运动学与关节生物力学

运动学描述身体节段和关节如何运动——它们的位置、位移、速度和旋转轴——而关节生物力学分析产生和抵抗这种运动的力和力矩。它们共同量化了肌肉骨骼系统如何将肌肉的努力转化为受控的、承重的运动。

Definition

运动学是对运动的描述——节段和关节的位移、速度和加速度——不涉及所涉及的力；关节生物力学将其扩展到动力学，即分析产生和抵抗关节运动的力、力矩和肌肉作用。

Scope

本主题涵盖关节运动的描述（自由度、平面和轴、运动范围）、关节力和力矩的分析（动力学），以及肌肉、肌腱和关节几何形状如何结合产生运动，包括用于估计无法直接测量的量的计算模型。它是一个方法论和分析参考，而非临床指导。

Core questions

• 如何根据自由度、平面和轴来描述关节和节段运动？
• 如何从运动和外部载荷推断关节力和力矩？
• 肌肉力、力臂和关节几何形状如何结合产生运动？
• 计算肌肉骨骼模型如何用于估计内部力学？

Key concepts

• 自由度和关节轴
• 运动平面和运动范围
• 力臂和关节扭矩
• 运动学与动力学
• 逆动力学和正动力学
• 肌肉骨骼建模与仿真

Key theories

希尔型肌肉肌腱建模

生物力学分析中的肌肉力产生通常由希尔型模型表示，其中具有力-长度和力-速度特性的收缩元件与弹性肌腱串联作用，从而能够模拟肌肉如何驱动关节运动。

逆动力学和正动力学

关节动力学可以通过逆动力学（计算产生观察到的运动所需的净关节力矩）或正动力学（从假设的肌肉力预测运动）进行分析，为运动和导致运动的力之间提供了互补的途径。

Mechanisms

关节运动由关节可以独立运动的方式数量（自由度）以及其旋转的平面和轴来描述，运动范围受关节几何形状和软组织限制。驱动运动的力来自肌肉，其对关节的影响取决于它们产生的力和力臂——从作用线到关节轴的垂直距离——因此关节扭矩是肌肉力和力臂在所有肌肉上的乘积之和。由于活体受试者体内的肌肉和关节接触力无法直接测量，生物力学家使用逆动力学从测量的运动和外力计算净关节力矩，并使用带有希尔型执行器的肌肉骨骼模型通过模拟估计单个肌肉的贡献。

Clinical relevance

运动学和动力学分析是骨科理解正常和改变的关节功能、重建手术的原理以及损伤或手术后运动评估的基础。本主题描述了如何测量和建模运动和关节负荷，并非为任何个体提供治疗或康复处方。

Evidence & guidelines

关节运动学和生物力学分析以力学为基础，并通过实验和计算研究进行验证；标准方法在生物力学教科书和广泛使用的开源建模框架中得到整合，而非在临床指南中。

History

人体运动的定量研究起源于早期的运动摄影和刚体力学在骨骼上的应用。在20世纪后期，仪器化步态分析和逆动力学方法日趋成熟，而在21世纪，开源肌肉骨骼建模和仿真平台使得内部关节和肌肉力学的详细估计变得广泛可及。

Key figures

• Scott Delp
• Marcus Pandy

Seminal works

• delp-2007
• pandy-2001

Frequently asked questions

运动学和动力学有什么区别？

运动学描述运动本身——位置、角度、速度——而不涉及其原因，而动力学分析产生和抵抗这种运动的力和力矩。

为什么在关节生物力学中使用计算模型？

因为活体人体内的内部肌肉和关节接触力无法直接测量，肌肉骨骼模型和仿真可以根据可测量的运动和外部载荷来估计这些量。