运动中设计的生物力学问题

1、 第一章第一章 基础知识基础知识 内 容 提 要 第一节 运动中的生物力学问题 一、作用于人体的力 二、骨组织的生物力学 三、关节软骨的生物力学 四、胶原组织的生物力学 五、关节的生物力学 六、肌肉的生物力学 七、人体运动的杠杆原理 第一节 运动中的生物力学问题 力（force）是一种作用，它能改变受力物体 的静止或运动状态。 对力进行广泛综合研究的学科称为力学 （Mechanics）。 当力作用于人体和其他生物体上并加以研究 的学科，则称之为生物力学（Biomechanics）。 在康复治疗中常以运动治疗作为主要方法。 运动生物力学学科演变 萌芽时期萌芽时期形成时期形成时期发展时期发展时期

2、v研究人体结构与运动功能的关系 v研究人体运动技术的规律 v研究人体运动技术的最佳化 v设计与改进运动器械 v研究运动损伤的力学原因. 运动生物力运动生物力 学学科任务学学科任务 运动员膝关节屈伸肌力量比例:田径 (35)、举重(21)、赛艇(15)项目运动员 共71名 均值=.55 最大值=.80 受试运动员(N=71) 屈伸力矩比（60度/秒） .9 .8 .7 .6 .5 .4 .3 .2 .1 0.0 均值=.63 最大值=.80 受试运动员(N=71) 屈伸力矩比(180度/秒) .9 .8 .7 .6 .5 .4 .3 .2 .1 0.0 均值=.66 最大值=.84 世界级优秀运

3、动员 .80-1.0 理论值=1.0 受试运动员(N=71) 屈伸力矩比(240度/秒) 1.1 1.0 .9 .8 .7 .6 .5 .4 .3 .2 .1 0.0 lKinetic analysis Force platform Pressure platform Pressure insole 运运 动动 损损 伤伤 疲劳骨折-治疗原则 作用于人体的力 重力 支撑反作用力 摩擦力 流体作用力 器械的其他阻力 如 果 没 有 重 力 一、作用于人体的力 一、作用于人体的力 作用于人体的力 肌肉收缩时产生的力 各组织器官间的被动阻力 各内脏器官的摩擦力 内脏器官和固定装置间的阻力 n血液淋巴

4、液在管道内流动时产生的流体阻力 二、骨组织的生物力学 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. 二、骨组织的生物力学 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

5、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. 人体骨骼 骨的图片骨的图片 二、骨组织的生物力学二、骨组织的生物力学 1、骨的力学性能 强度和刚度是 骨的重要力学性能。 加载荷后的变形曲线可以给出决 定结构强度的三个参数： 结构 断裂前所能承受的载荷； 断裂 前所能承受的变形； 断裂前所 储存的能量。在曲线上，由载荷 和变形显示的强度，用极限断裂 点表示；由能量储存显示的强度， 用整个曲线下面积大小来表示； 结构的刚度用弹性区的曲线斜率 来表示。 二、骨组织的生物力学二、骨组织的生物力学 应力是结构内某一平面上响应外部施加的载 荷而产生的单位面积的负荷，以单

6、位面积所 受的力来表示。 应变是结构在载荷下某一点上发生的变形。 应变有两种类型：线应变，它是长度的改变， 是与以结构原长相除后的变形量（伸长或缩 短），以百分比表示，如cm/cm。 剪应变是某一结构在承受载荷下所发生的角 改变，以弧度(rad)表示（1弧度约等于 57.3）。 2、骨组织结构 骨骼是由皮质骨和松质骨组成。 皮质骨和松质骨均呈各向异性 (anisotropy)。各向异性是指在不同 方向受载显示不同的力学性能。由 于骨的结构在横向和纵向各不相同， 因而骨的强度也随所加载荷的不同 方向而异。 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

7、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. 由图可见,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. 骨具有明显的各向异性骨具有明显的各向异性.例如例如 长骨主要承受的是轴向的压长骨主要承受的是轴

8、向的压 力力,因此沿轴向具有较高的强因此沿轴向具有较高的强 度和弹性模量度和弹性模量. 骨结构在横向骨结构在横向 与纵向上是不与纵向上是不 同的同的,故骨胳强故骨胳强 度随载荷的方度随载荷的方 向而异向而异.在最常在最常 见的载荷方向见的载荷方向, 骨胳的强度和骨胳的强度和 刚度最大刚度最大. 3、不同加载形式下骨的性能 以不同方向的力或力矩施加在结 构上可以产生拉伸、压缩、弯曲、 剪切、扭转和联合载荷 压缩载荷 拉伸载 荷 扭转载荷 弯曲载荷 剪切载荷 成人皮质骨的极成人皮质骨的极 限应力在压缩、限应力在压缩、 拉伸和剪切旗荷拉伸和剪切旗荷 时是不同的时是不同的.皮质皮质 骨所能承受的压骨所

9、能承受的压 应力大于拉应力应力大于拉应力, 所能承受的拉应所能承受的拉应 力又大于剪应力力又大于剪应力. 4、肌肉活动对骨应力分布的影 响 骨在体内受载时，止 于骨上的肌肉收缩可 以改变骨的应力分布。 这种肌肉收缩时所产 生的压应力，可减少 或消除骨上的拉应力， 使拉应力全部或部分 抵消。 三、关节软骨的生物力学 关节是骨骼系统中相邻骨间的功能性联接。 主要功能是： 把施加于关节上的载荷扩 散到较大的区域，以减少接触应力； 使 对应的关节面以最小的摩擦和磨损进行相 对运动。 1、软骨的成分 关节软骨的固体基质大约占组织湿 重的2040%，是由胶原纤维 （60%）、与水亲和力很强的原纤 维间糖蛋

10、白凝胶（40%）以及软骨 细胞（少于2%）所组成。剩下的重 量为水分，占60%80%，大部分水 分在承载时可被挤出。 （1） 胶原：胶原是体内最丰富的蛋白。具 有高级的结构组织，可形成最佳的力学性能。 胶原的基本生物单位是一种多肽链的三键螺 旋,称为原胶原。 （2） 糖蛋白凝胶：软骨的另一主要结构成 分是高含水量凝胶，此种凝胶由分布不均匀 的糖蛋白大分子及其聚合物组成。 （3） 软骨各成分间结构上的相互作用：糖 蛋白有很强的亲水性，在水中的溶解度很高。 3. 软骨变性的生物力学 关节软骨破坏的进程与下述各点有关： 承受的应力值； 承受应力峰值的总数； 胶原-糖蛋白基质的分子和显微结构。 关节软

11、骨的生物学性质 1 渗透性：渗透 性越低，承载 时液体流动阻 力越大 2 n关节软骨的 蠕变(creep) 反应 3 润滑：两种基 本的润滑类型 ：界面润滑和 液膜润滑。 四、胶原组织的生物力学 胶原组织主要由三种类型的纤维组成：胶 原纤维、弹性纤维和网状纤维。胶原纤维 主要为组织提供强度和刚度，弹性纤维在 组织受载时提供延展性，而网状纤维提供 容积。 1. 胶原组织的力学特性 在载荷下，胶原 组织的特性受三种主要因素影响：纤维 的结构；胶原纤维和弹性纤维的特性； 胶原纤维和弹性纤维之间的比例。 （1） 纤维的结构： 肌腱、韧带、皮肤中三 种胶原的结构不同，并与每种结构的功能相 适应。 肌腱纤

12、维几乎完全平行排列，使肌腱更适应 于承受高拉伸载荷。 韧带纤维，包括关节囊，较少恒定的结构， 在不同的韧带中，结构随韧带的功能而异。 皮肤纤维呈网状，这种结构使皮肤在各个方 向上具有延展性。 （2） 胶原纤维和弹性纤维的特性： 胶原组织 的主要成分是胶原纤维和弹性纤维，二者一起 构成该组织的90%左右。由于胶原纤维为类塑 性材料，而弹性纤维为类脆性材料，故受载时 这两类纤维的表现完全不同。 （3） 胶原纤维和弹性纤维的比例： 胶原组织 中弹性纤维和胶原纤维之间的比例随该组织功能 的不同而不同，并影响组织的力学性能。 2. 骨-韧带-骨复合体 前面提到的是离体韧 带的力学性能，但是必须把韧带的结

13、构考虑 为骨-韧带-骨复合体的一个环节。 3. 各种载荷条件下骨-韧带-骨复合体 的性能 载荷的速度和持续时间对骨-韧带-骨复合体 的影响，在估计关节损伤和治疗各种关节 疾病方面具有很高的临床价值。 （1) 恒定载荷效应 关节在长时间内承受 恒定的低载荷时，软组织发生缓慢变形即 蠕变。 （2) 加载荷速度的影响 在慢速和快速下做 拉伸破坏试验，韧带的骨性止点是最弱的 部分。 4、肌腱 肌腱装置有两种类型： 有鞘肌腱和无鞘肌腱。 （1） 肌肉-肌腱-骨复合体：有两个因素决定肌腱 的强度：肌腱的粗细形状以及加载荷速度。 活动时，有两个主要因素影响肌腱承受的应力值： 与肌腱连结的肌肉收缩量；肌腱的直

14、径与肌肉 直径的比值。 （2） 手术修复后屈肌腱的愈合： 手术修复的主要 目的是恢复肌腱断端的连结和肌腱的正常滑动功能。 人手术后必须制动3周左右，以防止修复的肌腱再断 裂。但制动3周以上，常引起肌腱、腱鞘和周围软组 织的粘连。 五、关节的生物力学 关节的结构 关节面及关节软关节面及关节软 骨骨 基本结构基本结构 关节囊关节囊 关节腔关节腔 韧带韧带 关节内软骨关节内软骨 辅助结构辅助结构 关节唇关节唇 滑膜囊滑膜囊 滑膜襞滑膜襞 关节的基本功能 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

15、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. 1. 关节的分型 按关节面的形态、运动轴数按关节面的形态、运动轴数 分类如下分类如下： 屈戍关节（滑车关节）屈戍关节（滑车关节） 单轴关节单轴关节 车轴关节车轴关节 根据关节结构分为根据关节结构分为 椭圆关节椭圆关节 双轴关节双轴关节 单关节单关节 鞍状关节鞍状关节 球窝关节球窝关节 复关节复关节 多轴关节多轴关节 平面关节平面关节 联合关节联合关节 2. 关节的活动度和

16、稳定性 （1） 关节的功能取决于其活动度（range of motion,ROM或柔韧性flexibility）和稳定 性（stability） （2） 影响关节活动度和稳定性的因素有： 构成关节两个关节面的弧度之差。 关节囊的厚薄与松紧度。 关节韧带的强弱与多少。 关节周围肌群的强弱与伸展性。 3. 开链和闭链 人们通常将一侧上下肢视为一条长链，每 个关节均为链扣。 六、肌肉的生物力学 肌肉力学是生物力学里最吸引人的一个领域肌肉力学是生物力学里最吸引人的一个领域.这是因这是因 为肌肉（骨骼肌）是人体运动系统的动力器官为肌肉（骨骼肌）是人体运动系统的动力器官.肌肉肌肉 不但可以被动地承受载荷不

17、但可以被动地承受载荷,而且具有自主收缩的能力而且具有自主收缩的能力, 可以能动地将化学能转化为机械能而作功可以能动地将化学能转化为机械能而作功. 20世纪世纪50年代年代Huxley提出了关于肌肉收缩机制的肌提出了关于肌肉收缩机制的肌 丝滑移学说丝滑移学说,从肌细胞的微细结构出发从肌细胞的微细结构出发,开辟了一条开辟了一条 新的道路新的道路. 目前目前, 肌肉生物力学面对的要求是肌肉生物力学面对的要求是,不仅要适应所有不仅要适应所有 应用力学先进的理论和技术应用力学先进的理论和技术, 还要不断丰富和挑战还要不断丰富和挑战 力学已存在的分支和新领域力学已存在的分支和新领域. 骨骼肌的结构模型 肌

18、动蛋白（细） 收缩成分 肌球蛋白（粗） 骨骼肌的 结构模型 并联弹性成分 弹性成分 串联弹性成分 骨骼肌的解剖结构骨骼肌的解剖结构 肌原纤维肌原纤维 肌纤维肌纤维 小肌束小肌束大肌束大肌束 肌肌 肉肉肌肌 群群 1. 影响肌力的4个因素 肌肉的横断面。 肌肉的初长度即肌肉收缩前的长度。 肌肉的募集。 肌纤维走向与肌腱长轴的关系。 . 肌肉的收缩形式 等张收缩(isotonic contraction)： 是肌力大于阻力 时产生的加速度运动和小于阻力时产生的减速度 运动。 向心收缩(concentric contraction) 肌肉收缩时， 当肌肉的支点和起点互相靠近时，称为向心收缩， 如上楼梯时股四头肌的缩短收缩。 离心收缩(eccentric contraction) 肌肉收缩时肌 力低于阻力，使原先缩短的肌肉被动延长，则称 为离心收缩或延长收缩，如下楼梯时股四头肌的 延长收缩。 . 肌肉的收缩形式 等长收缩(isometric contraction) 当肌肉收 缩力与阻力相等时，肌肉长度不变，也不 引起关节运动，称等长收缩或静力收缩， 如半蹲位时的股四头肌收缩，此时肌张力 恒定。在对抗固定物件而等长收缩时，肌 肉的张力视主观用力程度而定 肌肉的协同 原动肌 拮抗肌