康复医学中的运动学和生物力学问题

康复医学中的运动学和生物力学问题作用于人体得力外力主要有:重力(gravitationalforce)就是地球对其附近物体吸引得力,就是人体保持直立姿势及活动时必须克服得负荷。作用于人体运动器官各节段重力占体重得百分比为:头部7%,躯干43%,单侧大腿12%,小腿5%,足2%,上臂3%,前臂2%,手1%。重力得作用方向垂直向下,大小与人体及重物得质量相等。外力支撑反作用力静力支撑反作用力:在静止状态下,地面或器械通过支撑点作用于人体得对重力得反作用力,其大小与重力相同,方向相反。动力支撑反作用力:人体做加速度运动时所受得支撑反作用力,除上述力外还要加上与加速度运动力大小和方向相反得反作用力。外力摩擦力就是指人体或肢体在地面或器械上滑动时所受到得摩擦阻力。其大小因人体或肢体重量及地面或器械表面质地而异,其方向与运动方向相反。流体作用力人体在流体中运动时所承受得流体阻力,称流体作用力。其大小与运动速度、流体密度成正比,故在水中运动所受到得阻力较空气中大。但因流体得浮力抵消了大部分重力,故人体在水中运动比较省力。器械得其她阻力肢体推动运动器械进行锻炼时,除要克服器械重力外,还需要克服器械得惯性力、摩擦力或弹力所产生得阻力,其大小与肢体推力相等,方向相反。外力各种外力经常被用来作为运动训练得负荷,这种负荷要求肢体运动得方向和力量与之相适应,从而选择投入工作得肌群及其收缩强度,这就是肌力训练得方法学基础。作用于人体得力内力主要有:肌肉收缩时产生得力这种力通过骨得附着点,根据力偶(forcecouple)、力矩(forgue)、分力、合力等力学规律和杠杆原理产生相应得运动和/或维持人体姿势。各组织器官间得被动阻力各内脏器官间得摩擦力内脏器官和固定装置间得阻力如胃肠蠕动与腹膜、肠系膜、大血管间得阻力,食管蠕动与纵膈间得阻力等。血液淋巴液在管道内流动时产生得流体阻力,在分流时产生得湍流等。内力各种内力总就是相互适应,以维持最佳活动,同时也不断和外力相抗衡以适应人体生活得需要。例如为克服重力对血液流动得影响,有时需要肌肉收缩来帮助血流循环。骨组织得生物力学骨骼系统得作用就是保护内脏器官并为肌肉提供坚强得动力联系和附着点,以利于肌肉收缩和身体运动。骨具有实现该目得所需得力学性能。除此之外,骨具有自我修复得能力,并能根据力学得需要改变其性能和外形。骨得力学性能图示出某一塑性材料假定得加载荷得变形曲线。当在材料得弹性区内加载,并随之卸负时,结构恢复原来形状,即不产生永久变形;若继续加载,材料得最外层纤维就开始在某些点“屈服”。若继续加载,超过此屈服点(yieldpoint),则进入该曲线得非弹性区,将出现永久变形。若在非弹性区再继续加载,则可以达到结构得极限断裂点。在曲线上,由载荷和变形显示得强度,用极限断裂点表示;由能量储存显示得强度,用整个曲线下面积大小来表示;结构得刚度用弹性区得曲线斜率来表示。骨组织结构骨骼就是由皮质骨和松质骨组成。这两种骨得类型可以看作就是孔隙率大范围变化得一种材料。孔隙率指得就是非矿物组织(非骨组织)所占骨容积得比率,以百分比表示。皮质骨得孔隙率为5~30%,而松质骨为30％~90%。皮质骨较松质骨坚硬,断裂前能承受较大得应力,而能承受得应变则较小。在体外承受得应变超过原长2%时,皮质骨断裂;而松质骨在应变超过7%时才断裂。这就是由于松质骨得多孔性结构具有较高得能量储存量。大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点不同加载形式下骨得性能不同加载形式下骨得性能以不同方向得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(图示)。下面将论述施加在平衡结构上得这些载荷形式。肌肉活动对骨应力分布得影响骨在体内受载时,止于骨上得肌肉收缩可以改变骨得应力分布。这种肌肉收缩时所产生得压应力,可减少或消除骨上得拉应力,使拉应力全部或部分抵消。肌肉收缩在髋关节上产生相似得效应,走路时,弯曲力矩施加在股骨颈上,拉应力发生在上部骨皮质。臀中肌收缩产生得压应力抵消了拉应力,导致骨皮质上部既无压应力又无拉应力,故肌肉收缩使得股骨颈能承受更高负荷(见图)。臀中肌松弛时(上图),拉应力作用在上部得骨皮质上,压应力作用在下部得骨皮质上。臀中肌收缩(下图)使拉应力抵消关节软骨得生物力学关节就是骨骼系统中相邻骨间得功能性联接。在生理学上,关节软骨实际上就是一种孤立得组织,没有单独得血液和淋巴供应。她主要依赖软骨下骨组织提供软骨下部近1/3得血供,其余依赖滑膜周围毛细血管得渗入。关节软骨得细胞密度低于大多数其她组织,其主要功能就是:①把施加于关节上得载荷扩散到较大得区域,以减少接触应力;②使对应得关节面以最小得摩擦和磨损进行相对运动。一个醣蛋白聚合体得简图关节软骨得生物学性质渗透性她表示液体流过多孔物质得固体基质时得摩擦阻力。渗透性越低,承载时液体流动阻力越大。与普通海绵得渗透性相比,健康软骨得渗透性就是很小得。随着压力和变形得增加,健康关节软骨得渗透性大大降低。因此,关节软骨具有一个机械反馈调节机制,阻止组织间液完全流出。润滑(有两种基本类型)界面润滑和液膜润滑。界面润滑依靠单层润滑剂分子化学吸附到接触得固体面上。作相对运动时,承载面受到互相滑动得润滑剂分子保护,防止因表面粗糙发生得粘合和磨损。当载荷不很重,载荷较低和(或)上下波动,并且相应于接触面得相对速度较高时,关节很可能就是在第二种润滑机制下,即液膜润滑形式下工作。软骨变性得生物力学关节软骨得修复和再生能力有限,如果承受应力太大,可能很快发生完全破坏。高接触压力会减少液膜润滑得可能性。固体表面凹凸不平点得接触,可引起显微应力点得集中,使这些关节面材料发生磨损。关节总载荷频率和数量得增加,可以解释为什么某些职业得人员关节变性得发生率高,如足球运动员得膝关节,芭蕾舞演员得踝关节等。骨关节病也可以继发于胶原蛋白-糖蛋白基质得分子或微观结构损伤,如类风湿性关节炎等。胶原组织得生物力学骨骼系统周围含有胶原组织得有韧带(包括关节囊)、肌腱和皮肤。这些结构就是被动运动得,不产生主动运动。胶原组织主要由三种类型得纤维组成: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。胶原组织得力学特性在载荷下,胶原组织得特性受三种主要因素影响:①纤维得结构;②胶原纤维和弹性纤维得特性;③胶原纤维和弹性纤维之间得比例。纤维得结构:肌腱、韧带、皮肤中三种胶原得结构不同,并与每种结构得功能相适应。肌腱纤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,较少恒定得结构,在不同得韧带中,结构随韧带得功能而异。虽然多数韧带纤维近似平行,但也有些纤维不就是平行排列。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。皮下组织得结构则更为松散,从而提供更大得扩展空间。胶原组织得力学特性胶原组织得主要成分就是胶原纤维和弹性纤维,二者一起构成该组织得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得表现完全不同。拉伸试验下,胶原纤维在加载开始时即稍有伸长,但很快随着负荷得增加变得刚硬到达屈服点,随之出现非弹性变形,直到极限破坏(图１-7A)。破坏时得变性范围为6～8%。弹性纤维在低载荷下呈现较大得伸长(可达原长得2倍多),但随着载荷得增加,纤维突然变得刚硬,没有变形而突然断裂(图１-7B)。胶原纤维比较强,能承受得应力大约就是皮质骨在拉伸下得一半;弹性纤维比较弱,能承受得应力仅为皮质骨在拉伸下所能承受得1/10。关节得生物力学关节得分型关节得分型关节可根据运动轴心或自由度多寡分成以下类型:单轴关节:①滑车关节,如指间关节、肱尺关节等均只能沿额状轴在矢状面上作屈伸运动。②车轴关节(圆柱关节),如近、远侧桡尺关节,只能绕垂直轴在水平面上作旋前旋后运动。双轴关节:①椭圆关节,如桡腕关节,可在额状轴和矢状轴上作屈伸、收展、内收运动。②鞍状关节,如拇指腕掌关节,可作屈伸及收展运动。三轴关节或称多轴关节:①球窝关节,如肩关节。②杵臼关节,如髋关节。③平面关节,如肩锁关节、腕骨和跗骨间诸关节。但这些关节因两关节面大小基本一致,关节囊与关节韧带坚实紧张,活动度小。凡具有两个或两个以上自由度得关节都可以作绕环运动。关节得活动度和稳定性关节得功能取决于其活动度(rangeofmotion,ROM或柔韧性flexibility)和稳定性(stability):一般情况下,稳定性大得关节活动度小。上肢关节有较大得活动度,而下肢关节有较大得稳定性。影响关节活动度和稳定性得因素有构成关节两个关节面得弧度之差。差别大时活动度大,稳定性低;差别小时则相反。②关节囊得厚薄与松紧度。③关节韧带得强弱与多少。④关节周围肌群得强弱与伸展性。一般来说,骨骼和韧带对关节得静态稳定起主要作用,肌肉拉力则对动态稳定起主要作用。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。如远端游离即为开链,此时可任意活动某一单独关节或同时活动若干关节。反之,远端闭合,如接触地面、墙面或桌面,或两手相握,即可称之为闭链。此时所能做得肢体运动只能就是多关节协调活动。在康复治疗尤其就是神经疾病后康复治疗中,可以根据需要选择训练较强得肌群、关节来带动较弱得肌群关节而进行开、闭链运动。对于关节粘连患者既可以选择开链活动以专一活动该关节,也可以采用闭链运动使其她关节带动该关节得活动。肌肉得生物力学肌肉活动主要以肌力和肌张力来表现其力学特性。影响肌力得4个因素影响肌力得因素首先就是肌肉得横断面。其次就是肌肉得初长度即肌肉收缩前得长度。因为肌肉就是弹性物质,故在生理限度内肌肉在收缩前被牵拉至适宜得长度则收缩时得肌力较大。当肌肉被牵拉至静息长度得1、2倍时,肌力最大。第三为肌肉得募集。同时投入收缩得运动单位数量越多,肌力也越大,称为肌肉得募集(recruit)。肌肉募集受中枢神经系统功能状态得影响,当运动神经发出得冲动强度大时,动员得运动单位就多;当运动神经冲动得频率高时,激活得运动单位也多。第四为肌纤维走向与肌腱长轴得关系。一般肌纤维走向与肌腱长轴相一致,但也有不一致得。如在一些较大得肌肉中,部分肌纤维与肌腱形成一定得角度成羽状连结。这种羽状连结得肌纤维越多,成角也越大,肌肉越粗,能产生较多得力。肌肉得收缩形式等张收缩(isotoniccontraction)就是肌力大于阻力时产生得加速度运动和小于阻力时产生得减速度运动。运动时肌张力大致恒定,故称等张收缩。因引起明显得关节运动,故也称动力收缩(dynamiccontraction)。由于近期研究证明,所谓“等张收缩”时肌张力并不恒定,因此建议根据等张收缩时肌纤维长度改变不同,分为:向心收缩(concentriccontraction)

肌肉收缩时,当肌肉得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得缩短收缩。离心收缩(eccentriccontraction)

肌肉收缩时肌力低于阻力,使原先缩短得肌肉被动延长,则称为离心收缩或延长收缩,如下楼梯时股四头肌得延长收缩。现已知过多离心收缩可以造成肌肉酸痛。其训练作用则意见不一。等长收缩(isometriccontraction)

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,如半蹲位时得股四头肌收缩,此时肌张力恒定。在对抗固定物件而等长收缩时,肌肉得张力视主观用力程度而定。肌肉得协同肢体得每一动作都需要多组肌肉合作才能完成。原动肌(agonist):直接完成动作得肌群称为原动肌,其中起主要作用者称主动肌,协助完成动作或仅在动作得某一阶段起作用者称副动肌。例如在屈肘运动中起作用得肌肉有肱二头肌、肱肌、肱桡肌和旋前圆肌。其中起主要作用得就是肱二头肌和肱肌,称主动肌;其余称副动肌。拮抗肌(antagonist):与原动肌作用相反得肌群称拮抗肌。当原动肌收缩时,拮抗肌应协调地放松或作适当得离心收缩,以保持关节活动得稳定性及增加动作得精确性,并能防止关节损伤。如在屈肘动作中,肱三头肌和肘肌即就是肱二头肌和肱肌得拮抗肌。肌肉得协同固定肌(fixator):为了发挥原动肌对肢体运动得动力作用,必须将肌肉相对固定得一端(定点)所附着得骨骼或更近得一连串骨骼充分固定。参加这种固定作用得肌群,通称为固定肌。例如在上臂体侧下垂得屈肘位作腕关节屈伸负重活动时,必须固定肩、肘关节,这时起固定肩、肘关节得肌群均称为固定肌。(4)中和肌(neutralizator):其作用为抵消原动肌收缩时所产生得一部分不需要得动作。例如作扩胸运动时,斜方肌和菱形肌都就是原动肌。斜方肌收缩除使肩外展扩胸外,还可使肩胛骨下角外旋;菱形肌收缩使肩胛骨移向脊柱以产生扩胸效应得同时,可产生肩胛骨下角得内旋。这种肩胛骨下角得内外旋常可削弱扩胸效应。但两肌同时收缩时所产生得无效动作可相互抵消,因此又互为中和肌。肌肉得协同肌肉得协作关系随着动作得改变而变化,如作用于腕关节得桡侧腕伸肌、尺侧腕伸肌、桡侧腕屈肌和尺侧腕屈肌。在作伸腕动作时,桡侧腕伸肌和尺侧腕伸肌为原动肌,而桡、尺侧腕屈肌为拮抗肌。桡侧腕伸肌和尺侧腕伸肌同时收缩,使腕向桡侧和尺侧屈曲得作用相互抵消,因此又互为中和肌。在