人體下肢生物力學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)*

張雪玲，任武△，王淑婷，常金龍，李佳，胡彬彬

(1. 新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 河南省神經(jīng)傳感與控制工程技術(shù)研究中心 新鄉(xiāng)市智能康復(fù)設(shè)備工程技術(shù)研究中心， 新鄉(xiāng) 453003；2. 上海邑成測(cè)試設(shè)備有限公司， 上海 200433)

1 引 言

人們運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)肌肉和骨骼的相互作用，骨骼間通過(guò)關(guān)節(jié)連接，并由強(qiáng)韌的肌肉和韌帶提供支撐和保護(hù)，使人體可以進(jìn)行穩(wěn)定而協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)。下肢骨骼系統(tǒng)主要由股骨、脛骨、腓骨以及連接它們的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)組成[1]。下肢骨骼系統(tǒng)中關(guān)節(jié)易受到?jīng)_擊，造成骨折、炎癥和老化等現(xiàn)象，導(dǎo)致功能衰退，整體運(yùn)動(dòng)能力下降[2]。

近年來(lái)，人們下肢相關(guān)疾病的發(fā)病率日漸增長(zhǎng)，由于各個(gè)關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)和病理?xiàng)l件復(fù)雜，給臨床上下肢骨肌系統(tǒng)疾病的預(yù)防、治療和康復(fù)帶來(lái)很多困難。人體下肢生物力學(xué)研究能夠獲得組織在一定的力學(xué)環(huán)境中的病理及生理特征，探究外界及內(nèi)部力學(xué)因素在人體下肢的運(yùn)動(dòng)、損傷和康復(fù)中的作用。結(jié)合有限元仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行下肢的生物力學(xué)研究是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。通過(guò)測(cè)量材料屬性、分析力學(xué)信號(hào)及仿真分析等方法，可以得到人體下肢病理生理變化中的力學(xué)機(jī)制[3]。

本綜述總結(jié)并且重點(diǎn)闡述下肢關(guān)節(jié)生物力學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展，展望其發(fā)展趨勢(shì)，為相關(guān)疾病的預(yù)防、臨床治療和康復(fù)提供理論參考。

2 生物力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

生物力學(xué)的概念在20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始發(fā)展，通過(guò)對(duì)生物力學(xué)的研究，可以充分認(rèn)識(shí)生命體的運(yùn)作規(guī)律，有效解決生命體在運(yùn)作過(guò)程中產(chǎn)生的各類(lèi)健康問(wèn)題。20世紀(jì)70年代末，我國(guó)的生物力學(xué)研究在馮元楨教授的積極推動(dòng)下起步，成為一門(mén)新興的交叉學(xué)科，同時(shí)培養(yǎng)出了我國(guó)最早的生物力學(xué)研究隊(duì)伍[4]。在生物力學(xué)學(xué)科研究的初始階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究領(lǐng)域主要集中在口腔生物力學(xué)[5]、眼科生物力學(xué)[6]、骨科生物力學(xué)[7]和血液動(dòng)力學(xué)[8-9]等方面。2000年以后，國(guó)內(nèi)外生物力學(xué)相關(guān)研究領(lǐng)域主要集中在生物力學(xué)的建模仿真分析及其應(yīng)用等方面[10-11]，建模仿真技術(shù)是研究生物力學(xué)的一種有效手段。

按照研究對(duì)象的不同，生物力學(xué)可以分為生物固體力學(xué)、生物流體力學(xué)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等三大類(lèi)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，建模仿真技術(shù)更加完善，越來(lái)越多的學(xué)者投入到生物力學(xué)的研究中，其研究隊(duì)伍不斷壯大，生物力學(xué)學(xué)科地不斷地發(fā)展和完善。

3 人體下肢生物力學(xué)

人們的運(yùn)動(dòng)和生活離不開(kāi)肌肉和骨骼的相互作用，人體下肢骨骼系統(tǒng)主要由髖關(guān)節(jié)、股骨、膝關(guān)節(jié)、脛骨、腓骨、踝關(guān)節(jié)和跖骨組成，見(jiàn)圖1。骨和骨之間通過(guò)軟骨或者結(jié)締組織形成關(guān)節(jié)，其中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)對(duì)人體下肢運(yùn)動(dòng)起至關(guān)重要的作用，也是人們?cè)谶\(yùn)動(dòng)和生活中非常容易遭到損壞的結(jié)構(gòu)[12]?，F(xiàn)分別討論髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)研究現(xiàn)狀，分析人體下肢關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)、損傷和康復(fù)中的生物力學(xué)特性變化。

圖1 人體下肢結(jié)構(gòu)圖[13]

3.1 髖關(guān)節(jié)

髖關(guān)節(jié)由股骨頭、骨盆髖臼、關(guān)節(jié)軟骨和強(qiáng)大的韌帶構(gòu)成，是一個(gè)多軸球窩關(guān)節(jié)。髖臼的凹面和股骨頭表面覆蓋著關(guān)節(jié)軟骨，關(guān)節(jié)軟骨將人體上段產(chǎn)生的重力傳遞到下肢，同時(shí)減小關(guān)節(jié)之間的摩擦力，減緩沖擊。

髖關(guān)節(jié)在矢狀面上有屈曲和伸展、在冠狀面上有內(nèi)收和外展、在橫斷面上有內(nèi)旋和外旋等六個(gè)自由度[14]。頸干角是股骨頸軸線(xiàn)和股骨干縱軸線(xiàn)之間的夾角，它決定髖關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中的自由度，嬰兒出生時(shí)頸干角一般為140°，成年后一般變化為125°左右。當(dāng)此角大于130°時(shí)容易產(chǎn)生髖外翻，小于120°時(shí)容易產(chǎn)生髖內(nèi)翻。人體處于雙足站立位時(shí)，髖關(guān)節(jié)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)足以維持身體的直立姿勢(shì)，此時(shí)計(jì)算關(guān)節(jié)反作用力時(shí)，不需要考慮肌肉收縮產(chǎn)生的力矩，即每側(cè)股骨頭所受力為人體上段重力的一半，即自身體重的1/3。Rydell[15]使用儀器測(cè)量單足站立位時(shí)，作用于髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)反作用力大約為體重的2.3～2.9倍，步行時(shí)的關(guān)節(jié)反作用力大約為體重的1.6～3.3倍。

髖關(guān)節(jié)具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，可保證人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，支持人體完成站立、行走、跑步和彈跳等動(dòng)作[16]，因此，髖關(guān)節(jié)損傷將影響人們的正常生活。Constantinou等[17]檢測(cè)附著在受試者軀體上的43個(gè)標(biāo)記物的運(yùn)動(dòng)軌跡，研究發(fā)現(xiàn)輕度至中度髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者的步行速度較慢，步長(zhǎng)較短，髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)度較低。髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)囊韌帶通過(guò)圍繞股骨頭和股骨頸來(lái)抑制關(guān)節(jié)的活動(dòng)度，Logishetty等[18]對(duì)8具尸體的髖關(guān)節(jié)分別進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(HRA)、雙活動(dòng)度全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(DM-THA)和常規(guī)THA，通過(guò)檢測(cè)術(shù)后的關(guān)節(jié)活動(dòng)度，發(fā)現(xiàn)這三種髖關(guān)節(jié)置換術(shù)基本可以恢復(fù)髖關(guān)節(jié)功能。髖部骨折常見(jiàn)于老年人，由于老年人骨頭中無(wú)機(jī)物含量增加且容易跌倒，增加了骨折發(fā)生概率。其中股骨的粗隆間骨折在老年人中最為普遍，約占老年人髖部骨折的40%～50%[19]。預(yù)計(jì)到2050年，全世界發(fā)生髖部骨折人數(shù)將達(dá)到626萬(wàn)，且超過(guò)一半病例將在亞洲[20]。由于髖部疾病臨床治療困難，致殘率和致死率極高，給病患家屬、醫(yī)生和社會(huì)增加很多負(fù)擔(dān)，充分了解髖關(guān)節(jié)相關(guān)生物力學(xué)知識(shí)有助于臨床醫(yī)生對(duì)髖關(guān)節(jié)疾病的診斷和治療。

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于人體髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)已有深入研究，髖關(guān)節(jié)置換技術(shù)已較為成熟。但如何預(yù)防術(shù)后髖關(guān)節(jié)假體的脫位和不穩(wěn)定性成為當(dāng)下的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外，由于女性具有生育能力，其骨盆較寬，關(guān)于不同性別的髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)的差異研究還不足。

3.2 膝關(guān)節(jié)

膝關(guān)節(jié)由股骨下端、髕骨和脛骨上端構(gòu)成，是維持人體運(yùn)動(dòng)最重要的關(guān)節(jié)之一，它不僅能協(xié)調(diào)人體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將載荷從股骨傳遞到脛骨和腓骨。膝關(guān)節(jié)的主要運(yùn)動(dòng)是屈曲和伸展，另外還伴有少量的內(nèi)收、外展、內(nèi)旋和外旋[21]，其基本功能主要由2個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，即脛股關(guān)節(jié)和髕股關(guān)節(jié)。

脛股關(guān)節(jié)由脛骨和股骨組成，股骨下端兩髁與脛骨平臺(tái)相配合形成脛股關(guān)節(jié)。股骨下端和脛骨平臺(tái)之間的匹配度較低，而半月板是位于脛骨平臺(tái)上的月牙形狀的纖維軟骨，其外側(cè)厚、內(nèi)測(cè)薄，可實(shí)現(xiàn)脛股關(guān)節(jié)之間更優(yōu)的匹配。半月板在膝關(guān)節(jié)內(nèi)起到承重的作用，股骨下端和脛骨平臺(tái)之間的接觸面積非常小，當(dāng)膝關(guān)節(jié)承重時(shí)，接觸面積越小，產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，可能對(duì)膝關(guān)節(jié)造成損傷，而半月板結(jié)構(gòu)可增加脛股關(guān)節(jié)之間的接觸面積，降低接觸應(yīng)力[22]。當(dāng)關(guān)節(jié)應(yīng)力較大時(shí)，可能造成關(guān)節(jié)炎、骨折和骨塌陷等嚴(yán)重?fù)p傷，將導(dǎo)致關(guān)節(jié)疼痛和嚴(yán)重的關(guān)節(jié)功能障礙。Lau等[23]和Willinger等[24]研究發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)半月板切除術(shù)后的患者患骨關(guān)節(jié)炎的概率將增加。姚杰等[25]對(duì)不同高度下的跳傘著陸過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，得出高速?zèng)_擊是造成膝關(guān)節(jié)損傷的重要原因，且外側(cè)半月板更容易遭到損壞。

髕股關(guān)節(jié)由髕骨和股骨組成，通過(guò)股骨和髕骨之間的匹配以及肌肉和相關(guān)韌帶的約束來(lái)實(shí)現(xiàn)髕股關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。髕股關(guān)節(jié)的接觸面積隨著膝關(guān)節(jié)屈曲角度的變化而變化，且隨著承重的增加而增加[26]。Brechter等和Powers等[27-28]就不同狀態(tài)下的髕股關(guān)節(jié)力研究，發(fā)現(xiàn)步行時(shí)髕股關(guān)節(jié)力約為體重的0.6倍，上、下樓梯時(shí)達(dá)到體重的4倍。髕股骨性關(guān)節(jié)炎可能會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)畸形，Otsuki等[29]基于85例膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者的斷層攝影圖像，提出膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形與髕股骨性關(guān)節(jié)炎密切相關(guān)的結(jié)論，但該部位骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制尚不清楚。

綜上，研究者們深入探索了膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性，對(duì)膝關(guān)節(jié)半月板的重要性已有深刻認(rèn)識(shí)，但半月板切除術(shù)的術(shù)后康復(fù)問(wèn)題仍值得重視。同時(shí)，膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制尚不明確，還具有巨大的研究潛力，針對(duì)膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的治療問(wèn)題，目前只能緩解患者病癥、減輕患者痛苦，尚無(wú)有效的方式阻斷該疾病的發(fā)生。

3.3 踝關(guān)節(jié)

踝關(guān)節(jié)對(duì)人體日常活動(dòng)和步態(tài)具有重要作用。踝關(guān)節(jié)由距骨、脛骨遠(yuǎn)端和腓骨遠(yuǎn)端組成，是人體重要的承重關(guān)節(jié)，維持人體的平衡狀態(tài)。該關(guān)節(jié)在矢狀面上有跖屈和背屈、在冠狀面上有內(nèi)翻和外翻、在橫斷面上有內(nèi)收和外展等六個(gè)自由度，其中踝關(guān)節(jié)最主要的運(yùn)動(dòng)是跖屈和背屈[30]，見(jiàn)圖2。踝關(guān)節(jié)的跖屈運(yùn)動(dòng)是指足尖下垂，足背向前伸直，足尖遠(yuǎn)離踝部；背屈運(yùn)動(dòng)是指足尖向上，足背靠近踝部。一些研究表明，在踝關(guān)節(jié)的正?；顒?dòng)范圍內(nèi)，跖屈角度可為40°～55°，背屈角度可為10°～20°[31-32]。

圖2 踝關(guān)節(jié)的跖屈/背屈、外翻/內(nèi)翻、外展/內(nèi)收

踝關(guān)節(jié)依靠周?chē)募∪饨M織和龐大的韌帶來(lái)維持踝部在各種運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定和安全。在雙足處于靜止站立位時(shí)，單側(cè)踝關(guān)節(jié)承受約1/2倍體重，Burdett[33]研究發(fā)現(xiàn)在正常行走時(shí)，踝關(guān)節(jié)承受力大約為體重的5倍，而跑步時(shí)關(guān)節(jié)承受力會(huì)高達(dá)體重的13倍。因此，踝部在復(fù)雜的地面環(huán)境和劇烈運(yùn)動(dòng)中極易造成損傷。Song等[34]對(duì)退役足球運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行健康調(diào)查，發(fā)現(xiàn)有踝關(guān)節(jié)損傷史的人群患踝部骨性關(guān)節(jié)炎的概率更高。大多數(shù)患有踝部關(guān)節(jié)炎的患者表現(xiàn)為后腳畸形，Knupp[35]提出踝部截骨術(shù)可降低踝關(guān)節(jié)的峰值壓力，減輕踝關(guān)節(jié)的骨性關(guān)節(jié)炎。但截骨術(shù)的手術(shù)方式要根據(jù)踝部的畸形程度、關(guān)節(jié)類(lèi)型、固定方式以及醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)決定。賀毅等[36]探索保守治療和螺釘內(nèi)固定兩種方式治療踝部骨折后患者的足底壓力和踝關(guān)節(jié)功能差異，研究發(fā)現(xiàn)相比于保守治療，螺釘內(nèi)固定對(duì)于治療踝部骨折和維持踝關(guān)節(jié)對(duì)位具有更好的效果。

綜上，國(guó)內(nèi)外有關(guān)踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)的研究較為豐富，踝部疾病的治療方式也較為成熟，未來(lái)可進(jìn)一步提高手術(shù)精確度，提升患者術(shù)后的康復(fù)效果，可采用機(jī)器人輔助方式和術(shù)中的精準(zhǔn)導(dǎo)航來(lái)實(shí)現(xiàn)手術(shù)的精確性以及獲得更好的預(yù)后。

4 下肢生物力學(xué)的有限元仿真研究

人體下肢的解剖結(jié)構(gòu)和組織微觀(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜(見(jiàn)圖3)，其建模方法有許多種，例如多剛體模型法、角動(dòng)量定理建模法、黑箱訓(xùn)練法和有限元仿真法等[12]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元仿真法被廣泛應(yīng)用，使生物力學(xué)計(jì)算更加精確、快速和直觀(guān)。

有限元仿真法應(yīng)用有限元原理，將連續(xù)的整體離散化為有限個(gè)小單元，對(duì)小單元進(jìn)行模擬仿真，預(yù)測(cè)其應(yīng)力、位移等數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)局部小單元進(jìn)行分析進(jìn)而完成對(duì)整體的分析[37-38]。該方法早期被應(yīng)用于航天等領(lǐng)域，近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)和物理學(xué)等學(xué)科的不斷發(fā)展，有限元仿真技術(shù)被越來(lái)越多地運(yùn)用到口腔、骨科和醫(yī)療器械研發(fā)等領(lǐng)域[39-40]。主要從有限元仿真法來(lái)分析當(dāng)下的相關(guān)研究成果。

Wen等[41]使用計(jì)算機(jī)軟件分別建立不同壞死區(qū)域和病變大小等五類(lèi)股骨頭壞死的有限元模型，通過(guò)有限元仿真評(píng)估不同區(qū)域股骨頭壞死對(duì)股骨頭的生物力學(xué)影響。Wu等[42]為了減輕由高處著陸時(shí)造成的下肢損傷，提供了一種新的雙關(guān)節(jié)保護(hù)支架，并使用有限元仿真技術(shù)評(píng)估其保護(hù)性能，降低著陸時(shí)膝蓋和腳踝受傷的風(fēng)險(xiǎn)。郭俊超等[43]設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的護(hù)踝，對(duì)設(shè)計(jì)的護(hù)踝進(jìn)行模擬仿真，研究傘兵著陸時(shí)其對(duì)人體踝部的防護(hù)性能。Tarnita等[44]建立膝關(guān)節(jié)的三維有限元模型，預(yù)測(cè)膝關(guān)節(jié)各個(gè)部位的應(yīng)力，研究表明軟骨的接觸面積決定了應(yīng)力的大小，應(yīng)力過(guò)大可能導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎。Untaroiu等[45]建立汽車(chē)駕駛員的下肢有限元模型，能更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)到交通事故中駕駛員的下肢損傷機(jī)制，為駕駛安全提供幫助。有限元仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：

(1)可設(shè)置不同的材料參數(shù)、受力位置和約束方式，進(jìn)行大量重復(fù)的仿真分析，成本低、效率高；

(2)可得到臨床醫(yī)生很難直接獲得的人體組織信息，例如生物組織中應(yīng)力、應(yīng)變的變化趨勢(shì)；

(3)對(duì)于患者疾病的治療，可在術(shù)前就不同的手術(shù)方式進(jìn)行模擬仿真，尋找出最佳手術(shù)方式，減輕患者痛苦。

圖3 人體關(guān)節(jié)、肌肉、韌帶結(jié)構(gòu)示意圖

綜上，判斷通過(guò)有限元方法得到的仿真數(shù)據(jù)是否與人體真實(shí)生理病理下的生物力學(xué)特性相符合，不僅需要準(zhǔn)確獲取組織的材料屬性、幾何參數(shù)、約束條件和外界載荷等數(shù)據(jù)，還需要與臨床結(jié)合進(jìn)行驗(yàn)證。此外，由于復(fù)雜的人體解剖結(jié)構(gòu)和組織微觀(guān)結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性必須由大量的預(yù)期實(shí)驗(yàn)和精確的人體影像數(shù)據(jù)來(lái)保證，這是未來(lái)有限元仿真研究發(fā)展的重點(diǎn)。

5 下肢生物力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和新型傳感技術(shù)的興起，傳感器被廣泛應(yīng)用于人體生物力學(xué)數(shù)據(jù)的定量測(cè)量。例如：薄膜壓力傳感器適用于足底壓力測(cè)量；拉/壓力傳感器適用于人體四肢的拉/壓力測(cè)量；傾角傳感器適用于組織結(jié)構(gòu)的角度變化測(cè)量；加速度傳感器適用于下肢的步態(tài)研究等。

結(jié)合有限元仿真技術(shù)和生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究人體下肢生物力學(xué)是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)，將更加全面、有效地計(jì)算人體生物力學(xué)以及評(píng)估康復(fù)器械的使用性能[46]。

Beccai等[47]研究和設(shè)計(jì)了一種硅基三軸力傳感器，在人體殘肢與假肢之間安裝微型傳感器，可檢測(cè)殘肢與假肢接觸面間的作用力。Bus[48]使用傳感器測(cè)量糖尿病足的足底壓力和溫度變化，研究發(fā)現(xiàn)足部潰瘍更可能發(fā)生在足底局部壓力大、溫度升高的部位，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可降低糖尿病足的足部潰瘍發(fā)生率。Tarni?[49]使用可穿戴傳感器監(jiān)測(cè)正常人和患者的步態(tài)差異，可穿戴傳感器重量輕、體積小，可監(jiān)測(cè)人體的步態(tài)障礙與平衡變化。Stetter等[50]將可穿戴傳感器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，根據(jù)可穿戴傳感器獲得的數(shù)據(jù)估計(jì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的膝關(guān)節(jié)力，用來(lái)推斷膝關(guān)節(jié)受力的生物力學(xué)指標(biāo)。Hollis等[51]使用可穿戴傳感器測(cè)量在兩種不同地面和不同速度情況下受試者跑步的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)差異，結(jié)果表明，在高硬度地面以更快的速度跑步會(huì)導(dǎo)致更大的旋前偏移和旋前速度。

由于傳感技術(shù)的廣泛使用，國(guó)內(nèi)外陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)了大量的電子測(cè)試儀器供應(yīng)商，形成測(cè)試儀器和軟件制造的巨大市場(chǎng)。在國(guó)外，美國(guó)的Tektronix公司是全球領(lǐng)先的電子測(cè)試儀器供應(yīng)商，從臺(tái)式頻譜分析儀到便攜式頻譜分析儀都具有多功能和高性能的特點(diǎn)，能滿(mǎn)足使用者廣泛的需求。德國(guó)Dantec Dynamics Gmbh公司的無(wú)損、非接觸式的缺陷檢測(cè)技術(shù)能夠檢測(cè)各種構(gòu)件和材料的內(nèi)部缺陷并進(jìn)行定量分析，激光電子與脈沖散斑技術(shù)能夠測(cè)試構(gòu)件和材料的力學(xué)性能，例如應(yīng)力、應(yīng)變和變形等。英國(guó)的Sonatest公司生產(chǎn)的超聲波無(wú)損檢測(cè)儀具有卓越的使用性能和儀器結(jié)構(gòu)，可在惡劣的環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)。在國(guó)內(nèi)，上海邑成測(cè)試設(shè)備有限公司現(xiàn)有動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀、各類(lèi)傳感器等多種儀器，可用于測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變、加速度和位移等數(shù)據(jù)，產(chǎn)品價(jià)格低廉且具有高靈敏度。安泰測(cè)試設(shè)備公司致力于測(cè)試儀器的研發(fā)、維修和銷(xiāo)售，現(xiàn)有功率測(cè)試儀、信號(hào)發(fā)生器和功率放大器等，可用于實(shí)驗(yàn)室生物信號(hào)的測(cè)試。圖4為使用Dewesoft動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集儀和拉力傳感器測(cè)試手指拉力。

圖4 DeweSoft動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集儀手指拉力測(cè)試

綜上，動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試裝置可滿(mǎn)足對(duì)所需信號(hào)進(jìn)行較為精準(zhǔn)測(cè)試的需求，但如何將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)應(yīng)用到臨床實(shí)踐和指導(dǎo)仿真建模，還需要進(jìn)一步探索。目前已研發(fā)的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器多為體外使用，而在體實(shí)驗(yàn)研究困難。若要測(cè)量體內(nèi)組織的生物力學(xué)特性，一要考慮測(cè)量?jī)x器的尺寸，尺寸必須足夠微小，實(shí)現(xiàn)被試者在測(cè)量過(guò)程中的舒適性；二要考慮測(cè)量?jī)x器的材料性質(zhì)，必須滿(mǎn)足儀器材料和人體組織的生物相容性，實(shí)現(xiàn)被試者在測(cè)量過(guò)程中的安全性。未來(lái)，研究者們需克服在體實(shí)驗(yàn)的難題，同時(shí)建立一個(gè)完善的生物力學(xué)大數(shù)據(jù)庫(kù)，為更深入研究人體生物力學(xué)和臨床上疾病的治療提供幫助。

6 總結(jié)展望

本綜述回顧了生物力學(xué)學(xué)科的產(chǎn)生及發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述人體下肢中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了有限元仿真技術(shù)和生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀，指出未來(lái)下肢生物力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)：

(1)目前對(duì)不同狀態(tài)下的下肢生物力學(xué)特性研究已較為豐富，但肌肉、韌帶對(duì)關(guān)節(jié)的作用力的研究仍有不足，值得進(jìn)一步探索；

(2)有限元仿真技術(shù)能夠模擬不同工況下組織內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變，但模擬得到的數(shù)據(jù)是否和人體內(nèi)最真實(shí)的力學(xué)變化相符合，還需要用生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；

(3)動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試裝置能對(duì)研究信號(hào)進(jìn)行較為精準(zhǔn)的測(cè)試，如何將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)應(yīng)用到臨床實(shí)踐和指導(dǎo)仿真建模，還需要進(jìn)一步發(fā)展；

(4)生物力學(xué)體外實(shí)驗(yàn)研究較豐富，但由于測(cè)量?jī)x器的尺寸和材料問(wèn)題，在體實(shí)驗(yàn)研究還較少，未來(lái)需解決在體實(shí)驗(yàn)的困難；

(5)增加研究樣本量，建立完善的生物力學(xué)大數(shù)據(jù)庫(kù)，為人類(lèi)健康提供數(shù)據(jù)支持。