人體髖關節運動生物力學模型和肌肉模型研究

郭琳

摘 要：運動生物力學人體建模中最重要的任務之一包括髖關節生物力學的建立，在人體肌肉力學模型的創建中存在著很多不同的意見主要表現在髖關節周圍肌肉的簡化到最后髖關節力學模型的建立。文章主要任務是創建一個簡單的肌肉模型，使髖關節周圍的肌肉能夠得到最大程度地簡化，從而建立合理的檢測模型。膝關節力學模型和髖關節力學模型都是下肢力學模型中比較重要的兩項內容，但目前來看，有關髖關節力學模型的研究無論是從深度還是廣度上來說都不及膝關節。以前關于髖關節模型的研究主要是建立在生理實驗基礎上，由于參數的確定均與生理實驗相關，所以致使模型中參數沒有較明確的力學意義，促使對以后的研究造成很大的困難，為了后續的研究提供一定的參考和方便必須建立一個較為合理的人體髖關節力學模型。

關鍵詞：髖關節肌肉模型；生物力學；膝關節

引言

人體髖關節的運送生物力學模型研究屬于運動生物力學研究范疇，而運動生物力學是運動科學中起步較晚，發展卻很迅速的一門學科，其研究范圍比較廣泛，主要包括生物與測量學、生物力學模型的建立和生物運動機制的電腦模擬等。其中，人體自身的研究是運動生物力學中一個重要的研究方向，主要通過建模來實現。

髖關節是人體最大的一個關節，其結構穩定性與活動度兼備，能夠高效地維持人身體的運動和平衡。髖關節是由盆骨和股骨兩部分組成，通過股骨頭和髖臼連接在一起，大概有二十條肌肉參與了髖關節的運動。近年來，髖關節在生物力學的基礎理論研究和骨科臨床的應用研究中都是非常受重視的環節。

1 髖關節力學模型和肌肉模型的概況

運動生物力學的能取得長足的進步，是與國內外學者不斷的努力換來的結果，從而誕生了許多人體關節模型研究的成熟理論。人體關節力學模型的建立主要包括以下幾個部分：肌肉力學的研究、關節周圍肌肉的簡化、關節肌骨力學模型的建立、模型調試和模型驗證。

肌肉張力-長度特性和肌肉張力-速度特性是肌肉得以正常收縮的兩個重要關系，兩者既相互制約又相互影響。1938年，經典Hill方程的得出，使人們第一次從量的角度認識到了肌肉張力-速度的變化關系。Huxley從橫橋和肌動蛋白理論的微觀角度得出了橫橋模型，其與Hill方程具有很強的相似度。兩者的正確性得到了后來學者的研究認同。肌肉是動作的主要肌肉（原動機）、肌肉不是動作的主動肌肉，在運動中被拉伸的這兩種形式是肌肉張力-長度特性的兩種表現方式。在等張條件下肌肉張力-長度曲線中最大作用力比較大，對應的肌肉比較長，在運動荷載相同的條件下獲得的肌肉張力-長度曲線中的最大力與同樣情況下用等長條件所獲得的的最大力相比有相當大地減少，骨骼肌不同工作條件下獲得的數據將不能進行合成。當前的關節的肌骨模型研究瓶頸主要在于完整的肌肉張力-長度-速度模型的建立，而不是將兩者孤立起來研究。

現在，研究關于下肢肌肉功能模型越來越多。2000年，一個解剖基人體下肢的生物動力模型有王西十、白瑞蒲所提出，該模型可以在仿真人體下肢運動的基礎之上，計算人體下肢的沖擊荷載或下肢節作用反力和肌肉群力，基本上堪稱一個完整的二維人體下肢解剖模型。

隨著人體動力學模型研究的不斷深入，人體動力學的建模正在走向由整體到局部、由簡單到復雜的發展道路。單純的肌肉張力-長度或肌肉張力-速度模型以滿足不了對肌肉的研究，并且模型中的參數越來越多，越來越精確。

2 肌肉力學模型的建立

2.1 肌肉生理特性分析

人體中的肌肉具有多樣性，附著在髖關節周圍股骨和骨盆上的肌肉主要為骨骼肌，骨骼肌是髖關節運動的動力。骨骼肌主要由腹肌和福建兩部分組成，其中肌腱是肌腹與骨骼的連接部分，結締組織和肌外膜包裹在肌肉外邊，起保護作用。

近似于連鎖式的肌細胞排列而成肌纖維，又有多條肌纖維“捆綁”而成纖維素，二纖維素是肌肉產生張力的主要部分。梭形肌或菱形肌，是纖維束與肌長軸方向平行；半羽狀肌與羽狀肌，是與肌長軸成一定的夾角；這兩種類型按纖維束排列方向和與肌長軸關系把肌肉分成了兩種類型：單關節肌和多關節肌。單關節肌，顧名思義，即為直接穿過一個關節的肌肉，例如股四頭肌中的股中肌、肌內側肌等。膝關節的伸展與股中肌的伸展有直接關系，雙關節肌是穿過兩個關節的肌肉。多關節肌中最為常見的是雙關節肌，其主要存在于人體的下肢肌肉群中。雙關節肌的作用取決于關節中心到肌肉的垂直距離。若該距離較長，則具有較大的作用力臂和力矩。膝關節的功能主要通過股直肌實現，其力矩遠比髖關節大，屬于膝關節肌群范疇。而髖關節的功能主要表現在大腿的后群肌，后群肌的力臂又大于膝關節，故稱之為髖關節肌。關節的角度位置決定著雙關節肌的作用效率。股直肌對膝關節的伸膝效率增大，說明髖關節在伸展，如跑步中的后蹬階段。當髖關節屈時，伸膝運動就會受到抑制。雙關節肌在人體的運動過程中起到了儲存和釋放彈性的功能。起到減少單關節的做工量的主要作用的是下肢肌群中的雙關節肌。雙關節肌能夠利用一個關節做功另一個關節做負功來實現能量的儲存。

2.2 肌肉力學模型的分析

肌肉作為動物體最為主要的構成組織，具有極其重要的功能特性，最為主要的是能夠接受神經刺激產生收縮，進一步牽引兩端的骨骼實現相對運動。生物力學研究發現，影響肌肉張力大小的兩個最主要的因素是肌肉纖維的長度變化關系和肌肉纖維的收縮速度變化關系，另外還與許多生理學因素相關。該項發現對肌肉的發力過程研究來說具有十分重大的意義。

隨著人們對肌肉力學模型的研究不斷深入，運用數學、力學等交叉學科的研究手段對模型的建立和修改發揮著越來越重要的作用。張力-長度特性和張力-速度特性是肌肉運動變化規律中最為重要的兩個關系，也是肌肉力學建模中需要處理的兩項主要內容。肌肉力學模型的未來發展方向，必將是兩者關系的整合體。

3 結束語

綜合上述，進一步完善人體肌肉力學模型，使肌肉力學模型能夠充分反映肌肉收縮長度、速度和肌肉張力之間的變化關系；通過解剖學、生理學進一步清理髖關節周圍肌肉在不同動作、不同位置和同一動作的不同時間段所起到的作用，以及韌帶在運動過程中保護作用；將髖關節模型建立一個完善的空間三維模型，并和膝關節、踝關節的研究結合實現人體下肢運動的仿真。

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