【讲义】第三章人体运动学.pdf

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1、页码： 1 第三章人体运动学人体运动学 是从几何学的角度来观察人体的运动规律与特征，即通过位置、 速度、加速度等物理量描述和研究人体位置随时间变化的规律，而不考虑导致人体或器械位置和运动状态改变的原因人体运动模型 可分为质点模型、刚体模型和多刚体模型三类质点模型： 即把人体看成一个具有一定质量，而忽略其大小形态的几何点。刚体模型： 即把人体看作一个不可变形的直杆刚体结构多刚体模型： 根据人体的自然环节的组合，把人体看作各环节不可变形的多刚体系统一、人体运动学的基本概念与理论（一）定标1.参考系与坐标系参考系： 描述物体运动时选作为参考的物体或物体群坐标系： 在参考系上标定的尺度，可分为一维、二

2、维、三维坐标系2. 时间参考系： 以时间为单位的一维数轴瞬时(t)：某个特定的时刻，为时间参考系上的一个点时间间隔 (?t)：两个瞬时之间的一段时间，为时间参考系上的一个区间（二）点运动的描述 质点运动学1.矢量法描述点的位置2.点的运动的直角坐标法OrM（1）点的运动方程（2）点的速度OrMMr ?r（3）点的加速度OMM（1）点的运动方程tzztyytxxi,j,k分别为沿三个坐标轴单位常矢量页码： 2 3.点做匀变速运动的基本运动方程4. 点的特殊运动形式（1）自由落体运动：如悬崖跳水运动（2）竖直下抛（3）竖直上抛（4）抛射体运动用一定的初速度使物体与水平方向成一角度斜向上方或下方抛出

3、的运动叫做斜抛物体的运动，又称抛射体运动（2）点的速度（3）点的加速度页码： 3 （5）点的圆周运动（二）体运动的描述 刚体运动学1.刚体的定义： 相互间距离始终保持不变的许多质点组成的连续体（运动过程中，刚体内任意两点距离始终保持不变）2.刚体的运动（平动、转动、复合运动）3.基本力学参量（1）角位移： 力学计算中常用弧度（ rad）作为角位移单位1 弧度角 =长度与半径相等的圆弧所对的圆心角（57 18）1 周（360 ）对应的弧度为2 （ 2 R/R= 2 ）（2）角速度和线速度线速度： 质点绕一点转动或一物体绕某轴转动时，质点或物体上各点的速度（3）角加速度二、人体运动的描述1.人体的

4、多刚体模型及人体棍图的绘制?1?2?1?2?角速度： 物体在单位时间内转过的角度角速度的单位： 弧度/ 秒角加速度切向加速度向心加速度与角速度之间的关系页码： 4 2.人体关节中心的确定名称定位肩关节中心将上臂上端（包括肩峰）按轮廓视为一球形几何体，其球心可近似的定义为肩关节转动中心肘关节中心正面：肘横纹中点侧面：肱骨下端内/外上髁后面：尺骨鹰嘴隆起高度中心腕关节中心尺骨茎突高度水平线中点或腕横纹中点手的中心伸开：掌心握拳：拳心髋关节中心正面：腹股沟中点附近侧面：大转子顶点膝关节中心正面：髌骨高度中点侧面：股骨内 /外上髁踝关节中心正/后面：腓骨外髁隆起至胫骨内髁下缘连线中点侧面：腓骨外髁隆起

5、或内髁下缘第二跖关节中心侧面观经常根据屈曲的跖趾关节来定位头的中心左右耳道连线的中点3.人体重心运动描述：参照人体平衡章节中人体重心定位部分4.人体运动的运动学特征空间特征： 仅反映运动在空间上面的一些特点，与时间的具体数值没有直接关系时间特征： 仅反映运动同时间的关系，并不涉及空间的概念时空特征： 人体（包括人体的某一部分）在空间位置随时间变化的快慢三、人体运动实验测量方法（一）直接测定技术1.角度计 2.加速度计（二）图像测量技术1.光学基本原理2.摄影测量 (录像) 1882 年，布里奇（ MuyBridge）使用按顺序排列的24 台照相机拍摄了马奔跑状态的连续照片，开创了用摄影法测量运

6、动学数据的新方法。20 世纪 80 年代采用高速电影摄影机进行实地拍摄，然后对影片进行数字化处理后，进一步作出分析，需要使用大量的胶片、器材消耗也比较大，从现场拍摄到结果分析整个过程时间较长。二十世纪90 年代以后，录像解析应用到人体生物力学中，并逐渐取代高速摄影，大量应用于运动学数据的采集。3.二维摄像方法平面定点定机摄影方法 : 将摄影机固定在三角架上，在摄影机的空间位置、摄距、机高、取景范围、焦距、光圈等按规定选用合适并固定不变的条件下，拍摄人体和物体的平面运动的测量方法。页码： 5 平面跟踪摄像方法： 把摄像机架在三角架或滑轨上，采用非固定连接方法， 摄像机可在三角架或滑轨上左右、上下

7、转动。拍摄时，摄像机的主光轴始终对准受测体，跟踪受测体的运动而活动。4.三维摄像是采用两台或多台摄像机， 从不同角度对同一研究对象进行同步拍摄，然后把两台或多台摄像机所拍摄的平面录像进行数字化， 并把二维像坐标转换成实际空间的三维坐标，计算有关的运动学参数。（需注意立体定标框架、同步问题）5.摄像测量方法的注意事项镜头与焦距、取景范围、拍摄距离、机高、放机位置、比例尺、坐标系与参考系、拍摄频率、影记（三）数字转换技术1.模数转换：把模拟信号转换为数字信号的过程称为模数转换2.影像数字化技术四、运动学原始数据处理（一）数据平滑人体生物力学研究中实验获得的原始数据，由于受设备的精确程度和环境因素的

8、影响，原始数据中必然会掺杂着噪声信号 误差。误差通过可以采用平滑处理的数学方法消除；平滑方法：低通数字滤波器（原理：让低频信号不衰减而通过滤波器，同时衰减高频噪声）。截止频率，对于二阶低通滤波器而言，通常选择5Hz10Hz 的截止频率。（二）数据分析对平滑后的原始数据进行数学运算，得到一些不能直接测定的变量。人体运动分析系统可产生的人体运动学序列参量有：人体各关节点的坐标、位移、速度；人体各环节纵轴与垂直轴或水平轴的夹角、角速度；人体各关节的角度、角速度；人体重心的坐标、位移、速度；其它派生的各种运动学数据。五、步态分析步行： 通过双脚的交互动作移行人体的活动步态： 人类不行的行为特征步态分析

9、：研究步行规律的检查方法， 只在通过生物力学手段， 揭示步态一场的关键环节和影响因素，从而知道康复评估和治疗，也有助于临床诊断、疗效评估、机制研究等页码： 6 步态分析的重要意义：1.取得正常人或病态人行走的各种生理和几何数据2.这些数据是分析人体各个部位特别是各关节受力状态的基本要素3.它是人工关节和假肢设计时不可缺少的依据4.是分析人体诸关节特别是髋、膝、踝关节病例机制的基础5.在人类学、体育运动学、宇航学的研究中也有一定参考价值6.可借以指导安装假肢者或下肢病康复期患者进行行走训练7.各种步态曲线图是对关节疾患的严重程度和治疗效果评定的较精确的客观指标8.促使有关步态研究工作、测试仪器、

10、记录手段和数据处理系统的发展、可推广应用到人体、动物的其他活动的研究工作中去（一）基础概念1. 步行周期（ gait cycle ） ：一侧下肢完成从足落地到再次落地的时间过程，根据下肢在步行的位置分为支撑相和摆动相。1)支撑相（ stance phase ） ：下肢接触地面并承受重力的时间，约占步行周期的60%。大部分时间为单足支撑a) 支撑相早期（ early stance ） ：进入支撑相开始阶段的时间，包括首次触地和承重反应，占步行周期的 10%20% 首次触地（ initial contact） ：足跟接触地面的瞬间，使下肢前向运动减速，落实足进入支撑相的位置承重反应（ loadin

11、g response ） ：首次触地之后重心由足跟向全足转移的过程地面反作用力 （ground reaction force GRF） ：一个由人体作用引起，由地面施加的反向作用力，其方向与人体作用力方向相反（A force exerted by the ground in response to the forces a body exerts on it）首次触地时的GRF 一般相当于体重和重力加速度的综合，正常步速时为体重的120%140% b) 支撑相中期（ mid stance ） ：支撑足全部着地，单足支撑全部重力，对侧足处于摆动阶段的是时期。正常步速时该期为步行周期的38%40%

12、 c) 支撑相末期（ terminal stance ） ：下肢主动加速蹬离（ push off）的时间，开始与足跟抬起，结束于足离地，为步行周期的10%12%，又称为摆动前期2)摆动相（ swing phase ） ：足离开地面向前迈步到再次落地的时间，占步行周期的40% a) 摆动相早期（ initial swing） ：足离开地面早期的活动，主要的动作为足廓清地面（ground clearance ）和屈髋带动屈膝，加速肢体向前摆动，占步行周期的13%15% b) 摆动相中期（ mid swing） ：指足在迈步中期的活动，占步行周期的10% c) 摆动相末期（ termina swin

13、g ） ：指迈步即将结束，足在落地之前的活动。主要动作是下肢前向运动减速，准备足着地的姿势，占步行周期的15% 2.步行的空间参数页码： 7 步长： 同侧足跟或足尖到迈步后足跟或足尖之间的距离，正常为150160cm 跨步长（步幅）：一侧足跟到对侧足跟之间的距离，正常为7583cm 步宽： 指人们行走时，两侧足内侧弓之间的距离，正常为510cm 步频（步速）：行走时每分钟迈出的步数，正常为95120步/分钟足偏角： 足中心与同侧步行直线之间的夹角3.步行的时空参数髋、膝、踝关节在行走中的角度变化，主要以步态周期中角度时间关系曲线为表征4.步行的运动学特征（1）骨盆及重心的特点：直线运动时人体重

14、心是身体摆动最小的部位，其摆动特点有：骨盆前后倾斜：摆动侧的髋关节前向速度高于支撑侧，造成骨盆前倾骨盆左右倾斜：摆动侧骨盆平面低于支持侧骨盆侧移：支撑相骨盆向支撑腿的方向侧移纵向摆动：重力中心在单支撑相最高，双支撑相最低。上下摆动810cm 膝关节支撑相早期屈曲：支撑侧膝关节屈曲15体重转移：支撑侧早期在跖屈肌的作用下体重由足跟转移到全足膝关节支撑相晚期屈曲：支撑侧膝关节屈曲30 40 步行时减少重心的摆动是降低能耗的关键（2）廓清机制廓清指步行摆动相下肢适当离开地面，以保证肢体向前行进， 包括摆动相早期 中期髋关节屈曲， 摆动相早期膝关节屈曲， 摆动相中期 后期踝关节背屈。 骨盆以其稳定性参

15、与廓清机制。支撑相的影响包括支撑中期踝跖屈控制（防止胫骨过分向前行进）、中期至末期膝关节伸展和末期足跟抬起（踝跖屈）5.步行的动力学特征（1）足地接触力（垂直、左右、前后） ：垂直反力（ ground reaction force ） 、剪力（ shear forces ）（2）踝关节力：约为5 倍于体重的力（3）人体重心加速度页码： 8 6.步行的肌肉活动特征肌肉步行周期腓肠肌肉支撑相中期至蹬离，首次触地臀大肌摆动相末期，首次触地至支撑相中期腘绳肌摆动相中期，首次触地至承重反应结束髂腰肌和股内收肌足离地至摆动相早期股四头肌摆动相末期，首次触地至支撑相中期足离地至承重反应结束胫前肌首次触地至承

16、重反应结束足离地至再次首次触地（二）影响步态的六大因素1.髋部旋转2.髋部侧面下降3.支撑阶段的膝关节弯曲4.踝关节的滚动运动5.下肢在平面的转动6.膝内收（三）临床步态分析理论1.分析内容（ 1）病史回顾（ 2）体格检查（ 3）步态观察步态内容观察要点步行周期时相是否合理、左右是否对称、行进是否稳定和流畅步行节律节奏是否匀称、速率是否合理、时相是否流畅疼痛是否干扰步行、部位、限制与程度与步行障碍的关系、发作时间与步行障碍的关系肩、臂塌陷或抬高、前后退缩、肩活动过度或不足躯干前屈或侧屈、扭转、摆动过度或不足骨盆前、后倾斜、左、右抬高、旋转或扭转膝关节摆动相是否可屈曲、支撑相是否可伸直、关节是否

17、稳定踝关节摆动相是否可屈曲和趾屈、是否足下垂、足内翻或足外翻、关节是否稳定足是否为足跟着地、是否为足趾离地、是否稳定足接触面足是否全部着地、两足间距是否合理、是否稳定页码： 9 2.诊断性治疗：为鉴别步态异常，而对靶肌肉诊断性局部注射麻醉剂，以鉴别动态畸形或静态畸形动态畸形： 肌肉痉挛或张力过高导致肌肉控制失衡，如关节活动受限。静态畸形： 骨骼畸形及关节或肌肉痉挛导致的关节活动受限。3.步态障碍的影响因素（临床角度） ：（1）骨关节因素（2）神经肌肉因素（四）实验室步态分析1.系统组成（1）硬件部分：步态分析仪、测力平板、动态体表肌电仪、气体代谢分析仪（2）软件部分：采集和分析软件、建模软件2

18、.具体流程（五）正常步态正常步态的特征：1.合理的步长、步宽、步频2.上身姿势稳定3.最佳能量消耗或最省力的步态正常步态的生理学特征：1.具备控制肌体向前运动的肌力或机械能2.可以在足触地时有效地吸收机械能，以减小撞击，并控制身体的向前进程3.支撑相有合理的肌力及髋、膝踝角度、以及充分的支撑面4.摆动相有足够的推进力、充分的下肢地面廓清和合理的足触地姿势控制（六）异常步态1.支撑相障碍：（1）支撑面异常： 足内翻、足外翻、单纯踝内翻、 踝内翻伴足内翻、 单纯踝外翻、 踝外翻伴足外翻、足趾屈曲、拇指背伸等（2）肢体不稳：由于肌力障碍或关节畸形导致支撑相踝过分背屈、膝关节屈曲或过伸、膝内翻、膝外翻、髋关节内收或屈曲等（3）躯干不稳：一般为髋膝踝关节异常导致的代偿性改变2.摆动相障碍：（1）肢体廓清障碍、垂足、膝僵硬、髋关节屈曲受限、髋关节内收受限（2）肢体进行障碍、膝僵硬、髋关节屈曲受限或对侧髋关节后伸受限、髋关节内收页码： 10 3.下肢骨折后可能出现的错误步态（1）急促步态（2）倾斜步态（3）回旋步态（4）硬膝步态4.外周神经损伤导致的异常步态：（1）臀大肌步态（2）臀中肌步态（3）屈髋肌无力步态（4）股四头肌无力步态（5）踝背屈肌无力步态（6）腓肠肌 /比目鱼肌无力状态5.中枢神经疾病常见的异常步态（1）偏瘫步态（2）瘫痪（3）脑瘫（4）帕金森步态