第二章 人体生物力学参数

第二章 人体生物力学参数(潘慧炬) 人体运动生物力学参数包括人体惯性参数、 运动学参数、 动力学参数以及生物学参数。

人体惯性参数是人体的基本物理参数之一, 在运动生物力学、 工效学及相关学科的研究中有 着重要的作用。

例如:人体运动技术影像分析;体操、技巧、跳水等动作的设计;战斗机弹 射座椅设计;伤残人假肢研制;宇宙飞船专用假人设计;汽车安全保护和检测;工厂厂房及 载人器械和设备的护栏设计等。

运动学参数、 动力学参数以及生物学参数则能描述人体运动 的基本特征,因此对上述参数的测量研究一直备受人们关注。

第一节 人体惯性参数 人体惯性参数是指人体整体及环节的质量、质心(重心)位置、转动惯量及转动半径。

一、 人体惯性参数特征 (一)人体惯性参数特征量 1. 质量 质量是物体含有物质的多少, 它是衡量物体平动惯性大小的物理量, 用以描述物体保持 原有运动状态的能力。

物体质量越大,保持原有运动状态的能力也越大。

反之,物体质量越 小,保持原有运动状态的能力也越小。

质量是物体的固有属性。

质量是恒量,不管在地球任 何地方,乃至于宇宙中,物体的质量始终一样。

质量是具有大小,但没有方向的标量。

人体各环节的质量叫做各环节的绝对质量, 各环节绝对质量与人体质量之比叫做各环节 相对质量。

2. 重量 重量包括人体总重量和人体环节重量。

人体环节的重量称为环节绝对重量, 环节绝对重 量与人体总重量之比叫做环节相对重量, 又称重量系数, 后者消去了人的体重对指标的影响。

重量与质量有对应关系,但随着重力加速度 g 的变化,这种对应关系也随之变化。

物体 的重量为 W,物体的质量为 m,重力加速度为 g,则质量与重量之间的关系为:W=mg。

质心是物质的质量中心,重心是物体各组成部分所受重力的合力作用点。

3.人体质心(重心) 人体总质心是指人体整体质量分布的加权平均位置。

人体重心是人体各环节所受地球引 力的合力作用点。

两者物理意义不同,但计算结果一致。

在解剖学姿位,人体总重心在垂直 轴上的位置是运动生物力学研究中的重要参数之一,也是表征运动员体型特点的指标之一。

可分别用绝对值和相对值来表示人体总重心的位置, 后者是前者与身高的比值, 消去了个体 间身高不同的影响。

绝对重心高度与身高有关,相对重心高度与人体的体型有关,具有项目 特征,可以作为运动选材的指标。

4.环节质心(重心)位置 人体环节质心(重心)在各环节中几乎都有一个固定的位置。

纵长环节的质心(重心) 大致位于纵轴上,靠近近侧端关节。

描述人体环节质心(重心)位置一般采用环节质心(重 心)半径系数的概念,即近侧端关节中心至环节质心(重心)的距离与环节长度的比值。

有 的资料也采用远侧端作为质心(重心)测量的起点,如郑秀媛(1998)的人体模型。

5. 转动惯量 物体平动时,其惯性的大小由质量来量度。

那么,当物体做转动时,其惯性的大小又由 什么来量度呢?这里我们引进转动惯量的概念,转动惯性是衡量物体(人体)转动惯性大小 的物理量。

设物体(人体)转动部分由 n 个微小质量⊿mi 构成,微小质量⊿mi 距转轴的距离分别为 ri。

则转动惯量 I 的定义式为: I   m r i 1 n 2 i i (1) 由(1)式可知,物体(人体)的转动惯量与物体(人体)的质量、质量分布和转轴位 置有关。

对于人体转动,整个人体或环节相对于某轴的转动惯量越大,则对该轴的转动惯性 也越大。

由于人体在完成某一转动动作过程中,身体质量相对恒定,所以人体的转动惯量由 人体的质量分布及转轴位置决定。

人体的质量分布与人体的身高和人体运动时的姿势紧密相 关。

因此,空翻类运动项目的运动员身高普遍较矮,例如体操运动员人矮小,I(转动惯量) 就小,容易转动。

空翻类动作难度的判定与运动员的动作姿势有关,直体难于屈体;屈体难 于团身。

由于转动轴的不同,转动惯量也不同。

例如链球对转动轴的转动半径大,I(转动 惯量)大,转动困难。

因此,在指出物体转动惯量时,必须指明是对哪一转动轴而言。

6. 回转半径(转动半径) 由于实际应用过程中, 很难了解物体中每一质点的质量及其到转动轴的距离, 通常都是 用物体的整体质量。

假设绕某转动轴转动的物体全部集中在离轴某一距离的一点上, 即用这 一点来代表整个物体的质量,这时它的转动惯量如果恰好与原物体相对此轴的转动惯量相 等,则称这个距离为回转半径(R) ,也叫转动半径,用公式表示为: I  m r i 1 n 2 i i  mR 2 I m R  (2) 如果知道了转动物体的转动惯量和质量,可用(2)式求得回转半径。

(二)人体惯性参数的标准化 人体惯性参数的测量是一项非常重要的基础性工作,但由于测量方法及样本的不同, 不同学者所报道的惯性参数之间差异较大。

采用不同的参数, 对研究结果会产生一定的影响。

在研究过程中几乎不可能做到也没有必要对每个研究对象进行活体惯性参数的测量,因此, 有必要对不同人群或国别的人体惯性参数有一个相对准确而又适应性较好的标准值。

我国已 于上世纪 90 年代公布了中国成年人人体质心标准。

在人体惯性参数测量时,人体环节的划分和人体环节关节点的判定是参数测量中的基 础性技术环节,也是决定不同参数系统之间是否具有可比性的依据。

人体环节包括头、躯干、四肢等。

由于这些环节在人体运动过程中相互间位置不断的调 整和改变, 这些调整和改变直接影响环节质心和人体质心的位置, 因此确定环节的划分方法 就显得十分重要。

目前,环节划分方法有两种:一种是以人体的结构功能为依据,分割环节的切面通过关 节转动中心,并以关节中心间的连线作为环节的长度;登普斯特(Dempster)于 1955 年曾 对环节长度做过如下规定:为在纵轴上连接相邻两个关节中心的直线之长,如是末端环节,

则是关节中心与环节质心之间的连线。

另一种是以人体体表骨性标志点作为划分环节的参考 标志,并以此确定环节长度。

前一种划分方法与人体结构功能相适应,在影片解析时更符合 运动规律,但在人体测量时不易准确确定划分点;而后一种划分方法尽管易于测量,但不如 前者能更好地满足运动生物力学研究的基本要求。

在影像解析中,需要根据受试者的性别、种族等实际情况来选择不同的人体惯性参数。

表 2-1 列出德国、日本、前苏联、美国及中国等 5 国学者专家的本国人体惯性参数所采 用的环节划分方法,以资比较。

德国的布拉温-费希尔数据、日本的松井秀治数据和美国的 国家技术情报服务处数据基本上采用的是以人体的结构功能为依据划分环节的方法, 而前苏 联的扎齐奥尔斯基数据和中国郑秀媛数据基本上是采用以人体体表骨性标志为依据来划分 环节的方法。

表 2-1 环节 头 德国 无详细交待 5 国专家采用人体环节划分方法的对比 日本 头顶-平齐耳屏 位 平齐耳屏位-胸 骨上缘 胸骨上缘-髋关 节连线中点 美国 头顶点-颈 颏交接点 无 前苏联 头顶-平齐第 七颈椎棘突 处 无 中国 头顶点-颈椎 点 颈 躯干 上躯干 中躯干 下躯干 无 肩关节连线中点髋关节连线中点 颈颏-耻骨 下缘 第七颈椎棘 突-胸骨下点 胸骨下点-脐 点 脐点-髂前点 颈椎点-胸剑 联合点 胸下点-髂棘 上点 髂棘上点-会 阴 肩峰与腋前桡骨头 桡骨头-桡骨 茎突 上臂 肩关节中心-肘关 节中心 肘关节中心-髋关 节中心 肩关节中心-肘 关节中心 肘关节中心-髋 关节中心 前臂 手 无详细交待 腕关节中心-掌 指关节中心 大腿 髋关节中心-膝关 节中心 膝关节中心-踝关 节中心 跟结节-足尖 髋关节中心-膝 关节中心 膝关节中心-踝 关节中心 踝关节-足跟 小腿 足 肩关节中 心-肘关节 中心 肘关节中 心-髋关节 中心 腕关节中 心-第一指 骨间关节 中心 髋关节中 心-膝关节 中心 膝关节中 心-踝关节 中心 跟后缘-趾 尖点 肩峰点-肱桡 点 肱桡点-茎突 点 茎突点-指点 桡骨茎突-中 指尖 髂前点-胫骨 上点 胫骨上点-胫 骨下点 胫骨下点-指 点 髂前上棘-胫 骨上点 胫骨下点-内 踝尖 内踝尖-足底

(三)人体惯性参数的特性 1. 人体重心位置 人体总重心位置是由各环节的重量及其在空间上的分布情况决定, 因此, 会随着人体局 部环节自身的生长发育、外部锻练等因素的不同而改变。

影响人体总重心位置的因素有 6 个: (1) 性别:由于男女之间在青春期发育情况的差异,从总体上来说,女子重心的相对高 度比男子低 0.5%~2%。

(2) 年龄:随着年龄的变化,重心的绝对高度与相对高度均会发生变化。

一般来讲,婴 儿重心的相对高度比成年人约高 10%~15%,随着年龄的增长相对重心高度会下降。

(3) 运动专项: 由于运动专项训练方式的不同, 会使某些运动员的局部环节质量及分布 发生改变。

运动专项不同对人体总重心的位置有所影响,滑冰、足球和短跑等下肢肌肉肥厚 运动员的相对重心位置较低,而体操、游泳、赛艇等上肢肌肉肥厚运动员的相对重心位置较 高。

(4) 体型:体型也是影响人体重心位置的因素之一,判 定体型的主要依据就是人体肌肉和骨骼的发达程度以及脂 肪积蓄程度,这些都影响了人体整体的质量分布。

(5) 姿势:人体姿势的改变对重心位置有重大影响。

当 环节向某方向运动时,身体重心随之向该方向移动,在某些 情况下,特别是当前屈或后仰时,身体总重心甚至移出体外 (图 2-1) 。

评价人体运动重心位置是很有用的,在各种运 动项目中,人体重心轨迹对运动动作的评价是非常关键的。

(6) 生理与心理:由于人体在变换姿势或心理紧张时, 内脏器官及其肌肉质量的位移、血液的重新分布等原因,使 得人体总重心的位置不会固定不变。

但是,这种变化是很小 的,一般不会超过身高的 1%。

2.人体转动惯量 图 2-1 人体合重心在体外 由于人体是多环节组成的系统, 人体转动惯量会随着各 环节的质量及其在空间分布情况和转轴位置的变化而变化。

虽然通常不考虑组成人体或环节的质量变化, 但由于人体的质量分布因呼吸、 血液循环等因 素影响随时都在变化,尤其是人体在运动过程中,受中枢神经的控制,经常需要根据体育动 作的目的性而改变身体姿势,人体局部环节远离或向转动轴集中。

因此,对人体某一姿势转 动惯量的计算和测量,只能说明某一瞬间的情况。

正因为人体转动惯量这种可变性,使人可 以根据不同的动作目的,调节身体姿势改变转动惯量,达到自我控制的目的。

利用人体转动惯量的可变性,可以通过变换转动轴或通过改变姿势来改变转动惯量, 以完成各种动作。

例如,跳水运动员在完成空翻动作过程中,从起跳、 团身、 打开身体入水, 身体对额状轴的转动惯量随身体姿势的改变而改变。

二、人体惯性参数模型 (一)人体惯性参数测量方法 人体惯性参数测量方法归纳起来主要分三类: 尸体测量法, 活体测量法,数学模型计算法。

1. 尸体测量法 2-2 悬挂法测环节质心

尸体研究是对尸体先肢解, 然后进行环节参数的测定。

测量方法采用称重和悬挂法 (图 2-2) 。

其价值在于以尸体实验为基础,建立活体环节参数的概念,但需要考虑到死组织与活 组织之间的差异性。

从哈雷斯(Harless,1860)肢解两具成年男尸以来,至二十世纪七十 年代,共解剖了近 50 具尸体。

其中有:布拉温和菲舍尔(Braune﹠Fisher,1889) 、丹普斯 特(Dempster,1955) 、毛里和山本(Mori﹠Yama,1959) 、克劳塞(Clauser,1969)等等。

大多数作者只测定了质量和环节质心位置,年龄以成年人为主,缺少女性材料。

由于不同研究者收集到的尸体数量均不多, 每个研究的样本至今没有超过 20 个的, 加 之切割技术的复杂性, 各研究者采用的具体方法不同, 因而所得到的结果在推广时必然会受 到限制。

2.活体研究 尸体研究有两个局限性: 样本小不能完全代表人体结构的巨大个体差异, 死组织与活组 织之间有差异性,这使人们的注意力越来越转向于活体研究。

活体研究的传统方法有:水浸 法、称重法、数学模型法等。

50 年代以后,各国学者对活体研究的兴趣和努力越来越大, 出现了放射性同位素法、CT 法、MRI(核磁共振)法等许多新的研究方法,在人体环节惯性 参数研究上取得了较大突破。

(1)水浸法 哈 里 斯 ( Harless , 1860 ) 丹 普 斯 特 、 (Dempster,1955) 康蒂尼(Contini,1972) 、 等曾利用水浸法进行活体环节惯性参数的研 究(图 2-3) 。

水浸法是根据阿基米德原理, 浸入水中环节的体积等于被排开水的体积, 然 后再与人体平均密度相乘得到环节质量。

水浸 法又分浸入法和注入法两种, 前者是将环节浸 入到已盛滿的容器中, 后者是将水注入到已放 有环节的容器中。

水浸法中,确定浸入水中的 各关节中心平面的标志是十分重要的。

水浸法 的优点是,进行活体测量设计比较简单易行, 所需要的费用也较少。

水浸法虽然可以得到各 图 2-3 水浸法活体环节惯性参数测量 环节的重量,但它的不足也较为明显,就是它 往往使用尸体材料的平均密度, 直接应用于活 体上有一定误差, 还有就是人体各个环节因受骨胳、 肌肉、 细胞间质等密度不同的物质影响, 并非具有相同比重; 另一方面, 由于大体积的人体各环节先浸入水中的会影响后浸入水中人 体环节的数据,因此,水浸法得到的环节惯性参数误差较大,精度不够。

(2)称重法(平衡板法) 称重法(平衡板法)有简 便易行和直接测量人体整体 和环节重量参数的优点,多年 D 来一直受到各国学者的关注。

其原理应用力矩平衡方程,测 量人体总重心位置(图 2-4) 。

1936 年伯恩斯坦、1963 年威 廉斯、1970 年康蒂尼等均对 图 2-4 平衡板重心测量 变换姿势称重法进行了尝试, 取得了较为重要的研究结果。

但是, 这种尝试中最重要的一个假设是必须事先知道环节重心坐标和环节相对重量中的某一 个参数。

温特(DavidA. Winter)也曾利用一维平衡板通过改变人体远端环节姿势来获取其 重量。

体育大学金季春教授、李世明博士(2003)用人体总重心圆原理,将环节(链)重 量矩测量与环节 (链) 重心半径测量相结合, 首次解决了平衡板实际测量人体运动环节重量、 重心半径的基础理论问题, 利用自制的两种平衡板分别实测了 9 名男性样本的头、 上肢链、 下肢链和小腿-足 7 个环节(链)的重量矩、重心半径,并计算了它们的重量及躯干、大 腿的重量参数;引入最优化理论计算了上、下躯干、上臂、前臂、手、小腿、足 12 个环节 的重量参数, 获得了一套细化人体模型环节重量参数。

为今后对特殊个体和青少年人体环节 重量、重心位置的测量开拓了一种安全可靠的方法。

(3)放射性同位素法(又称γ 射线扫描法) 前莫斯科体育学院的扎齐奥尔斯基(Zatsiorsky)和谢鲁杨诺夫(Seluyanov)于 1978 年用放射性同位素法 (又称γ 射线扫描法) 100 名男子和 15 名女子进行了人体环 对 节惯性参数的研究。

该方法的理论来自单能级γ 射线窄束通过人体环节后强度发生衰减的物 理定律, 利用铯-137 的γ 射线对受试者进行全身扫描, 测出γ 射线通过身体各部位后的通 量密度,并计算出各部位的面密度,进而计算出各环节的质量及质心位置等惯性参数。

放射 性同位素法在大样本统计活人的环节惯性参数方面是一个重大突破。

该方法具有诸多优点, 并且将躯干分为三段,实验样本量大,所得结果已为运动生物力学工作者广泛应用。

(4)CT 法 清华大学郑秀瑗教授等利用计算机 X 射线断层照相术(Computerized Tomography) , 简称 CT 法, 1988 年对 100 名受试者 于 (男女各 50 名) 进行了 3 厘米间隔的全身扫描。

各横截面图像用正胶片拍出,由于各种组织和器官密度不同,其吸收射线量也 不同,因而反映在胶片上的图像灰度也不同。

组织和器官越密吸收射线越多,其灰度越小, 反之则灰度越大。

利用 CT 图像上组织与器官 边缘的连续光滑曲线,采用在边缘上画点,以 三次样条逼近方法拟合出一条光滑连续的组 织与器官边界线, 然后对每一种组织赋予一种 灰度,并填充于上述画出的边界线内,再让计 算机识别并计算面积。

该方法所使用的各组织 和器官的密度是从 20 具经 10%福尔马林溶 液处理的固定尸体和 6 具新鲜尸体上选取 19 种人体组织和器官材料,用水浸法测出体 积,用天平称重,最后计算出每一种组织与器 官的平均密度。

这 19 种组织与器官分别是血 图 2-5 CT 法测量环节体积、质量 液、皮、皮下组织、横纹肌、肌腱、软骨、骨 干、 骨端或脊椎、 胸腹腔软组织、心肌、 全心、 平滑肌、胃肠、肺、肝、脾、胰、肾和脑。

通过从 CT 片上计算出的面积,乘以 3 厘米得 到体积,与不同组织密度相乘,可得到不同组织的重量(图 2-5) 。

根据尸体解剖法确定人 体各环节划分的分界点,得到每个环节的 CT 片数量。

通过计算可得到各环节的质量、相对 质量、质心相对位置等惯性参数。

此外,以体重和身高为自变量建立了各环节质量、质心位 置的二元回归方程, 以多个人体环节尺寸测量参数为自变量建立了各环节质量、 质心位置的 多元逐步回归方程。

应该说,CT 法是在人体环节惯性参数测量研究的方法学上的一次重大 突破,特别值得一提的是,利用该方法首次得到了大样本的中国成年人的环节惯性参数。

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