制的研究仍有待深入;智能可穿戴装备、人工智能等新技术开始应用于运动生物力学研究及实践,成为目前运动生物力学领域最具活力的研究方向之一.本文的综述表明当前运动生物力学研究越来越向智能化、个体化、定量化发展,并正在...     

运动生物力学的力学模型问题

运动生物力学是研究与人体运动有关的力学问题。其中将人体抽象成多刚体系统研究其整体动力学规律的部分可以看作是在经典刚体动力学基础上发展起来的一般力学分支。这门学科最早可追溯到1894年对自由下落猫转体运动的研究。近年来为了适应体育科学、宇航技术以及仿生技术的要求而有了很大的进展。本文综述按经典力学观点建立人体力学模型的若干问题。     

人体腰椎生物力学的某些基本问题

本文就人体腰段脊柱生物力学的某些基本问题的研究现状与进展进行述评。介绍了腰椎各组成部分包括椎体、椎间盘、椎弓、韧带以及脊髓的力学性能,对其运动学和运动力学进行了讨论,最后就腰椎的力学模型主要是有限元模型的研究作了简单的回顾。      

生物力学的几个问题

引言生物力学是力学与生物学、生理学、病理学、解剖学、医学等学科之间的边缘学科。近二十年以来,医学科学技术的进一步发展,仿生学的发展,以及由于新技术的出现而产生的人对特种环境适应性问题的研究等提出了一系列的生物力学问题,促进了生物力学作为一个新的学科蓬勃发展起来。目前,生物力学已经以人体正常生理力学为中心,包括生物材料的力学性质、血流动力学、微循环力学、肌肉力学与骨骼力学、人体动力反应及人体耐受性问题、生物运动力学等,形成了一...     

云纹等高线在人体检验中的应用

将生物力学的研究与人体检验相结合是一项值得重视的工作.利用 Moiré方法检验人体在文献[1,3]中曾进行过介绍.采用 Moiré法光学系统简单、操作容易、所用光源对人体无损害,它直接拍摄的照片可在病历中长期保存,是 ...     

云纹等高线在人体检验中的应用

将生物力学的研究与人体检验相结合是一项值得重视的工作.利用 Moiré方法检验人体在文献[1,3]中曾进行过介绍.采用 Moiré法光学系统简单、操作容易、所用光源对人体无损害,它直接拍摄的照片可在病历中长期保存,是     

人体肌骨的多柔体系统动力学研究进展

人体肌肉骨骼系统简称肌骨系统, 包括骨骼、骨骼肌与关节连接, 其力学模型是典型的多柔体系统. 从多体动力学角度研究肌骨系统, 主要关注其在运动过程中的肌肉内力、关节力矩及产生的动力学影响, 属于动力学与生物力学的交叉融合. 肌骨系统的多体动力学模型已被广泛地应用于临床医学、竞技体育、军事训练、人机工程等诸多领域, 其仿真结果可为提高人体运动能力、降低关节载荷与能耗、避免运动损伤、加快康复进程等提供重要计算参考数据. 与此同时, 上述研究亦对肌骨动力学研究提出了许多新挑战. 本文综述了人体肌骨多柔体系统动力学相关研究进展, 包括骨骼肌功能解剖与生物力学建模、神经与肌肉控制理论、肌骨系统动力学问题与求解方法, 以及近年来肌骨多体动力学在步态分析、飞行员抗荷动作、口颌手术规划等领域的典型应用. 与工程领域的机械多体系统相比, 人体肌骨多体系统具有肌肉内力主动性与肌肉控制冗余性两大特征. 现有骨骼肌模型难以同时考虑肌肉的解剖结构、三维几何与肌力产生的生物化学机制. 已有大多数肌骨模型采用静态优化假设消除肌肉冗余性, 忽略了肌肉与肌腱内力平衡及兴奋收缩耦联机制. 此外, 目前仍缺乏实现肌骨模型个性化的无创在体测试手段. 未来, 人体肌骨多体动力学研究将会向更精确、智能、个性化的方向发展, 成为动力学与生物力学交叉的热点研究领域.      

跳马项目的三维实时动态测量系统

为跳马项目研究的电测系统中引入数字信号处理的传递函数及频谱分析的方法,采集和处理了因人体冲击三维力对信号的耦合干扰造成的十分复杂的响应信号,具有较高的动态测试精度.可以获得跳马动作的全部运动生物力学参数.现已用于中国国家体操队进行计算机辅助训炼.     

翼状韧带断裂对枕颈部稳定性的生物力学评价

本文应用三维运动测量分析方法，用新鲜人体标本实验模拟枕颈部翼状韧带断裂，对测量结果进行分析比较，阐明了翼状韧带断裂对枕颈部稳定性影响的生物力学特性，为确定枕颈部的稳定性提供了相应的生物力学评价和理论依据。     

DETERMINATION OF QUADRICEPS FORCES IN SQUAT AND ITS APPLICATION IN CONTACT PRESSURE ANALYSIS OF KNEE JOINT

While the quadriceps muscles of human body are quite important to the daily activities of knee joints,the determination of quadriceps forces poses significant challenges since it cannot be measured in ...     

过载性损伤与防护生物力学

损伤与防护生物力学(injury and protection biomechanics)是研究生物组织或器官损伤机理及其防护方法的一门交叉性学科,属于现代生物力学的重要分支.其研究目标是降低载荷环境下组织或器官的损伤程度,主要内容包括载荷造成生物组织和器官的损伤机制、损伤耐受极限以及损伤过程中的生物力学动态响应、如何改善组织和器官所处的力学环境降低其损伤程度、有效的防护装备优化设计思路.高过载性载荷由于其作用短时性和爆发性具有较高致命性, 因此,人在过载环境下的抗损伤能力已越来越成为航空器研制、汽车性能提升、运动员竞技能力提升与充分发挥的瓶颈;尤其是更快、更灵活新型飞机的出现,超音速弹射救生、大过载高增长率的机动飞行防护等问题向损伤与防护生物力学研究提出了新的挑战,同时也为损伤与防护生物力学的发展提供了新发展机遇.随着科技不断进步,航空航天、交通事故、体育运动乃至日常生活中老年人跌倒等过程中人体冲击过载性损伤越来越呈现发生率高、防护效率低等问题,一方面由于人体耐限实验会造成损伤而难以获得真实数据,另一方面生物组织具有复杂非线性及黏弹性、可再生和重建特性,涉及到如何精准描述生物组织或器官的本构关系、组织解剖学特征与其力学特性之间相关性,建立不同尺度的组织或器官损伤机理与耐受极限、防护方法及防护装备设计准则.为此,本文将主要总结过载性损伤与防护生物力学的主要研究内容和研究方法,并在此基础上针对人体在复杂过载环境下的损伤类型、损伤机制(包括生物力学和力学生物学响应)、损伤耐限及防护方法进行回顾,包括近年来该领域国内外的主要进展, 并提出该领域发展趋势.过载性损伤与防护生物力学研究对于保障和提高复杂过载环境下人体安全性具有重要意义,可为解决航空航天、交通、体育运动中广泛涉及的骨肌多轴向损伤评价方法与标准制定提供科学依据,对指导防护装备优化设计具有重要理论价值,同时该方面研究在工程仿生材料和防护装备方面具有潜在实用价值和广阔应用前景.      

PROGRESS IN STUDIES OF FLEXIBLE STRESS SENSITIVE CONDUCTIVE POLYMER COMPOSITES1)

柔性力敏导电高分子复合材料在可穿戴人-机交换界面、医疗监控、便携式运动设备及仿生机器人等领域具有巨大的应用前景。本文详细介绍了力敏导电高分子复合材料的导电逾渗理论、响应机理和灵敏度,综述了不同类型力敏导电高分子复合材料的力-电响应特性,总结了数值模拟方法在力敏导电高分子复合材料领域的研究现状,最后展望了力敏导电高分子复合材料的未来发展。     

北京市戒台寺滑坡发生发展机理研究

戒台寺滑坡位于北京市门头沟区马鞍山的北麓,马鞍山背斜的北翼,组成边坡的岩性较为软弱。由于多期构造运动的影响,岩体中裂隙发育,岩体结构破碎,风化卸荷严重。边坡为顺倾结构,边坡中顺倾坡外的软弱夹层、软弱结构面及断层发育,它们分别为边坡的滑动提供了滑动面和切割面的作用。由于边坡中岩层倾角大于边坡的坡度,因此并没有剪出的临空面,只是一个受特定边坡结构控制的蠕变体。但是近年来在胜利煤矿和石厂煤矿的大规模采掘Ⅳ级平台山梁下煤层影响下,形成采空移动盆地,造成Ⅳ级平台山梁整体塌陷,客观上为蠕变体提供了变形空间,引起戒台寺SN向山梁Ⅰ～Ⅲ级平台坡体依附于断层破碎带或软弱夹层的松弛,导致各块坡体沿软弱结构面向临空产生蠕动和滑动。采石场大药量爆破的地震波的频繁作用影响,使坡体内的构造结构面扩展松弛张开,表水易于下渗,岩体强度及变形特性显著降低,斜坡稳定性对降雨入渗的敏感性显著提高,最终导致了蠕变体变形的加速。     

稳定大气条件下爆炸烟云的数值模拟研究

为了研究爆炸及燃烧产生的"蘑菇"状烟云,采用中尺度气象模式RAMS(regional atmosphericmodeling system)模拟研究了冲击波过后的爆炸烟云运动过程.流场和涡度场结果显示,对于稳定层结大气条件,爆炸烟云在浮力作用下会形成浮力涡环结构;烟云在到达最大高度以后,形成了环套环的多涡结构.通过模拟不同爆炸当量和不同大气稳定度的烟云上升最大高度,得到了与目前常用的爆炸烟云上升公式一致的形式.     

大地构造分析中的一些力学问题

综述了应用固体力学连续介质理论分析大地构造运动的问题,讨论了它们和通常力学问题的差别。主要的不同在于这里是反演问题:从地表的大地构造表现模拟出内部过程,从当前的资料追索它们的历史。依靠地球科学家所收集到的资料来引导这些反演。在数值模拟中建立适当的本构关系和破坏准则是头等重要的环节。最后提出固体力学中有关的研究课题。      

BLOOD FLOW IN THE CIRCULATORY SYSTEM1)

从"三十年河东三十年河西"这样的现象联想到人体循环系统中的血液流动。针对动脉粥样硬化、动脉瘤、主动脉夹层等常见的动脉血管病变,介绍了这些血管病变及其治疗方法中蕴含的生物力学机理,提示人们关注循环系统的健康。     

Analysis of kinematic data and determination of ground reaction force of foot in slow squat

In the present paper, the ground reaction force (GRF) acting on foot in slow squat was determined through a force measuring system, and at the same time, the kinematic data of human squat were obtained by analyzing the photographed image sequences. According to the height and body weight, six healthy volunteers were selected, three men in one group and the other three women in another group, and the fundamental parameters of subjects were recorded, including body weight, height and age, etc. Based on the anatomy characteristics, some markers were placed on the right side of joints. While the subject squatted at slow speed on the force platform, the ground reaction forces on the forefoot and heel for each foot were obtained through calibrated force platform. The analysis results show that the reaction force on heel is greater than that on forefoot, and double feet have nearly constant force. Moreover, from processing and analyzing the synchronously photographed image sequences in squat, the kinematic data of human squat were acquired, including mainly the curves of angle, angular velocity and angular acceleration varied with time for knee, hip and ankle joints in a sagittal plane. The obtained results can offer instructive reference for photographing and analyzing the movements of human bodies, diagnosing some diseases, and establishing in the future appropriate mathematical models for the human motion.     

血细胞生成的系统动力学研究进展

造血系统是人体中复杂的调控系统, 包括复杂的造血器官和各种血液细胞的增生、分化、成熟、死亡等过程和对这些过程的反馈控制, 是典型的非线性时滞动力系统. 血细胞生成过程的失调可以引起很多动态血液病. 血细胞生成的系统动力学研究对于人们了解和治疗这些血液病有重大意义. 本文从造血系统的基本知识、常见动态血液病的临床表现及其动力学特征、理论模型的建立和对模型的动力学分析等方面综述血细胞生成的系统动力学研究进展.