第三章运动学
第一节运动生物力学
人体的肌肉骨骼系统从根本上说,是一个复杂的力学系统。其中骨骼为力学支柱,除支撑起人的外形,还承受着体重,并为肌肉活动提供动力联系和附着点。但骨骼本身不能运动,需依赖肌肉的牵引及关节的转动。其运动规律属于运动学范畴,虽然较为复杂,但其运动方式仍然遵循力学的基本规律。其中研究生物体力学规律的学科为生物力学(biomechanics)。
一、生物力学的基本概念
1.定义生物力学是应用力学原理和方法,结合生理学、医学及生物学对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支。其中骨骼生物力学的研究对象包括骨、软骨、韧带、半月板、滑液以及肌腱等组织,研究内容为上述组织中力、力矩与组织运动和变形之间的关系。人体生物摩擦学的研究内容中包括有关节面之间相对运动所带来的摩擦及损伤机制。
2.人体力学人体力学是用力的观点、方法定量描述、研究人体组织和器官力学的医学科学。运动治疗作为康复治疗的主要方法,即以人体力学为基础,通过活动达到增强肌力,改善关节活动范围,提高心、肺代谢等功能,促进神经功能恢复等效果,决定其有效性的主要因素是骨骼系统对力的耐受性及其活动性。
3.内力和外力人体经常受外力和内力这两大类力的影响。外力是指外界环境作用于人体的力,包括重力、支撑反作用力、流体作用力、摩擦力、机械阻力等;内力是指人体内部各组织器官间相互作用的力。包括肌肉收缩力、组织器官间的被动阻力、内脏器官的摩擦力、内脏器官和固装置间的阻力体液在管道内流动时产生的流体阻力等。
4.骨骼力学
(1)矢量和力:矢量(vector)通常被标示为一个带箭头的线段,线段的长度表示矢量的大小,矢量的方向为箭头所指的方向。力是矢量的一种,存在大小与方向。
(2)力矩与力偶:力矩(moment)是力使物体绕着转动轴或支点产生转动作用的物理量,其大小为距离乘以作用力。力矩的单位为牛顿·米(Nm)。力矩的大小也称扭力。力矩的方向由右手螺旋法则确定,即右手手指指向力的转动方向时,大拇指所指方向为力矩方向。
力偶矩(couplemoment,)是大小相等、方向相反,但作用线不在同一直线上的一对力所产生的力矩,其能使物体产生纯转动效应。例如,双手旋转方向盘、用示指和拇指旋开瓶盖等。
(3)应力和应变:应力(stress)是在单位面积上的作用力。当物体受外力作用而发生的形状和大小改变称变形(deformation)。物体的形变是受到外力作用的结果,应力相对应的形变不是绝对改变而是相对改变,物体在内部应力作用下发生的形变和大小的相对变化称应变(strain)。在一定的形变限度内,物体在解除外力后能够完全恢复原状的变形称弹性形变(elasticdeformation),其基本形式分为长度形变、体积形变和形状形变。
(4)弹性模量(modulusofelasticity):应力除以应变即为弹性模量,是描述物质弹性的一个物理量。在物体的弹性限度内应力与应变的比值称为该物体的杨氏模量(Young\\\\\\\\\smodulus)。其大小标志了材料的刚性,杨氏模量越大,越不容易发生形变。
(5)刚体(rigidbody):是指在外力作用下,物体的形状与大小均不发生改变的物体。理论上,刚体在任何载荷下都不会发生变形。但在实际研究中,当制定载荷下研究中的某些部分的变形量与其他部分的变形量相比极其微小、可忽略不计时,即可将该部分视为刚体。如在腰椎的运动中,与椎间盘、韧带、关节囊相比,椎体的变形量极小,则椎体即可被视为刚体,而椎间盘等则被视为塑性物体(plasticbody)。
5.静力学(statics)当作用于物体上的合力或合力力矩为零时,物体没有线加速度和角加速度,此时物体保持平衡、静止或匀速运动,称静力学平衡。静力学平衡可分析作用处于静态系统上所有力的平衡问题
6.动力学(dynamics)
(1)动力学状态:一个力作用于物体,会加速物体的运动,改变物体的运动速度,此为非平衡状态,也称动力学状态。
(2)线加速度和角加速度:速度是指一定时间内物体位置的改变,其本质是矢量,具有大小和方向,故速度的改变可以意味着方向的改变或大小的改变,又或者二者均有变化。如果力所产生的加速度是沿速度原有的直线方向,则称为线加速度,而由扭力所产生的会产生绕轴旋转的加速度,则称加速度。
7.骨骼运动学
(1)平动和转动:当物体上的所有点均沿同一个方向运动时,则称该物体在进行平动(translation);如果刚体上的两点朝两个不同方向进行运动,则称该物体的运动既有平动也有转动(rotation)。通常来说,任何刚体的运动都可以视作平动和转动的复合。
(2)关节面的相对运动:关节表面之间的相对运动常常存在束缚,这是由关节面的几何形状及其周围肌肉和韧带的约束所导致的。相对于关节的整体运动来说,两关节面之间的分离运动是很小的
(3)摩擦:摩擦是两接触物体间相对滑动的抵抗,分为两类:一类为表面摩擦,缘于两接触物体表面之间润滑膜的黏性剪切作用或两表面间因粗糙所致的相互吸附作用;另一类为体积摩擦,又称内摩擦,由材料或黏滑液内能的耗散机制所致。对关节软骨来说,软骨间隙液流过。多孔的可深渗透性的固体基质时所引起的摩擦阻力会产生内摩擦。当载荷沿活动关节的关节面移动时,关节液的流动会产生犁沟式摩擦,此摩擦为内摩擦的一种特殊形式。
二.骨骼生物力学
1.骨骼生物力学
(1)骨骼的组成:骨骼系统是人体重要的力学支柱,不仅承受着各种载荷,还为肌肉提供可靠的动力联系和附着点。
骨骼由骨组织和骨膜构成。骨组织是由细胞和矿化的细胞间质(骨基质)组成。其细胞包括骨原细胞、成骨细胞、骨细胞和破骨细胞4种类型,分别具有分化成多种相关细胞、接受体内激素刺激、分泌和合成多种有机成分、溶骨、感受骨组织局部应变、等作用。而矿化的细胞间质又称骨基质或骨质,由有机成分及无机成分组成,含水很少。其有机成分是由成骨细胞分泌形成,主要为胶原纤维;无机成分又称骨盐,主要为羟磷灰石结晶。除关节面外,骨的内、外表面均被覆一层致密结缔组织的骨膜,不仅能营养、保护骨组织,还在骨的生长、改建和修复中具有重要作用。根据内部结构的不同,骨可分为密质骨和松质骨,其中密质骨的主要功能是机械和保护,松质骨为代谢。人体中骨骼根据其所在位置、功能的不同由上述两种骨共同组成。
(2)骨的力学性能:骨细胞是骨生物活性的来源。胶原纤维通过黏蛋白的胶合作用形成网状的支架,其中微小的羟磷灰石晶粒充填于内并牢固地附着于纤维表面,形成的这种结构除具有较好的弹性和韧性外,还会具有较大的强度和刚度。胶原纤维进行平行有序的排列后与基质结成片状结构即形成骨板,是形成密质骨的基本单元。而胶原纤维与基质交错无序地进行贴附,则形成棒状骨小梁,此为形成松质骨的基本单元。
骨受力后产生的内部效应往往用应力和应变来描述。当外力作用于骨时,骨以变形来产生内部的抗力,即为骨的应力,其大小为作用于骨截面上的外力与骨截面面积之比,单位是帕(Pa)或兆帕(MPa),即牛顿/平方米。骨应变是指骨在外力作用下的变形,大小为骨受力后长度的变化量与原长度之比,一般以百分比表示。骨的力学性质受人的年龄、性别、部位、锻炼等因素的影响。
(3)骨的变形:骨变形中最为常见的是弯曲和扭转,弯曲(banding)是线应变沿特定方向上的连续变化,扭转(torsion)是角应变沿特定方向上的连续变化。骨骼的力学性能经由其层状结构得到充分发挥。从受力情况来分析,长骨的两端由关节固定,若其中部受到垂直于其长轴的力,则骨的长度伸长并发生弯曲,此时与两端的关节固定点形成相反的平行力,越靠近骨皮质部应力越大。当受到扭转力作用时,情况也是如此,骨的一部分可看作一个圆柱体,当该圆柱的断面因受一对方向相反、大小相等的力矩作用而出现角应变时,圆柱体轴心的应变及剪应力为零,其表面所受的力最大,也就是说骨皮质部受的力最大,而骨皮质是骨骼中最坚硬的部位,其抗压、扭转力最强。
2.应力对骨生长的作用
(1)骨的再生和修复:骨是一种能再生(regeneration)和修复(repair)的生物活性材料,有机体内的骨处于增殖与再吸收两种相反过程中,上述过程受诸多因素的影响,如性别、年龄、某些激素水平以及所受应力等。研究表明,所有骨骼都有其特定的最适宜的应力范围,所受应力过高或过低都会加速其吸收。如瘫痪患者,其骨骼长期缺乏应力作刺激,骨的吸收加快,故而产生骨质疏松;长期失重也会使骨钙丢失,产生骨质疏松;反复承受高应力作用,骨膜下则出现骨质增生。
(2)应力与骨折愈合:骨折后的骨愈合需形成骨痂(callus),而形成骨痂需要应力的作用。应力作用下,羟磷灰石结晶的溶解增加,发生应变的骨组织间隙液里的钙离子浓度增加,无机晶体的沉积增加。骨的重建是骨对应力的适应过程,即骨在需要承受应力的部位生长,而在不需要的部位吸收。骨折后适当的应力刺激可加速骨折愈合。制动或活动减少时,骨骼缺乏应力刺激,骨膜下骨质被吸收,骨的强度降低。当骨折处使用钢板内固定时,载荷通过钢板进行传递,使固定范围内的骨骼受到的应力刺激减少,而出现骨骼直径缩小及抗扭转能力的下降。
3.骨痂的生物力学特性
骨折愈合后骨骼的机械力学特性由愈合处骨痂的物理特性和几何特性决定,骨强度的恢复与连接骨折处新骨形成的数量有关,而骨痂强度与其局部钙的含量有关。骨折部位无论使用何种方式固定,在负荷的作用下,局部骨折处都会发生一定程度的运动,会影响到骨折修复后的形态。在骨折愈合早期,骨折处形成的肉芽组织能很好地耐受骨折处应力的变化。骨折断端紧密相连且机械稳定时,软骨形成的数量极少,骨折处会产生一层薄骨痂。而如骨折断端未能获得机械稳定性,则早期的骨痂在断端间不能形成桥接,而是形成丰富的软骨骨痂,这些软骨骨痂往往会随着稳定性的加强,通过软骨内骨化方式转变成骨。如果骨折的间隙较大,未具备足够的稳定性,就会因为纤维组织的存在或者纤维软骨骨痂不能顺利转变至成骨性骨痴组织,导致骨折不愈合。
三、关节生物力学
骨与骨之间借纤维组织、软骨或骨组织以一定的方式相互连接组成的结构称关节(jint,lation).根据骨间连接组织的不同和关节活动的差异,可将关节分为动关节和不动关节两类。动关节(diarthrosis)是指具有明显活动性的关节,包括两种:一种是滑膜连接,这种关节具有很大的活动性,通常所说的关节即指这种关节;另一种是联合关节,如耻骨联合和椎间连接,这种关节具有一定程度的活动性,但活动幅度较滑膜连接要小,故也称微动关节。不动关节(synarthrosis)是指没有活动性或活动性极小的关节,包括纤维性连接、软骨性连接和骨性连接3种。
1.滑膜连接滑膜连接是一种高度特化的关节形式,是肢体运动中最重要的关节类型其基本结构包括关节面、关节囊和关节腔。其中关节面上有一薄层软骨覆盖,称关节软骨。两骨间通过纤维性结缔组织即关节囊相连接,关节囊内层光滑,称滑膜,滑膜产生滑液以润滑关节和营养关节内结构
2.椎间连接相邻两椎体之间的连接结构为椎间连接,称椎间盘,由透明软骨终板、纤维环和髓核构成。其中透明软骨终板覆盖在每个椎体上下两面,髓核及纤维环位于两椎体之间年轻人的髓核含水量约85%,随年龄增长及椎间盘退变,水分可逐渐将至70%。髓核为柔软而有弹性的胶状物质,位于椎间盘的中心区。纤维环则由多层纤维软骨板以同心圆的形式排列而成,其韧性大,牢固连接各椎体的上下面,保护髓核并限制髓核向周围膨出
椎间盘由胶冻状的髓核和纤维环形成封闭的有一定压力的内环境,其功能有:保持脊柱的高度;联结椎间盘的上下两椎体,并使椎体有一定的活动度,使椎体表面承受相同的压力;对纵向负荷起缓冲作用;维持后方关节突间一定的距离和高度,保持椎间孔的大小;维持脊柱的生理曲度。
四、骨与关节的运动
骨骼运动会产生相应的关节运动,骨骼运动有两种基本形式:围绕关节的旋转和线形位移。骨骼围绕关节的旋转会产生关节的滚动滑动,线形位移产生关节的滑行(slip)、牵引(traction)、压缩(
推荐文章
热点文章
