單羽狀骨骼肌平面模型的修正及骨骼肌收縮的有限元模擬.pdf

1、肌肉是構(gòu)成動(dòng)物體的主要組織，其主要功能是產(chǎn)生收縮，進(jìn)而引起動(dòng)物體內(nèi)外的各種運(yùn)動(dòng)。肌肉可分為三類(lèi)，骨骼肌、心肌和平滑肌，其中骨骼肌最多，約占動(dòng)物體重的40％。骨骼肌和骨、肌腱連接共同組成運(yùn)動(dòng)器官。自上世紀(jì)20年代起，肌肉的力產(chǎn)生機(jī)制一直就是生理學(xué)家們研究的熱點(diǎn)，A.V.Hill和A.F.Huxley是早期研究者的主要代表，他們提出的Hill模型(1938)和Huxley模型(1957)分別從宏觀層次和生理—細(xì)觀層次對(duì)骨骼肌收縮的力學(xué)特性進(jìn)

2、行了描述，到目前依然是描述肌肉收縮的主要模型。肌肉的形態(tài)學(xué)模型誕生于上世紀(jì)60年代，它是基于肌肉肌纖維的排列模式及幾何外形的力學(xué)模型，這類(lèi)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)較簡(jiǎn)單，但是對(duì)肌肉力學(xué)行為的預(yù)測(cè)以及臨床實(shí)踐有著重要的指導(dǎo)意義。人體和器械的運(yùn)動(dòng)是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的主要研究對(duì)象，這些運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)力，肌肉力則是實(shí)現(xiàn)人體與器械運(yùn)動(dòng)的主要力，可以說(shuō)無(wú)論是競(jìng)技體育，還是健身體育中的各種運(yùn)動(dòng)均與肌肉活動(dòng)有關(guān)。因此，肌肉的功能和力學(xué)特性是人體和器械運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，開(kāi)

3、展肌肉力學(xué)的研究有著重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 本文對(duì)Huijing等提出的平面模型進(jìn)行了研究。Otten利用平面模型得到了羽狀肌肌張力與總的肌纖維力之間的關(guān)系，該關(guān)系經(jīng)常用來(lái)分析肌肉的幾何形態(tài)。Otten方法的缺陷在于它不能夠確定腱膜本身產(chǎn)生的力，還有就是對(duì)肌內(nèi)壓力的過(guò)分簡(jiǎn)化，與實(shí)際情形相差較大。本文對(duì)Otten的方法進(jìn)行了修正：Otten用只考慮局部平衡(腱膜的平衡)的方法得到了肌張力和肌纖維力之間的關(guān)系；與Otten不

4、同，本文考慮了肌肉整體的平衡，先得到肌張力和腱膜力與肌纖維力之間的關(guān)系，并進(jìn)一步獲得了肌肉的力—長(zhǎng)度關(guān)系曲線。結(jié)果表明：本文的方法較Otten有所改進(jìn)，與Meijer等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得較好。 在VanLeeuwen等人的基礎(chǔ)上，本文對(duì)骨骼肌的收縮進(jìn)行了有限元分析。VanLeeuwen首先提出了肌肉中被動(dòng)應(yīng)力和主動(dòng)應(yīng)力的概念，本文將這兩部分應(yīng)力具體化：被動(dòng)行為服從超彈性本構(gòu)關(guān)系，主動(dòng)應(yīng)力則與時(shí)間、速度及長(zhǎng)度有關(guān)，然后用ANSYS進(jìn)