第二章 临床康复工程学基础

第二章临床康复工程学基础目录/contents01第一节生物力学02第二节人机工程学肌骨系统的生物力学；人体运动的生物力学；与假肢矫形器设计有关的生物力学人-机界面、环境控制技术基本力学概念；与坐姿系统及设计有关的生物力学掌握：熟悉：了解：重点难点第一节生物力学生物力学——康复治疗一、基本力学概念

（一）力

外力力的外部效应是使物体产生运动或平衡，称为外力或载荷，包括体积力和面力内力力的内部效应是使物体产生变形，甚至使物体发生破坏，称为内力（二）力矩、力偶、力偶矩生物力学——康复治疗dF1F2力矩=力*力臂力偶：非共线的、大小相等、方向相反的两个力力偶矩：（=F1·d或F2·d）（三）材料力学相关概念生物力学——康复治疗1.应力（stress）单位面积上的负载，表示结构内某一平面对外部负荷的反应，用单位面积上的力表示。应力的大小用下述公式表示：应力＝作用力/材料单位面积生物力学——康复治疗应力的国际单位为N/m2

1N/m2=1Pa（帕斯卡）

1MN/m2=1MPa=106N/m2=106Pa1GPa=1GN/m2=109Pa生物力学——康复治疗垂直于截面的应力称为“正应力”(NormalStress)位于截面内的应力称为“切应力”(ShearingStress)

p

M

生物力学——康复治疗2.应变(strain)

对于构件任一点的变形，只有线变形和角变形两种基本变形，分别由线应变和角应变来度量（1）线应变即单位长度上的变形量，无量纲，其物理意义是构件上一点沿某一方向变形量的大小生物力学——康复治疗（2）角应变：即一单元体两棱角直角的改变量，无量纲生物力学——康复治疗E=Constant，modulusofelasticity/elasticmodulus(弹性模量）代表材料刚度3.弹性模量

生物力学——康复治疗4.强度(strength)各种假肢、矫形器、骨固定器等都需要有足够的强度（破坏-断裂或变形过量不能恢复）5.刚度(stiffness)骨外固定器的刚度要求具有可调性，要满足骨折早期坚强固定和中后期弹性固定的要求构件应有足够的抵抗变形的能力构件应有足够的抵抗破坏的能力生物力学——康复治疗6.稳定性构件应有足够的保持原有平衡形态的能力小腿假肢需要有很好的稳定性7.承载能力指构件在受到外力作用时不会发生破坏，要求构件满足一定的强度、刚度和稳定性生物力学——康复治疗8.应力集中(stressconcentration)

受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象图[a]示带圆孔的板条，使其承受轴向拉伸。在圆孔附近的局部区域内，应力急剧增大，而在离开这一区域稍远处，应力迅速减小而趋于均匀（图[b]）

生物力学——康复治疗在I—I截面上，孔边最大应力σmax与同一截面上的平均应力σ之比，用α表示：α=σmax/σ称为理论应力集中系数，它反映了应力集中的程度，是一个大于1的系数生物力学——康复治疗9.弹性变形材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形消失并能完全恢复原来形状10.弹性极限应力超过了一个特定的值，当卸载时，样本不能完全恢复它的大小和形状11.塑性变形当材料在超过弹性极限卸载后加载，将有一个永久变形12.蠕变应力保持一定，物体应变随时间增加而增大时间t应变ε生物力学——康复治疗时间t应力σ13.应力松弛应变保持一定，应力将随时间增加而下降生物力学——康复治疗二、肌骨系统生物学

骨是杠杆关节是枢纽肌肉是动力生物力学——康复治疗（一）骨生物力学

1.骨的生物力学特性了解骨材料的应力-应变关系，可以区分骨的力学特征AB"C"

BC弹性范围塑性范围应变应力C´B´骨密质的应力-应变曲线生物力学——康复治疗生物力学——康复治疗2.骨的受力形式与特点压缩(compression)：压缩载荷为加于骨表面的大小相等而方向相反的载荷作用于髌骨的压力可软化和破坏髌骨下的软骨，从而导致髌骨疼痛。生物力学——康复治疗2.骨的受力形式与特点拉伸(tension)：拉伸载荷是自骨的表面向外施加大小相等而方向相反的载荷临床常见的拉伸载荷所致的骨折多见于骨松质生物力学——康复治疗剪切(shearing)：骨组织受大小相等、方向相反、垂直于轴线的很近的两个相互平行的力引起的剪切骨折通常见于骨松质例如：拳击运动，运动员胸部或腰部由于受水平暴力冲撞，产生剪切应力而致骨折生物力学——康复治疗弯曲(bending)：骨沿其轴线发生弯曲的载荷生物力学——康复治疗四点弯曲产生的骨折靴口骨折三点弯曲：四点弯曲：生物力学——康复治疗扭转（torsion）：受大小相等、方向相反、作用面都垂直于杆轴的两个力偶引起生物力学——康复治疗复合载荷：在活体，骨很少只受到一种负载形式的作用在小跑和行走时骨收到多种应力作用生物力学——康复治疗

(二)肌肉生物力学1.肌肉结构的力学模型收缩元并联弹性元串联弹性元生物力学——康复治疗肌肉收缩元：代表肌节中的肌动蛋白微丝及肌球蛋白微丝。兴奋时可产生张力，称主动张力并联弹性元：代表肌束膜及肌纤维膜等结缔组织。当被牵拉时产生弹力，称被动张力串连弹性元：代表肌微丝、横桥及闰盘的固有弹性。当收缩元兴奋后，使肌肉具有弹性生物力学——康复治疗模型的串联构成肌的长度FΔxFΔxnΔxF肌收缩力＝F肌收缩速度＝nΔx/Δt肌长度的增加，对其收缩速度有良好影响，但不影响收缩力生物力学——康复治疗模型的并联构成肌的厚度FΔxFΔxnFΔx肌收缩力＝nF肌收缩速度＝Δx/Δt生物力学——康复治疗

2.肌肉收缩的类型concentric&eccentriccontraction（向心收缩和离心收缩）isokineticcontraction（等速收缩）isometriccontraction（等长收缩）isotoniccontraction（等张收缩）生物力学——康复治疗向心收缩（concentriccontraction）肌力克服肢体重量，（即：肌力大于外部力。）引起关节运动。肌长度缩短；由肌肉所产生的肌力矩与关节角度是同一个方向离心收缩（eccentriccontraction）如果有一个力作用到一块受刺激的肌上，并且这个力大于这块肌所能产生的最大力时，即：当一块肌肉不能产生足够的拉力克服外部载荷，它将给拉长。那么，这块肌肉事实上被拉长，这就是所谓的离心作用。目的：减小关节的运动生物力学——康复治疗等速收缩（isometriccontraction）肌作用产生力时其长度不变，此时肌肉力等于外部力肌肉能量不消失完全转变为阻力矩。肌力随着整个运动范围内力臂的变化而变化以上三种形式是肌肉的动力性运动：肌肉移动关节或控制关节的运动生物力学——康复治疗等长收缩（isokineticcontraction）

关节运动保持恒定的速度，即肌肉收缩或伸长的速度不变肌肉尝试着缩短，但没有克服外力引起运动，它只是产生一个力矩在一个固定的位置支持负荷（supportload）。是固定体位和维持姿态时的主要肌肉运动形式属于肌肉的静力性运动例如：半蹲位时的股四头肌收缩紧咬下颌时咀嚼肌的收缩生物力学——康复治疗等张收缩（isotonicmusclecontraction）肌收缩时，其力的大小不变注意：本部分没有考虑关节上的杠杆效应

由于肌肉力力矩臂在关节活动范围内变化，肌肉张力也必须改变（becausethemuscleforcemomentarmchangesthroughouttherangeofjointmotion,themuscletensionmustalsochange）因此，关节活动过程中，真正意义上的等张收缩并不存在（isotonicmusclecontractioninthetruestsensedoesnotexistintheproductionofjointmotion）生物力学——康复治疗肌在肌肉发力上，离心收缩能产生的力在几种作用中最大，其次是等长收缩，向心收缩能产生的力最小在缩短速度上，习惯上把向心作用的缩短速度方向作为正的。等长作用的速度为0，离心作用的拉长速度方向为负

生物力学——康复治疗3.肌肉结构的力学特性(1)肌肉力—长度关系蛙腓肠肌蛙缝匠肌不同肌的长度与受力的关系A—平衡长度B—静息长度1—肌收缩时产生的总张力；2—肌在被动状态下所表现的被动张力；3—肌除去组织的被动张力外的净收缩力生物力学——康复治疗(2)力—速度关系(F+a)(v+b)=

(Po+a)b力

能速度生物力学——康复治疗肌收缩力—速度特性(a+F)(V+b)=b(F0+a)生物力学——康复治疗力V拉长V缩短肌缩短和拉长时的力—速度关系生物力学——康复治疗(3)力—时间关系肌肉产生的力或张力与收缩时间成正比:收缩时间越长，力越强，直到达到最大张力。(Theforce,ortension,generatedbyamuscleisproportionaltothecontractiontime:thelongerthecontractiontime,thegreateristheforcedeveloped,uptothepointofmaximumtension.）(4)影响因素预拉伸的影响温度生物力学——康复治疗(三)关节生物力学

1.关节运动的类型屈伸运动：环绕额状轴（横轴）在矢状面内收、外展运动：环绕矢状轴在额状面旋转（旋内、旋外）运动：环绕垂直轴（纵轴）在水平面生物力学——康复治疗2.关节运动的自由度（DOFofjointmotion）一个关节在两维或三维空间中可能具有的运动数目二维空间，一个关节有三个自由度三维空间，一个自由关节有6个自由度普遍关节，有两个自由度例如：髋关节可在三个方向上转动：屈-伸，内收-外展和内旋-外旋生物力学——康复治疗3.人体运动链(1)环节(segmentorlink)一个环节：相邻二个关节中心之间的肢体部分，如大腿、小腿、上臂、前臂等远侧最后环节定义为末端效应器或末端环节，如头、手、足等生物力学——康复治疗(2)运动副(kinematicpairs)二个环节通过一个关节连接起来就组成了一个运动副在机械原理中，根据两构件连接面的形状把运动副分成低副和高副以点或线接触组成的运动副叫高副，在人体中，关节面形状中没有以点或线接触的情况，因此，人体中没有高副生物力学——康复治疗(3)运动链(kinematicchain)三个或三个以上环节通过关节相连，组成运动链运动链是研究人体运动的基础一个运动副联接到一个外部环境上称为二环节运动链生物力学——康复治疗(4)关节的活动度和稳定性稳定性大的关节，活动度小：上肢关节有较大活动度，下肢关节与脊柱有较大稳定性影响关节活动度和稳定性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生物力学——康复治疗(5)关节运动力学分析关节所受到的力及其运动情况很多因素可导致关节疾病的形成，如关节畸形、超生理载荷以及环境影响。作为分析关节力学特性、疾病成因、治疗和预防手段的关节生物力学，可为骨科医疗器械、假肢矫形器和人工关节设计等提供理论依据生物力学——康复治疗（一）人体站立状态的力学分析

人体姿势、重力和力线影响着假肢或矫形器的正确功能三、人体运动的生物力学分析生物力学——康复治疗1.姿势姿势是身体环节在空间的相对排列静态的姿势、动态的姿势动态的姿势指身体或环节移动时的姿势在任何一种姿势下，为了保持直立姿势，身体必须抵抗重力或作用在其上的其它力的影响生物力学——康复治疗2.重心重力的作用点由于身体姿势的变化，重心位置也随之变化直立人体的平衡和稳定，取决于重心的位置及其与支撑面之间的关系生物力学——康复治疗3.重力作用线简称力线，总是垂直指向地心重力作用线通过关节轴，重力的影响为压力或拉力重力作用线通过关节轴时产生的线性力A．拉力B.压力AB生物力学——康复治疗重力作用线不通过关节轴，力矩产生，力矩的大小与关节轴到重心作用线的垂直距离成比例C重心的力矩A比B小，FR是转动的分力，FL线性或平动的分力C表示最大力矩，重力都是转动分力，没有线性分力生物力学——康复治疗身体直立和屈膝时的力线比较。直立时在髋、膝、踝的力臂比屈膝时小，随着力臂的增加，髋关节和膝关节屈曲程度增加，踝关节跖屈程度增加膝关节髋关节踝关节屈膝姿势下重力作用线和重力矩MA：表示力臂生物力学——康复治疗（二）人体运动状态的力学分析

1.人体运动分析常用的基本参数

(1)人体惯性参数：主要有人体各分体的质量mi，各分体的质心位置ci，各分体绕三个轴的转动惯量（总称为人体惯性张量）Jix、Jiy、Jiz

(2)动力学参数：主要包括外力、外力矩及人体各分体间的内力与内力矩

(3)运动学参数：主要包括人体各分体运动的位移、速度、加速度及角位移、角速度、角加速度、身体姿位和关节角度等生物力学——康复治疗2.正常功能下的运动及作用力步态（gait）：指行走时的人体姿态步态受到人体解剖结构、生理功能、运动控制能力及心理状态等多种因素的影响对行走功能的测量、分析和评价方法称为步态分析生物力学——康复治疗1）步态周期（gaitcycle)行走过程中，从一侧脚跟着地开始到该脚跟再次着地构成一个步态周期（1）步态分析中的一些基本概念生物力学——康复治疗生物力学——康复治疗2）步长与跨步长行走时左右足跟（或趾尖）间的纵间距离称为步长（steplength)同侧足跟（或趾尖）两次着地间的距离称为跨步长（stridelength)，又称步幅一个跨步长等于两个步长生物力学——康复治疗3）步态分析参数运动学参数动力学参数肌电活动参数能量参数生物力学——康复治疗运动学参数时间参数空间参数时间-空间参数动力学参数足-地接触力踝关节力身体重心的加速度生物力学——康复治疗肌电参数

步行过程中，下肢各肌肉的电活动正常人步行，股四头肌活动、踝关节背伸肌活动与步行能力显著相关，姿势的变化与步长、步速、支撑期显著相关股四头肌活动与每个步态参数都有很重要的影响。在推动身体重心向上、向前时，腓肠肌和比目鱼肌显示出最大峰值活动生物力学——康复治疗电极：针电极、表面电极针电极表面电极生物力学——康复治疗能量参数包括能量代谢参数、机械能参数能量代谢参数：指步行中的能量代谢，可以在步态分析过程中同时用气体分析仪测量及分析气体中含氧量的变化，以此来计算步行中的能量消耗量机械能参数：一个步态周期中身体不同部位的能量消耗（产能及耗能）（2）行走时的受力站立：竖直向下的重力、地面通过双足产生一个向上的力行走：竖直方向上的作用力、水平前后方向的作用力、水平左右方向的作用力外力系统：重力本身以及身体某些环节加速产生的外力组成的系统内力系统：正常情况下，身体组织内产生的作用力系统生物力学——康复治疗3.内力系统异常时的运动及作用力身体组织不能作为内力系统起抵抗或控制的正常作用，将出现异常步态常见异常步态帕金森步态偏瘫步态剪刀步态痉挛性截瘫步态小脑共济失调步态短腿步态臀大肌步态（髋伸肌步态）臀中肌步态股四头肌步态跨越或垂足步态减痛步态生物力学——康复治疗4.假肢矫形器设计的生物力学原理与假肢设计有关的生物力学

(1)上肢假肢设计的生物力学原理必须根据人体上肢解剖学的构造和各部分的配合关系，通过对线来调整和确定假手、腕关节、肘关节、肩关节和接受腔之间的位置和角度关系，使之既符合人体的自然肢位，又便于假手在日常生活和工作中发挥操物的代偿功能。生物力学——康复治疗(2)与下肢假肢设计有关的生物力学地面反作用力：groundreactionforce，GRF重心：设计下肢假肢时要考虑重心的影响生物力学——康复治疗与矫形器设计有关的生物力学人体关节的转动运动与稳定人体关节的平移骨与关节的轴向力地面反作用力皮肤表面压力的均匀分布生物力学——康复治疗生物力学——康复治疗人体关节的转动运动与稳定

三点力控制系统

生物力学——康复治疗人体关节的平移

四点力系统矫形器生物力学——康复治疗有制动膝关节的下肢矫形器冠状面小腿假肢的力线A.将足置于接受腔的内侧B.将足置于接受腔的外侧AB

生物力学——康复治疗ABC矢状面小腿假肢的力线A.正常力线；B.足置于远离接受腔的后部；C.足置于远离接受腔的前部生物力学——康复治疗5.坐姿系统与坐垫有关的生物力学坐姿下的力坐姿与坐姿下的运动皮肤表面压力的均匀分布生物力学——康复治疗坐姿下的力重力压强摩擦力生物力学——康复治疗坐姿下的运动保持人体重心位于支撑底座正上方，这样有利于维持平衡，并且重心越低，稳定性越好，同时底座越大，身体的平稳运动范围越大坐位，重心越低，出现更多的支撑点生物力学——康复治疗皮肤表面压力的均匀分布尽量加大坐垫对肢体局部皮肤的加压面积，并使压力均匀分布，避免压力过分集中，造成皮肤损伤坐垫的压力部位，特别是骨的凸起部位，应当精密地进行模塑，使用硅凝胶垫、塑料海绵垫等，使皮肤表面的压力分布尽量均匀第二节人机工程学人机工程学——康复治疗一、人机界面human-machineinterface是指辅助技术装置中与人进行信息交互作用的界面人机工程学——康复治疗（一）人-机交互的原理与方法人与机之间均存在一个相互作用的“面”人与机之间的信息交流和控制活