第三章 骨、肌肉的运动.doc

第三章 骨、关节、肌肉的生物力学（李树屏）生命在于运动。人体的运动的特点是，在意识控制下，一方面遵循力学的普遍规律，另一方面具有其特殊的复杂性。人体的运动的“硬件”是以骨骼为杠杆，关节为枢纽，肌肉收缩为动力的运动系统。这个运动系统受神经中枢“软件”的控制，通过内力和外力的相互作用，完成目标动作和适应外界环境变化。这是人体运动训练可行性的重要基础。本章从力学结构及运动对这些运动器官的影响两个方面介绍骨、关节、肌肉的生物力学特性。第一节 骨的生物力学人体共有206块骨，其功能是对人体起支持、运动和保护的作用。骨按形状可分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨等。骨的外部形态和内部结构不论是从解剖学还是生物力学的角度来看，都是十分复杂的。这种复杂性是由骨的功能适应性所决定的。骨的功能适应性，是指对所担负工作的适应能力。从力学观点来看，骨是理想的等强度优化结构。它不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷（力）的优越性，而且在外力条件发生变化时，能通过内部调整，以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。越是深入了解人体骨的特性，就越是为其优良的受力结构感到惊叹。制造出这种“智能“型的材料和结构，一直是科学工作者孜孜以求的目标。一、骨的生物力学特征（一）骨对外力作用的反应1骨对简单（单纯）外力作用的反应根据外力作用的不同，人体骨骼的受力形式可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷几种形式（图1-1）。这些载荷会在骨内产生拉应力、压应力和剪应力，相应产生拉应变（伸长）、压应变（缩短）和剪应变（截面错位），对骨的结构造成不同的影响。应力：单位面积所受的力。应变：受力条件下单位长度或单位面积的变化量。图1-1（1）拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。例，单杠悬垂时上肢骨的受力。（2）压缩：压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。例，举重举起后上肢和下肢骨的受力。（3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。在弯曲负荷下，骨骼内不同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“。例，负重弯举（杠铃）时前臂的受力。（4）剪切：标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动（剪切）的趋势（图1-1），在骨骼内部的剪切面产生剪应力。例，人体运动小腿制动时，股骨髁在胫骨平台上的滑动产生剪应力。（5）扭转：骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷，在骨的内部产生剪应力。例，掷铁饼出手时支撑腿的受力。2骨对复合（实际）外力作用的反应在人体运动中，受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见，大量出现的是复合载荷。复合载荷即是同时受到上述两个或两个以上的载荷作用。图1-2，1-3分别显示了行走和小跑时成人胫骨前内侧面的应力。正常行走时，足跟着地时为压应力，支撑阶段为拉应力，足离地时为压应力。在步态周期的后部分出现较高的剪应力，表示存在显著的扭转载荷，提示在支撑时相和足趾离地时相胫骨外旋（图1-2）。慢跑时的应力方式完全不同。在足趾着地时先是压应力，继而在离地时转为高拉应力，而剪应力在整个支撑期间一直较小，表明扭转载荷很小（图1-3）。图1-2行走时胫骨前内侧骨密质的应力值。HS-足跟着地；FF-全足平放；HO-足跟离地；TO-足趾离地；S-摆动。图1-3慢跑时胫骨前内侧骨密质的应力值。TS-足趾着地；TO-足趾离地。（二）骨结构的生物力学特征 骨的结构被广泛认为通过进化过程得到了最优化的设计：即在特定的载荷环境下得到重量最轻的结构。结构优化设计理论主要包括：a）均匀强度分布，即在特定的加载条件下，材料的每一部分受到的最大应力相同。b）轨道结构理论（壳形结构），即只在力的承受及传递的路径上使用材料，而在其它地方是空洞。以下从结构优化的角度分三个方面介绍骨结构的生物力学特征。1各向异性由骨内部解剖结构易见骨是一种复合材料结构。复合材料结构的特点就是各向异性，即其力学性能具有较强的对成分和结构的依赖性。复合材料的力学特性，包括扬氏模量、剪切模量、粘弹性、极限盈利应变等，不仅与其物质成分有关，而且与其结构有关。这个结构关系包括各成分的几何形状，纤维与基质之间的结合，纤维接触点的结合等。人们很早就发现，人密质骨的横向（径向或切向）试件的压缩模量约为纵向试件的56%。应该注意的是，同一块骨的不同部分的力学性能是有差别的。如长骨在其管状部分的强度最高。图1-4绘出了股骨密度和强度的等高线。图1-4（b）、（c）、（d）分别为股骨曲面力学性能的展开图。图上方字母A以下的部分表示股骨的前部，P以下的部分表示股骨的后部，L和M分别为外侧和内侧。图 1-4 由图1-4可见，股骨最强之处在上三分之一处的外侧。同时，即使是骨的某一点上，各个方向的力学性能也不相同。即具有明显的各向异性。例如长骨主要承受的是轴向的压力，因此沿轴向具有较高的强度和弹性模量。从显微组织分析来看，针状的无机盐晶体和骨胶原纤维主要是沿纵向排列。其中较少一部分沿周向排列。其主要作用是联系和约束纵向纤维，使纵向纤维在压缩和弯曲载荷的作用下不会失稳。2壳形（管形）结构分析表明，骨以其合理的截面和外形而成为一个优良的承力结构。下面以长骨为例加以说明。（1）弯曲载荷下长骨结构的优化对骨的应力，可以用对建筑物梁的应力一样的方法来分析。图1-5（a）是一条两端支持的横梁，在梁的中间加一向下的力，则横梁受到弯曲载荷，会在横梁的顶部产生压应力，底部产生拉应力，越往中部应力越小。一般来说，任何型式的梁的中部都受到很小的应力。为此通常都用一工字形截面的横梁作为建筑物的支持梁（如：铁轨），即截面两端厚中间薄（图1-5（b），可以节省材料。如果作用力可能来自任何一个方向话，可用一个空心圆柱梁，这样就可以用最少的材料而获得最大的强度（图1-5（c）。这种空心横梁和同结构的实心梁具有同样的的强度，而可节省约四分之一的材料。人体的长骨，如股骨，胫骨，肱骨等，都是中空的结构，都有可能受到来自任何一个方向的力的作用，因此长骨的空心结构是较完善地适宜于支持作用的。图1-5在弯曲载荷下，弯曲变形最大的部分往往在骨的中部。而较高强度的骨密质在长骨的中部最厚，在两端较薄，正好适应受力的需要，可见这个设计是高质量的。（2）扭转载荷下长骨结构的优化图1-6是将胫骨横截面与工字形梁这一理想的抗弯截面进行比较。可以看到，在承受y-y轴的弯曲载荷时，骨截面就像工字梁截面一样，大部分材料远离中性轴。如果在考虑到骨还将承受绕x-x轴的弯曲载荷和绕纵轴的扭转载荷（在截面上产生剪应力，其大小也是与其到截面中心的距离成正比），这同样说明了长骨中空的结构是一个优化的结构。图1-63均匀强度分布骨具有强度大，重量轻的特点（表1-1）。如果引入比强度（极限（最高）强度除以比重）和比刚度（弹性模量除以比重）的概念，则可以见到骨的比强度接近于工程上常用的低碳钢，而骨的比刚度可达到低碳钢的三分之一。表1-1 人体胫骨与其他材料的强度比较骨的内部组织情况也显示骨是一个合理的承力结构。根据对骨骼综合受力情况的分析，凡是骨骼中应力大的区域，也正好配上了其强度高的区域。图1-8给出了人下肢骨的应力分布曲线，骨小梁的排列与此十分相近。可见骨能以较大密度和较高强度的材料配置在高应力区，说明虽然骨的外形很不规则，内部材料分布又很不均匀，但却是一个理想的等强度最优结构。骨小梁在长骨的两端分布比较密集，其优点有二：一是当长骨承受压力时，骨小梁可以在提供足够强度的条件下使用比骨密质较少的材料。二是由于骨小梁相当柔软，当牵涉到大作用力时，例如步行、跑步及跳跃情况下，骨小梁能够吸收较多的能量。图1-8图1-9 给出了工程承力结构和人体上肢长骨结构的受力情况比较。可以见到尺骨受载荷P作用时，其各个截面上的弯矩数值均很小。体现了强度均匀分布的优化结构。图1-9二、运动对骨的力学性能的影响 人体从出生后骨骼所受的外力，即使骨产生形变的外源性机械力可概括为内源性肌肉收缩力与外源性反作用力。这些力对骨生长发育的调控主要通过调节软骨内生长与骨化、关节软骨的发育、以及软骨周缘/ 骨膜的骨化和软骨内成骨。研究揭示，力学信号激活骨细胞网络通路而成骨。尤其在达到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形态结构。在分子水平上，借助对力学易感基因的调控，调节细胞与基质局部力学生物学通路，经基因转录、翻译与翻译后修饰- 力学转导信号网络，诱导成骨细胞的分化和成骨。 从生物力学的角度来看，经常进行运动训练或体育锻炼，相当于营造一个新的骨的受力环境（条件）。根据骨的功能适应性原理，骨不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷（力）的优越性，而且在外力条件发生变化时，能通过内部调整，以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。运动对骨的影响，也就是骨对对特定环境下力的变化的功能适应性的表现。决定骨的功能适应性的因素除了外部形态之外，还有截面形状，材料沿各方向的分布规律，内部结构等。（一） 适宜应力对骨的力学性能的良好影响1体育锻炼对骨的力学性能的良好影响 综合目前研究结果，机械力学信号可转化成促进成骨的生化信号。体育运动对未成年骨骼的影响表现为促进峰值骨量的增加，对成年骨骼的影响表现为一定程度的骨量增加或保持骨量，对绝经后妇女或老年人骨骼的影响在于尽量减少骨量的丢失速度。长期坚持体育锻炼，可使骨密质增厚，骨变粗，骨面肌肉附着处突起明显，骨小梁的排列根据拉（张）应力和压应力的方向排列更加整齐而有规律。这是由于骨的新陈代谢加强，骨的血液循环得到改善，从而在形态结构上产生良好的结果。随着形态结构的变化，骨变得更加粗壮和坚固，抗弯曲、抗压缩和抗扭转载荷的能力都有提高。当体育锻炼停止后，骨所获得的变化就会慢慢消失。因此，体育锻炼应经常化，锻炼的项目要多样化。专项训练与全面训练相结合。2不同运动项目对骨的力学性能的影响大量横向和纵向研究表明，负重和冲击性体育运动项目（如跑、跳、投、田径项目、网球和垒球等球类项目）均有助于增加峰值骨量。研究显示，负重运动如跑步可显著增加下肢骨密度，而对非负重的前臂则无影响。网球运动员击球臂骨投射密度增加，用定量CT 测定后发现，运动训练效果主要是使松质骨结构与密度得以改善与提高，能有效增加骨干横断面或横断面惯量矩（骨壁增厚和骨径的增大）。研究表明，体育锻炼的项目不同，对人体各部分骨的影响也不同。经常从事下肢活动的跑、跳项目的运动员，对下肢骨影响较大，对上肢骨影响较小。而经常练习举重的运动员，对上肢和下肢的影响都较大。又如从事多年训练的跳远运动员，踏跳脚的第二跖骨直径增大，芭蕾舞演员的第二、第三跖骨的骨密质，足球运动员第一跖骨的骨密质都有增厚。拳击运动员桡骨骨密质也明显增厚。表1-2运动训练对不同项目运动元肱骨和股骨结构的影响3适宜应力原则骨骼对体育运动的生物力学适应性本质上是骨骼系统对机械力信号（应力）的应变。有利的运动负荷及强度导致的骨应变会诱导骨量增加和骨的结构改善；应变过大则造成骨组织微损伤和出现疲劳性骨折，应变过小或出现废用则导致骨质流失过快。因此对骨存在一个最佳的合适应力范围。周期性超强度运动训练可能导致骨微细结构的破坏。这些骨的微损伤随时间不断累积（常见于军事野营训练军人和长跑运动员），如得不到改建修复可导致骨强度下降，甚至发生疲劳性骨折。理论和实验研究提示，诱导骨改建的重要机制是微骨裂诱导骨质改建单位（BMU）的形成，即许多参与局部改建的细胞群形成所谓的切割圆锥，其功能形式表现为激活、骨质吸收及成型。此外，青少年女性运动员过量运动训练会导致经期紊乱，月经失调，造成与激素相关的骨量和骨密度下降。研究表明过量运动会导致对骨形成的抑制。儿童少年时期的骨新陈代谢旺盛。这个时期进行合理的体育锻炼，更能促进骨的生长。相反，会使骨朝不正常的方向发展。动物实验证明，生长发育中的小白鼠在大负荷和大强度运动量下，骨骼较细和较短小，重量较轻。而在负荷较小，运动量较合适的的情况下，骨的重量、长度和粗度的数据都较不运动的对照组要大。骨骼的废用（如卧床、肢体固定或失重）对骨的影响也应受到重视。事实上，大量研究已证实骨骼废用使骨密度下降和骨结构受损的速度远比体育锻炼对骨的有益影响快得多，而且恢复时间长且困难。一旦发生由于上述原因造成的骨质快速丢失，如何制定有效的以体育运动为主的康复训练计划仍缺乏研究，这应是今后的重点研究方向之一。（二） 骨的运动损伤及防治随着人们生活和医疗水平的提高，体育和娱乐活动在生活中所占的比例日益增大。意外事故就上升成为青壮年死亡的首要原因。因此，对身体各部分的保护和伤后的诊断、治疗就成了一项重要的研究课题。骨折是运动性损伤中最常见的损伤之一，以下从骨折的断裂形式及载荷方式，骨折治疗的生物力学以及常见的骨的损伤机制加以讨论。1骨折的断裂形式及载荷方式如果作用于骨骼上的载荷超过骨所能承受的强度极限，就会引起的骨折。拉伸载荷引起的骨折常见于跟骨。第5跖骨基底靠近腓骨短肌附着处的骨折以及跟腱靠近附着处的跟骨骨折都是由于拉力产生的骨折。压缩载荷引起的骨折常见于椎体。有时由于肌肉异常强烈的收缩，也可产生关节内压缩型骨折。纯弯曲载荷造成的骨折不多见，常见的是侧力弯曲载荷，如三点弯曲（图1-6（a）。从侧面和后面对小腿腓骨击打极易造成这种骨折。因此，足球比赛规则严禁从从侧面和后面铲击小腿。剪切载荷引起的骨折常见于跟骨、股骨髁与胫骨平台的剪切破坏，变形后产生相对位置变动。纯扭转载荷引起的骨折比较少见，它多半是和其它的载荷形式组合在一起而引起的。实际情况下的骨折绝大部分是由复合载荷引起的。例如图1-2和图1-3所示的行走和跑步，胫骨上各种载荷交织交替出现。2骨折治疗的生物力学原理前面提到，如果作用于骨骼上的载荷超过骨所能承受的强度极限，就会引起骨折。骨折治疗就是将骨折移位整复，并促进骨重建过程，使之愈合恢复原有的强度和刚度。骨折的治疗过程会产生骨的力学环境的明显变化。从生物力学的观点来看，一个合理的力学环境将有利于骨折的愈合和重建，有利于生理功能的恢复。因此，在骨折治疗的每一个阶段，都应该充分考虑其所处的力学环境及其对骨重建的影响。在骨折治疗过程中应遵循的一条生物力学原则是：充分利用生理功能状况下的力学状态去控制骨重建，而不要干扰或尽量减少干扰骨应承受的力学状态。（三）常见运动性骨损伤生物力学分析1疲劳骨折疲劳骨折是一种在运动中常见的低应力性骨折。例如行军骨折。当骨受低重复载荷作用时，常可观察到疲劳细微骨折。疲劳骨折的产生不仅与载荷的大小和循环次数有关，而且还与载荷的频率有关。因为骨具有一定的修复重建功能（功能适应性），所以只有当疲劳断裂过程超过骨重建过程时疲劳骨折才会发生。肌肉疲劳可以看作是下肢疲劳的一个原因（图1-10）。一般，持续性的运动/活动先是引起肌肉疲劳。当肌肉疲劳后，肌肉收缩力降低，从而改变了骨的应力分布，使高载荷出现，随着循环次数的增加，可导致疲劳骨折。骨折既可能可出现在受拉侧，也可能出现在受压侧，或者两侧都出现。拉力侧骨折产生横向裂缝，且很快扩展为完全骨折；压力侧骨折发生比较缓慢，骨重建过程不太容易被疲劳过程超过，而且可能不扩展为完全骨折。剧烈运动图1-102颅脑的力学性能和损伤分析脑是人和高等动物体内的一个特殊结构，由于它的重要性和易受伤害性，故在结构上受到了最强有力的保护。其保护层是由头皮、颅骨和脑膜组成。（1） 颅骨的组成和力学性能颅骨由23块大小和形状各不相同的骨所组成，分面颅骨和脑颅骨两部分。脑颅骨共有8块。脑颅骨形成了一个近似半球形的空腔，容纳并保护着脑。所以一般主要考虑脑颅骨的力学性能。 从脑颅骨的断面来看，额骨、顶骨和枕骨皆分为三层。外层为外板，内层为内板，均由骨密质组成，具有较高的强度。在内外层之间为板障，是由骨松质组成的多孔结构。在外力作用下，外板和内板主要承受弯矩和沿脑颅切向的拉压应力；板障承受剪应力，同时还要承受纵向的压应力以阻止内板和外板的接近。在头部受外来冲击时，板障可以通过自身的压缩变形以吸收一部分能量。颞骨、蝶骨和筛骨通常只有一层密质骨而无中间的板障层。（2） 脑损伤机理外力造成的脑损伤机理有如下三种较为流行的假说，分别可以解释部分脑损伤的机理。一是压力梯度空穴假说。由于撞击而在脑中产生了压力波，压力波能在颅、脑界面处来回反射，使脑组织间、脑与颅骨间发生了相对运动，导致了脑的损伤。二是旋转假说。这一假说认为，由于打击力不通过支点而导致了颅脑的旋转，造成脑与颅骨之间、脑组织各部分之间的相对运动。产生了剪应力。三是弯曲-拉伸假说。这一假说认为，由于脑中的载荷，或者是躯干传给脑的载荷作用，造成脑与脊髓间的相对运动，从而使头颈连接区域产生了弯曲变形或是弯曲-拉伸联合变形而引起了损伤。 近年来，利用脑颅骨的生物力学模型，如球壳模型、椭球体模型以及实体模型分析其在受冲击力下的反应，部分证实或拓宽了对上述假说的认识。第二节 关节生物力学关节的基本功能是传递人体运动的力和保证身体各部分间的灵活运动。明确力在各种关节中的传递方式以及关节的运动特点是关节生物力学的主要目标。人体关节最奇妙之处在于它是一个集自如的快速和慢速运动，承受高载荷和低载荷于一体，可正常运行数十年的既灵活又稳固的结构。在现今的科学技术水平上，人体关节在承受不同载荷下作不同的运动被认为分属于不同的运行机制，目前还无法模拟。一、关节的生物力学特征（一） 关节的润滑机制关节主要由关节面及关节软骨、关节囊和关节腔构成，关节腔中充满了起润滑作用的关节液。关节的润滑机制主要与关节软骨和关节液有关。1关节的摩擦系数关节的摩擦系数采用重力摆法进行测定。表一显示了人体某些关节的摩擦系数。与工程上的人工润滑结构相比，其摩擦系数是非常小的（表二）。这是人体关节抗摩耐用的重要原因之一。表2-1 人体关节某些的摩擦系数摩擦系数测定条件膝关节0.0140.024固定身体膝关节0.0060,010固定小腿右手中指关节0.0055无肌肉被动张力右手中指关节0.0104正常关节综合0.0030.024关节炎0.010.09表2-2 一些润滑结构的摩擦系数摩擦系数油润滑的钢轴承0.21滑液润滑的人工关节0.06水润滑的滑冰刀对冰0.032关节软骨的力学性能关节软骨的主要功能是：减小关节活动时的阻力（润滑关节），减小关节面负载时的压强（适应关节面），减轻震动（缓冲）。关节软骨是一种多孔的粘弹性材料，其组织间隙中充满着关节液。在受拉伸应力下间隙扩大，液体流入，压缩时液体被挤出。软骨中没有血管，它正是靠这种应力下液体的流动来保证营养的供应。由于软骨的应力影响着软骨内液体的含量，而液体的含量又影响着软骨的力学性能，这使得分析十分复杂。（1）渗透性。实验表明，在恒定的外力下，软骨变形，关节液和水分子溶质从软骨的小孔流出，由形变引起的压力梯度就是引起关节液渗出的驱动力。随着液体的流出，小孔的孔径越压越小。因此，关节液的流出量在受力初期大于受力末期，形变也是初期大于末期。关节软骨依靠这样一种力学反馈机制来调节关节液的进出。正常的关节软骨的渗透性较小（与海绵相比）。在病理条件下关节软骨的渗透性增大，会出现关节积水、疼痛等与关节软骨力学性能变化有关的症状。（2）粘弹性关节软骨和关节液具有粘弹性（非线性）的特点，其力学性质与温度、压力等外部环境的关系极为密切。粘弹性体相对于弹性体来说具有如下三个特征：应力松弛。当物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力会随时间的增加而下降。这种现象称为应力松弛。蠕变。当物体突然产生应力时，若应力保持一定，则相应的应变会随时间的增加而增大。这种现象称为蠕变。滞后。在加载载荷和卸载过程中，应力应变关系不相同，即受力和恢复的状态不同。这种现象称为滞后。3时间-形变关系关节软骨和关节液作为一种粘弹性体，对外部载荷作用的快慢十分敏感，即其形变与外力的作用速度有关。例如，关节软骨的形变是由于液体的流出，关节软骨受到的挤压速度越快，液体流出小孔的阻力也就越大，关节液就越不容易流出；而速度越慢，关节液越容易流出。测量结果表明，当外力作用的时间在1/100 s左右时，关节液是同时具有流动性和弹性的粘弹性体，像橡皮垫一样，缓冲关节面之间的碰撞。；当作用时间大于1/100 s时，关节液像润滑液一样，使关节灵活运动。如果外力作用的时间很短，例如达到1/1000 s左右时，关节液不再表现为液体或弹性体，而是呈现出固体的特点，对碰撞时的冲力不再起缓冲的作用。打球时手指的挫伤往往就是这样造成的。4关节润滑机制 前面提到，人体的关节是是一个集自如的快速和慢速运动，承受高载荷和低载荷于一体的既灵活又稳固的结构。关于关节的润滑目前尚无普遍接受的统一机制。在一定情况下根据关节负荷或运动的需要由下列一种或多种机制起作用。类似于骨的功能适应性原理，人们在定义润滑机制的出发点是关节会采用最适合的机制应对面临的运动和载荷。从生物力学角度来看，剪切润滑剂大大小于剪切固体的阻力，因此关节润滑机制的核心就是如何合理利用关节液。（1）界面润滑。界面润滑是依靠吸附于关节面表面的关节液（润滑液）分子形成的界面层来作润滑。在关节面承受小负荷，作速度较低相对运动时，起到降低剪切应力的作用。（2）压渗润滑。当关节在高负荷条件下快速运动时，关节软骨内的液体被挤压渗出到临近接触点/面周围的关节间隙。此时关节面软骨表面之间的液膜由压渗出的组织液和原有的滑液组成。液体由接触面从运动方向的前缘挤出，在接触面的后缘由渗透压把压渗出的滑液再吸收回软骨内。这种机制能够有效地保存关节液及其位置，对抗外力。所以也称为流体动力润滑。（二）关节结构的力学特性1关节静力学分析关节在静止状态下的受力状况，一般是采用环节静力分析法，即根据杠杆平衡条件估算关节受力和关节肌力矩。因此对同一个关节来说，不同的环节位置、负重的大小就会有不同的关节反作用力和关节肌力矩。值得注意的是，关节的活动和稳定状况不仅与其自身的结构有关，而且与关节周围的肌肉和韧带的作用有关。因此，在分析关节运动和受力状况时往往不能忽略这些结构对关节的作用。很多情况下，主要肌群的肌力对关节反作用力大小的影响远远大于重力所产生的地面反作用力的影响。例如，双足站立时，人体的重力线从耻骨联合后面通过。直立时，单侧股骨头上的关节反作用力是除去下肢重量后剩下的体重的1/2，即约为全部体重的1/3。而单足站立时，髋关节以上的身体重力线在三个基本平面上均发生了位移，在关节周围产生了力矩，从而使关节作用力增加。根据英曼（Inman）的计算，单足站立时股骨头所受到的关节反作用力是体重的2.4倍。上楼梯时，当人的一侧下肢举腿登梯时，作用在另一侧负重腿上的胫股关节的反作用力的最小值可达体重的4.1倍，髌韧带的受力是是体重的3.2倍。2关节运动学 关节是人体运动的枢纽。一般来说，关节的两个运动学特征比较受到重视：一是关节的运动幅度（角度），二是达到这个运动幅度的方式（随意和强迫运动范围）。根据解剖学，关节的运动形式可以归纳为绕三个基本运动轴的运动，即屈伸运动、展收运动和旋转运动。人体各关节的运动幅度的资料积累比较齐全。但从生物力学运动分析的角度，有两点还需要注意：（1）动作的顺序。即环节的位置与动作的顺序有关。例如：从解剖姿势使手掌掌心运动到向身体外侧可以有两中方式。一是从解剖姿势开始两臂绕肩关节前屈，然后水平外展，然后内收。二是直接从解剖姿势绕肩关节旋外。（2）关节瞬时中心的位置。由于人体关节面不都是标准的球体和球窝形，要准确分析关节的运动和受力情况，关节瞬时中心的位置就必须要有准确的数据。当一关节连接的一个环节绕另一个环节转动时，在每一瞬时有一个不动的点，即速度为零的点，这一点称为瞬时旋转中心，简称关节瞬时中心。利用关节瞬时中心可以描述相邻两个环节在同一平面上的相对活动和接触点的位移方向。从瞬时中心的异常可揭示力学改变与生物学反应之间的内部联系。在人工关节的设计中，了解瞬时中心也至关重要。同一平面内膝关节活动中心可通过标记环节上两个点的位移来得到。图2-1显示膝关节曲屈时瞬时中心的位置的确定过程。通过环节上两点的初始位置和移动后的位置并作两组点的连线，两条连线的垂直平分线的交点就是瞬时中心。 图2-1图2-2正常膝关节的胫股关节的瞬时中心轨迹是呈半圆形（图2-2（a），而膝关节内紊乱的胫股关节瞬时中心的位置在其中一段活动中异常（图2-2（b）。3关节动力学关节动力学包括两方面的内容。一是组成关节的各部分在外力作用下的运动特性，如关节软骨、关节液及其润滑机制等。这一部分在前面已经讨论过。二是作为一个结构整体的关节动力学。其研究方法和关节静力学类似，但还需要考虑人体运动的惯性参数。常用的思路是根据测定的肢体末端的外力和运动学数据，计算关节的反作用力和肌肉力矩。鲍尔（Paul）等使用测力板系统和正常的关节的运动学数据，研究了正常男性和女性步行时股骨头的关节反作用力，并用肌电图记录了峰值大小与特定肌肉活动之间的关系。结果显示，男性在支撑时相由于外展肌收缩以稳定骨盆，而使关节反作用力出现两个峰值。第一个峰值恰好发生在后跟着地时，约为体重的4倍。第二个更大的峰值是在脚趾离地前，达到了体重的7倍左右。在足底平放的全支撑时相，由于身体重心速度降低，关节反力降到小于2倍的体重。在摆动时相，由于伸肌收缩使大腿减速使得关节反力小于体重（图2-3（a）。女性步行时股骨头关节反力的变化趋势相同，但数值要低得多，在支撑时相的后期的最大峰值只是体重的4倍（图2-3（b）。女性的关节反作用力较小，可能与下列因素有关：如女性的骨盆较宽，股骨颈干角的倾斜角度与男性不同等，以至于步态不同。 图2-3二、运动对关节力学性能的影响（一）运动对关节组织结构性能的影响 1适宜的体育锻炼对提高关节负载能力和减小摩擦阻力的影响研究证明，系统的体育锻炼可以使骨关节面骨密质增厚，从而能承受更大的负荷，并增强关节的稳固性。动物实验证明，长期运动可以使关节面软骨增厚。这种关节面软骨的增厚被认为是由于软骨基质和细胞吸收液体的结果。与此相应，有报道说一年的大强度的体育活动可以使关节滑液量成倍增加，有助于减少关节运动时的摩擦力。此外，体育活动还可以使一些辅助结构如关节肌腱、韧带增粗，肌肉力量增强，在骨附着处的直径增加，提高关节的稳定性和动作力矩。2过当运动对关节组织结构性能的影响膝关节半月板（关节内软骨）撕裂就是典型的突然受到压缩-扭转复合载荷的结果。其原因是，当膝关节伸直时半月板被股骨髁推挤向前，屈曲时，半月板则向后移动。膝关节半屈曲作小腿外展外旋或内收内旋时，两侧半月板位于一前一后，若动作突然，半月板来不及滑移，就会使半月板在股骨髁和胫骨平台之间发生强烈的研磨，即可引起各种类型的损伤。因此，当膝关节屈曲，小腿固定于外展、外旋位，大腿突然内收、内旋并伸膝时，就可能造成内侧半月板撕裂。相反，当膝关节屈曲，小腿固定于内收、内旋位，而大腿突然外展、外旋并伸膝时，就会造成外侧半月板撕裂。如篮球运动中的切入上篮落地时身体急剧改变方向，排球运动中的拦网落地瞬间转身救球，足球运动中的急停转身，铅球、铁饼运动中的膝部旋转动作，以及体操运动中落地时的重心不稳等都可以使半月板损伤。此外，膝关节突然猛力过伸，使半月板前角受到挤压，如足球正脚踢球时“漏脚”，可使半月板前角损伤。滑动摩擦实验表明，关节炎患者关节的摩擦阻力增加，摩擦系数增大，比正常关节高出一个数量级（表2-1）。同时，风湿性关节炎患者的关节腔内液体明显增多（积水），说明在关节炎的情况下，关节软骨和关节液的润滑性质发生了恶化。（二） 常见关节损伤和防治的生物力学机制以腰脊劳损为例脊柱对人体的运动和姿态的保持都起着决定性的作用。脊柱系统的构造复杂，其主体是椎骨、椎骨关节、椎骨间的椎间盘、以及前、后纵韧带。所以脊柱可以看作是一个多关节的联合系统。 1不同姿势下腰段脊柱的受力特征Nachemson 和Elfstrm （1970）用微型压力传感器测量了一个体重70公斤的人体在不同姿态和操作姿势下第三腰椎（L3）椎间盘上的载荷（表2-3）。其中最引人注目的是不合理的举重动作，使腰椎的负荷剧增，达到正常情况的两倍以上。而人在大笑时腰椎所受的力也超过了体重的两倍，这显然是肌肉的作用引起的。表2-3 不同姿态下第三腰椎椎间盘所承受的载荷姿 态负载 N kg2脊柱运动节段的力学特性脊柱的功能单位是运动节段，包括两个椎体及其间的软组织。椎体是椎骨受力的主体，主要承受压缩载荷。椎体截面随着上部躯干的重量的逐步增加由上向下越来越大（图2-4）。图2-4 椎间盘为密闭性弹簧垫，由相邻椎体上下面的软骨终板、纤维环及髓核组成。髓核为粘性透明半胶体。椎间盘的承载能力由上向下逐渐递增。根据各椎间盘的单位面积计算椎间盘的破坏压应力近似相同，可见人的脊椎也是一个等强度结构。在日常生活中，椎间盘的承载方式比较复杂，通常是压缩、弯曲和扭转的组合。脊柱的屈、伸和侧屈对椎间盘产生拉应力和压应力，而扭转产生剪应力。在压缩载荷下，髓核产生的流体静压力对纤维环和软骨终板呈均匀分布。因此椎间盘在椎体间起缓冲弹簧垫的作用，可吸收载荷能量并使载荷均匀分布。不承载的椎间盘内压约为10N/cm2。在施加轴向压力，椎间盘向外膨出，使环向纤维承受拉应力可达单位压力面积的4-5倍（p），而纤维环的压应力约为0.5倍（p），椎间盘内压约为1.5倍（p）（图2-5）。图2-53腰椎的受力分析腰脊劳损或腰痛病是一种世界范围的流行病。据上世纪80年代的统计数据，超过80%的美国人和80%的日本日本中老年人有过腰痛病史。在我国，虽然缺乏可靠的统计资料，但腰脊劳损也是医学界公认的流行病。腰脊劳损的高发病率，使得多年来人们投入了很大的力量对其进行研究，但至今仍不得要领，因而腰脊劳损往往被看作是一种“自发”的疾病。然而，有一点是人们所公认的，那就是有足够的证据表明，腰脊劳损与腰椎在日常生活和工作中的受力和运动状态有着相当密切的关系。因而有必要进行准确的力学分析，以揭示腰脊劳损的生物力学机理。正因如此，美国的一个有关生物力学未来发展的专家委员会，把腰脊劳损的力学机理列为未来生物力学发展的一大主题。到目前为止，对不同姿态下人体腰椎的应力、应变问题已经作了大量的研究。下面介绍King 和Yang的工作。King对由两个椎骨中间夹一个椎间盘构成的腰椎运动节段模型进行有限元分析计算，结果列于表2-42-6。由此可见：（1）转动中心的不同位置对结果有显著影响。以小关节（椎间关节）上的载荷为例，当以椎孔为转轴时，比以椎间几何中心为转轴大65%。髓核压力大56%。（2）肌肉收缩对