【人体下肢生物力特性分析2500字】

导论人体下肢生物力特性分析目录TOC\o"1-3"\h\u19822人体下肢生物力特性分析 1154381.1人体下肢结构组成 1148401.2下肢生物力特性 21.1人体下肢结构组成在医学中，为了便于用术语描述人的运动，人体运动空间坐标可以分为矢状面、冠状面和水平面，三者定义如下：通过人体或者其他物体的沿横纵轴的平面，即正中矢状面及与其平行的所有平面都称为矢状面（sagittalplane），这些平面把人体分为左右两部分；通过铅垂轴与横轴的平面及与其平行的所有平面都称为冠状面（coronalplane），这些平面将人体分成前、后两个部分；横切面，又称水平面，是指与人体或器官的长轴垂直的切面，该切面将人体横切为上、下两部分，此切面与地平面平行，故又称水平面（horizontalplane）REF_Ref2516\r\h[2]。如图1所示。图1人体运动空间的三个基准面人体下肢关节主要包括髋关节、膝关节、踝关节以及躯干倾角。髋关节有三个自由度。膝关节在冠状面上向内外收缩，当膝关节完全伸展时，胫骨髁间隆起与股骨髁间窝锁定，外侧副韧带拉紧，除屈伸外，胫股关节不能进行任何其他运动。当膝关节弯曲时，股骨后髁进入关节窝，锁定因子被移除，外侧副韧带松弛，股骨-胫骨关节可绕垂直轴轻微旋转。当膝关节运动时，当膝关节向后弯曲时，当膝关节向前伸展时，当腿旋转时，半月板随着股骨髁移动，一侧向前滑动，另一侧向后滑动。当膝关节运动时，半月板向后移动，当膝盖弯曲时，当膝盖伸展时。当腿旋转时，半月板随着股骨髁移动，一侧向前滑动，另一侧向后滑动。当膝关节屈曲，半月板向后移动时，股骨髁大弯后部与肥大的半月板外缘相接触。膝关节只有一个主动自由度：在矢状面上作使膝关节角度变小的屈伸运动，及让膝关节角度变小的伸展运动REF_Ref2470\r\h[3]。踝关节和髋关节一样有三个自由度，足底屈曲使得踝关节在矢状面上的角度更大，背屈使得踝关节在矢状面上的角度更大，在矢状面向内转。1.2下肢生物力特性1.1.1髋关节髋关节是人体下肢结构最重要关节之一，承担了上半身的重力和下肢运动时产生的反作用力，能够保持人体躯干活动的稳定和灵活。髋关节的力学研究以解剖学为基础，结合力学原理解释生物力学机制，分析不同体态下髋关节的力学变化。关节面处受到的力可大致分为四个类型压应力、张应力、剪应力和弯曲应力。髋关节可以在人体中的力学性能中发挥优势，主要是以下几点原因：（1）髋关节有多个自由度的活动范围使人体具有充分的灵活性，韧带等软组织附着在髋关节周围使其有足够的稳定性，髋关节将骨盆与下肢相连，使人体保持平衡。（2）骨骼中的骨小梁呈网状结构，使得髋关节骨骼在减轻自身重量的同时能达到足够的强度，有效提高髋骨的承重限度。（3）股骨的上端有多个凹陷和弯角，这些凹陷和弯角的作用是协调分散应力从而防止骨折现象的发生。髋关节的最重要的作用是承担人体躯干的重量和传导应力，其灵活的杠杆结构将躯干的压力轻松的传导至下半身，同时具有稳定性，在不产生过度震荡的情况下可以完成多个自由度的运动。正常情况下，各个方向的力使髋关节达到一个稳定状态，应力沿脊柱下端的骶骨—骶髂关节—坐骨大切迹传递到两侧髋臼，外部载荷越大，髋臼所受的应力也会越大。不同体位时，髋关节的受力方式和压力大小均不相同，正常状态下髋关节受到的力常常远大于人体的重量。平静时双足对称站立，双髋大约承受了人体上半身的体重，最大应力值集中在髋臼后壁上方区域，主要受重力和躯干的压力，后壁下方区域和前壁受力较小；根据力学计算，当一条腿受力时，髋关节受到的压力相比原来加倍，臀部的压力随着臀部和重心的距离增加而增加。在运动状态下，髋关节的受力情况相较静止状态时更加复杂，运动速度的改变作用到髋关节上，会使关节承受的压力值上升大约二分之一倍。正常行走时，由于人体的重心会发生变化，重力对髋关节的影响相当于扭矩，周围肌肉及韧带等软组织协同作用，传导并分散压力，以维持关节的稳定和人体的正常活动，施加到髋关节上的力量是人体自身重量的几倍之多。掌握髋关节的力学特性和作用机制对骨骼临床研究具有重要的意义。临床上所说的骨折，也就是骨在功能和结构上出现损伤，通常发生在髋部受到超过骨骼所能承受的上限的力的区域，骨折一般会发生在应力最大的部位上。1.1.2膝关节膝关节的负荷随人体的运动和步态方式有很大的变化，假设人体双脚站立，膝关节所受应力大约为人体质量的一半，行走时承受压力可达体质量的三倍，上楼时甚至达到4倍多。在膝关节，弯曲常伴有一个微小而显著的转动，但是因为来自关节周围强有力的滑囊、韧带和肌的作用，它又有特殊的稳定性。膝关节处的肌肉与韧带只在紧张状态下运作，主动支持膝关节起作用。膝关节周围的骨支持膝盖运动并且承受对抗外界压力载荷。因此，膝关节的功能稳定性来源于韧带的被动收缩、关节的几何形状、肌肉的主动力和骨骼的承重功能。膝关节力量能够稳定传递是由于半月板和关节软骨的维持，膝关节周围的软组织包括前后交叉韧带、内外侧副韧带以及周围的关节囊。后交叉韧带的作用是防止胫骨相对于股骨来回移动。1.1.3踝关节踝关节帮助人体进行弹跳运动，在弹跳过程中起到缓冲减震作用REF_Ref2209\r\h[4]。在正常步态中，踝关节的反应等于或大于髋关节和膝关节的反应，但由于踝关节承重面积大，通过踝关节传递的单位面积应力低于髋关节或膝关节。踝关节力在起跳和蹬地中起着重要作用。踝关节的力量直接影响跳高的质量:如在跳高中，踝关节力量较强时，身体重心的初始高度可以及时充分地提高，直接影响跳高后的姿势和效果。在伸展和缓冲的过程中，踝关节的运动是由小腿三头肌的关键弹性变形和恢复。它通过肌肉紧张变形储存能量在制动阶段之前，身体被提升到空气中。踝关节正常活动范围为背屈10度-20度，趾屈40度-55度，踝关节平均活动范围为屈曲24度，背屈24度，正常行走平均活动范围为背屈10.2度，屈曲14.2度，胫骨总活动范围为25度，颈部上部与远关节距骨前缘接触,关节囊后部拉紧，韧带和肌肉拉紧，防止踝关节进一步背屈，距骨后结节逐渐接触后唇，防止跖关节内踝关节过度屈曲。踝关节的外侧稳定性由距骨体嵌入踝关节控制，副韧带位于踝关节侧面，踝关节由三节骨组成，是由胫腓关节、胫距关节和胫距关节组成的复合关节。踝关节为铰链关节，内侧韧带、距腓前后韧带和距腓韧带吻合良好。除了肌肉之外，肌腱和韧带也是踝关节运动的重要组成部分，韧带主要有三类:（1）外侧韧带、前韧带、咖啡韧带和距