人體慣性參數(shù)的研究進(jìn)展

人體慣性參數(shù)的研究進(jìn)展

人體慣性參數(shù)是指在開(kāi)展生物力學(xué)分析、工作效率研究、航天服設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)人體平臺(tái)設(shè)計(jì)等工作所需的人體基本原理。我國(guó)當(dāng)前各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)行業(yè)所使用的仍然是外國(guó)人的參數(shù)。大量事實(shí)說(shuō)明中國(guó)人與外國(guó)人的體態(tài)有較大的差異。為此國(guó)家體委組織了清華大學(xué)、吉林大學(xué)和國(guó)家體育總局科研所共同進(jìn)行“中國(guó)正常成年人體慣性參數(shù)的測(cè)定和樣本統(tǒng)計(jì)”的研究,取得了重大的成果,從而使中國(guó)人有了自己的人體慣性參數(shù)。中國(guó)成年人人體質(zhì)心國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已于1996年正式著手制定,于1998年正式頒布。本文利用活體的實(shí)際測(cè)量來(lái)比較中國(guó)正常人體慣性參數(shù)與國(guó)外人體慣性參數(shù)所計(jì)算人體總重心位置的差異。限于實(shí)驗(yàn)條件,本研究采用了重心實(shí)測(cè)值與用中國(guó)人體慣性參數(shù)計(jì)算值以及國(guó)外參數(shù)計(jì)算值相比較的方法進(jìn)行研究。1研究對(duì)象和方法1.1測(cè)試對(duì)象男子37人,平均年齡22.8歲,平均身高177.25cm,平均體重70.37kg。1.2測(cè)量尺、體重計(jì)一維重心測(cè)定板:國(guó)家教委鑒定合格,精確度1%。人體測(cè)量尺:國(guó)家體委鑒制,最小刻度1mm。體重計(jì):為杠桿稱(chēng),國(guó)家體委監(jiān)制,精確度1%。身高坐高計(jì):國(guó)家體委監(jiān)制,最小刻度1mm。1.3測(cè)試測(cè)試1.3.1足身高度540水平受試者赤足,測(cè)試前對(duì)身高坐高計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。受試者取自然立正姿勢(shì)站在底板上(兩臂自然下垂,足跟靠攏,足尖分開(kāi)約30～40°),按照“三點(diǎn)靠立柱,兩點(diǎn)呈水平”的測(cè)量姿勢(shì)要求進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試者將水平壓板下滑,輕壓其頭頂點(diǎn),兩眼與壓板呈水平位讀數(shù)。多次測(cè)量取其平均值,填入測(cè)量表中。應(yīng)注意身高計(jì)選擇平坦靠墻的地方放置,立柱的刻度尺應(yīng)向光源。1.3.2測(cè)試者為善意且無(wú)回應(yīng)的“如何看”讓受試者只穿泳褲。測(cè)試前,稱(chēng)放在平坦地面上,調(diào)零,標(biāo)定。令受試者輕上,立于稱(chēng)中央。測(cè)試者放置適當(dāng)?shù)捻来a并移動(dòng)游碼至刻度尺穩(wěn)定在水平后,讀數(shù)。測(cè)量誤差不得超過(guò)0.1kg。多次測(cè)量,取其平均值,填入測(cè)量表中。1.3.3人體環(huán)節(jié)的測(cè)量測(cè)試前,調(diào)試好重心測(cè)定板,受試者以標(biāo)準(zhǔn)的解剖姿勢(shì),兩足緊貼抵趾板,足背屈,仰臥平衡板上,重心板測(cè)人體總重心示意圖系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)讀取磅秤讀數(shù)。多次測(cè)量,取其平均值,填入測(cè)量表中。應(yīng)注意平衡板選擇水平地放置,讓受試者上、下平衡板時(shí)動(dòng)作要輕。人體環(huán)節(jié)的測(cè)量讓受試者只穿泳褲呈標(biāo)準(zhǔn)的解剖姿勢(shì)站好,根據(jù)中國(guó)參數(shù)和國(guó)外各參數(shù)關(guān)于環(huán)節(jié)劃分和環(huán)節(jié)分界點(diǎn)體表骨性標(biāo)志的各自圖要求,在教師的指導(dǎo),在人體骨性標(biāo)志點(diǎn)上作上記號(hào),用人體測(cè)量尺精確測(cè)出各環(huán)節(jié)長(zhǎng)度及各骨性標(biāo)志點(diǎn)至腳底面的距離。多次測(cè)量,取其平均值,分別填入各環(huán)節(jié)測(cè)量表。1.4計(jì)算內(nèi)容1.4.1人體總重心的計(jì)算人體呈標(biāo)準(zhǔn)解剖姿勢(shì)站立,以腳底面為原點(diǎn)建立X—O—Y坐標(biāo)系,根據(jù)分析法計(jì)算人體總重心原理(各力矩之和等于相對(duì)于同一軸的合力矩),用計(jì)算機(jī)C語(yǔ)言分別編出計(jì)算人體總重心的五組程序。1.4.2組m0l/gl0及相對(duì)絕對(duì)高度l/gl0的計(jì)算實(shí)測(cè)重心的計(jì)算采用如下公式L0=(M-M0)L/GL0為重心絕對(duì)高度,L為兩支點(diǎn)的距離(AB),G為體重,M為人躺在板上后磅秤的讀數(shù),M0為空板時(shí)磅秤的讀數(shù)。1.4.3相位高度根據(jù)公式H=L0/h(H重心相對(duì)高度,h為身高)用計(jì)算機(jī)C語(yǔ)言編制一組程序。1.4.4統(tǒng)計(jì)處理運(yùn)用計(jì)算機(jī)SPSS/PC+數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。2結(jié)果與分析2.1中國(guó)青年生活中的環(huán)境特征該參數(shù)是在國(guó)家體育總局支持下,清華大學(xué)、吉林大學(xué)、國(guó)家體育總局科研所研究組用了近7年時(shí)間在國(guó)際上首次采用CT法,對(duì)中國(guó)青年人人體慣性參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,全面描述了中國(guó)青年人的體態(tài)特征。它吸取國(guó)外同類(lèi)研究的優(yōu)點(diǎn),并從中國(guó)實(shí)際情況出發(fā)獲得的(表1)。2.2人體慣性參數(shù)該參數(shù)是通過(guò)解剖3具尸體得到的。它是我國(guó)運(yùn)用最早的人體慣性參數(shù)。該參數(shù)呂維加等驗(yàn)證人體質(zhì)心位置由環(huán)節(jié)參數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差較小,在1cm之內(nèi)。均有顯著意義(表2)。2.3國(guó)外參數(shù)的區(qū)分該參數(shù)是通過(guò)人體形態(tài)測(cè)量及x射線攝影來(lái)獲得數(shù)據(jù)的。它是目前唯一將男、女的環(huán)節(jié)參數(shù)加以區(qū)分的國(guó)外參數(shù),而且是第一份亞洲人材料,它在我國(guó)已被普遍采用。需要說(shuō)明的是該參數(shù)先把人體分成15個(gè)環(huán)節(jié),并將各環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化成各種幾何圖形,然后用x射線攝影來(lái)確定各環(huán)節(jié)的肌肉、骨骼體積,最終建立人體模型,用模型計(jì)算得到數(shù)據(jù)(表3)。2.4檢查熱相關(guān)的參數(shù)該參數(shù)同錢(qián)德勒參數(shù)均由美國(guó)中、老年男性尸體測(cè)量而得,兩組數(shù)據(jù)中,美國(guó)生物力學(xué)家詹姆斯.海認(rèn)為克勞塞參數(shù)最適宜進(jìn)行運(yùn)動(dòng)技術(shù)的分析(這也是本文沒(méi)有使用錢(qián)德勒參數(shù)的原因)。它是由解剖測(cè)量13具尸體得到的,并且詳細(xì)地引證美國(guó)國(guó)家技術(shù)情報(bào)服務(wù)處發(fā)表的“人體慣性性質(zhì)的研究”材料(表4)。2.5人體慣性參數(shù)分析該參數(shù)是直接由100名運(yùn)動(dòng)員通過(guò)r射線掃描獲得。通過(guò)放射性同位素掃描法求人體慣性參數(shù)是目前唯一可運(yùn)用于活體的方法。樣本量大,且這組數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)重量均由二項(xiàng)回歸方程推出(身高、體重),這使數(shù)據(jù)更加具體化,可反映不同人的特征(表5)。2.6中國(guó)參數(shù)國(guó)外各國(guó)參數(shù)及實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析2.6.1相關(guān)系數(shù)的選取各國(guó)參數(shù)(按表的順序)與實(shí)測(cè)值相差分別為0.4581cm,1.4568cm,1.9619cm,5.4081cm,1.1015cm。從中可得中國(guó)參數(shù)更適合中國(guó)人本身。國(guó)外參數(shù)的研究結(jié)果與呂維加等人的結(jié)果幾乎一致,其中扎氏參數(shù)較適合于我國(guó)情況。差異小于±1.2cm,本文差異為1.1015cm。除克勞塞參數(shù)外,各國(guó)參數(shù)所計(jì)算的重心絕對(duì)高度都低于實(shí)測(cè)值,但中國(guó)參數(shù)低得最少。統(tǒng)計(jì)處理證明:相關(guān)系數(shù)中國(guó)參數(shù)(R=0.989)>扎氏參數(shù)(R=0.982)>布拉溫-菲舍爾參數(shù)(R=0.978)>松井秀治參數(shù)(R=0.976)>克勞塞參數(shù)(R=0.918)。中國(guó)參數(shù)的T檢驗(yàn)無(wú)顯著性意義(P=0.197>0.05)而其余各國(guó)參數(shù)的T檢驗(yàn)有顯著性意義.扎氏參數(shù)(P=0.008<0.05),松井秀治參數(shù)(P=0.000<0.05),克勞塞參數(shù)(P=0.000<0.05),布拉溫-菲舍爾參數(shù)(P=0.005<0.05)。故中國(guó)參數(shù)比國(guó)外各國(guó)參數(shù)更接近真實(shí)值(表1、表2、表3、表4、表5)。2.6.2各國(guó)參數(shù)的t檢驗(yàn)國(guó)外各國(guó)參數(shù)都不如中國(guó)參數(shù)更接近真實(shí)值。統(tǒng)計(jì)處理證明:中國(guó)參數(shù)的T檢驗(yàn)無(wú)顯著性意義(P=0.219>0.05),而其余各國(guó)參數(shù)的T檢驗(yàn)有顯著性意義。布拉溫—菲舍爾參數(shù)(P=0.004<0.05),松井秀治參數(shù)(P=0.000<0.05),克勞塞參數(shù)(P=0.000<0.05),扎氏參數(shù)(P=0.009<0.05)。故中國(guó)參數(shù)比國(guó)外各國(guó)參數(shù)更接近真實(shí)值(表1、表2、表3、表4、表5)。3人體慣性參數(shù)的比較1)與呂維加等人的研究相一致,扎氏參數(shù)比其它國(guó)外參數(shù)較適合于中國(guó)情況;但中國(guó)人體參數(shù)比扎氏參數(shù)更適合于中國(guó)的情況,這種差異性充分體現(xiàn)