肌肉的主要生物力學特征范文
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篇1
關鍵詞：運動損傷；防護服裝；運動生物力學；防護模型
中圖分類號：TS941.2 文獻標志碼：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
近年來，我國參與體育運動或日常鍛煉的人口越來越多。在對全國體育人口比例的調查中發現，1996年的體育人口在總人口中所占的比例為31.4%，2000年增加到33.9%，而到2007年又增加到37.1%，短短10多年的時間里增加了5.7個百分點。
但是在運動中，由于人們并未太多地注意保護自己，常常會引起相應的關節、肌肉、韌帶的意外損傷。網球運動常常會導致肘部、肩袖部損傷，范？克拉莫（Von Kramer）對網球運動中出現的損傷進行過調查，結果表明，網球運動中肘關節損傷占全部損傷的41%，是最容易損傷的部位；肩袖損傷占其全部損傷的39%，僅次于網球肘。在跑步運動中，常常會發生小腿肌肉拉傷，有研究顯示，有高達35% ～ 65%的健身者與專業運動員曾經發生過下肢損傷。老年人、小孩以及肢體殘疾人在日常的行走過程中，由于自身缺乏一定的平衡能力，往往會因為磕碰、摔倒等突發狀況而意外導致肌肉和骨骼損傷。有國外學者曾做過相關的研究，該研究揭示了在老年人的摔倒中，將近53%是因為行走、站立的不穩定所導致的。
運動損傷已經給運動員、業余愛好者、老年人、小孩等帶來了傷害，也是人們生命安全的重要隱患之一。也有不少人缺乏自我保護意識，認為在業余的體育鍛煉和比賽中，做準備活動，然后再多加注意一些，受傷的幾率也就小了，其實這種想法是不正確的。因為這種損傷，比如說扭傷、摔傷、各種磕碰傷，在運動損傷里只占到了2%，它的名稱叫做意外傷，而將近98%的損傷是那種運動技術性傷。所以基于運動的生物力學，研制減少骨骼與肌肉損傷的防護性服裝，是一個很大的趨向。
1 運動生物力學的研究
運動生物力學是生物力學的分支學科，是研究體育運動中人體機械運動規律的科學。其主要任務是運用生物學和力學的理論和方法研究人體從事各種運動、活動以及勞動的動作技術，使復雜的人體動作技術奠基于最基本的生物學和力學規律之上，并以數學、力學、生物學以及動作技術原理的形式加以定量描述。運動生物力學的發展與研究，為提高體育運動的成績、預防運動損傷、設計研發防護器材奠定了理論基礎。
1.1 運動生物力學的實際應用
對于運動生物力學的研究，特別是在應用上，具有自己的特色，大致可歸結為以下幾點：
（1）在競技體育運動動作的技術方面，根據人體的體態、素質、機能等情況，研究適合個人的最佳運動和活動技術的動作方案，并通過動作技術診斷使之逐步完善；
（2）從預防運動損傷的觀點出發，對各種體育、活動以及生產勞動進行生物力學分析，找出致傷因素，并設計出相應的預防與治療措施；
（3）運動生物力學不僅研究人體，而且也研究與運動相關的器械的運動規律，按照人體形態、結構和機能的生物力學特征，設計和改進運動器材、設施、服裝與用具以及勞動機器、工具等。
1.2 運動生物力學與防護器材
從運動生物力學的角度出發，對體育運動或健身鍛煉中用于防護人身安全、避免運動損傷的器材，提出設計和改進的設想及要求，是一項非常艱巨的學科任務，當前基于運動生物力學研制的防護用品主要有護具、運動鞋。
新型橄欖球頭盔與傳統頭盔相比有著本質的區別，新型頭盔的外層覆蓋了一種新型樹脂吸振緩沖材料，它可以有效地防止運動員以頭盔作為進攻武器沖撞對手。在運動的過程中，人體的各個關節肌肉常常由于過多的運動量或瞬間的揮擊、拉伸發生拉傷或震傷。戴上護具后，就可以對相應部位的肌肉、韌帶加壓舒服，減緩可能的過度拉伸，并協助肌肉動作，對關節部位起到支撐作用。對于關節出現不同程度勞損的老人以及正在發育期的小孩來說，進行遠足郊游或體育鍛煉時，很有必要選擇一定的護具。
國內外一線運動品牌，其運動鞋技術的每一項進步都離不開生物力學研究，結構設計和技術創新都遵循人體運動生物力學原理。國際一線運動品牌都擁有自己的核心技術，如Nike的air氣囊鞋底科技和足跟穩定技術、Adidas的HUG環抱系統和智能芯片技術、李寧新一代單弦弓減震技術等。無論核心技術如何創新變化，結構設計必須遵循運動生物力學的原理，其主要的生物力學原理是緩震減震、能量回歸、足跟控制、模擬踝足和回歸自然。
2 防護服裝的研究
伴隨著運動的普及，傳統的防護服裝基本上從舒適性、結構設計、功能材料等角度出發進行設計研究，通過研究改變或加強面料的性能來達到服裝吸濕排汗透氣、防火、防水等效果，或者從服裝結構設計出發，采用多開口寬松式設計，在前胸、腋下、前后衣片采用連續開口散熱功能設計，設計了一套具有散熱功能的籃球比賽服裝。而在運動過程中能真正地起到對人體防護作用的，往往都是要通過佩戴護具來達到目的，從拳擊的頭盔到籃球的護足，每一個易受傷的關節都有相對應的護具來產生防護的效果。
但是現階段基于運動生物力學研究的運動防護僅限于護具以及運動鞋，而客戶對防護服裝的要求卻逐漸從原來的吸濕排汗等舒適性方面提升到舒適、功能、美觀、防護一體化上來，更多地希望可以通過服裝本身就可以達到防護人體的目的。
所以，有必要從人體出發，通過測量人體各關節點運動的三維坐標數據的變化，將其轉化為人體關節運動的生物力學參數，通過分析生物力學參數數據，建立人體防護模型，明確服裝面料與防護模型相互之間的關系，并結合服裝材料學、服裝結構設計、人體工效學等相關知識，設計具有防護性能的服裝。
3 運動生物力學在服裝上的應用
在體育運動、日?；顒右约吧a勞動中骨骼和肌肉損傷是難以避免的問題，解決這一難題，必須以人體運動為目標，運用人體解剖學、人體生理學、力學的理論與方法來探索人體運動規律，根據骨骼和肌肉的變化，建立外部防護模型，獲取防護服裝所需達到的力學參數，為開發運動防護服裝提供理論依據。
3.1 理論依據
在運動過程中，骨骼及肌肉功能模型的研究比較成熟，是確定肌肉長度、肌肉拉力線、肌力臂、肌力矩、肌力等關鍵因素，但卻沒有明確指出骨骼及肌肉損傷的臨界值，建立外防護模型是解決該問題的關鍵途徑。
基于人體骨骼與肌肉的動力學模型，模擬在外部約束條件下骨骼和肌肉的變化，通過逆向動力學方程式和有限元模擬獲取相關參數，建立外防護機制，即防護模型；在外加反應實驗的作用下，明確服裝材料的性能與外防護模型之間的關系，為研制高質量的運動防護服裝、減少運動過程中骨骼及肌肉的損傷提供理論依據。
3.2 技術問題
（1）建立骨骼及肌肉的模型，需要運用動態捕捉系統捕捉關鍵點的運動信息，測量人體在空間的位置和方向，即人體骨骼、關節的運動軌跡。動態捕捉系統通常分類為 3類：機械式、電磁式和光學式，價格不菲。
（2）結合人體運動軌跡的數據，通過人體建模仿真軟件進行模擬，并推導出骨骼及肌肉的最優化的防護機制。
（3）通過實驗驗證分析，明確防護模型與服裝面料的性能特征之間的關系，為研發防護性能最優的服裝提供依據。
3.3 研究方案
針對一項具體的運動，主要研究內容有以下幾個方面：
（1）運用動態捕捉系統捕捉人體關鍵部位的空間運動軌跡；
（2）借助人體建模仿真軟件，將空間運動軌跡的數據轉化為生物力學參數，如各關節的位移、速度、加速度及肌肉長度、肌力臂、肌力矩等，進而計算出有關人體防護力學參數；
（3）基于骨骼及肌肉模型，運用逆向動力學的方法，建立人體外部防護機制；
（4）根據各種服裝材料的性能，通過有限元的模擬，確定材料的性能與防護模型相互之間的關系，獲取防護服裝所需的防護參數；
（5）人體建模仿真軟件對所獲取的服裝防護參數進行模擬，以進一步獲得最優防護的服裝。
技術路線如圖 1 所示。
4 結語
運動損傷常常給運動員、體育愛好者、老人、小孩等帶來意想不到的身體傷害，然而，傳統的防護服裝基本上從服裝的舒適性角度進行研究，通過改變面料的特性來達到服裝的防濕透氣、吸濕排汗等，或從服裝的結構設計出發，改變服裝衣下間隙、開口特征等來提高服裝的著裝舒適性。國外對于運動防護服及裝備的研究則比較深入，從人體的頭部到腳的各個器官都配有特定的防護用具，所以基于運動生物力學研究防護服裝必將是未來的研究熱門。
外防護模型的建立是運動生物力學應用到服裝領域的關鍵，也是制約防護服裝研發的主要因素。防護模型的研究處于起步階段，只有建立起防護模型，才能進一步明確服裝材料與防護力學參數之間的相互轉化關系，也為研制減少運動損傷的運動裝備奠定技術基礎。
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篇2
關鍵詞：屈光性近視；軸性近視；生物力學機制
近20年來，我國近視眼患病率在急劇的增加，全國近視患者已超過3億，在世界排名僅次于“近視第一大國”——日本。近視已成為倍受人們關注的公共健康問題，認知近視眼的發病機制正是解決該問題的關鍵所在。從近30年來近視眼研究來看，科學家們進行了大量的近視動物模型實驗，對近視的發生、發展有了進一步了解。特別在形覺剝奪性近視、遺傳基因定位及近視眼生物化學物質改變等方面有較深入的研究。也有學者嘗試了生物力學視角的研究，但是目前還沒有生物力學模型能解釋所有眼的調節機制。因此需要對人眼調節機制進行有關生物力學的基礎研究，建立人眼調節機制的生物力學模型，為屈光的研究提供一種新的技術方法。
1.屈光性近視的力學機制
目前，解釋調節機制的經典松弛理論[1]認為：調節時睫狀肌的環形纖維收縮、懸韌帶松弛、晶狀體變凸出、屈光力增強、睫狀突和晶狀體赤道部接近。調節緊張理論[2]認為：調節是由晶狀體赤道部受到張力牽引而產生，至少一部分晶狀體懸韌帶處于緊張狀態、晶體中央變凸出周邊變平、屈光力增加，并從物理數學模型、尸眼解剖、臨床觀察等方面進行論證。盡管兩種理論存在一定的差別，但是兩種理論都認可人眼的調節過程通過三部分眼內組織完成。睫狀肌的收縮，睫狀肌的收縮使附著在睫狀突上的懸韌帶張力發生改變，懸韌帶張力的變化使晶體的形狀發生變化，晶體形狀的變化使人眼的屈光力發生變化，完成調節過程。
晶狀體的調節主要由睫狀肌、懸韌帶以及晶狀體三部分來實現，其生物力學調節機制的研究基本上從這三方面來展開?！罢{節本身不僅是傳統意義上的睫狀肌收縮和晶狀體變凸出，同時還伴有晶狀體的相對前移調節，對眼的幾乎所有屈光構成因素有著顯著的影響，視近活動的累積效應是兒童近視眼發生的主要原因”[3]?！皯翼g帶具有一定的張力，懸韌帶在拉斷之前平均能被拉長4.48±1.78mm，隨著年齡的增長，懸韌帶的張力隨年齡的增加而減少”[4]。不同屈光狀態對睫狀肌的動力學影響，睫狀肌遠點肌肉張力在不同眼屈光狀態為一穩定值，且隨眼靜態屈光度的增加而降低。
由以上的理論研究，我們看以看到睫狀肌與晶狀體的調節密切相關。對于涉及到的肌肉的運動，我們可以嘗試從力學的視角來對屈光不正來進行解讀，從而推測屈光性近視產生的原因。筆者認為，屈光不正主要是由于晶狀體變凸出，光線聚焦在了視網膜的前方，形成屈光性近視。其生物力學機制可解釋為：長時間的近距離作業造成了睫狀肌痙攣，并長期處于緊張狀態，從而使懸韌帶長期處于松弛狀態，晶狀體不能變凹，也就形成了屈光性近視。
2.軸性近視的力學機制
基于理性分析，認為鞏膜強度減弱、眼外肌壓迫眼球使眼內壓增高等是造成高度近視的原因。但后來的臨床及實驗研究未能找出相應的證據。對眼球進行了生物力學理論分析，認為“在后部鞏膜的應力分布不均，由于上、下斜肌的附著點接近視神經，在調節輻揍時對后部鞏膜產生剪切作用，造成后部鞏膜延長”[5]?！把弁饧〉膹娭毙允湛s引起玻璃體內壓力升高，在近視的形成中也具有明顯作用”[6]。由此，我們不難看出，人們在生物力學的領域已經展開了對近視眼形成機制的研究，研究的重心在于力學的作用點—鞏膜。只有對鞏膜形變及異化的機制研究清楚，才能為近視眼的矯正奠定基礎。
“軸性近視直接與鞏膜形變密切相關，因此鞏膜、角膜的生長及異化只能表現為眼球壁的不斷增厚，不能促成眼軸的延長”[7]。因此眼球的生長必須依賴于眼內壓對球壁組織張力，才能形成膨脹性生長。“在同等應力的作用下，前部鞏膜的變形最小，赤道部的次之，后部鞏膜最大，且高度近視患者的后鞏膜承受應力較常人脆弱”[8]。后鞏膜加固術能加強薄弱的后鞏膜，從而達到抑制軸性近視發展的效果。近視眼鞏膜的組織病理學改變早于生物力學特性的改變，并且實驗性近視眼的鞏膜彈性差，易發生變形，具有較低的承載能力。這些觀點都從某一視角對鞏膜做了研究，還需要有待進一步的研究。
另外，實驗性近視眼后極部鞏膜變薄，膠原纖維發生退行性變化即異化（鞏膜重塑），而這也是近視眼鞏膜彈性差、容易發生變形、具有較低的承載能力的病理基礎。“鞏膜成纖維細胞胞外基質的代謝、細胞因子的表達及自身生物力學性質等決定鞏膜的生物學和生物力學性質。在近視的發生及治療過程中，伴隨有鞏膜及鞏膜成纖維細胞的力學——生物學特性的變化”[9]。這些理論都為鞏膜重塑的生物力學機制提供了充分的理論依據。
筆者認為，軸性近視的形成是建立在屈光性近視的基礎之上，當晶狀體的不能正常調節已經不足以適應長期的近距離作業的刺激時，眼球就會發生新的變化，及鞏膜的異化，從而導致眼球的形變，這種形變與眼外肌有密切的關系。由于長期的近距離作業，眼外肌的分作用力會破壞眼內壓平衡，最終促進眼軸變長，形成軸性近視。
3.結論
3.1作為現代文明的產物，近視眼的發生已呈現愈演愈烈的趨勢。對于近視形成機制，近30年來在形覺剝奪性近視、遺傳基因定位及近視眼生物化學物質改變等方面有較深入的研究，生物力學方面的研究相對較淺。
3.2屈光性近視的力學研究集中于睫狀肌、懸韌帶以及晶狀體的力學參數變化，根據參數變化嘗試建立參數模型，從而糾正屈光性調節的理論機制。
3.3軸性近視的力學研究集中于力學的作用點—鞏膜。通過對鞏膜形變以及異化的研究，人們期望找到矯正軸性近視的突破口。
3.4從力的作用來源視角出發，眼外肌的研究必不可少，但是往往難以著手。眼外肌可以控制眼球的運動，外在的間接研究或許可以為我們研究其力學機制提供一個新的思路。（作者單位：云南師范大學體育學院）
參考文獻：
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篇3
摘要：隨著力學著手于生物體，尤其是人體相關運動研究的開展，生物力學成為交叉領域中重要的學科體系，運動生物力學是基于生物力學學科之上，結合體育科學體系產生的一門新興學科，它的產生和發展，在我國此學科在理論、研究方法、測量分析等方面均取得了一定的發展。但考察分析運動生物力學和生物力學的現狀，在喜悅于長足進步的同時，不得不承認，運動生物力學的基礎理論并不完備，發展趨勢仍有局限。
關鍵詞：運動生物力學；發展現狀；發展趨勢
我國現代運動生物力學出現于上世紀五十年代末期,開始階段只有少數幾個體育學院開了運動生物力學講座或選修課,國家體委科研所成立了運動生物力學研究組。由于眾所周知的原因,運動生物力學在這一時期發展緩慢，到現在雖然有了質的飛躍，但是不能忽視這門學科本身還是有待完善的。本文就運動生物力學在我國的研究方法、研究領域和方向及發展趨勢進行簡單的闡述和分析，并對我國的運動生物力學作出一些展望。
一、我國運動生物力學的研究現狀
1.研究方法
（1）常用的研究方法及儀器。在中國體育科學學會和原國家體委科教司的支持下,運動生物力學分會組織國內多名本學科的專家、教授討論、撰寫成的《運動生物力學測量方法》一書編入了當前運動生物力學研究中使用的主要方法和儀器。包括運動學方法中的平面定機、平面跟蹤、立體定機攝影攝像測量方法;動力學方法中的三維測力臺測試方法、等速測力儀測試方法;生物學方法中的人體形態學測量方法、人體重心測量方法、肌電測量方法等。另外還收入了一些國內使用尚不普及和少量國外新近使用的測量方法,包括運動學方法中的立體跟蹤攝影攝像測量方法、紅外光點攝像、激光測試儀、分段計時測量方法;動力學方法中的A.K.M 和B.K.M 測力儀測力方法、T.K.K 測力儀測力方法、賽艇多參數遙測分析系統測試方法、動態力的應變測試方法、人體運動能量測量方法。此外,還有多機同步測量方法、神經網絡模型分析方法、數學模型與計算機仿真方法以及運動生物力學測試資料的統計處理與分析方法等［1］。
（2）新的研究方法及儀器。高精度的高速攝像測量系統的應用: 高清晰度、高速度(100～200 場/s以上) 的攝機和錄像解析系統。圖像自動識別儀器開始應用。高精度的紅外光點遙測分析系統已用于研究實踐。運動專項的測試儀器和運動器材的研制。磁感應測量儀器研制成功。數學力學模型和人體運動仿真在體育運動技術研究中的應用。運動技術分析的“專家系統”與神經網絡模型已經應用于人體運動技術研究。肌電圖測試分析向定量化邁進［2］。
2.目前我國的研究領域
（1）優化運動技術。針對某一特定運動項目（ 如田徑、球類、速滑等）進行分析，改善運動技術的表現。如《對我國4名優秀短道女運動員彎道技術的生物力學分析》、《用力學原理分析直道滑跑技術》、《排球前后排扣球運動學分析》等［3］。這些研究以使運動員訓練科學化，符合力學原理，符合人體規律，從而獲得最佳的技能表現。
（2）改進人體基礎運動如走、跑、跳、推、拉等，除此之外，還包括區別于競技運動項目動作、動作系的研究。如《走步運動轉變為跑步動作下肢和骨盤之運動學變化分析》、《步態生物力學研究進展》等［4］。大眾體育和學校體育受到的重視遠遜于競技體育，實際上，這些研究是非常重要的，因為這些技術研究只有專業的運動員和教練員才會用得上，對于大多數人而言，充分體現“ 民本思想”，改善人體基礎運動、改善健康的研究才是真正需要的。
（3）數學模式與模擬。這類數學模式模擬及電腦模擬的研究針對運動技術及人體運動進行分析，此類研究有別于一般儀器進行測量的方法，所以單分為一類［5］。
（4）運動器材設備開發設計。主要關于運動器材設計及力學特征分析，如網球拍、運動鞋、訓練器材等。這方面的研究如《不同勁度網球拍對恢復系數的影響》、《不同質地泳衣對速度的影響分析》等。
（5）運動傷害的研究。主要對運動傷害機制及運動護具進行研究，避免運動損傷的發生。如《體能動力損傷機制理論研究分析》。這類研究主要是在研究的過程中部分借助于運動生物力學的研究方法、測試方法來分析造成傷害的動作規律，與人體結構結合總結得出預防運動傷害的方法［6］。
（6）人體測量學的研究由清華大學、白求恩醫大和國家體科所合作，采用CT測試方法結合計算機圖像處理分析系統，于1995年正式完成了中國成年人人體慣性參數的測定。
二、我國運動生物力學的發展趨勢
通過對第六屆全國體育科學大會和第十八屆國際運動生物力學年會的對比分析，可以大致看出我國運動生物力學的發展趨勢。
（1） 計算機是運動生物力學發展的核心。運動生物力學的理論研究將偏重于計算方法的準確和簡煉、理論研究的系統性和完整性。借助電子計算機實現快速精確的測量和實時處理人體運動的各種力學參數，實現綜合分析和聯機分析，以及實現自動化控制是科技發展的必然趨勢。
（2） 競技體育方面的研究更加依賴高新技術。運動生物力學的研究將更加注重訓練實踐，研究成果要能為競技體育服務，運動測試儀器的專項化以及高新技術和高新材料和儀器的創新和發展是這一發展方向的具體體現。
（3）運動損傷康復的研究將更加深入，而且與運動專項結合更加緊密，肌肉生物力學已成為熱門課題，對預防運動損傷的研究也將是一個熱門課題，但對于分子生物力學方面的研究成果還很少，今后，應廣泛結合運動生物力學和生物學、運動生理學、運動醫學等學科中的研究方法，共同解決人體運動中的有關問題。
（4）研究對象更加廣泛，運動生物力學研究除繼續對競技體育進行研究外，還應向青少年、老年人、殘疾人的體育運動、軍事技術動作以及與人體有關的一些設備。
三、運動生物力學的展望
從以上運動生物力學學科體系現狀的分析，不難看出運動生物力學的發展仍存在一定的問題。學科可以研究的內容很多，任務也不盡相同，但為適應生物力學的發展和體育科學的發展，現在運動生物力學的發展應有所側重。運動生物力學還有許多有待于解決的問題，它的實用價值也只剛剛顯露初紅。
（1）提高動作技術不再局限于表層研究分析動作技術，更多應著手于研究并提出技術訓練的具體方案（有關如何實現優化動作結構）；研制設計專用或通用的輔助訓練動作、設施及器械。
（2）基礎理論的建設將為運動生物力學發展鞏固根基，開拓視野，擴展研究與應用領域。
（3）深入研究運動損傷機制，模擬分析運動損傷過程，設計合理的運動設備（器材、服裝、鞋等）以防止運動損傷。
（4）計算機模擬、仿真技術是運動生物力學研究的重要手段。（云南師范大學體育學院；云南；昆明；650031）
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篇4
關鍵詞：有限元法；手部；建模；生物力學
1 有限元法的發展歷史及在人體生物力學中的運用
1.1有限元法的發展歷史 有限元法（finite elementsmethods，FEM）即有限元素法[1]，是一種在工程科學技術中廣泛應用的數學物理方法，用于模擬并解決各種工程力學、熱學、電磁學、生物力學等問題。其基本思想是把一個由無限個質點和有無限個自由度構成的連續體劃分為有限個小單元體組成的集合體，用離散化的有限單元模型代替原有物體。通過對每個單元的力學分析，獲得整個連續體的力學性質。有限元法最早可上溯到20世紀40年代?，F代有限法的第一個成功的嘗試是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飛機結構時成功應用有限元法求解。1960年，Clough第一次提出了"有限元法"概念，使人們認識到它的功效。我國河海大學教授徐芝綸院士首次將有限元法引入我國，對它的應用起了很大的推動作用。
1.2有限元法運用于人體生物力學研究 1972年，Brekelmans[2]等首次報道將有限元分析方法應用于生物力學方面研究。80年代后，應用范圍逐步擴展到顱面骨、頜骨、股骨、牙齒、關節、頸椎、腰椎及其附屬結構等生物力學研究中。隨著計算機技術的發展、分析工具的完善以及實踐的增多，有限元方法顯示了極大的優越性并已逐漸成為研究人體生物力學的重要手段。人體力學行為研究基本無法采用傳統的力學實驗方式來進行，因而有限元建模愈來愈成為深化人體認識的有效措施?；谟邢拊浖找嫱晟频慕９δ芗凹嫒谄渌嬎銠C輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件特性，真實再現三維人體骨骼、肌肉、血管、器官等組織成為可能，并在虛擬現實實驗中，通過材料賦值、幾何約束、固定載荷等過程，對擠壓、拉伸、彎曲、扭轉、三點彎、抗疲勞等力學實驗進行模擬，能求解獲得給定實驗條件下模型任意部位變形、內部能量變化、應力/應變分布、極限破壞等數據[3]。
1.3有限元法在人體生物力學研究中的建模思路 有限元建模即建立為數值計算提供原始數據的計算模型，需要通過建立幾何模型、材料賦值、網格劃分、施加約束與載荷，最后進行求解等步驟實現，是有限元法仿真試驗最關鍵環節。摸型的幾何相擬性直接影響計算的結果，醫學有限元模型的建立首先需要獲得人體特定部位的幾何數據，數據可以從幾何參數設定、激光掃描、標本切片和磨片以及醫學影像圖像獲得。其中醫學影像法最為以無創的方式提供了高精度的人體解剖結構形態，基于醫學影像技術建模是目前人體有限元建模的主要手段，可以實現人體解剖結構的可視化乃至生物力學仿真的有限元模型。包括X射線、超聲、CT、MRI等途徑，其中CT掃描是主流方式，CT結合MRI是新亮點。
通過X射線照片方式建模是指利用不同方位的多幅X射線照片獲得幾何數據重建三維模型，是一種經濟、可行的方式。但因信息獲取不完整，建模過程復雜，對研究者經驗要求較高，現行醫學有限元建模中應用較少。還有研究者基于超聲影像技術建模，如趙婷婷[4]等基于超聲建立了乳腺有限元模型；張桂敏[5]等在研究二尖瓣狹窄患者二尖瓣下游湍流剪應力變化方面，運用超聲影像圖像建立了二維有限元模型，為心瓣流體力學研究探索新的方法學途徑。目前基于超聲的有限元分析研究多集中在機械制造、土木工程等領域，并多采用二維有限元法分析，還沒有注意到與醫學相關的基本超聲影像技術的三維有限元研究相關報道。這或許是因為基于超聲影像技術的力學研究本就較少，三維、四維超聲的概念提出較晚，與重點應用在工程技術方面的有限元法結合運用更是鮮有。相較X線與超聲而言，CT/MRI圖像法在醫學有限元建模中應用更為普遍。MRI技術具有很高的組織對比分辨率、解析高以及無離子化輻射等特點，能清晰顯示人體結構的組織學差異和生化變化?；贛RI圖像能獲得細致的幾何模型。但MRI偏向于對肌腱、韌帶等軟組織的分辨，對骨的分辨不如CT清晰。此外，目前國內常用的核磁共振機掃描層厚和掃描間距一般都在2mm以上，無法獲得更詳細的幾何數據，影響到重建圖像的清晰度精確性?；贑T掃描獲得幾何數據的建模的方法目前應用最為廣泛。CT根據密度不同來確定信號的強弱，可以通過調節掃描條件，使任何復雜形態和各種密度的組織都有較高的分辨率，適用于任何復雜形態和各種密度的三維結構?？汕逦@示骨與軟組織的邊界，通過醫學成像系統能獲得骨骼比較準確的幾何數據，其不足之處在于對軟組織的分辨率相對較低，無法從醫學成像系統獲得準確的肌肉、韌帶、腔等組織幾何數據，須參考相關解剖資料。CT/MRI數據重建的三維模型，能夠真實的再現被掃描對象的表面特征及內部結構，CT的空間分辨率高于MRI，CT對骨組織與軟組織邊界顯示更為清晰，而MRI的對比分辨率高于CT，特別是軟組織對比明顯優于CT。通過CT結合MRI法將能融合二者優勢，但對研究者圖像處理技術有更高的要求。通過文獻檢索發現，目前CT提取骨組織結合MRI提取軟組織方法的研究報道較少。徐志才[6]等基于CT影像數據構建了包含股骨、脛骨和腓骨的實體模型，并基于MRI影像數據構建了包含股骨軟骨、脛骨軟骨、內外側半月板和內外側副韌帶的三維實體模型。將CT和MRI影像數據進行配準融合，獲得包含骨性和非骨性結構的膝關節三維實體模型。
2 有限元建模的常用軟件
人體生物力學有限元模型的精確性對有限元分析結果的合理性有直接影響。三維重建技術與有限元方法及其他虛擬現實技術的結合是未來發展的方向，這有賴于這些集成強大圖像處理功能的有限元軟件的發展。常用的建模輔助軟件有：MIMlCS、MATLAB、CAD、Geomagic Studio等軟件。其中最常用的是MIMlCS軟件，它的FEA模塊可以將掃描輸入的數據進行快速處理建立3D模型，然后對表面進行網格劃分以應用在有限元分析中。它還可基于掃描數據的亨氏單位對體網格進行材質分配。MIMICS的網格重劃功能能方便地將不規則三角片轉化成趨近于等邊的三角片，顯著提高STL模型的質量和處理速度，對輸入數據進行最大限度的優化，目前版本已發展到MIMICS17.0。現常用有限元軟件有：Ansys、ABAQUS、NASTRAN、COSMOS等。其中最常用的是Ansys軟件，目前版本已發展到Ansys15.0。
3 手部三維有限元的運用進展
手部因其解剖結構復雜、運動靈活精細、力學分析困難的周圍組織對手部力學因素有重要影響等方面原因，研究較人體其它部位明顯偏少。在工程領域方面，楊德偉[7]等基于CT掃描數據結合ABAQUS軟件建立了手抓握模型。幾何模型通過人手CT掃描后簡化處理得到，建立的手模型簡化為以皮膚、肌肉、神經、血管等軟組織為整體的軟組織模型和手部骨骼模型兩部分，手部復雜的組織結構未曾細化。抓握功能通過參數約束、程序運動規劃控制下實現，而并非基于神經肌電活動模擬，也非通過骨、肌肉施加荷載得到，本模型在工程領域有一定實用價值，但遠不能滿足醫學研究的需要；陳志翔[8]等在研究機器人虛擬手過程中，通過參考手部解剖結構，建立手部肌肉模型，并以程序設計約束指間運動關系，通過控制肌肉收縮量來實現手指運動，較好的擬真了手指運動機理。但模型基于數學方程人為控制，而非通過人手實際解剖結構獲得。在醫學領域方面，Carrigan等[9]通過CT掃描，最先建立了包括韌帶、軟骨、8塊骨骼在內的手腕關節復合模型；國外的Ko等和國內的郭欣等[10]都建立了腕管的三維有限元模型，為進一步探討腕部結構的力學行為提供了一個可操作的平臺；Anderson等[11]最早通過腕關節三維有限元模型模擬了創傷性關節炎病理改變；Bajuri MN[12]等通過CT掃描，參照診斷標準，建立了首例類風濕性關節炎患者腕關節三維有限元模型。國內其它學者也以解決臨床問題為出發點，對手的部分結構三維有限元模型的建立進行了積極的探索，如孟立民[13]建立了第一、二掌骨和大多角骨三維有限元模型，并模擬Bennett骨折和微型外固定器外固定及克氏針內固定治療情形，研究兩種治療方法優劣問題；董謝平等[14]以中國力學可視人原始資料為依據，構建帶軟組織的正常手腕和佩帶腕保護器手腕的三維有限元模型，驗證了腕保護器防護腕部骨折的有效性；顏冰珊等[15]建立了正常下尺橈關節三維有限元模型研究了前臂橈骨骨折的臨床問題；張浩[16]等基于現有個人電腦平臺，建立了腕關節有限元模型，進一步證明利用醫學圖像處理軟件和三維重建軟件準確、快捷地構建腕關節的三維有限元模型有可行性。
4 小結
手部建模是虛擬現實領域研究的熱點之一，在工程領域主要是機器人手的擬真研究，尤重抓握功能，在醫學領域更多涉及腕關節這一部分結構，囊括手部骨骼、關節、肌肉、韌帶、筋膜、血管、神經、皮膚等組織結構較完整的手部有限元模型尚未見諸報道。手部的骨骼、關節數目較多、相互關聯較復雜，是一個復合性的機械結構，在建模時要同時考慮到骨骼、關節面、韌帶、肌腱及其它周圍組織在生物力學中的作用。目前，手部有限元建模研究較人體其它部位少，還沒有形成較完整、成熟的模型，更沒有統一的建模標準。如何將三維可視化手建成物理手的有限元模型是現階段研究難點，也是實現虛擬生理手模型建立的必然階段，相信隨著計算機技術的進步及多學科更好的融合，手部有限元模型研究將有更為廣闊的前景。
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篇5
中圖分類號： G 804.5 文章編號：1009783X（2012）03027406 文獻標志碼： A
收稿日期：20110509
基金項目：國家自然科學基金（30771046）。
作者簡介：張?。?963—），男，北京人，碩士，副教授，研究方向為運動生物力學；卜淑敏（1967—），女，山西人，博士，教授，研究方向為運動生理學；魏兆松（1981—），男，安徽人，碩士，講師，研究方向為運動生物力學。
作者單位：首都體育學院，北京 100191
Capital University of Physical Education and Sports，Beijing 100191，China. 隨著人口的老齡化，骨質疏松癥不僅是一個醫療問題，也是一個社會問題，是常見的骨代謝性疾病，是一種危害中老年人群常見的疾病，在世界多發病中位居第6位，對該類疾病的研究及治療在影響人類生存質量的因素中，已經占有了越來越重要的地位。骨密度是診斷骨質疏松的重要標準，受很多因素的影響。為探求骨密度對骨質疏松癥的影響，本文采用去卵巢大鼠模型，通過觀察各組大鼠的體重、脛骨體重指數、脛骨長度、股骨和第4腰椎的骨密度的變化情況，得出運動和雌激素對骨質疏松預防和治療的作用。
1 材料與方法
1.1 實驗動物
60只雌性健康3月齡SD大鼠，體重（220±20）g，身體情況正常。由北京維通利華實驗動物中心提供，飼養于北京大學醫學部實驗動物學部，嚙齒類動物飼料喂養，自由飲食、飲水，動物室溫度22～25 ℃，相對濕度50%～55%。
1.2 方法
1.3 實驗指標的測定
在取材的前2 d開始制備取材的設備和儀器并注意制備充足的材料，開始斷食。在取材的當日5時從動物實驗學部用專門的鼠籠把動物帶到首都體育學院重點實驗室進行取材。
1.3.1 體重
在平時要注意觀察大鼠的精神狀況和運動能力的變化，并注意各組的飲食量。在取材時要準確地測量出每只大鼠的體重。
1.3.2 股骨和腰椎骨標本的制備
大鼠飼養到期時，要提前2 d斷食物，但正常飲水。麻醉后測量體重，股動脈放血處死。注意勿損傷骨質去除附著的肌肉和結締組織將兩側股骨、脛骨和腰椎骨摘出，將摘出的骨骼用pbs生理鹽水浸透的紗布包裹，裝入密閉試劑盒中，放置于-20℃冰箱內，測試時將其于室溫下自然解凍[12]。
1.3.3 脛骨干重和長度的測定
用水合氯醛麻醉并用電子天平（JA5002）稱量出大鼠的體重。對所有的大鼠進行股動脈放血處死并取下大鼠的后下肢左、右脛骨。把脛骨按編號放置在60℃的實驗室烤箱（型號 XU027200）烘烤 12 h后取出。用電子分析天平（型號 FA1004A）稱量所有脛骨的質量。再用游標卡尺（精確度為0.02 mm）測出大鼠脛骨的長度（測量時，采用游標卡尺卡緊骨的兩端結構，并且骨兩端的距離是最短（要求骨的縱徑與游標卡尺主尺面平行）。計算出左、右脛骨質量的平均值和大鼠體重的質量指數（脛骨和體重的質量指數=一側脛骨的質量/大鼠體重）。
1.3.4 股骨和腰椎骨的骨密度的測定
1.4 實驗數據的處理和統計
所有指標均以平均值±標準差表示，數理統計采用統計軟件SPSS 12.0進行單因素方差分析，組間相互比較采用LDS法，對F值明顯的指標，用t檢驗對各組均值進行多重比較。
2 結果與分析
3 實驗結果與討論
去勢大鼠作為骨質疏松模型也已經是一門成熟的技術。大鼠在3月齡時性腺與內分泌系統才完全發育成熟，肌肉骨骼系統基本定型，故以3月齡青春期大鼠為研究的起始年齡；但此時大鼠的骨骼仍然在生長，至7月齡時，皮質骨才發育成熟達到骨峰值，故3～8月齡為復制成年大鼠疏松模型的合適年齡，7～8月為最佳年齡；但采用 7、8 月齡大鼠耗資較大，故在設立對照組的前提下，用3～4月齡的大鼠仍是可行的[3]。通過以上所有的實驗數據分析，可以看出本次實驗的造模是成功的，得到手術靜止組的大鼠的體重和骨密度與假手術組、手術干預組有高度顯著性差異（P
3.1 脛骨指標數據的比較分析及討論
骨長軸方向的成長依靠軟骨內骨化過程，骸軟骨細胞不斷增生和不斷骨化（軟骨變成骨的過程），使骨長度不斷增加[7]。比較手術靜止組與假手術靜止組，可以看出SD雌性大鼠的脛骨由于在去勢手術的環境下生長而導致其脛骨長度的增長不明顯（P
3.2 骨密度指標分析及討論
骨密度（BMD）是機體某一部位骨組織中單位骨面積內所含的礦物質量，是影響骨強度的一個重要因素，是評價骨強度的一個最方便、最常用的指標，并且BMD的高低也被作為診斷骨質疏松的一項主要標準。BMD受到諸多因素的影響，如遺傳背景、性別、年齡、激素、營養和運動因素等。宋冰，張兆強研究顯示，切除大鼠雙側卵巢后，骨礦物元素Ca、S、Mg、Zn、Co、Mn等含量顯著降低（P
雌激素具有下調骨重建閾值的作用[16]，當雌激素減少時骨重建閾值提高，因此，原先使骨骼進行保留型骨重建的應變只能進行廢用型骨重建了。絕經后雌激素減少，通過運動可以增加骨骼載荷以增加骨骼的應變，使之達到骨重建閾值而進行保留型骨重建，減少絕經后骨量的丟失[17]。體育運動影響骨的力學特性。影響骨的力學特性的因素包括骨的幾何形態（體積、橫斷面、管壁厚度等）、骨礦密度（與骨組織的孔隙率呈反比）、骨質的質量（原有骨質和新形成骨質之比、礦化度、骨膠原成分和含量、骨膠原和骨礦的排列方向，以及骨基質中和骨單位周圍存在的細微骨折數量等。骨骼所受的外力，即使骨產生形變的外源性機械力可概括為內源性肌肉收縮力與外源性反作用力。這些力對骨生長發育的調控主要通過調節軟骨內生長與骨化、關節軟骨的發育，以及軟骨周緣/骨膜的骨化和軟骨內成骨[18]。機械力學信號可轉化成促進成骨的生化信號。力學信號激活骨細胞網絡通路而成骨，尤其在達到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形態結構[19]。跑步運動時骨骼肌的頻繁收縮，大量增加肌肉的血液供應，進而增加骨皮質血流量，改善骨組織血液供應，促進鈣的吸收，保存骨量。陳柏齡等的研究顯示：雌激素和運動均可顯著提高骨密度及生物力學性能；但與雌激素相比，運動在防治Ⅰ型骨質疏松的作用中具有如下優點：1） 更強的促進骨形成的能力；2）調節骨重建的部位和方向，使骨的顯微結構適應其生物力學功能；3）提高骨的硬度，增強骨抵抗變形的能力[20]。李梅、李爽等人研究顯示：運動和雌激素均能明顯提高去卵巢大鼠脛骨的BMD，但在維持去卵巢大鼠BMD方面，運動的功效作用優于雌激素。這可能是因為運動不僅能對骨骼系統提供有效的力學刺激，而且可以改善機體神經內分泌功能，明顯提高絕經后婦女的內源性雌二醇水平，能夠有效緩解絕經后各種低雌激素癥狀從而達到良好的維持或改善骨健康的功效[21]。
本實驗手術運動組大鼠的骨密度相對手術靜止組有高度顯著性差異，就是運動給予骨骼機械力的作用而引起的，通過上述研究分析可以明確為什么運動組大骨密度增高。同樣孫穎等[2224]的研究發現，低、中強度的跑臺運動訓練可以延緩股骨骨量的丟失，高強度運動并不能產生這種效果。王怡婧，張焱等人研究發現中等強度跑臺運動和E2單獨或聯合作用均能顯著增加去卵巢大鼠肝組織勻漿NO含量，二者是通過上調肝臟 eNOS 蛋白表達而發揮作用[25]；因此，大部分研究認為，中等強度的承重性練習更有利于延緩骨量的丟失。張林等人的研究顯示：去卵巢后大鼠表現為高轉換型骨代謝特征，雌激素下降，甲狀旁腺激素分泌加強，促進骨吸收，從而骨鈣流失；因此，血鈣含量上升，而運動可使血鈣流入并沉積在骨中，主要原因推測為：1）運動能促進血液循環，利于血鈣向骨內輸送和破骨細胞向成骨細胞轉變，促進骨鈣化，增加骨密度。2）運動負荷的機械應力可促進骨細胞的增殖，加強其活性，使骨的礦化過程加強，使血中的鈣以鈣鹽的形式沉積在骨中，從而使骨量增加。
運動結合藥物對由于去勢而導致的骨礦物質丟失有預防和治療的作用，已經成為人們的共識。很多動物實驗都已經證明：適度運動結合雌激素對由于老年化而導致的骨質疏松有協同的效果。本實驗的手術給藥加運動組與手術給藥和手術運動組大鼠間有顯著性差異也證明在該實驗條件下，對去勢大鼠的骨骼礦物質的丟失是有效果的。
4 結論
3）本實驗的不足之處，假手術運動與靜止組別在一些數據指標上沒有顯著性的差異；可能是該運動量對健康大鼠的影響程度不高，沒有去勢大鼠改善效果明顯的緣故。
實驗的結果提示我們在預防和治療由于老年化引起的骨質疏松，單純的藥物與運動干預，不如兩者共同協同作用效果顯著，并且在實際的對待人類而言，很重要的一點是必須控制好藥物量及運動的強度和量度，還要安排好干預的時間和頻率。
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篇6
關鍵詞：男子 短距離 自行車運動員 力量特征
中圖分類號：G804
文獻標識碼：A
文章編號：1004-5643（ 2015 ）01-0077-03
自行車運動屬周期性力量型項目，短距離自行車運動員的肌肉力量素質要求更為全面，涵蓋了絕對力量、爆發力和力量耐力的各個方面。其專項力量的提高直接關系到運動成績的提高。運動員和教練員對自行車運動員膝、踝關節肌肉力量的提高做出了很大努力，但對各關節主要肌肉群訓練的比例如何安排，練到什么程度等問題還不很清楚，也還沒有一個較為可信的參考依據。本研究通過對不同訓練水平男子短距離自行車運動員下肢膝、踝關節屈伸肌群的等速測試，使教練員、運動員了解肌肉力量訓練的效率和質量，以更有效地提高運動成績、避免運動損傷，為專項運動員的科學選材和肌肉力量的診斷提供科學依據。
1 研究對象和方法
1.1研究對象
選自國家集訓隊24名優秀運動員，按等級分為兩組：優秀組（健將）10名，普通組（一級運動員）14名。（見表1）
1.2研究方法
1.2.1實驗測試法
測試儀器采用美國CYBEX公司生產的CYBEX-NORM770型等速力量測試康復儀器。選取峰力矩、相對峰力矩、平均功率、屈伸力矩比等測試指標。
膝關節部位屈伸肌群力量選定慢等速60。/s和快等速300。/s兩種不同的角速度進行測試；踝關節部位屈伸肌群力量選定的測試角慢等速60。/s、快等速180。/s兩種不同的角速度進行測試。
在進行動態肌肉力量慢等速測試時，加載于肢體的負荷阻力較大，因此常被用于進行最大動態肌力檢測與評價；在進行快等速測試時加載于肢體的運動負荷阻力較小，關節運動速度較快，因此常被用于檢測和評價肌肉快速力量。
1.2.2文獻資料法
通過查閱中國知網、中國學位論文全文庫相關自行車運動和力量測試的相關文獻，了解當前的研究現狀，并進行了實驗設計和可行性分析。
1.2.3專家訪談法
走訪了自行車教練員、體能教練，并了解隊員力量素質的訓練情況，針對自行車運動員力量素質訓練方法，以更好地協凋好各部位力量訓練的關系。
1.2.4數理統計法
利用Microsoft Excel和Spss統計軟件包將采集的數據進行統計分析，包括均值、標準差、T檢驗等。最后利用Microsoft Excel和Microsoft Word進行數據統計結果及圖表的處理。
2 測試結果
2.1男子短距離自行車運動員膝關節屈伸肌群的測試結果
2.1.1男子短距離自行車運動員膝關節屈伸肌群峰力矩和相對峰力矩測試結果
由表2可以看出，男子優秀組和普通組短距離自行車運動員膝關節屈伸肌群峰力矩值隨測試角速度的增加而減少。在測試角速度為60。/s時，左、右側膝關節伸肌群峰力矩值優秀組運動員與普通組運動員均差異顯著（P
由表3可以看出，男子優秀組和普通組短距離自行車運動員膝關節屈伸肌群相對峰力矩值隨測試角速度的增加而減少。在60。/s和300。/s測試角速度時，優秀組運動員與普通組運動員膝關節屈伸肌群相對峰力矩值差異不顯著（P>0.05）。
2.1.2男子短距離白行車運動員膝關節屈伸肌群比值測試結果
從表4中可以看出，男子優秀組和普通組短距離自行車運動員膝關節屈伸肌群屈伸比隨測試角速度的增加而增大。在測試角速度60。/s和300。/s時，左、右側膝關節屈伸肌群屈伸比優秀組運動員與普通組運動員均差異不顯著（P>0.05）。
2.2男子短距離自行車運動員踝關節背屈跖屈肌群測試結果
從表5可以看jL，男子優秀組和普通組短距離自行車運動員踝關節背屈跖屈肌群峰力矩值隨角速度的增加而減小。在測試角速度60。/s時，優秀組運動員與普通組運動員右側踝關節背屈肌群峰力矩差異很顯著（P
在測試角速度180。/s時，優秀組運動員與普通組運動員左、右側踝關節背屈肌群峰力矩值差異很顯著（P
從表6可以看出，男子優秀組和普通組短距離自行車運動員踝關節背屈跖屈肌群相對峰力矩隨測試角速度的增加而減小。在測試角速度60。/s時，優秀組運動員與普通組運動員有踝關節背屈肌群相對峰力矩值差異顯著（P
3 分析討論
3.1膝關節測試結果分析討論
男子短距離自行車運動員膝關節屈伸肌群峰力矩值和相對峰力矩值隨測試角速度的增加而減少。這與以往的研究結果相一致，與運動解剖學狀況和肌肉力學特征相吻合，符合經典的Hill方程關于肌肉張力與肌肉收縮速度成反比的理論。
峰力矩是指肌肉或肌群環關節運動過程中相應肌肉或肌群收縮進而產生的最大力矩輸出值，能真實的反映肌肉在運動過程中的最大負荷情況，代表關節肌肉或肌群的最大肌力。通過測試結果提示：在60。/s測試速度時，普通組男子短距離白行車運動員膝關節左、右側伸肌群和右側膝關節屈肌群峰力矩值有待提高，應加大最大力量的訓練。普通組男子短距離自行車運動員左右側膝關節伸肌群力量發展不平衡，右側膝關節伸肌群最大肌力水平有待提高。否則，會影響到自行車運動員在踏蹬和提位過程的網滑度，以防止男子短距離自行車動員在高速踏蹬和提拉運動中運動損傷的發生。 相對峰力矩是指峰力矩除以受試者的體重所得到的比值，它是反映運動員每公斤體重的單位體重用力的情況，比較在不同負荷條件下所發揮出的力量與體重的比值的意義在于：通過計算出運動員每公斤單位體重的肌力情況，排除了運動員體重差異對其力量大小的影響，具有可比|生。優秀組運動員和普通組運動員膝關節屈伸肌群相對峰力矩值比較之間均沒有差異。自行車運動員的運動過程本身就是克服機械阻力、空氣阻力、地面摩擦力做功的過程，運動員的體重對于其力量有一定的關系。在力量不受影響的情況下適當的控制體重對完成比賽項目，對其成績的提高很有幫助。
男子短距離自行車膝關節屈伸肌群向心收縮的峰力矩的比值是衡量主對抗肌肌肉力量平衡的重要指標，比值過大或過小都影響肌肉用力的協調性和均衡性。這里強調的屈伸比的大小，不代表力矩的大小。正確的理解應該是比值的大小，是衡量膝關節屈伸肌群力量的發展協調（相對平衡）程度。屈伸比的偏低首先是由于膝關節屈肌群肌力的相對偏低造成的，屈肌群力量偏弱就會影響整個膝關節，乃至下肢肌肉的協調發力和技術動作的準確性，以及輸出功率的大小?，F代訓練理論認為，力量是自行車項目的關鍵，但更要注意肌肉力量的協調發展。這里的協調并不是常說的協調性，而是指肌力分配的協調，以及運用專項技術動作過程中肌力分配的合理性。只有各肌肉間協調工作時，才能充分調動肌纖維的募集和高效工作。這一目標的實現有賴于屈伸肌比值這個指標。建議普通組男子短距離自行車運動員應及時采取有針對性的訓練，在提高伸肌力量訓練的同時，要加大訓練屈肌的力量，從而提高運動員的屈伸肌力比。
3.2踝關節測試結果分析討論
在60。/s測試角速度時，優秀組男子短距離自行車運動員右側踝關節背屈肌群峰力矩明顯大于普通組男子短距離自行車運動員；優秀組男子短距離自行車運動員右側踝關節背屈跖屈肌群峰力矩普通組男子短距離自行車運動員；180。/s測試角速度時，優秀組男子短距離自行車運動員左、右踝關節背屈跖屈肌群峰力矩明顯大于普通組男子短距離自行車運動員。
以上測試結果表明：普通組男子短距離自行車運動員右、踝關節背屈跖屈肌群最大肌力不足，也影響到了快速力量的發揮。尤其是在踝關節跖屈肌群快速力量表現的更為明顯。說明踝關節跖屈肌群快速力量也是普通組男子短距離自行車運動員應注重發展訓練的力量素質。
4 結論
（1）普通組男子短距離自行車運動員左、右膝關節伸肌群發展不平衡，應加強訓練右側膝關節伸肌群的力量，及早糾正其踏蹬不同滑的現象。（2）優秀組和普通組男子短距離自行車運動員膝關節伸肌群快速用力的持久性不強，應加強膝關節伸肌群的快速力量持續訓練。（3）普通組男子短距離自行車運動員應注重發展踝關節背屈肌群最大力量和快速力量練習。（4）通過分析討論，勿庸置疑，男子短距離自行車運動員膝、踝關節屈伸肌群的力量大小和屈伸肌群比例合理與否，是成為優秀運動員的關鍵因素。因此，建議普通水平的男子短距離自行車運動員應加強專項訓練，提高膝、踝關節屈伸肌群的工作能力及工作特點，改善其供能代謝水平，使其更快、更好地向專項優秀運動員過渡。
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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
關鍵詞： 步態研究 研究方法 正常步態 不正常步態 應用
人出生后大約12―15個月就開始獨立行走。此后一生中，步行成為人體活動最基本的方式之一，人的步行姿態在一定程度上是與人體所處生物學因素及環境因素相互作用的體現。步態分析是對人體步行從運動學、動力學、肌肉工作特征及其運動控制等方面，進行系統的分析研究。研究者們通過對步行姿態（步態）的研究，對人的行走功能進行評定、對疾病的恢復效果進行評價、對不正常步態進行矯正、對行走輔助功能提供參考。步態研究已經成為生物力學及醫學界的一個重要課題，國內外學者們對此做了廣泛而深入的研究。本文通過對步態研究的方法、研究進展等方面作綜述，希望為以后步態問題的深入研究提供參考。
1.步態研究的方法的發展
隨著人類科技的進步，步態研究的方法在不斷更新。從原始的肉眼觀察、簡單工具測量到應用數碼攝像技術、計算機模擬，到目前最為先進的步態系統研究方法。方法的更新和進步使步態研究更加準確和豐富，為人類的健康作出了巨大的貢獻。
1.1肉眼觀察法
19世紀德國生理學家webers兄弟首先發表了對人體的基本位移形式―步行的研究。由于受到當時條件的限制，他們采用了觀察法，通過素描及繪畫的方法對步態進行了描述［1］。這也是較早對人體步態的研究之一。很顯然，這種方法的精確性差，而且僅能夠粗略地描述人體的步態。所以，這種方法隨著時代的發展已經不再為人們所采用。但是，他們的研究方法引發了人們對步態研究的無窮探索。
1.2走紙法［2］
走紙法是一種較為古老的步態研究方法。它是通過對測試者所走過的足跡進行測量，借助簡單的工具進行步態分析的方法。這種研究法所能得到的參數很少，而且測試的工作量較大，且因為測量工具問題誤差較大。至今，這種方法逐漸被淘汰。從研究方法學來說，這種方法是人類利用測量工具研究步態的開始。
1.3攝影攝像法
隨著科學技術的發展，人們開始利用性能較高的攝影攝像技術分析人體步態。使用兩到三臺互相垂直的攝像機對人體正常步行進行拍攝。然后利用計算機分析系統對步態參數進行測定。這種方法的精確度較高，參數分析的范圍比以往任何方法都要大。通過這種方法，我們可以得到步態的時間、空間、時間―空間參數，包括人體步行時的重心曲線，肢體各關節的運動曲線等。通過這些數據，我們可以對人體步行的穩定性、協調性、節奏性、對稱性進行評價，從而為疾病恢復、步態矯正、假肢研制等提供重要的參考。這種方法的缺點是反饋速度慢，以及對一些力學參數的測定無能為力等。所以目前研究者主要用攝影攝像法與三維測力臺配合使用，使研究更加全面，更加有說服力。
1.4三維測力臺法
這種方法是讓測試者在測力臺上按測試要求正常步行，測力臺的內部的電阻受壓后，應變片因拉伸或壓縮而產生電阻的電信號變化，通過放大后進入連接的計算機處理［3］。通過這種方法，我們可以獲得步態的力學參數，如足底壓力分布、空間各方向的分力、與地面的支撐反作用力等。通過這些參數，我們可以對行走的穩定性、對稱性等進行評價。目前這一技術已經比較成熟，典型的有kistler測力臺和AMFI測力臺。測力臺所得力學參數與數碼影像分析所得的時空參數相結合，綜合人體相關生理知識，我們已經能夠對步態進行較為精確的描述。
1.5步態分析系統法
它由計算機、測力板和測角儀組成，利用隨身攜帶的單片機，記錄由測角儀測得的關節角度信號，并由與測力板以及安裝在步行道上的壓力開關相連的光電裝置，控制單片機和測力板的同步周期采樣，測試完畢后，用串行通訊方法將單片機的采樣信號輸入計算機處理，而整個步行采用無電線連接測試，并針對以往簡易步態測試裝置不能確定人置的不足，建立了能確定著地足位置的積分方程，再利用測角儀測得的關節角度信號和用多剛體力學建立的人體步行運動學、動力學程序，使得它像各種先進的紅外步態分析系統一樣，計算出步行的各種能量變化、人體行走位置、關節受力和肌肉力矩等。我國也開展了各種簡易步態分析系統的研究，較有代表性的工作有：微機化步態分析系統［4］和靴式步態分析系統［5］。
2.步態研究的進展及對人類健康所作的貢獻
2.1對不正常步態的研究及對人類健康的貢獻
所謂不正常步，即步態特征的變化超出正常范圍。whittle（1996）列出四點被視為不能正常行走的特點，一是兩腿不能交替支持人體重量，二是在單腿支撐時不能靜力性或動力性保持平衡，三是擺動腿不能前擺到一位置上從而變為支撐的作用，四是力量不足以令下肢移動的同時帶動上肢。異常步態有時很明顯僅憑肉眼觀察就可看出，而有時必須通過實驗儀器才可以得出步態異常。
近年來，以步態分析的方法來評估及治療肌肉骨骼和神經方面的研究發展迅速，并由此進一步推動了對不正常步態的深入研究。這方面的研究很多，如劉永斌［6］等人對三截一癱殘疾者進行步態測試，以反映人體行走姿態變化時間歷程的周期、時相及反映支撐反力的三維離曲線為基礎，用特征函數的基本概念進行歸類組合，提出5個相應的經驗公式，以此對三截一癱患者的行走功能進行評定。Rozendal［7］等通過三維步態分析系統提供三維平面的地面與反力的向量圖，繪出偏癱病人足―地接觸力的向量環，可以發現健側和患側下肢的力量環和形態明顯不同，借此可客觀評定步態異常機理。Granataetal.（2000）［8］通過步態分析，研究延長肌腱的治療方法對兒童腦癱病人的影響，等等。除此以外，臨床步態實驗室也在不斷增加。對于不正常步態的研究，可以幫助早期偏癱、腦癱等功能性疾病的診斷，還可以通過矯正促進疾病的恢復。醫學界正在越來越多地應用步態研究成果為人類健康服務。
2.2對正常步態的研究及應用
一個正常的步態周期，通常由腳跟著地開始，至同側腳跟再次著地為止，包括支撐和擺動階段［9］。對正常步態的研究主要是從步態的時間、空間、時―空、力學等參數入手研究各年齡段、各類不同職業的群體、不同形體特征的步態差異，對人類的步行規律及相關影響因素進行探討。
國內外研究主要集中于老年人、兒童等特殊人群的步態。而對于成年人特別是與步態與運動能力的關系的研究較少。如Hills and parker（1991）［10］研究表明身高與步幅顯著相關。Mann and hagg（1980）研究表明，正常兒童以自然步速行走，支撐時間是整個步行周期的62%，且支撐時間似乎并不隨年齡而變化。只有在步行節奏改變時，如跑或快速步行時變化才比較明顯，其他學者的研究也支持了這一點。另外，granata，abel，anddamiano（2000）［11］對下肢關節角度和關節角速度的變化做了研究，指出步行時關節角度的大小是與肌肉的活動和發力是相關的。北京體育大學趙芳、周興龍等（1996）［12］分析139名普通中老年人在正常步行下的步態，其目的是研究從中年到老年這一衰老過程步態指標的變化，希望能將步態指標作為中老年人體質衰老的評價標準。另外，一些學者對肥胖兒童、長期負重、高跟鞋等對步態的影響也做了一些研究。這些研究對于人體步態矯形，塑造人的形體美，以及利用人體步態參數為肢體殘疾者制作合適的假肢，促進青少年形體的健康發展等起到了巨大的作用。不足的是對健康成年人步態與身體功能、步態與人體運動功能關系的研究還較少，相信隨著研究手段的日益完善，這方面會取得較大的進步。
3.討論
3.1隨著科學技術的發展，對步態研究的方法也日益完善。從原始的觀察法、走紙法等發展到準確全面的影像技術、測力臺技術和步態測試系統。國內外很多學者仍然在努力嘗試研究更為科學的研究方法，并且陸續有報導。另外，因應醫學上對病態步態分析應用的要求，臨床步態實驗室不斷增加，并且朝向實用性、準確性、系統性、低成本方向發展。
3.2隨著研究方法的不斷進步，步態研究也在不斷深入，通過對正常步態從時間、空間、時間―空間、力學等參數的測定，對人體正常行走的規律及不同人群的步態特征的研究也取得了很大的成功。對一些特殊形體如肥胖、長期負重及等人群的步態也開始研究。這些研究對評價人體行走功能、矯正不正常步態等提供了科學的依據。病態步態方面的研究如“三截一癱”者步態，為科學診斷及恢復治療、恢復評定提供了重要參考。不足的是，對步態與運動功能的關系，健康成年人步態與身體功能的關系等的研究還較少，希望這方面能夠引起研究者的重視。
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篇8
中國標準化研究院人類工效學實驗研究中心是全國最大、唯一通過CNAS認可的專業實驗室。該研究中心的歷史可以追溯到1980年，成立初期主要致力于人類工效學基礎應用研究和工效學標準化研究。2004年以來，研究中心先后通過國家財政資金支持和科研項目，投入資金近4000萬元，多角度、系統地擴大和加強了原有實驗室功能，實驗能力得到質的飛躍。目前，研究中心占地700平方米，擁有人體測量實驗平臺、生物力學實驗平臺、可用性與人機交互實驗平臺、感知工效實驗平臺、認知工效實驗平臺和虛擬現實與仿真實驗平臺六大實驗平臺，同時擁有自80年代以來持續完善更新的中國人體尺寸數據庫。
其中，人體測量實驗平臺主要用于研究人體的形態特征，為人體建模和各類工業設計提供人體尺度參數，已在2010年通過國家（CNAS）的能力認可。生物力學實驗平臺配備了ViconMXF20運動捕捉系統、Kistler9281EA測力臺、NovelPliance及Pedar壓力墊、美國BTEPrimusRS動作模擬與測試系統、美國BTEEvltech運動能力評價系統、美國MAXII型心肺功能測試系統、德國H/PCosmos運動跑臺、美國Biopec多導生理儀和Noraxon表面肌電儀等國際一流水準的實驗設備，可開展肢體活動范圍測量、動作捕捉與分析、人體體表受力分析，關節受力分析，關節活動角度測量、動作模擬與肌肉力量測量分析、心肺功能測試、表面肌電分析等實驗。可用性與人機交互實驗平臺主要用于研究人機交互行為，記錄分析被試者在完成預設任務時的物理行為和生理心理反應，重點針對信息產品、智能化家電的人機界面設計。感知工效實驗平臺主要用于研究人體的聽覺感知特性、視覺感知特性和環境感知特性等，聽覺感知特性為產品中聲音信號的設計和聲品質的改善提供參考；視覺感知特性主要針對視像、照明產品提供光、色對人生理、心理的感知舒適度和醫學傷害的評測；環境感知特性主要研究各類消費群體，例如老人、兒童、婦女等，在不同溫度、濕度、風速等環境條件下對熱舒適度的感知。認知工效實驗平臺主要用于研究注意、記憶、反應等各種心理認知特性，為企業宣傳設計、產品說明書設計等提供對消費者易讀性、易懂性的評測數據。虛擬現實與仿真實驗平臺主要利用虛擬現實技術對現實的“人－機－環境”交互系統進行模擬、仿真、測評和研究，解決傳統工效學實驗手段的局限性。
此外，中國標準化研究院的中國人體尺寸數據庫是目前數據量最大、測量項目最全面、樣本年齡跨度最大、采樣地域分布最廣的中國人體尺寸數據庫。工效學基礎參數數據庫包含從1988年到2009年中國人人體尺寸數據庫,共擁有數據量近500萬條，覆蓋了全中國、各民族的人體特征數據。
篇9
關鍵詞：短跨項目；肌力；速度；運動能力
中圖分類號：G804.62文獻標識碼：A文章編號：1007-3612(2008)05-0613-03
速度素質在短跑項目中是起主導作用的專門素質。發展速度主要是肌肉力量和肌肉收縮速率的發展。本研究的目的是通過增強運動員的小肌群的專項速度力量素質，改善運動員的用力條件；通過增強運動員上肢肌肉（主動肌群、對抗肌群）的速度力量，改善和提高上下肢的運動能力、協調能力，提高動作的效率。本研究采用的主要方法是在運動員訓練過程中，通過小負荷環節末端負重訓練，增加肌肉尤其是對抗肌群的速度力量，通過增加小肌群及其對抗肌群的速度力量，提高訓練效果。
1研究方法
1.1實驗研究方法受試者為北京體育大學10名男子短跑運動員，受試運動員為同一教練員執教、同一訓練組，訓練安排每周一、三、五訓練三次。整個測試實驗共進行兩次，第一次測試是在負重訓練前進行，第二次測試是在負重訓練4周之后進行。
實驗采用Qualisys MCU500紅外遠射運動信息三維測試系統對訓練前后運動員的起跑技術進行測試，取得運動學參數。用Biodex等動力矩測量測量系統測量受試者右腿膝關節、踝關節、右側肩關節進行測試。肩關節的環節力矩借用膝關節的動力頭進行測試。使受試者屈肘擺臂的擺動方式更接近實際運動動作。
1.2輔助小力量周訓練計劃1） 練習的形式抗小阻力練習。
2） 小力量練習器械：橡皮條、小沙袋（0.5 kg系于碗關節、1 kg系于踝關節）、小啞鈴、小杠鈴等。
3） 練習內容放在基本部分的前段時間，大約30～45 min。
2結果與分析
2.1運動學量結果與分析表
從表1中可以看出，雖然絕大多數指標在力量訓練前后并未表現出顯著性的差異，但仍顯現出良好變化的趨勢。起跑動作后腳蹬離起跑器瞬間蹬地腿的膝角和踝角訓練后都明顯小于訓練前，且二者有非常顯著性差異；右腳著地瞬間踝角訓練后也明顯小于訓練前，且有非常顯著性差異；右腳離地瞬間的踝角在訓練后卻明顯大于訓練前，且有非常顯著性差異；右腳離地瞬間的軀干角在訓練后大于訓練前，有顯著性差異。
從表2中可以看出，訓練前后起跑動作大多數指標在力量訓練前后表現出顯著性的差異，其它指標也顯現出良好變化的趨勢。第一步的支撐時間在訓練后明顯短于訓練前，且二者之間有非常顯著性差異；擺動腿膝關節最小角度訓練后明顯小于訓練前，踝關節最大蹬伸角速度訓練后明顯大于訓練前，這兩個量之間沒有顯著性差異；膝關節最大蹬伸角速度、擺動腿最大折疊角速度在訓練后都明顯大于訓練前，且二者之間都有非常顯著性差異；髖關節最大蹬伸角速度訓練后明顯小于訓練前，這兩個量之間沒有顯著性差異?？梢哉J為，經過訓練，運動員在加速跑階段膝關節蹬伸速度有所增加，同時用力幅度加大。同時，由于此時軀干角和小腿蹬地角均較小，蹬地力向前分量大，因此快速、大幅度的蹬伸下肢有利于身體的快速啟動與向前加速。
從表3中可以看出，起跑動作技術的上臂前擺幅度、上臂后擺幅度訓練后大于訓練前，最大向前擺臂角速度、最大向后擺臂角速度訓練后大于訓練前，大腿前擺幅度增大，大腿后擺幅度減小，大腿后擺角速度增大，以上各個量訓練后于訓練前沒有顯著性差異；大腿前擺角速度訓練后明顯大于訓練前，且而者之間有非常顯著性差異。從數據對比可以看出，大腿前后擺動的幅度訓練前后并無明顯改變，但向前擺動角速度明顯增加。這不但與大腿前群肌肉速度力量水平增加有關，還在于經過訓練下肢向前擺動過程中大小腿折疊程度緊密，使向前擺動更加省力。
2.2動力學結果與分析
2.2.1踝關節動力學結果與分析由表4可以看出，訓練前后踝關節跖屈、背屈肌群的肌力有非常顯著性的改善。訓練后環節力矩、動作的總功、動作的平均功率都明顯大于訓練前。不同運動形式的所有生物力學指標都表現出非常顯著性的差異；運動學指標表現出非常顯著性的差異。這表明，訓練后運動員踝關節的力量增強，單位時間內環節克服同樣阻力時，所產生的爆發力增加，環節運動的角速度增大，完成動作的時間縮短。這與運動學測試所得的生物力學指標相對應。
2.2.2膝關節動力學結果與分析由表5中可以看出，運動員對不同負荷時的反映不盡相同，運動員在訓練前后膝關節的最大活動范圍在不同負荷時的個體差異很大。因此，在進行訓練過程中對不同的運動員應區別對待，制定出適應每個人的訓練計劃。
由表6可以看出，訓練前后膝關節屈肌群的肌力有非常顯著性的改善。結果表明，末端小負荷的訓練對對抗肌群的肌肉力學特征量的改善非常有效。
2.2.3肩關節動力學結果與分析
從表7中可以看出，肩關節角度最大活動范圍在訓練后比訓練前有非常明顯的增大。從肩關節活動范圍的變化可以看出，小負荷的訓練對運動員肩關節屈伸肌群的力量增強有明顯效果，單位時間內環節克服同樣阻力時，所產生的爆發力增加，環節運動的角速度增大，完成動作的時間縮短。這與運動學實際測試所得的訓練前后上臂擺動的運動生物力學指標高度對應。
由表8可以看出，訓練前后肩關節屈伸肌群在不同運動形式、不同負荷下峰力矩特征指標都表現出高度同一性，訓練后的峰力矩非常明顯的高于訓練前，且訓練前后的指標都表現出非常顯著性差異。這以結果于運動學測量結果向對應，肩關節肌群動力學量的改變，使得上肢的擺動幅度、擺動角速度都明顯增大。結果表明，末端小負荷的訓練對小關節的肌群的肌肉力學特征量的改善非常有效。
2.3訓練前后30 m疾速跑成績對比
由表9可以看出，運動員在實驗前后30 m疾速跑的測試中，訓練后的運動成績非常顯著的大于訓練前，平均提高0．064 s。
3結論
1) 起跑動作后腳蹬離起跑器瞬間蹬地腿的膝角和踝角訓練后都明顯小于訓練前；右腳著地瞬間踝角訓練后也明顯小于訓練前；右腳離地瞬間的踝角在訓練后卻明顯大于訓練前，右腳離地瞬間的軀干角在訓練后大于訓練前。
2) 訓練前后起跑動作第一步的支撐時間在訓練后明顯短于訓練前；擺動腿膝關節最小角度訓練后明顯小于訓練前，踝關節最大蹬伸角速度訓練后明顯大于訓練前；膝關節最大蹬伸角速度、擺動腿最大折疊角速度在訓練后都明顯大于訓練前；髖關節最大蹬伸角速度訓練后明顯小于訓練前。
3) 起跑動作技術的上臂前擺幅度、上臂后擺幅度訓練后大于訓練前，最大向前擺臂角速度、最大向后擺臂角速度訓練后大于訓練前，大腿前擺幅度增大，大腿后擺幅度減小，大腿后擺角速度增大；大腿前擺角速度訓練后明顯大于訓練前。
4) 擺動腿擺動過程中小腿向大腿折疊的角速度訓練后顯著增加，同時擺動腿膝關節最小角度（表征大小腿折疊緊密程度）訓練后略有減小。大腿向前擺動角速度明顯增加。
5) 踝關節的活動范圍訓練后比訓練前都明顯增大。訓練前后踝關節跖屈、背屈肌群的肌力有非常顯著性的改善。
6) 膝關節訓練前后的最大活動范圍都沒有顯著性差異。訓練前后膝關節屈肌群的肌力有非常顯著性的改善。
7) 肩關節角度最大活動范圍在訓練后比訓練前有非常明顯的增大。訓練后的峰力矩非常明顯的高于訓練前，且訓練前后的指標都表現出非常顯著性差異。
8) 運動員在實驗前后30 m疾速跑的測試中，訓練后的運動成績非常顯著的大于訓練前。
參考文獻：
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［2］ 費羅，等.第七屆世錦賽短跑項目運動學分析［J］.田徑，2002（2-3）.
［3］ 張輝，等.對百米途中跑擺動技術的生物力學分析［J］.浙江體育科學，2001,23(3).
篇10
關鍵詞：板球；快速投球；觀察模型；運動生物力學
中圖分類號：G804.66文獻標識碼：A文章編號：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
基金項目：浙江省教育廳資助項目“我國優秀板球運動員最后用力階段技術的運動學研究”（項目編號：Y200906976）。
作者簡介：梁海丹，講師，碩士，研究方向運動技術的測量與分析。
板球起源于英國，盛行于英國、澳大利亞、新西蘭、印度、孟加拉等英聯邦國家，目前開展板球運動已達到100多個國家。在我國，目前對于板球技術的研究幾乎處于空白狀態。通過文章檢索發現，對于板球技術研究的文章非常少，主要集中在對比賽技術統計方面［1，2］，并未發現采用運動生物力學測量方法對板球技術的研究。
投球技術是板球運動中非常重要、比較復雜的技術動作，尤其是其中的最后用力階段技術。本文采用運動生物力學測量方法和基本原理，對板球快速投球最后用力階段的技術特征及要點進行探索，并建立其運動生物力學觀察模型［3］，這能為有效地學習與傳授快速投球技術提供參考。
1 研究對象與方法
1.1 研究對象 本研究的對象是快速投球最后用力階段技術?？焖偻肚蚣夹g過程主要包括助跑、跳步、最后用力以及跟進四個環節，其最后用力階段技術從跳步結束時右腳著地開始至球離手時結束，并要求直臂順時針轉動投球。本研究的快速投球技術都是右手持球技術動作。
本研究中的測試對象為5名正在備戰廣州亞運會的國家板球集訓隊男性隊員（表1），并且都是優秀的投手，平均年齡為22歲，平均身高為1.83 cm，平均體重為84.4 kg，均為運動健將級運動員。
表1 測試對象基本條件
1.2 研究方法
1.2.1 拍攝與解析 在臨海邵家渡板球訓練基地，對正在集訓的國家板球隊優秀男子投手的快速投球最后用力技術進行拍攝。拍攝采用三維定點定焦攝像方法，用兩臺Panasonic公司生產的NV―GS328型攝像機，一臺置于投擲方向的左側，一臺置于投擲方向的右前方，兩臺攝像機主光軸成120°（圖1）。拍攝頻率為50幀/s，鏡頭高度為1.2 m，拍攝距離為10 m，技術動作處于鏡頭畫面的中間位置，成像大小約為鏡頭畫面的1/2。拍攝前，測試人員進行了適當次數的試投。在拍攝過程中，由教練反饋每次動作的質量，每個測試者投擲2次，選取較好的一次技術動作進行解析。
最后獲得的5人次質量較高的技術動作錄像在Areil運動分析軟件中進行解析。三維坐標標定采用該系統本身配置的24點坐標框架進行，三維坐標位置及方向如圖1所示。人體慣性參數參照系統自帶的扎齊奧爾斯基人體模型。采用數字濾波平滑技術對數據的“噪音”進行過濾，截斷頻率為8 Hz。
1.2.2 指標及其統計 本研究中主要采用了標志性動作的時刻指標，球與重心的速度指標，肩、髖、膝的角速度指標。動作過程中的時刻均采用標準化形式，精確至1%。對5人次最后用力階段技術中的速度與角速度曲線進行了合并，形成了這些指標的平均變化曲線。這些指標數據的計算與合并在Areil運動分析軟件與Excel軟件中進行。
2 結 果
2.1 最后用力階段各時相的時間分配情況 在快速投球技術最后用力階段技術的平均時間為0.32 s，其中存在兩個比較明顯的動作過程標志點，分別為左腳著地與右腳離地時刻，它們將該動作過程分成右腳支撐、雙腳支撐與左腳支撐三個時段（表2）。右腳支撐階段耗時最長，占總時間的53%；雙腳支撐與左腳支撐階段耗時較短，分別占總時間的25%與22%。在右腳支撐階段對板球落點的預判是造成此階段耗時較多的一個重要因素。
表2 最后用力階段各時相的時間分配情況表（n5）
2.2 最后用力階段板球的速度變化情況 從三個坐標方向上的曲線來看，板球速度在y與z方向上的曲線波動較明顯，在x方向上的曲線并無明顯變化（圖2）。這說明，在該動作中，板球主要是在y軸與z軸組成的平面內運動。從三個運動過程時段來看，板球速度在右腳支撐階段有稍微地下降現象，主要表現在在z方向上的速度下降，這與此時人體著地緩沖以及右臂的制動有較大的關系；在雙腳支撐與左腳支撐階段有明顯的上升現象，前者表現在是y與z方向上的速度共同上升，后者表現在y方向上的速度急劇上升。
2.3 最后用力階段人體重心速度變化情況 圖3所示，在最后用力階段技術中人體重心的速度變化曲線與其在y方向上的變化曲線非常相似，這說明此過程中人體重心速度主要是表現在y方向上的變化。此過程中，人體重心速度在右腳支撐階段稍微地降低，主要表現在z方向上的速度下降，這同樣與人體著地緩沖有關；在雙腳支撐與左腳支撐階段，身體重心速度與其在y方向上的速度一樣急劇下降，這主要是由于人體動量向器械傳遞的結果。人體重心速度制動的越快、幅度越大，越有利于板球出手速度的提高。
2.4 最后用力階段人體主要關節的運動情況
2.4.1 人體主要關節的運動強度
人體主要關節角速度的平均值與標準差說明了這些關節運動的強度，進而可以體現出該運動技術中人體環節運動的特點。如果在完成一種運動技術時某個關節角速度的平均值與標準差較大說明其運動比較強烈（表3）。在右腳支撐階段中，左、右肩以及左膝關節的運動比較強烈；在雙腳支撐階段中，左、右肩以及左髖關節的運動比較強烈；在左腳支撐階段中，右肩以及左、右髖關節的運動比較強烈。這說明，左、右肩以及左膝關節，左、右肩以及左髖關節，右肩以及左、右髖關節各自在相應時段中的運動較大程度上體現了最后用力階段技術中人體關節運動的特點。
表3 人體主要關節角速度平均值及標準差（°/s）
注：“*”表示角速度平均值前三位；“”表示角速度標準差前三位。
2.4.2 人體主要關節的運動順序以及運動方式 對在最后用力階段技術中運動比較強烈的關節的運動順序以及各自的運動方式進行探索。表4顯示，在最后用力階段技術中人體主要關節產生最大角速度的循序依次為左膝、右肩、左肩、右肩和左髖、右髖。在接近右腳著地時刻，左膝達到最大角速度，右肩達到第一次角速度波峰；在接近左腳著地時刻，左肩達到最大角速度；在接近右腳離地時刻，左髖達到了最大角速度，右肩達到第二次角速度波峰；在球出手時刻，右髖的角速度達到最大值。此外，右肩至左肩最大角速度的間隔最大（0.16 s），接著為左肩至右肩（0.06 s）和左髖至右髖（0.08 s），左膝至右肩、右肩至左髖、右髖至右膝幾乎同時產生最大角速度。
表4 最后用力階段中人體主要關節最大角速度時間循序
注：右肩角速度的變化存在二個明顯的波峰。
圖4顯示，在右腳支撐階段，左膝與右肩制動至最小角速度，左肩加速至最大角速度；在雙腳支撐階段，左肩制動，右肩與左髖加速至最大角速度；在左腳著地階段，右肩與左髖制動，右髖加速。
2.5 若干最后用力階段技術運動學指標 在研究了最后用力階段技術人體及器械運動特征的基礎之上，對最后用力階段的技術要點進行探索。最后用力階段技術的運動學指標則定量化地反映了該技術動作的要點。表5中顯示了最后用力階段技術不同時段中所包含的運動學指標以及來自國家板球隊男子優秀投手的數據。這些指標的構建主要是依據質點系的動量守恒原理，即在不受外力作用下，質點系中動量只能是在各質點之間傳遞，總動量保持不變。在適當的理想化條件下，在最后用力階段技術中人體重心與板球之間，人體各環節運動之間存在一定程度上的動量傳遞。
表5 若干最后用力階段技術運動學指標（n5）
注：標有上升箭頭的全距表示相關指標上升變化；標有下降箭頭的全距表示相關指標下降變化。
3 分析與討論
學習任何技術動作，首先必須具有對該技術客觀的、合理的認知。掌握該技術過程中標志性時刻、時段以及人體與器械的運動特征，是客觀地認識該技術的主要途徑。本研究中將左腳著地與右腳離地作為兩個標志性時刻，并將最后用力階段技術劃分成右腳支撐、雙腳支撐與左腳支撐三個時段是比較合理的。首先，多數指標數值在左腳著地和右腳離地時刻開始急劇增加或降低，或者是在這兩個時刻中達到了最大值或最小值。其次，多數指標數值在右腳支撐、雙腳支撐與左腳支撐三個時段中成單調遞增或遞減變化。最后，這三個階段各自具有明顯的功能獨立性。在右腳支撐階段主要是為下肢的制動以及上肢按技術要求運動與加速做好準備；在雙腳支撐階段主要進行“下肢―上肢與軀干”能量的傳遞以及上肢與軀干的發力加速；在左腳支撐階段主要進行“上肢、軀干―球”的動量傳遞以及為出球后跟進做準備。
當將人體的運動簡化成一個質點的運動時，那么，最后用力階段技術就可以簡化為兩個相互聯系的質點系――板球與人體重心與地面的碰撞模型，即以相同速度運動的“板球―人體重心”質點系，當人體重心與地面相碰撞時，人體重心受到制動，同時板球脫離人體以比原先更快的速度向前飛行。從圖2～3中可以發現，在右腳支撐階段，人體重心與板球速度基本上處于穩定狀態，到雙腳支撐與左腳支撐階段時，人體重心速度不斷下降至最小值，同時板球速度不斷提高至最大值，這體現了在人體重心制動過程中其動量向板球的傳遞。人體重心制動前的速度越大，制動幅度越大，制動時間越短，越有利于板球速度的提高。右腳著地時人體重心的速度、左膝與右肩的制動時間對人體重心制動前的速度有較大的影響，在雙腳支撐與左腳支撐階段人體重心速度下降的幅度（全距）則反映了人體重心的制動幅度。
此外，追求板球較高的出手速度以及控制準確落地的出手角度是快速投球技術的主要目的所在，即使板球快速地擊打到22.86 cm寬與71.1 cm高的三門柱。表5中顯示，優秀男子投手的出手速度為23.1 m/s，出手角度為5.5°，重心初速度為4.6 m/s，下降幅度為1.02m/s。從中發現，只有22%人體重心初速度參與了動量的傳遞過程，板球出手后人體重心還具有78%的初速度，這可能跟板球投手后續任務有關。投手的任務不僅僅是投球得分，還需要參與接球得分，即如果投出球后球被對方擊打出來，投手要立刻準備去接住被擊打出來的近距離球。
Hanavan構建了人體的十五剛體模型，使對人體運動的研究進一步具體化，能將人體各環節的運動展現出來。從圖2、圖4以及表4的分析中可知，在最后用力階段技術中，先左膝與右肩制動，同時左肩加速至最大值；隨后，左肩制動；左髖與右肩加速至最大值；最后，左髖與右肩制動，板球加速至最大值，右髖加速至最大值；此外，這些關節運動在右腳著地時刻或左腳著地時刻或右腳離地時刻附近進行制動與加速的轉換。
在最后用力階段技術中，人體重心部分動量依靠人體各環節依次地制動與加速傳遞到板球上。在人體剛體模型中的動量傳遞從與地面接觸剛體制動開始，依次向相鄰的剛體傳遞，最后傳至板球上。在右腳支撐階段，左膝的積極制動為左腳著地時下肢制動做好準備；在雙腳著地階段下肢積極地制動，使軀干（主要是左髖的角速度迅速提高）與右臂（右肩的角速度迅速提高）加速至最大；在左腳支撐階段軀干與右臂積極地制動，使板球的速度迅速提高至最大。因此，人體各環節間運動協調的質量對動量傳遞有很大的影響。右肩與左髖在左腳支撐階段的最大角速度及其下降幅度反映了此動量傳遞過程的效果及效率。
此外，人體具有生物特性，可以通過肌肉收縮產生力矩使相應環節加速。在雙腳支撐階段有可能通過人體自身內力使軀干與右臂進一步加速，這有利于提高在右腳離地時軀干與右臂的角速度，從而提高動量傳遞的效果，此階段左髖與右肩角速度的提高幅度能從一個側面反映出此作用的程度。人體通過內力的作用使左肩在右腳支撐階段加速，在雙腳支撐階段制動，這在一定程度上能將其動量通過肩軸傳遞到右臂，使右臂能快速地啟動加速，因此，將左肩在接近左腳著地時最大角速度以及在雙腳支撐階段中角速度下降幅度作為最后用力階段技術運動學指標之一。在右腳支撐階段，右臂制動主要是為其在在雙腳支撐階段的加速以及直臂轉動做準備，其制動的時間對左腳著地時人體重心初速度持有一定的影響。在左腳支撐階段，右膝關節的加速則是為球出手后維持身體平衡以及后續的迅速移動做準備。
通過圖像和角度數據的逐幀分析認為，在右腳支撐階段左膝主要是制動伸展，右肩主要是制動后伸，左肩主要是加速后伸；在雙腳支撐階段，左肩主要是制動后伸，軀干與右肩主要是加速前伸，這使左、右髖以及右肩的角速度迅速提高；在左腳支撐階段，軀干與右肩主要是制動前伸，右大腿主要是加速前擺，這使左髖與右肩角速度在下降的同時右髖的角速度迅速提高。
4 結 論
1）以左腳著地與右腳離地作為兩個標志性時刻，將最后用力階段技術劃分成右腳支撐、雙腳支撐與左腳支撐三個時段是比較合理的。
2）在右腳支撐階段，人體重心與板球速度基本上處于穩定狀態；在雙腳支撐與左腳支撐階段，人體重心速度不斷下降至最小值，同時板球速度不斷提高至最大值。
3）在右腳支撐階段左膝制動伸展，右肩制動后伸，左肩加速后伸；在雙腳支撐階段，左肩制動后伸，軀干與右肩加速前伸；在左腳支撐階段，軀干與右肩制動前伸，右大腿加速前擺。
4）依據動量守恒定理以及碰撞原理，構建了若干個最后用力階段技術的運動學指標，反映了最后用力階段的技術要點。
5）制定了最后用力技術動作的運動生物力學觀察模型（圖5），其內容包括最后用力階段技術時段的劃分，不同時段中人體環節、重心以及板球的運動特點，以及不同時段中與技術要點相關的運動學指標。
參考文獻：
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