運動中的生物力學問題

運動中的生物力學問題第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二內(nèi)容提要第一節(jié)運動中的生物力學問題一、作用于人體的力二、骨組織的生物力學三、關(guān)節(jié)軟骨的生物力學四、膠原組織的生物力學五、關(guān)節(jié)的生物力學六、肌肉的生物力學七、人體運動的杠桿原理第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二第一節(jié)運動中的生物力學問題力（force）是一種作用，它能改變受力物體的靜止或運動狀態(tài)。對力進行廣泛綜合研究的學科稱為力學（Mechanics）。當力作用于人體和其他生物體上并加以研究的學科，則稱之為生物力學（Biomechanics）。在康復(fù)治療中常以運動治療作為主要方法。第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二運動生物力學學科演變123萌芽時期形成時期發(fā)展時期第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二研究人體結(jié)構(gòu)與運動功能的關(guān)系研究人體運動技術(shù)的規(guī)律研究人體運動技術(shù)的最佳化設(shè)計與改進運動器械研究運動損傷的力學原因.運動生物力學學科任務(wù)第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二運動員膝關(guān)節(jié)屈伸肌力量比例:田徑(35)、舉重(21)、賽艇(15)項目運動員共71名第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二KineticanalysisForceplatformPressureplatformPressureinsole第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二運動損傷第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

疲勞骨折-治療原則停止致傷動作調(diào)整訓練量手法按摩治療局部物理治療小腿氣墊夾板第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二作用于人體的力重力支撐反作用力摩擦力流體作用力器械的其他阻力外力第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二如果沒有重力第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二一、作用于人體的力第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二一、作用于人體的力第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二作用于人體的力肌肉收縮時產(chǎn)生的力各組織器官間的被動阻力各內(nèi)臟器官的摩擦力內(nèi)臟器官和固定裝置間的阻力血液淋巴液在管道內(nèi)流動時產(chǎn)生的流體阻力內(nèi)力第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二二、骨組織的生物力學人體共有206塊骨,其功能是對人體起支持、運動和保護的作用.骨按形狀可分為長骨、短骨、扁骨和不規(guī)則骨等.骨的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不論是從解剖學還是生物力學的角度來看,都是十分復(fù)雜的.這種復(fù)雜性是由骨的功能適應(yīng)性所決定的.骨的功能適應(yīng)性,是指對所擔負工作的適應(yīng)能力.第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二二、骨組織的生物力學從力學觀點來看,骨是理想的等強度優(yōu)化結(jié)構(gòu).它不僅在一些不變的外力環(huán)境下能表現(xiàn)出承受負荷（力）的優(yōu)越性,而且在外力條件發(fā)生變化時,能通過內(nèi)部調(diào)整,以有利的新的結(jié)構(gòu)的形式來適應(yīng)新的外部環(huán)境.越是深入了解人體骨的特性,就越是為其優(yōu)良的受力結(jié)構(gòu)感到驚嘆.制造出這種“智能”型的材料和結(jié)構(gòu),一直是科學工作者孜孜以求的目標.第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

人體骨骼顱骨軀干骨上肢骨下肢骨第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二骨的圖片第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二二、骨組織的生物力學

1、骨的力學性能強度和剛度是骨的重要力學性能。加載荷后的變形曲線可以給出決定結(jié)構(gòu)強度的三個參數(shù)：①結(jié)構(gòu)斷裂前所能承受的載荷；②斷裂前所能承受的變形；③斷裂前所儲存的能量。在曲線上，由載荷和變形顯示的強度，用極限斷裂點表示；由能量儲存顯示的強度，用整個曲線下面積大小來表示；結(jié)構(gòu)的剛度用彈性區(qū)的曲線斜率來表示。第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二二、骨組織的生物力學應(yīng)力是結(jié)構(gòu)內(nèi)某一平面上響應(yīng)外部施加的載荷而產(chǎn)生的單位面積的負荷，以單位面積所受的力來表示。應(yīng)變是結(jié)構(gòu)在載荷下某一點上發(fā)生的變形。應(yīng)變有兩種類型：線應(yīng)變，它是長度的改變，是與以結(jié)構(gòu)原長相除后的變形量（伸長或縮短），以百分比表示，如cm/cm。剪應(yīng)變是某一結(jié)構(gòu)在承受載荷下所發(fā)生的角改變，以弧度(rad)表示（1弧度約等于57.3°）。第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二2、骨組織結(jié)構(gòu)骨骼是由皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成。皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨均呈各向異性(anisotropy)。各向異性是指在不同方向受載顯示不同的力學性能。由于骨的結(jié)構(gòu)在橫向和縱向各不相同，因而骨的強度也隨所加載荷的不同方向而異。第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二由骨內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)易見骨是一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu).復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特點就是各向異性,即其力學性能具有較強的對成分和結(jié)構(gòu)的依賴性.復(fù)合材料的力學特性,包括揚氏模量、剪切模量、粘彈性、極限盈利應(yīng)變等,不僅與其物質(zhì)成分有關(guān),而且與其結(jié)構(gòu)有關(guān).這個結(jié)構(gòu)關(guān)系包括各成分的幾何形狀,纖維與基質(zhì)之間的結(jié)合,纖維接觸點的結(jié)合等.人們很早就發(fā)現(xiàn),人密質(zhì)骨的橫向（徑向或切向）試件的壓縮模量約為縱向試件的56%.應(yīng)該注意的是,同一塊骨的不同部分的力學性能是有差別的.第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二由圖可見,股骨最強之處在上三分之一處的外側(cè).同時,即使是骨的某一點上,各個方向的力學性能也不相同.即具有明顯的各向異性.

第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

骨具有明顯的各向異性.例如長骨主要承受的是軸向的壓力,因此沿軸向具有較高的強度和彈性模量.第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

骨結(jié)構(gòu)在橫向與縱向上是不同的,故骨胳強度隨載荷的方向而異.在最常見的載荷方向,骨胳的強度和剛度最大.第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二3、不同加載形式下骨的性能

以不同方向的力或力矩施加在結(jié)構(gòu)上可以產(chǎn)生拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)和聯(lián)合載荷第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二壓縮載荷拉伸載荷扭轉(zhuǎn)載荷彎曲載荷剪切載荷第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

成人皮質(zhì)骨的極限應(yīng)力在壓縮、拉伸和剪切旗荷時是不同的.皮質(zhì)骨所能承受的壓應(yīng)力大于拉應(yīng)力,所能承受的拉應(yīng)力又大于剪應(yīng)力.第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二4、肌肉活動對骨應(yīng)力分布的影響骨在體內(nèi)受載時，止于骨上的肌肉收縮可以改變骨的應(yīng)力分布。這種肌肉收縮時所產(chǎn)生的壓應(yīng)力，可減少或消除骨上的拉應(yīng)力，使拉應(yīng)力全部或部分抵消。第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二三、關(guān)節(jié)軟骨的生物力學關(guān)節(jié)是骨骼系統(tǒng)中相鄰骨間的功能性聯(lián)接。主要功能是：①把施加于關(guān)節(jié)上的載荷擴散到較大的區(qū)域，以減少接觸應(yīng)力；②使對應(yīng)的關(guān)節(jié)面以最小的摩擦和磨損進行相對運動。第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二1、軟骨的成分關(guān)節(jié)軟骨的固體基質(zhì)大約占組織濕重的20％~40%，是由膠原纖維（60%）、與水親和力很強的原纖維間糖蛋白凝膠（40%）以及軟骨細胞（少于2%）所組成。剩下的重量為水分，占60%~80%，大部分水分在承載時可被擠出。第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二（1）膠原：膠原是體內(nèi)最豐富的蛋白。具有高級的結(jié)構(gòu)組織，可形成最佳的力學性能。膠原的基本生物單位是一種多肽鏈的三鍵螺旋,稱為原膠原。（2）糖蛋白凝膠：軟骨的另一主要結(jié)構(gòu)成分是高含水量凝膠，此種凝膠由分布不均勻的糖蛋白大分子及其聚合物組成。（3）軟骨各成分間結(jié)構(gòu)上的相互作用：糖蛋白有很強的親水性，在水中的溶解度很高。第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二3.軟骨變性的生物力學關(guān)節(jié)軟骨破壞的進程與下述各點有關(guān)：①承受的應(yīng)力值；②承受應(yīng)力峰值的總數(shù)；③膠原-糖蛋白基質(zhì)的分子和顯微結(jié)構(gòu)。第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二關(guān)節(jié)軟骨的生物學性質(zhì)1滲透性：滲透性越低，承載時液體流動阻力越大2關(guān)節(jié)軟骨的蠕變(creep)反應(yīng)3潤滑：兩種基本的潤滑類型：界面潤滑和液膜潤滑。第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二四、膠原組織的生物力學膠原組織主要由三種類型的纖維組成：膠原纖維、彈性纖維和網(wǎng)狀纖維。膠原纖維主要為組織提供強度和剛度，彈性纖維在組織受載時提供延展性，而網(wǎng)狀纖維提供容積。1.膠原組織的力學特性在載荷下，膠原組織的特性受三種主要因素影響：①纖維的結(jié)構(gòu)；②膠原纖維和彈性纖維的特性；③膠原纖維和彈性纖維之間的比例。第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二（1）纖維的結(jié)構(gòu)：肌腱、韌帶、皮膚中三種膠原的結(jié)構(gòu)不同，并與每種結(jié)構(gòu)的功能相適應(yīng)。肌腱纖維幾乎完全平行排列，使肌腱更適應(yīng)于承受高拉伸載荷。韌帶纖維，包括關(guān)節(jié)囊，較少恒定的結(jié)構(gòu)，在不同的韌帶中，結(jié)構(gòu)隨韌帶的功能而異。皮膚纖維呈網(wǎng)狀，這種結(jié)構(gòu)使皮膚在各個方向上具有延展性。第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二（2）膠原纖維和彈性纖維的特性：膠原組織的主要成分是膠原纖維和彈性纖維，二者一起構(gòu)成該組織的90%左右。由于膠原纖維為類塑性材料，而彈性纖維為類脆性材料，故受載時這兩類纖維的表現(xiàn)完全不同。第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二（3）膠原纖維和彈性纖維的比例：膠原組織中彈性纖維和膠原纖維之間的比例隨該組織功能的不同而不同，并影響組織的力學性能。第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二2.骨-韌帶-骨復(fù)合體前面提到的是離體韌帶的力學性能，但是必須把韌帶的結(jié)構(gòu)考慮為骨-韌帶-骨復(fù)合體的一個環(huán)節(jié)。第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二3.各種載荷條件下骨-韌帶-骨復(fù)合體的性能

載荷的速度和持續(xù)時間對骨-韌帶-骨復(fù)合體的影響，在估計關(guān)節(jié)損傷和治療各種關(guān)節(jié)疾病方面具有很高的臨床價值。（1)恒定載荷效應(yīng)關(guān)節(jié)在長時間內(nèi)承受恒定的低載荷時，軟組織發(fā)生緩慢變形即蠕變。（2)加載荷速度的影響在慢速和快速下做拉伸破壞試驗，韌帶的骨性止點是最弱的部分。第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二4、肌腱肌腱裝置有兩種類型：有鞘肌腱和無鞘肌腱。第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二（1）肌肉-肌腱-骨復(fù)合體：有兩個因素決定肌腱的強度：肌腱的粗細形狀以及加載荷速度?；顒訒r，有兩個主要因素影響肌腱承受的應(yīng)力值：①與肌腱連結(jié)的肌肉收縮量；②肌腱的直徑與肌肉直徑的比值。（2）手術(shù)修復(fù)后屈肌腱的愈合：手術(shù)修復(fù)的主要目的是恢復(fù)肌腱斷端的連結(jié)和肌腱的正?；瑒庸δ?。人手術(shù)后必須制動3周左右，以防止修復(fù)的肌腱再斷裂。但制動3周以上，常引起肌腱、腱鞘和周圍軟組織的粘連。第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二

五、關(guān)節(jié)的生物力學關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)面及關(guān)節(jié)軟骨基本結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)囊關(guān)節(jié)腔韌帶關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨輔助結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)唇滑膜囊滑膜襞第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二關(guān)節(jié)的基本功能關(guān)節(jié)的基本功能是傳遞人體運動的力和保證身體各部分間的靈活運動.明確力在各種關(guān)節(jié)中的傳遞方式以及關(guān)節(jié)的運動特點是關(guān)節(jié)生物力學的主要目標.人體關(guān)節(jié)最奇妙之處在于它是一個集自如的快速和慢速運動,承受高載荷和低載荷于一體,可正常運行數(shù)十年的既靈活又穩(wěn)固的結(jié)構(gòu).在現(xiàn)今的科學技術(shù)水平上,人體關(guān)節(jié)在承受不同載荷下作不同的運動被認為分屬于不同的運行機制,目前還無法模擬.第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二1.關(guān)節(jié)的分型按關(guān)節(jié)面的形態(tài)、運動軸數(shù)分類如下：

屈戍關(guān)節(jié)（滑車關(guān)節(jié)）單軸關(guān)節(jié)車軸關(guān)節(jié)根據(jù)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分為橢圓關(guān)節(jié)雙軸關(guān)節(jié)單關(guān)節(jié)鞍狀關(guān)節(jié)球窩關(guān)節(jié)復(fù)關(guān)節(jié)多軸關(guān)節(jié)平面關(guān)節(jié)聯(lián)合關(guān)節(jié)第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二2.關(guān)節(jié)的活動度和穩(wěn)定性（1）關(guān)節(jié)的功能取決于其活動度（rangeofmotion,ROM或柔韌性flexibility）和穩(wěn)定性（stability）（2）影響關(guān)節(jié)活動度和穩(wěn)定性的因素有：構(gòu)成關(guān)節(jié)兩個關(guān)節(jié)面的弧度之差。關(guān)節(jié)囊的厚薄與松緊度。關(guān)節(jié)韌帶的強弱與多少。關(guān)節(jié)周圍肌群的強弱與伸展性。第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二3.開鏈和閉鏈人們通常將一側(cè)上下肢視為一條長鏈，每個關(guān)節(jié)均為鏈扣。第50頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二六、肌肉的生物力學

肌肉力學是生物力學里最吸引人的一個領(lǐng)域.這是因為肌肉（骨骼?。┦侨梭w運動系統(tǒng)的動力器官.肌肉不但可以被動地承受載荷,而且具有自主收縮的能力,可以能動地將化學能轉(zhuǎn)化為機械能而作功.20世紀50年代Huxley提出了關(guān)于肌肉收縮機制的肌絲滑移學說,從肌細胞的微細結(jié)構(gòu)出發(fā),開辟了一條新的道路.

目前,肌肉生物力學面對的要求是,不僅要適應(yīng)所有應(yīng)用力學先進的理論和技術(shù),還要不斷豐富和挑戰(zhàn)力學已存在的分支和新領(lǐng)域.第51頁，共58頁，2023年，2月20日，星期二骨骼肌的結(jié)構(gòu)模型

肌動蛋白（細）

收縮成分

肌球蛋白（粗）骨骼肌的結(jié)構(gòu)模型

并聯(lián)彈性成分

彈性成分