人体膝关节生物力学模型研究

大连理工大学

硕士学位论文

人体膝关节生物力学模型研究

姓名：孙永森

申请学位级别：硕士

专业：一般力学与力学基础指导教师：齐朝晖

20060601

大连理工大学硕士学位论文

３人体肌肉生物力学模型

肌肉是构成动物体的主要组织，根据构造不同分为平滑肌、心肌和骨骼肌【旧，如图３．１．３。平滑肌主要分布在内脏的中空器官及血管壁，舒缩缓慢而持久；心肌是构成心壁的主要部分：骨骼肌主要存在于躯干和四肢，收缩迅速而有力，但易疲劳。

图３．１平滑肌

Ｆｉ宙．１Ｐ１ａｉｎｍｕｓｃｌｃ图３．２心肌

Ｆｊ醇．２ｃ口ｄｊａｃ

图３３骨骼肌

Ｆｉｇ３．３ｓｋｅｌｅｔａｌｍｕｓｃｌｅ

心肌和平滑肌受内脏神经调节，不直接受意识的管理，属于不随意肌；骨髂肌受躯体神经支配，直接受人的意识支配，其主要功能是当受到来自神经的刺激时产生收缩，进而引起动物体内外的各种运动，控制膝关节运动的肌肉是属于骨骼肌。骨骼肌是体内最多的组织，约占体重的４０％，躯体的各种运动和呼吸动作均由骨骼肌的收缩来完成。肌肉的功能和力学特性是人体和器械运动的基础，肌肉模型是任何肌骨骼系统（１ｎｕｓｃｕｌｏｓｋｃｌｅｔａｌｓｙｓｔ锄）仿真的基本要素。骨骼肌的本构模型在肌肉分析中有十分重要的作用。

本文通过对已有的各种肌肉模型的分析，建立新的表达式。先介绍一下各种模型的本构关系。

３．１人体骨骼肌的本构关系

骨骼肌收缩是关节动力来源，骨骼肌力的变化直接影响人动作的执行，简要介绍骨

骼肌的本构模型。其代表模型有三种，分别是Ｈｉｌｌ模型、Ｈｕ）【ｌｃｙ模型和流变学模型。

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后交叉韧带韵奴韧带

图４．３膝关节内部

Ｆｉｇ．４．３ｉｎｎｅｒｋ１１ｅｅｊｏｉｎｔ

膝部肌肉

图４．４膝关节肌肉

Ｆｉｇ４．４ｋｎｅｅｊｏｉｍｍｕｓｃｌｅ

位骨

骨酪肌

胫骨

膝关节外侧有外侧副韧带，起于股骨外上髁，止于腓骨小头，呈圆索状，纤维与关节囊之间被脂肪组织隔开。侧副韧带的主要功能是加强关节侧方的稳定性。屈膝时韧带松弛，伸膝时韧带拉紧，有限制小腿旋转的作用，关节囊内有前后交叉韧带和内外侧半月板。交叉韧带使股骨和胫骨紧密相连，限制胫骨向前、向后移位。半月板外缘厚，与关节囊相连，内缘薄，游离于关节腔内。半月板能起到弹性垫的作用，可加深关节窝的凹度，改善关节面形状。使股骨和胫骨关节面更加适应，增强关节的稳定性，并防止关节面的软骨受损。膝关节处韧带的主要作用是使膝关节处连接牢固，同时起到缓冲带的作用。

在入运动过程中，入的肌肉力的方向与相应的骨骼保持微小的变化，因此在简化肌肉时肌肉力的方向与骨骼的姿态保持不变。如图４．５所示。

在图中左图是以前的肌肉简化方法，只是将肌肉简化为弹簧，弹簧力的方向与骨骼的夹角岛、岛随关节角度的变化，在右图中，将肌肉简化为两个力，力的大小相等，肌肉力与骨骼的夹角岛、∞是保持不变的。

膝关节肌肉的作用各不相同，每根肌肉有自己的作用，和附着点，见表４．１