人体环节惯性参数是建立人体模型进行人体运动技术影像解析的基础

人体环节惯性参数是建立人体模型､进行人体运动技术影像解析的基础数据,其准确程度直接影响影像解析结果的精度,因而,对人体环节惯性参数的测量研究一直是运动生物力学的一个重大的基础性课题,同时也是工效学､人类学及人体科学研究的重要组成部分,具有重要的学术价值和应用背景｡从德国Braune-Fischer的尸体解剖法到中国学者郑秀瑗等的CT活体测量法,对人体环节惯性参数的测量研究已历经一百多年｡目前,人体环节惯性参数的应用已经非常广泛,对它的应用现状进行综合､分析有利于了解过去､认清现在､把握未来,因为一个事物的应用状况在很大程度上决定了它的发展前景｡我们对人体环节惯性参数的应用现状进行分析,目的就是为了认清研究的不足,探索发展的方向,促进学科的进步｡
1 人体模型的建立建立人体模型是进行人体运动分析的首要环节,不同学者提供了不同的人体模型｡我们在应用人体环节惯性参数时,首先就要掌握不同人体模型的特点,认清不同人体模型之间的区别｡如果人体模型应用不当,就会引入不必要的误差,降低研究结果的精度｡人体模型的区别主要体现在环节数量､环节形状和环节划分方法3个方面｡
1.1 环节数量人体是一个多体系统,为了研究问题方便,一般把人体视为多刚体系统｡不同的资料所提供的人体模型是不同的,区别大致在头､颈和躯干的划分以及各环节的形状假定｡1889年德国学者Braune和Fis cher(布拉温-菲舍尔)提供了14个环节人体模型的人体惯性参数,即头､躯干､上臂､前臂､手､大腿､小腿和足(四肢的环节各有左､右两个,下同)｡1958年日本生物力学专家松井秀治提出了15个环节的人体模型,在Braune-Fischer模型的基础上又增加了颈环节｡美国的Hanavan(1964)也提出了15环节的人体模型,但与松井秀治模型不同,而是在Braune-Fischer模型的基础上把躯干分为上躯干和下躯干两部分｡1975年美国国家技术情报服务处(Chan dler,1975)发表了一份题为“人体惯性性质的研究”的研究报告｡该项研究是由宇宙医学研究实验室､美国空军等多家单位协同完成的｡它提供的人体模型为14个环节模型,环节的名称与Braune-Fischer模型相同｡前苏联生物力学专家Zatsiorsky(1975,现在美国宾州大学人体运动系执教)､Seluyanov(1978)分别解决了直接对活体测定人体环节惯性参数的问题,并提供了16个环节的人体模型,在Braune-Fis cher模型的基础上把躯干分为上躯干､中躯干和下躯干3部分｡Hatze(1980)提出了17个环节的非对称模型[1-3]｡Yeadow(1989)提出了一个由40个环节组成的人体数学模型[4]｡1998年中国正式颁布了郑秀瑗等制定的中国成年人人体质心国家标准(国家技术监督局,GB/T17245-1998),提供了15个环节人体模型,即头颈､上躯干､下躯干､大腿､小腿､足､上臂､前臂和手｡该模型还可以根据实际需要进行修改,即把上躯干､下躯干合成为躯干的14个环节人体模型和把下躯干进一步分解为中躯干和下躯干的16个环节人体模型,使所提供的人体模型适应性更强｡
1.2 环节形状一般地,人体模型的各个环节均被假设为规则的几何形体｡Hanavan(1964)模型环节的几何形体分别为椭球､椭圆柱､圆锥台等｡Jensen(1978)把人体假设为由一系列椭圆盘组成的模型｡Apkarian(1989)把整个肢体简化为截圆锥｡Yeadow(1989)把人体躯干､手和足的横切面形状看成田径场状,这样的横切面更接近于人体躯干的横切面,有利于减少数学模型带来的误差｡另外,头(除头盖外)､手臂(除手外)和腿(除足外)的形状是锥台,头盖的形状是半椭球体,Yeadon人体数学模型环节形状共计3种｡郑秀瑗模型采用实测的各环节回转半径来判断人体环节的几何形状,使其更符合实际｡因男性除上躯干外其它环节对以形心为坐标原点的额状轴与矢状轴的转动惯量及回转半径没有显著性差异,所以在设计大部分环节模型的形状时,采用截圆锥形,而头可视为椭球｡同时指出男性上躯干最好设计为椭圆截锥｡女性的全部躯干均呈椭圆截锥
形,其它环节与男性相同｡这与中国青年胸大肌和背阔肌不发达有关,女性更甚之,这就是不同民族具有不同体态特征的缘故(郑秀瑗,1998)｡
1.3 环节划分方法概括起来,目前划分人体环节的方法大约有两种: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｡Dempster(1955)曾对环节长度作过如下规定:环节长度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直线｡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,在影像解析时更符合运动规律,可减少测量误差,但在人体测量时不易准确确定划分点;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｡Hinrichs(1990)为了便于使用而对他的数据按比例进行了调整,在对躯干､上臂､前臂､大腿和小腿调整后的数据中以躯干变化最大｡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｡如前所述,由于不同作者提供的人体惯性参数所采用的环节划分方法并不相同,因而,在使用时了解各种参数的环节划分方法是非常必要的｡德国的Braune-Fischer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Zatsiorsky数据和中国的郑秀瑗数据基本上是采用的是以人体体表骨性标志点为依据来划分环节的方法｡
2 人体环节惯性参数应用的一般原则随着影像拍摄与解析技术的快速发展,运动生物力学工作者在长期的应用过程中逐渐形成了应用人体环节惯性参数的一般原则｡但是,由于影像解析软件,特别是国外进口解析软件在人体模型设定上的原因,致使有些研究没能很好地贯彻以下这些原则｡
2.1 区分性别自1860年德国的Harless采用尸体测量法解剖了2具男性尸体,在很长一段时间里人体环节参数测量研究所提供的数据均为男性,直到1958年日本的松井秀治才在研究男性数据的同时,首次提供了女性人体环节参数,后来的基德森､Zatsiorsky和郑秀瑗等也均提供了女性数据｡在应用人体环节惯性参数的时候,应当尽量区分性别,因为性别不同,人体的形态结构以及各环节的密度均有较大差异,不利于后续计算精度的提高｡提供男性转动惯量数据的有Fischer(1例)､Dempster(8例)､Contini(42例)､Zatsiorsky(100例)和郑秀瑗(50例),而提供女性人体环节转动惯量的数据只有Zatsiorsky(16例)和郑秀瑗(50例)｡
2.2 区分民族目前,德国､日本､美国､前苏联和中国等国家都已有了自己本国国民的人体环节惯性参数数据,因而,在选用时应当尽可能考虑采用更为适用的本国参数以提高精度｡在中国郑秀瑗提供的CT法测量人体环节惯性参数之前,国内一直沿用外国研究的参数｡吕维加(1990)[10]曾对德国的Braune-Fischer数据､日本的松井秀治数据､前苏联的Zatsiorsky数据､美国的Clauser和Chandler五种国外人体惯性参数进行了实测研究,证实Zatsiorsky数据较适合中国的情况｡当中国人有了自己的人体环节惯性参数后,毛松华等(1999)[11]同样把Zatsiorsky数据与郑秀瑗数据进行了实测对比研究,结果显示后者比前者更加适合于中国男青年｡
2.3 区分统计模型根据前述的讨论,不同的测量数据由于样本含量､测量方法等方面的原因采用了不同的提供数据的方式,概括起来主要有以下四种:(1)相对重量和重心位置的平均值,如Braune-Fischer数据和松井秀治数据;(2)以体重为自变量的一元回归方程,如Barter和Chandler数据;(3)以身高和体重为自变量的二元回归方程,如Zatsiorsky数据和郑秀瑗数据;(4)以多个体态参数为自变量的多元回归方程,如Zatsiorsky数据和郑秀瑗数据｡在使用时应对这些统计模型加以区分｡各国专家学者在提供这些统计模型时,由简而繁的目的是要尽可能地考虑到影响各环节惯性参数的各种
因素,使得到的结果更加符合实际情况｡而在实际运用中,由于第三种统计模型操作简单､容易实施,因而得到广泛地应用;而以多个体态参数为自变量的多元回归方程则需要测量大量的体态参数,操作复杂､不易实施,尽管在理论上可以提高计算精度,但在实际操作中很少采用｡
2.4 区分环节划分方法不同作者所提供的数据对人体环节的划分方法不完全相同,
因此,在使用人体环节参数时,应同时注意其环节划分方法,不能张冠李戴,引入不必要的误差源｡
2.5 区分环节划分数量如前所述,不同的人体模型划分的环节数量不尽相同,在应
用时应根据实际需要注意区分环节划分的数量,实践中遇到较多的主要是对躯干的划分数量｡在一些躯干无弯曲的研究中,可以采用把整个躯干作为一个环节的人体模型,而当躯干的弯曲不
能忽略时,如撑杆跳高项目的空中阶段,就需要采用把躯干划分为几个环节的人体模型,如郑秀瑗人体模型等｡
3 人体环节惯性参数应用的现状在应用人体环节惯性参数的过程中,大部分需要环节参数的合成,这主要取决于在实际问题中人体模型是如何建立的｡一般来说,由于研究重点､目的和性质等的不同,所建立的人体整体或部分的模型不完全相同｡而且,解决各种模型所采用的数学手段也多种多样,除了常规的Lagrange法､Huston法､Kane法､R/W法等,Aleshinsky 还论述了从机械能消耗的角度来探讨问题的方案｡
以人体整体为研究对象,Hemami在研究人体的步行运动时,建立了人体平面倒摆模型以探讨步行运动的力学机理｡该模型分两部分,即以长度可伸缩的轻质杆表示人体腿部和以刚体表示人体其余部分｡Hemami和Farnsworth(1977)在研究姿势平衡问题时建立了5个环节模型｡朱昌义在研究单杠上人体摆动时也建立了5个环节的人体模型,分别包括双臂(包括手)､上躯干(包括头､颈)､下躯干､大腿和小腿(包括足)｡郑秀瑗等在进行跳远动力学仿真研究时,把人体简化成6个环节的人体模型,即把头､躯干和上肢视为一个刚体,其它刚体为左､右大腿,左､右小腿及支撑腿的足｡Onyshko和Winter(1980)在研究正常步行周期时采用了7环节模型｡Dapena(1981)､洪嘉振在进行跳高研究时,则直接采用了Hanavan的15个刚体人体模型｡Hatze(1981)在研究跳远起跳时建立了17个环节模型,并且假设为一个神经-肌肉-骨骼系统｡Marshall､Jensen和Wood(1985)还探讨了多个环节开放链模型的通用牛顿法模拟问题｡以人体部分环节为研究对象,Cappozzo(1975),Stanic(1977),Wahrenberg(1978)和Andriachi(1980)等都曾建立过人体下肢的力学模型,但这些模型都是在矢状面内建立的,无法解决大腿相对于骨盆的旋转问题｡因此Crowninshield(1978)在步态研究中建立了髋的三维模型,Grood(1983)建立了膝关节的三维模型来解决旋转问题｡Apkarian(1989)利用牛顿-欧拉方程建立了整个下肢的三维力学模型,包括骨盆､大腿､小腿和足4个环节｡贾书惠等在研究飞机弹射救生中上肢甩打运动规律时,建立了上臂､前臂和手3个部分的模型,并进行了必要的约定和简化｡上述仅为部分人体运动研究中人体模型的应用实例,但说明了人体模型在具体研究中的多样性,同时要求我们能直接提供尽可能多的人体环节合成参数,以减少误差的引入几率｡
4 人体环节惯性参数应用的不足近一百多年来,从尸体解剖发展到活体测量,国内
外专家学者对人体环节惯性参数的测量研究做出了不懈地努力,进行了大胆地探索,先后曾出现过浸水法､摄影测量法､变换姿势称重法､突然释放法､机械振动法､γ射线扫描法､CT法等多种活体测量方法,促进了人体环节测量研究的不断进步｡可以说,对人体环节参数测量研究的发展史就是一个不断探索更好的测量方法并向人体环节惯性参数个体化测量方向发展的过程｡然而,从目前的研究现状来看,人体环节惯性参数模型还多为
对称型,且数据多来源于对正常成年人的测量,不适于特殊群体｡精度高的人体环节参数模型均采用了带有放射性的射线法(Zatsiorsky等采用γ射线扫描法,郑秀瑗等采用CT 法),难以应用于对少年儿童的环节参数研究｡事实上,人体的形态结构和质量分布特征的确具有鲜明的个体性,尤其是特殊群体个性特征更加明显,譬如运动员群体,不同竞技项目的运动员形体差异很大,某些项目运动员由于项目特点在长期的系统训练中还会产生人体优势侧特征显著的现象｡因而,不论采用何种形式的人体环节惯性参数进行影像解析都无疑会在很大程度上抹杀受试者的个体特征｡由此看来,提供对于受试者来说更加个性化的人体环节惯性参数是人体运动分析精化与细化的首要条件｡
当前人体运动环节惯性参数的测量应用中还普遍存在着以下不足,有待提高,以使所提供的人体运动环节惯性参数更加符合每位个体运动的实际情况｡
(1)忽视了特殊人群的群体特征｡即便是活体测量目前所提供的人体环节参数也仅限于正常人群体,不足以体现特殊人群的特殊性｡
(2)忽视了人体质量分布的个体特征｡参与人体环节参数计算的有关重量的指标仅有体重这一个变量,未体现个体质量分布的特点｡
(3)忽视了人体左右侧发展的不平衡性｡现有人体模型绝大部分是对称性人体模型,尤其对于运动员群体,某些项目的运动员优势侧特征明显,在有些情况下不应把人体视为左右对称｡
(4)忽视了人体环节运动过程的实际情况｡仅以一个几何概念———关节中心为界来划分人体环节而进行的参数测试,不能描述运动中的环节总体｡
(5)忽视了人体环节､环节链二者的相对性｡相对性概念的引入可减少误差源,以更精确的参数来满足实际需要｡
5 人体环节惯性参数的研究趋向目前,人体环节惯性参数的应用还存在着许多的不足,亟待进一步的研究｡目前有两种研究趋向:一是探索更好的现代化测量技术扩大样本进行测量,通过回归方程以实现更为个体化的计算｡譬如磁共振成像法MRI(MagneticResonanceImaging),它是一种新颖且发展很快的技术,在成像能力方面与CT相似,但在对各种软组织成像的对比上要优于CT(Brady,1982;Moon,1983;Mungiole,1990),并且,像CT一样没有皮质骨的假像｡MRI成像时没有放射线,这一点上也优于CT法和γ射线扫描法,尽管这两种方法的放射线水平均不高｡两种方法的放射线水平均不高｡目前已有科研单位正在探索把MRI这一新技术应用于人体环节惯性参数的测量研究｡另一种趋向是对受试者的人体环节惯性参数进行直接测量而并非通过回归方程进行计算,这是一种还本归原的个体化测量方法,目前,R-I､R-II型互补平衡板测量系统的开发研制使这一研究趋向取得了重大的进展｡。