运动学-02骨运动学方案

三个面三条轴屈曲、伸展、内旋、外旋、外展、内收、应力应变蠕变应力松弛自由度运动连开链运动闭链运动刚度强度复习

骨运动学

？？一、概述骨是体内最硬的结构，是体内最具动力和代谢活力的组织之一。并在整个生命过程中保持活跃性。具有丰富的血供和良好的自我修复能力，骨的性能和结构随力学环境的变化而变化。废用（disuse）或者过度使用常会伴随骨密度的改变；骨折愈合过程中和骨手术后骨形状会发生显著改变。骨就是这样适应力学环境的改变。（一）骨的功能骨骼系统的功能保护内脏器官；提供运动系统的刚性支架和链接；肌肉附着点；参与肌肉活动和身体运动。骨的独特结构和力学性能是实现这些目标的基础。（二）骨的构成细胞成骨细胞破骨细胞胞外基质细胞外有机纤维基质，占骨干重的25~30%。

胶原：胶原占细胞外有机基质的约90%，

糖胺聚糖（GAGs）无机成分（骨的矿物质）：主要由钙和磷组成，占骨组织干重的60~70%；5~8%的水构成骨无机质内嵌于交织排列的蛋白胶原纤维中，这些蛋白胶原即胞外基质的纤维部分-有机基质。胶原纤维（1型）具有韧性和柔软性，因此可以抵抗拉伸，并且具有部分可延展性。包绕于矿化胶原纤维外的胶状无定形基质主要是蛋白多糖或者葡萄糖胺聚糖（GAGs），其主要存在形式是复杂的大分子蛋白聚糖（Pcs）。葡萄糖胺聚糖相当于矿化胶原纤维层之间的粘合剂。二、骨的生物力学性能骨组织是一种双相复合材料；一相为无机物，大量，坚固，脆性；另一相为胶原和无定形基质（氨基葡萄糖或称单板多糖），较弱但柔韧性强；在这类材料中，当坚固的脆性材料嵌入另一种力度较弱但柔韧性强的材料中后，复合材料的性能比其中任何一种单纯材料更加坚韧（Bassett，1965）。（一）骨的强度与刚度从功能上来说，骨最重要的力学性能是它的强度（strength）和刚度（stiffness）刚度：反应物体抗变形的能力；强度：反应物体抗破坏的能力；1.骨强度是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗破坏的能力，以致不发生破坏。反映结构强度的三个参数是：①结构在破坏前所能承受的载荷；②结构在破坏前所能承受的变形；③结构在破坏前所能贮存的能量。2.骨的刚度是指骨具有足够的抵抗变形的能力。在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变形过大，往往会影响骨结构与功能。骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。3.影响骨强度与刚度的因素有：①压应力——肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折的发生；滑雪者向前摔倒时，小腿三头肌的作用。髋关节运动过程中，股骨颈收到的作用力。②骨的大小和形状——骨的横截面积的大小及骨组织在骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。如骨试件在压缩时，横截面积大和刚度也越大；破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。（一）骨的力学特征之一

——骨的应力与应变骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变

1.骨的应力

结构受到外来载荷时其表面单位面积所受到的力。常用单位：牛顿/平方厘米（N/cm2）。作用：应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用，应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。种类：根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相应的应力，如压应力、拉压力等。载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用；当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到a.拉伸、b.压缩、c.弯曲、d.剪切、e.扭转和f.复合等载荷。骨受到的外力（载荷）分类（1）压缩载荷施加于骨组织表面的两个沿轴线的大小相等、方向相对的载荷。该载荷在骨组织内部产生压应力和应变；

（2）拉伸载荷在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿轴线的力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部产生拉应力和应变，使骨伸长并同时变细。（3）弯曲载荷骨沿其轴线发生弯曲形变的载荷。特点：中性轴两旁一侧产生拉应力和拉应变，另一侧则产生压应力和压应变，在中性轴上则没有应力和应变。应力的大小与至骨骼中性轴距离成正比，即距中性轴越远，其应力就越大。

（4）剪切载荷

在骨的表面受到一对大小相等、方向相反且相距很近的力的作用。在骨内部也会产生剪切应力和应变。（5）扭转载荷加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转载荷。当骨受到扭转时，所产生的剪切应力便分布在整个骨骼结构中。在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱的旋转与骨关节的旋转活动中。（6）复合载荷人体在运动时，由于骨的几何结构不规则，同时又受到多种不定的载荷，往往使骨处于两种或多种载荷的状态，即为复合载荷。跌倒后发生的桡骨远端骨折，便是既有剪切力又有压缩力等多种力综合作用的结果。2.应变概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比，即形变量与原尺度之比。一般以百分比来表示。由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小当骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变的极限时，便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。3.应力--应变曲线

表示应力和应变之间的关系；应力-应变曲线分成两个区：弹性变形区和塑性变形区。在应力较小时，应力与应变成线性关系，材料在此分为内呈现弹性特征，这段曲线部分为弹性区。弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点。该点对应的应力是材料只产生弹性形变的最大应力，称为弹性极限。塑性区：屈服点以后的非线性曲线部分称为塑性区。进一步加载负荷，材料将出现永久变形，这个特征称为塑性。此时材料已出现结构的损坏和永久变形；当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量(Young‘sModules)，表示材料抗形变的能力。一般而言，弹性模量（直线的斜率）是一个常数。弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大4.骨应变能量概念：达到极限负荷时的应力－应变曲线下面的面积表示导致骨折所需要的能量。一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨所能承受应力的大小。当外力去除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，使骨恢复原状。但当骨不断受到外力重复作用时，其应变能量不能被及时完全释放，经积累后可能会损坏材料的结构，临床上则表现为疲劳性骨折。5.骨的基本变形

骨的变形与载荷的形式、大小，作用时间相关。根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般可将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等五种基本变形。（1）载荷形式与变形一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次是拉力、剪切力和扭转力；骨松质强度低于骨密质（2）力和变形之间的关系1）在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时，骨的原有形状和几何学结构便恢复。2）如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂。3）长时间载荷作用与形变

——骨的蠕变骨受到长时间持续低载荷作用后，其组织会产生缓慢变形称蠕变；在加载后的最初数小时（6～8小时），其蠕变现象最显著，随后蠕变的速率则会降低。蠕变的意义蠕变可以致病颈椎病、腰椎病、及部分畸形；蠕变可以治病畸形矫正；小结：骨的变形骨的变形与载荷的形式、大小，作用时间相关。一般而言，骨承受压缩负荷时变形最小；其次是拉伸、剪切和扭转；在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时，骨的原有形状和几何学结构便恢复；骨骼系统遭受严重创伤，则会引起严重变形。骨受到长时间持续低载荷时则会产生蠕变。实验一：当压力垂直于骨干时结果：凹侧压缩部呈“—”，凸侧牵张部呈“+”，结论：对骨予以横向机械性应力会产生瞬间发生电，凹侧压缩部呈“—”，凸侧牵张部呈“+”。（二）骨的力学特征之二

——压电效应实验二：当压力（或拉力）与骨轴方向一致时—结果：骨的近端呈“—”

，远端呈“+”结论：对骨予以纵向机械性应力会产生瞬间发生电，骨近端呈“—”，骨远端呈“+”

。

（二）骨的力学特征之二

——压电效应结论：对骨予以适当的机械性应力会产生瞬间发生电，骨受到横向的应力，在骨的压缩部（凹侧）呈“—”，牵张部（凸侧）呈“+”；骨受到纵向机械性应力，在骨的近端呈“—”，骨远端呈“+”

。应力：身体重力、肌肉拉力等。（二）骨的力学特征之二

——压电效应（二）骨的力学特征之二

——压电效应实验三：临床现象压缩部有骨形成，牵张部有骨吸收。在骨的自我矫正中，凸出部的骨被吸收；凹陷部可形成骨。电与骨的形成于吸收有什么关系？（二）骨的力学特征之二

——压电效应实验四骨的逆压电效应：当骨上施加电场时，骨上产生应力或应变。

实验五骨的热电效应，即试件加热产生热膨胀，从而引起弹性变形，产生压电效应，出现激化电荷。故热电效应是压电效应的次级效应。实验六骨的恒定电位：长管状骨表面正常情下存在一个电位。干骺端是负电位，骨骺相对于干骺端为正电位，骨干为正电位或零电位。代谢越活跃的部位，电位越负。

（二）骨的力学特征之二

——压电效应（二）骨的力学特征之二

——压电效应实验七骨折后整个骨的电位立即变为负电位，干骺端负电位变得更负，骨折端电位变负且值可大于骨骺端。骨折愈合后，电位恢复正常代谢越活跃的部位，电位越负。（二）骨的力学特征之二

——压电效应结论：电刺激可以进行骨的形成与吸收，“+”（阳极）侧产生骨吸收，“－”侧产生骨形成。可将通电应用于骨折治疗中。小结：压电效应1.骨的恒定电位：长管状骨表面正常情下存在一个电位。干骺端是负电位，骨干为正电位或零电位；2.骨折后整个骨的电位立即变为负电位，干骺端负电位变得更负，骨折端电位变负且值可大于骨骺端。骨折愈合后，电位恢复正常；3.对骨予以机械性冲击会产生瞬间发生电，凹侧压缩部呈“-”，凸侧牵张部呈“+”，同时压缩部有骨形成，牵张部有骨吸收。4.逆压电效应：当骨上施加电场时，骨产生应力、应变。5.同时伴有骨的热电效应。骨折电疗的基础骨折运动治疗的基础1812年纽约一家医院第一个用电刺激治疗骨折不愈获得成功；1820年Mott用电刺激治疗胫骨不愈合成功；1850年Lente、1852年Elglang、1855年Duchen、1860年Boto先后报道过电刺激治疗骨折不愈合的病例。压电效应的临床应用史压电性机制：骨中的胶原纤维是以氢键或交叉偶联的形式存在的，并且整齐的排列成非对称的形式，当受到压拉应力后，使胶原纤维发生位移而带电，产生压电效应。半导体机制：Becker认为骨组织是由胶原纤维和羟基磷灰石组成，胶原纤维是带负电的N型半导体，磷灰石是带正电的P型半导体，他们形成PN结，此PN结对压力非常敏感，当受到压力后就会有电位产生而出现压电效应。压电效应产生机制电刺激骨愈合技术插入电极成骨电磁场成骨电场成骨（三）骨的力学特征之三

——（Wolf定律）骨的重建Wolf定律：骨能够随着应力作用水平的变化而获得或丢失松质骨或皮质骨的现象称之为Wolf定律。机械应力包括：骨骼肌活动，身体重力等；骨量和身体的重力呈正比关系。身体越重，对应的骨量就越多；身体长期处于失重状态下，承重骨发生骨量丢失卧床休息一周丢失约1%的骨量。部分或完全制动，导致骨膜和骨膜下骨吸收以及骨力学性能下降（强度和刚度）。骨折后内固定：在骨折愈合后也会骨量丢失，致骨的强度和刚度下降。（四）骨的力学特征之四

——应力集中应力集中：由于截面积改变而引起应力局部增大的现象称为应力集中四、骨的力学特征之四

——应力集中临床意义骨科中应力集中的现象骨折内固定时的钻孔手术；骨骼小缺损都可出现应力集中；骨质疏松患者骨折，使用骨水泥固定；这种应力集中使骨强度减弱，在扭转载荷时特别明显，可以使其降低60%；康复时，要注意应力集中现象，防止二次骨折。（五）骨的力学特征之五

——其他特点1.骨的各向异性及解剖部位的差异骨密质与骨松质均为各向异性，由于骨骼结构在横向与纵向上是不同的，故骨骼强度随载荷的方向而异；最常见的载荷方向上，骨骼的强度和刚度最大；局部解剖位置不同其力学性质也存在差异。

（1）各向异性骨的结构为中间多孔介质的各向异性体，其不同方向的力学性质不同，即各向异性。2.弹性和坚固性骨的有机成分组成网状结构，使骨具有弹性，并具有抗张能力。骨的无机物填充在有机物的网状结构中，使骨具有坚固性，具有抗压能力。

3.抗压力强、抗张力差骨对纵向压缩的抵抗最强，即在压力情况下不易损坏，在张力情况下易损坏。

4.耐冲击力和持续力差骨对冲击力的抵抗比较小。同其他材料相比，其持续性能、耐疲劳性能较差。5.应力强度的方向性皮质骨与松质骨的结构不同，承受的力量及两者的刚度也不同。皮质骨的刚度比松质骨大，变形程度则较之要小。两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。（六）骨生物力学的常用指标骨的材料特性：常用的指标有最大载荷、弹性载荷、最大挠度和弹性挠度。骨的结构特性：常用的指标有最大应力、弹性应力、最大应变弹性应变。（七）骨的功能适应性1.骨形态结构的功能适应性骨是有生命的材料。随着它受到的应力和应变情况，通过自身修复来改变其性质和外形，实现外表的再造。2.骨组织结构的功能适应性骨骼组织为了适应各种力学功能的需要，不仅在形态结构作了最佳搭配，而且对自身的组织结构也进行了优化组合。体内骨组织的形成、发展方式与其所受的应力有关。骨组织能用最少的骨量来满足运动所需的骨强度。3.骨塑形、重建和年龄相关性骨塑形系指改变骨的形状，骨重建则是骨转换的一种特殊形式。在生长期几乎所有的骨面都在进行骨吸收和骨形成，以适应骨长长和长粗的需要。当骨生长结束后，骨的形成与吸收仍在进行，为骨重建。30～40岁后，骨形成的速率慢于骨形成，最终的结果是骨量随年龄的增加而降低，骨脆性增加。三、骨折的生物力学骨的完整性或连续性中断时称骨折。其常见原因有直接暴力、间接暴力、肌拉力、积累劳损及骨骼疾病。骨折往往与骨所受的拉伸、挤压、弯曲等载荷密切相关。(一)骨的受载形式与骨折类型的关系常见的骨折类型与骨所受载荷的形式有关，一般包括有：拉伸、压缩、弯曲、旋转和压力联合弯曲；5种基本形式所致的骨折。

（二）骨折的生物力学原理1.骨受拉伸载荷所致的骨折其断裂的机理主要为骨组织结合线的分离和骨单位的脱离。临床上，拉伸载荷所致的骨折常见于骨松质，表现形式多为撕裂性骨折。如跟腱附着点附近的跟骨骨折。2.骨受压缩载荷所致的骨折其机制主要是骨单位的斜行破裂。如运动员在单杠失手或跳伞落地技术不正确时所导致的胸腰椎骨折，其原因大多是由高处落下臀部着地时受瞬间冲力引起。瞬间冲力沿纵向挤压，产生椎体的压缩骨折，椎体在高压缩载荷下发生缩短且变宽3.骨受剪切载荷所致的骨折当一对相距很短、方向相反的力的作用于骨时往往会产生剪切骨折。其骨折通常见于骨松质，如股骨髁和胫骨平台骨折。4.骨受弯曲载荷所致的骨折当骨骼的弯曲载荷承受极限超出外力的突然袭击时，造成拉应力大于压应力，发生骨组织的弯曲断裂。5.骨受复合载荷所致的骨折骨受到多种不定的载荷的作用而致的骨折。临床所见骨折的形式也较为复杂。如临床上所见的嵌插型、长斜形、短斜形、螺旋形、粉碎形等骨折，都属于复合载荷状态下所导致的骨折类型。6.骨松质的微细骨折显微镜下所能看到的骨小梁裂损称为骨松质微细骨折。微细骨折可以是正常生理活动的结果，在正常生理情况下，骨松质具有修复微细骨折的能力。当微细骨折的程度超出生理水平，就会产生病理结果，使骨折的危险性增加。7.疲劳性骨折概念：指骨长期承受反复负荷(如长时间的行军、锻炼)后发生微损伤而逐渐形成的骨折。它是由于损伤的不断积聚，超过机体的修复能力，继而产生疲劳性骨折或应力性骨折。特点：骨折和修复同时进行。（1）疲劳性骨折的好发部位最常发生在下肢骨，其次是上肢骨和躯干骨。下肢骨骨折可发生在股骨、髌骨、腓骨、胫骨、内踝、距骨、跖骨、跟骨等处，其中，以胫骨、腓骨和跖骨更多见。（2）疲劳性骨折的生物力学原理有关疲劳性骨折的发生原因，概括起来有以下几种观点：其一，肌疲劳是导致疲劳性骨折发生的一个重要原因其二，肌牵拉是导致疲劳性骨折另一原因。其三，骨钙质减少。其他，维生素、酸中毒以及生物电现象等均可能与疲劳性骨折有关。（3）应力性骨折（疲劳性骨折）的预防主要预防原则如下：①避免长时间高频率的单一负重的跑跳训练。②正确选择运动场地。过硬的运动场地，往往是应力性骨折的重要诱发因素。③充分的准备活动。使肌、肌腱得到舒张、伸展，提高其柔韧性和抗疲劳的能力。④早期发现，早期处理。早期发现，早期处理可以有效地预防应力性骨折的发生。⑤饮食调节增加膳食中钙及蛋白质等的摄人量。四、骨质疏松症与运动防治（一）定义：骨质疏松症是以骨量减少、骨组织显微结构退化为特征，以致骨的脆性增高而使骨折危险性增加的一种全身骨代谢障碍性疾病。(二)特点1.骨量减少：是指骨矿物质和骨基质等比例的减少。2.骨微结构退变：表现为骨松质结构破坏、骨小梁变细和断裂、骨皮质变薄等。3.骨强度下降。（三）分类根据疾病发生的原因可将骨质疏松分为三大类：1.原发性骨质疏松：包括I型骨质疏松症：女性绝经后雌激素水平降低所致。Ⅱ型骨质疏松症：一般发生在60岁以上老年人，与增龄有关。2.继发性骨质疏松症：常继发于内分泌性疾病；骨髓增生性疾病等其他疾病。3.特发性骨质疏松症多见于8～14岁的青少年或成年，多半有遗传家族史，女性多于男性。（四）临床表现1.腰背部疼痛骨质疏松症最常见的症状，以腰背痛多见。2.身高缩短或驼背畸形骨质疏松症的主要临床表现。3.骨折骨质疏松症常见的并发症，往往在轻微的活动中，就可发生骨折。骨折最常发生于腰椎、腕部和髋部。（五）诊断尚无完全统一的标准。可以结合多种方法进行。1.诊断原则以骨密度减少为基本依据，并参考病史、生化指标和骨折进行综合考虑。2.诊断标准我国现试行的骨质疏松症诊断标准以骨密度仪所检测的骨密度值为主要依据，同时参考世界卫生组织(WHO)的标准，并结合我国种族、性别、地区的峰骨量制订的。（六）治疗1.治疗目的：是阻止病变发展，增加骨质量，减少骨折发生率，缓解骨痛，改善功能，提高生活质量。2.治疗对象：绝经期骨量快速丢失，骨密度测定，低于峰值骨量2～2.5SD；骨密度降至骨折阈值；已有脆性骨折；长期服用或注射导致骨量丢失的药