人体下肢生物力学仿真和实验的研究现状与发展趋势*

张雪玲，任武△，王淑婷，常金龙，李佳，胡彬彬

(1. 新乡医学院医学工程学院 河南省神经传感与控制工程技术研究中心 新乡市智能康复设备工程技术研究中心， 新乡 453003；2. 上海邑成测试设备有限公司， 上海 200433)

1 引 言

人们运动离不开肌肉和骨骼的相互作用，骨骼间通过关节连接，并由强韧的肌肉和韧带提供支撑和保护，使人体可以进行稳定而协调的运动。下肢骨骼系统主要由股骨、胫骨、腓骨以及连接它们的髋关节、膝关节和踝关节组成[1]。下肢骨骼系统中关节易受到冲击，造成骨折、炎症和老化等现象，导致功能衰退，整体运动能力下降[2]。

近年来，人们下肢相关疾病的发病率日渐增长，由于各个关节的解剖结构和病理条件复杂，给临床上下肢骨肌系统疾病的预防、治疗和康复带来很多困难。人体下肢生物力学研究能够获得组织在一定的力学环境中的病理及生理特征，探究外界及内部力学因素在人体下肢的运动、损伤和康复中的作用。结合有限元仿真技术和实验进行下肢的生物力学研究是未来发展的一个重要趋势。通过测量材料属性、分析力学信号及仿真分析等方法，可以得到人体下肢病理生理变化中的力学机制[3]。

本综述总结并且重点阐述下肢关节生物力学仿真和实验研究进展，展望其发展趋势，为相关疾病的预防、临床治疗和康复提供理论参考。

2 生物力学的发展现状

生物力学的概念在20世纪60年代中期开始发展，通过对生物力学的研究，可以充分认识生命体的运作规律，有效解决生命体在运作过程中产生的各类健康问题。20世纪70年代末，我国的生物力学研究在冯元桢教授的积极推动下起步，成为一门新兴的交叉学科，同时培养出了我国最早的生物力学研究队伍[4]。在生物力学学科研究的初始阶段，国内外学者的研究领域主要集中在口腔生物力学[5]、眼科生物力学[6]、骨科生物力学[7]和血液动力学[8-9]等方面。2000年以后，国内外生物力学相关研究领域主要集中在生物力学的建模仿真分析及其应用等方面[10-11]，建模仿真技术是研究生物力学的一种有效手段。

按照研究对象的不同，生物力学可以分为生物固体力学、生物流体力学和运动生物力学等三大类。近年来，随着计算机技术的不断发展，建模仿真技术更加完善，越来越多的学者投入到生物力学的研究中，其研究队伍不断壮大，生物力学学科地不断地发展和完善。

3 人体下肢生物力学

人们的运动和生活离不开肌肉和骨骼的相互作用，人体下肢骨骼系统主要由髋关节、股骨、膝关节、胫骨、腓骨、踝关节和跖骨组成，见图1。骨和骨之间通过软骨或者结缔组织形成关节，其中髋关节、膝关节和踝关节对人体下肢运动起至关重要的作用，也是人们在运动和生活中非常容易遭到损坏的结构[12]。现分别讨论髋关节、膝关节以及踝关节的生物力学研究现状，分析人体下肢关节在运动、损伤和康复中的生物力学特性变化。

图1 人体下肢结构图[13]

3.1 髋关节

髋关节由股骨头、骨盆髋臼、关节软骨和强大的韧带构成，是一个多轴球窝关节。髋臼的凹面和股骨头表面覆盖着关节软骨，关节软骨将人体上段产生的重力传递到下肢，同时减小关节之间的摩擦力，减缓冲击。

髋关节在矢状面上有屈曲和伸展、在冠状面上有内收和外展、在横断面上有内旋和外旋等六个自由度[14]。颈干角是股骨颈轴线和股骨干纵轴线之间的夹角，它决定髋关节在运动中的自由度，婴儿出生时颈干角一般为140°，成年后一般变化为125°左右。当此角大于130°时容易产生髋外翻，小于120°时容易产生髋内翻。人体处于双足站立位时，髋关节稳定的结构足以维持身体的直立姿势，此时计算关节反作用力时，不需要考虑肌肉收缩产生的力矩，即每侧股骨头所受力为人体上段重力的一半，即自身体重的1/3。Rydell[15]使用仪器测量单足站立位时，作用于髋关节的关节反作用力大约为体重的2.3～2.9倍，步行时的关节反作用力大约为体重的1.6～3.3倍。

髋关节具有稳定的结构，可保证人体运动时的稳定性，支持人体完成站立、行走、跑步和弹跳等动作[16]，因此，髋关节损伤将影响人们的正常生活。Constantinou等[17]检测附着在受试者躯体上的43个标记物的运动轨迹，研究发现轻度至中度髋关节骨性关节炎患者的步行速度较慢，步长较短，髋关节的活动度较低。髋关节的关节囊韧带通过围绕股骨头和股骨颈来抑制关节的活动度，Logishetty等[18]对8具尸体的髋关节分别进行髋关节置换术(HRA)、双活动度全髋关节置换术(DM-THA)和常规THA，通过检测术后的关节活动度，发现这三种髋关节置换术基本可以恢复髋关节功能。髋部骨折常见于老年人，由于老年人骨头中无机物含量增加且容易跌倒，增加了骨折发生概率。其中股骨的粗隆间骨折在老年人中最为普遍，约占老年人髋部骨折的40%～50%[19]。预计到2050年，全世界发生髋部骨折人数将达到626万，且超过一半病例将在亚洲[20]。由于髋部疾病临床治疗困难，致残率和致死率极高，给病患家属、医生和社会增加很多负担，充分了解髋关节相关生物力学知识有助于临床医生对髋关节疾病的诊断和治疗。

综上，国内外学者对于人体髋关节生物力学已有深入研究，髋关节置换技术已较为成熟。但如何预防术后髋关节假体的脱位和不稳定性成为当下的研究重点和难点。此外，由于女性具有生育能力，其骨盆较宽，关于不同性别的髋关节生物力学的差异研究还不足。

3.2 膝关节

膝关节由股骨下端、髌骨和胫骨上端构成，是维持人体运动最重要的关节之一，它不仅能协调人体运动，同时将载荷从股骨传递到胫骨和腓骨。膝关节的主要运动是屈曲和伸展，另外还伴有少量的内收、外展、内旋和外旋[21]，其基本功能主要由2个关节实现，即胫股关节和髌股关节。

胫股关节由胫骨和股骨组成，股骨下端两髁与胫骨平台相配合形成胫股关节。股骨下端和胫骨平台之间的匹配度较低，而半月板是位于胫骨平台上的月牙形状的纤维软骨，其外侧厚、内测薄，可实现胫股关节之间更优的匹配。半月板在膝关节内起到承重的作用，股骨下端和胫骨平台之间的接触面积非常小，当膝关节承重时，接触面积越小，产生的应力就越大，可能对膝关节造成损伤，而半月板结构可增加胫股关节之间的接触面积，降低接触应力[22]。当关节应力较大时，可能造成关节炎、骨折和骨塌陷等严重损伤，将导致关节疼痛和严重的关节功能障碍。Lau等[23]和Willinger等[24]研究发现膝关节半月板切除术后的患者患骨关节炎的概率将增加。姚杰等[25]对不同高度下的跳伞着陆过程进行模拟仿真，得出高速冲击是造成膝关节损伤的重要原因，且外侧半月板更容易遭到损坏。

髌股关节由髌骨和股骨组成，通过股骨和髌骨之间的匹配以及肌肉和相关韧带的约束来实现髌股关节的稳定性。髌股关节的接触面积随着膝关节屈曲角度的变化而变化，且随着承重的增加而增加[26]。Brechter等和Powers等[27-28]就不同状态下的髌股关节力研究，发现步行时髌股关节力约为体重的0.6倍，上、下楼梯时达到体重的4倍。髌股骨性关节炎可能会导致膝关节畸形，Otsuki等[29]基于85例膝关节骨性关节炎患者的断层摄影图像，提出膝关节内翻畸形与髌股骨性关节炎密切相关的结论，但该部位骨性关节炎的发病机制尚不清楚。

综上，研究者们深入探索了膝关节的生物力学特性，对膝关节半月板的重要性已有深刻认识，但半月板切除术的术后康复问题仍值得重视。同时，膝关节骨性关节炎的发病机制尚不明确，还具有巨大的研究潜力，针对膝关节骨性关节炎的治疗问题，目前只能缓解患者病症、减轻患者痛苦，尚无有效的方式阻断该疾病的发生。

3.3 踝关节

踝关节对人体日常活动和步态具有重要作用。踝关节由距骨、胫骨远端和腓骨远端组成，是人体重要的承重关节，维持人体的平衡状态。该关节在矢状面上有跖屈和背屈、在冠状面上有内翻和外翻、在横断面上有内收和外展等六个自由度，其中踝关节最主要的运动是跖屈和背屈[30]，见图2。踝关节的跖屈运动是指足尖下垂，足背向前伸直，足尖远离踝部；背屈运动是指足尖向上，足背靠近踝部。一些研究表明，在踝关节的正常活动范围内，跖屈角度可为40°～55°，背屈角度可为10°～20°[31-32]。

图2 踝关节的跖屈/背屈、外翻/内翻、外展/内收

踝关节依靠周围的肌肉组织和庞大的韧带来维持踝部在各种运动中的稳定和安全。在双足处于静止站立位时，单侧踝关节承受约1/2倍体重，Burdett[33]研究发现在正常行走时，踝关节承受力大约为体重的5倍，而跑步时关节承受力会高达体重的13倍。因此，踝部在复杂的地面环境和剧烈运动中极易造成损伤。Song等[34]对退役足球运动员进行健康调查，发现有踝关节损伤史的人群患踝部骨性关节炎的概率更高。大多数患有踝部关节炎的患者表现为后脚畸形，Knupp[35]提出踝部截骨术可降低踝关节的峰值压力，减轻踝关节的骨性关节炎。但截骨术的手术方式要根据踝部的畸形程度、关节类型、固定方式以及医生经验决定。贺毅等[36]探索保守治疗和螺钉内固定两种方式治疗踝部骨折后患者的足底压力和踝关节功能差异，研究发现相比于保守治疗，螺钉内固定对于治疗踝部骨折和维持踝关节对位具有更好的效果。

综上，国内外有关踝关节生物力学的研究较为丰富，踝部疾病的治疗方式也较为成熟，未来可进一步提高手术精确度，提升患者术后的康复效果，可采用机器人辅助方式和术中的精准导航来实现手术的精确性以及获得更好的预后。

4 下肢生物力学的有限元仿真研究

人体下肢的解剖结构和组织微观结构复杂(见图3)，其建模方法有许多种，例如多刚体模型法、角动量定理建模法、黑箱训练法和有限元仿真法等[12]。随着计算机技术的快速发展，有限元仿真法被广泛应用，使生物力学计算更加精确、快速和直观。

有限元仿真法应用有限元原理，将连续的整体离散化为有限个小单元，对小单元进行模拟仿真，预测其应力、位移等数据的变化趋势，通过对局部小单元进行分析进而完成对整体的分析[37-38]。该方法早期被应用于航天等领域，近年来，随着计算机技术、生物力学、医学、数学和物理学等学科的不断发展，有限元仿真技术被越来越多地运用到口腔、骨科和医疗器械研发等领域[39-40]。主要从有限元仿真法来分析当下的相关研究成果。

Wen等[41]使用计算机软件分别建立不同坏死区域和病变大小等五类股骨头坏死的有限元模型，通过有限元仿真评估不同区域股骨头坏死对股骨头的生物力学影响。Wu等[42]为了减轻由高处着陆时造成的下肢损伤，提供了一种新的双关节保护支架，并使用有限元仿真技术评估其保护性能，降低着陆时膝盖和脚踝受伤的风险。郭俊超等[43]设计了不同结构的护踝，对设计的护踝进行模拟仿真，研究伞兵着陆时其对人体踝部的防护性能。Tarnita等[44]建立膝关节的三维有限元模型，预测膝关节各个部位的应力，研究表明软骨的接触面积决定了应力的大小，应力过大可能导致骨关节炎。Untaroiu等[45]建立汽车驾驶员的下肢有限元模型，能更准确地认识到交通事故中驾驶员的下肢损伤机制，为驾驶安全提供帮助。有限元仿真技术的优势在于：

(1)可设置不同的材料参数、受力位置和约束方式，进行大量重复的仿真分析，成本低、效率高；

(2)可得到临床医生很难直接获得的人体组织信息，例如生物组织中应力、应变的变化趋势；

(3)对于患者疾病的治疗，可在术前就不同的手术方式进行模拟仿真，寻找出最佳手术方式，减轻患者痛苦。

图3 人体关节、肌肉、韧带结构示意图

综上，判断通过有限元方法得到的仿真数据是否与人体真实生理病理下的生物力学特性相符合，不仅需要准确获取组织的材料属性、几何参数、约束条件和外界载荷等数据，还需要与临床结合进行验证。此外，由于复杂的人体解剖结构和组织微观结构，仿真结果的准确性必须由大量的预期实验和精确的人体影像数据来保证，这是未来有限元仿真研究发展的重点。

5 下肢生物力学的实验研究

随着计算机技术的发展和新型传感技术的兴起，传感器被广泛应用于人体生物力学数据的定量测量。例如：薄膜压力传感器适用于足底压力测量；拉/压力传感器适用于人体四肢的拉/压力测量；倾角传感器适用于组织结构的角度变化测量；加速度传感器适用于下肢的步态研究等。

结合有限元仿真技术和生物力学实验来研究人体下肢生物力学是未来发展的重要趋势，将更加全面、有效地计算人体生物力学以及评估康复器械的使用性能[46]。

Beccai等[47]研究和设计了一种硅基三轴力传感器，在人体残肢与假肢之间安装微型传感器，可检测残肢与假肢接触面间的作用力。Bus[48]使用传感器测量糖尿病足的足底压力和温度变化，研究发现足部溃疡更可能发生在足底局部压力大、温度升高的部位，实时监测可降低糖尿病足的足部溃疡发生率。Tarniă[49]使用可穿戴传感器监测正常人和患者的步态差异，可穿戴传感器重量轻、体积小，可监测人体的步态障碍与平衡变化。Stetter等[50]将可穿戴传感器与神经网络相结合，根据可穿戴传感器获得的数据估计运动过程中产生的膝关节力，用来推断膝关节受力的生物力学指标。Hollis等[51]使用可穿戴传感器测量在两种不同地面和不同速度情况下受试者跑步的运动学和动力学差异，结果表明，在高硬度地面以更快的速度跑步会导致更大的旋前偏移和旋前速度。

由于传感技术的广泛使用，国内外陆陆续续出现了大量的电子测试仪器供应商，形成测试仪器和软件制造的巨大市场。在国外，美国的Tektronix公司是全球领先的电子测试仪器供应商，从台式频谱分析仪到便携式频谱分析仪都具有多功能和高性能的特点，能满足使用者广泛的需求。德国Dantec Dynamics Gmbh公司的无损、非接触式的缺陷检测技术能够检测各种构件和材料的内部缺陷并进行定量分析，激光电子与脉冲散斑技术能够测试构件和材料的力学性能，例如应力、应变和变形等。英国的Sonatest公司生产的超声波无损检测仪具有卓越的使用性能和仪器结构，可在恶劣的环境中进行检测。在国内，上海邑成测试设备有限公司现有动态应变采集仪、各类传感器等多种仪器，可用于测量动态应变、加速度和位移等数据，产品价格低廉且具有高灵敏度。安泰测试设备公司致力于测试仪器的研发、维修和销售，现有功率测试仪、信号发生器和功率放大器等，可用于实验室生物信号的测试。图4为使用Dewesoft动态信号数据采集仪和拉力传感器测试手指拉力。

图4 DeweSoft动态信号数据采集仪手指拉力测试

综上，动态信号测试装置可满足对所需信号进行较为精准测试的需求，但如何将实验测得的数据应用到临床实践和指导仿真建模，还需要进一步探索。目前已研发的生物力学实验仪器多为体外使用，而在体实验研究困难。若要测量体内组织的生物力学特性，一要考虑测量仪器的尺寸，尺寸必须足够微小，实现被试者在测量过程中的舒适性；二要考虑测量仪器的材料性质，必须满足仪器材料和人体组织的生物相容性，实现被试者在测量过程中的安全性。未来，研究者们需克服在体实验的难题，同时建立一个完善的生物力学大数据库，为更深入研究人体生物力学和临床上疾病的治疗提供帮助。

6 总结展望

本综述回顾了生物力学学科的产生及发展现状，重点阐述人体下肢中髋关节、膝关节和踝关节的生物力学特性。在此基础上，总结了有限元仿真技术和生物力学实验的研究现状，指出未来下肢生物力学的发展趋势：

(1)目前对不同状态下的下肢生物力学特性研究已较为丰富，但肌肉、韧带对关节的作用力的研究仍有不足，值得进一步探索；

(2)有限元仿真技术能够模拟不同工况下组织内部的应力、应变，但模拟得到的数据是否和人体内最真实的力学变化相符合，还需要用生物力学实验进行验证；

(3)动态信号测试装置能对研究信号进行较为精准的测试，如何将实验测得的数据应用到临床实践和指导仿真建模，还需要进一步发展；

(4)生物力学体外实验研究较丰富，但由于测量仪器的尺寸和材料问题，在体实验研究还较少，未来需解决在体实验的困难；

(5)增加研究样本量，建立完善的生物力学大数据库，为人类健康提供数据支持。