[科普中國(guó)]-肌骨動(dòng)力學(xué)

肌骨動(dòng)力學(xué)是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究人體肌骨系統(tǒng)（包括骨與骨之間，肌肉與骨之間）的力和運(yùn)動(dòng)變化。它是在步態(tài)分析的基礎(chǔ)上，隨著康復(fù)臨床與康復(fù)工程技術(shù)的發(fā)展而成長(zhǎng)起來(lái)的一個(gè)學(xué)科。

肌骨系統(tǒng)又稱為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，是由骨骼、肌肉、肌腱、韌帶、神經(jīng)和軟骨等組成的復(fù)雜系統(tǒng)。其中，骨骼的主要作用是支撐身體，保護(hù)內(nèi)部器官，通過(guò)杠桿作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；骨骼肌的主要作用是通過(guò)肌肉收縮牽拉骨骼產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或保持身體姿態(tài)。

肌骨模型研究肌骨動(dòng)力學(xué)的主要方法是建立肌骨模型。它把骨骼簡(jiǎn)化成具有一定形狀的剛體，肌肉則簡(jiǎn)化成能夠產(chǎn)生收縮力的一條直線或曲線，利用數(shù)學(xué)建模的方法，求得肌肉收縮力和骨與骨之間的作用力（關(guān)節(jié)反作用力）。肌骨模型的提出可以追溯到20世紀(jì)70年代初，美國(guó)Wisconsin大學(xué)機(jī)械工程系的Seireg教授和Arvikar教授提出一種估計(jì)下肢肌骨系統(tǒng)受力的數(shù)學(xué)模型。這一技術(shù)，代表了肌骨系統(tǒng)建模的第一次嘗試。

反向動(dòng)力學(xué)問(wèn)題反向動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是肌骨模型求解關(guān)節(jié)受力和力矩的基礎(chǔ)，它的定義是：已知某個(gè)力學(xué)系統(tǒng)的多種運(yùn)動(dòng)形式（包括位置，速度，加速度等），求解外部受力和力矩的問(wèn)題。解決反向動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的核心是利用牛頓-歐拉公式：

對(duì)肌骨模型而言，解決反向動(dòng)力學(xué)問(wèn)題得到的是關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩。

求解模型在已知關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩基礎(chǔ)上，通過(guò)兩種方法可以求得肌肉收縮力和關(guān)節(jié)反作用力。

1. 肌電驅(qū)動(dòng)的肌骨模型：通過(guò)建立肌電信號(hào)與肌肉收縮力的關(guān)系，求解模型。

2. 生物力學(xué)模型：通過(guò)數(shù)學(xué)優(yōu)化的方法分配肌肉收縮力和關(guān)節(jié)反作用力，求解模型。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

明東 - 教授 - 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院