骨骼肌肉的生物力学.ppt

骨骼肌生物力学,论述点,离体肌肉的生物力学,肌肉的生理学特性,离体肌肉收缩的力学,在体肌肉收缩的生物力学,肌肉做功 、功率,肌肉（骨骼肌）是人体运动系统重要的组成部分，是人体运动的动力来源。可以说肌肉在生物力学研究中是最具吸引力、最有挑战性的研究领域。肌肉的力学性质十分复杂，它跟组成肌肉各种成份的力学特性有关，迄今为止人们仍然在不断的研究和探索之中。,肌肉的基本机能：化学能转变成机械能。 表征肌肉活动的生物力学指标： 1.肌张力：肌肉端部测得的力。 2.收缩速度：肌肉长度变化的速度. 3.肌肉收缩的两种形式： 等长收缩：肌肉收缩时肌纤维长度 不变，无关节活动， 但肌张力增加。 等张收缩：张力一定，肌肉缩短。,肌肉由于位置和机能不同，而有不同的形态，一般可分为以下四种类型。 （1）起点： 当肌肉收缩时，其位置不动的一端，称起点。 （2）止点 : 引起骨运动的一端，称止点。 （3）作用 : 根据肌肉收缩时对关节的作用，可分为伸肌、屈肌、内收肌、外展肌等。,肌肉的起止点和作用,肌肉的组织结构,肌肉的组织结构和生物学性质决定了肌肉的机能，肌肉机能的变化亦会对其结构产生影响。因此，对肌肉组织结构和生物学的研究是对肌肉生物力学特性的基础研究之一.,图解说,肌动蛋白（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,骨骼肌的结构模型,肌肉的每端均有肌腱与骨连接，但是肌腱无自动收缩性能，肌束膜内和肌外膜内的胶原纤维和肌腱的胶原纤维是有连续性的。它们成为骨与肌肉纤维之间的结构支架。肌肉收缩所产生的力经过这些结缔组织和肌腱传到至骨。（所以肌原纤维是肌肉的收缩部分）,肌肉收缩的力学,运动神经的单一刺激将导致肌肉的机械反应，称为颤搐（twitch）。它是能记录肌肉活动的基本单位。刺激后至活动之间将有数微秒的间隔时间，称为潜伏期。这段时间代表在弹性成分需要接受“松弛”所需要的时间。自发生张力至张力顶峰的时间称为收缩时间；从张力顶峰至张力下降到零称为松弛时间。,肌肉的收缩与放松时间各不相同，主要取决于肌纤维的补偿。若不断刺激产生的机械反应叠加于起始的反应上，其结果称为总和。,若第二次刺激发生于第一次肌肉颤搐的潜伏期内，它不产生额外的反应，可认为这肌肉是完全无反应的。而肌纤维的刺激频率越大，肌肉内产生的张力总和也越大，待达到最高频率后，肌张力就不再增加，肌肉将是强制性收缩。,离体肌肉的生物力学基础,肌肉的组织结构和生物学性质决定了肌肉的机能，肌肉机能的变化亦会对其结构产生影响。因此，对肌肉组织结构和生物学的研究是对肌肉生物力学特性的基础研究之一，为反映肌肉的生物力学特性，建立用于描述肌肉力学特性的模型。,1、 肌肉结构力学模型,Hill（1950）提出一个由三个元素组成的肌肉结构力学模型（图3-2），即收缩元（CC）、串联弹性元（SEC）和并联弹性元（PEC），用此反映肌肉的功能。,Hill三元素肌肉模型（Hill, 1950）,1、 肌肉结构力学模型,CC代表可以相对滑动的肌浆球蛋白和肌动蛋白纤维丝，其张力与它们的横桥数目有关； SEC表示肌浆球蛋白和肌动蛋白纤维、横桥、Z盘以及结缔组织的固有弹性，设它为完全弹性体；PEC表示肌纤维膜、肌束膜等结缔组织，表现松弛状态下肌肉的力学性质。,Hill三元素肌肉模型（Hill, 1950）,2、 肌肉结构力学模型性质,1. 肌肉力（F） 长度（L）关系 根据肌肉结构力学模型，肌肉力的构成是收缩元（CC）、串联弹性元（SEC）和并联弹性元（PEC）叠加的结果。 概念: 肌肉平衡长度（自由长度）：肌肉无被动张力时的最大长度。 肌肉的净息长度：收缩元（CC）表现出最大张力时的肌肉长度。约为平衡长度1.25倍。 被动张力: 是指肌肉工作时并联弹性成分的张力。 肌肉净收缩力: 指收约缩成分收缩时产生的张力。 总张力: 被动张力与净收缩力之和。,收缩元（CC）力长度曲线,肌肉在静息长度下收缩元表现出的肌力最大（-），此时肌微丝之间的横桥联系数目最多。随肌肉长度增加肌微丝被拉开，横桥联系数目减少，张力随之下降（-）。达到4m时，横桥无联系，张力下降为零。,图3-3肌节长度与等长张力关系（Gordon 1966）,收缩元（CC）力长度曲线,当肌肉缩短小于静息长度时，横桥重叠产生干扰，使其联系数目减少，导致张力下降（-），这一过程将一直继续的全部重叠为止。虽然这一过程中肌肉张力明显下降，但张力不可能降为零。,图3-3肌节长度与等长张力关系（Gordon 1966）,并联弹性元（PEC）力长度曲线 肌肉总张力长度曲线 （A为平衡长度；B为净息长度）,2、肌肉力（F）速（V）关系,1938年Hill的经典工作奠定了肌肉力学基础，他按照热力学定律建立了反映肌肉收缩力速度特性的方程：,方程中F0为肌肉挛缩时的张力，F为松开肌肉一端后肌肉的张力，V为肌肉缩短速度，a为肌肉张力单位常量，b为肌肉收缩速度单位常量。Hill方程所描述出肌肉的FV关系与实测结果具有较好的一致性（图3-5）。,图3-5 挛缩蛙缝匠肌快速释放实测肌肉F-V 曲线与 Hill方程比较（Hill 1938）,该曲线说明：在一定的范围内，肌肉收缩产生的张力和速度大致呈反比关系；当后负荷增加到某一数值时，张力可达到最大，但收缩速度为零，肌肉只能作等长收缩；,当后负荷为零时，张力在理论上为零，肌肉收缩速度达到最大。肌肉收缩的张力-速度关系提示，要获得收缩的较大速度，负荷必须相应减少；要克服较大阻力，即产生较大的张力，收缩速度必须缓慢。,2.在体肌肉收缩的生物力学,1、 肌肉的激活状态 在神经脉冲影响下，肌肉的收缩成分出现激活状态。把肌肉兴奋时其收缩成分力学状态的变化称为肌肉的激活状态。,我们把肌肉从肌肉激活到肌肉产生收缩的时间叫肌肉收缩的潜伏期。,2、 肌肉的松弛 肌肉松弛：被拉长的肌肉，其张力有随时间的延长而下降的特性，这一特性称为肌肉松弛。它是由肌肉串联和并联弹性元属于粘弹性体的特性决定的。,3、 负荷对肌肉收缩力学特性的影响 动作的潜伏期延长：表现在串联弹性元和并联弹性元的“粘滞性”，和克服阻力的时间增加。 肌肉收缩幅度减小：肌肉力量不足。 收缩速度下降：Hill方程。,动作的潜伏期延长,肌肉收缩幅度减小,收缩速度下降,6、 肌肉的收缩形式,以肌肉外部长度变化来确定肌肉收缩形式： 等长收缩：肌肉长度不变，但有内部收缩。 向心收缩：肌肉主动收缩，长度缩短。 离心收缩：肌肉主动收缩，但不能克服阻力而被拉长的收缩。,肌肉“等长收缩”时，克服阻力，外部负荷不产生位移，没有做机械功。但消耗了能量，这时肌肉做了“生理功”。肌肉做功时所克服的阻力，包括肌肉的内部阻力和外部阻力。因此，肌肉做功相应分为内功与外功。,4、 肌肉的收缩功和功率,4、 肌肉的收缩功和功率 通常所讲的肌肉做功是指肌肉做外功，即机械功。肌肉做功与载荷及收缩速度大小有关，载荷大时做功大，载荷小时做功小。而载荷大小决定了肌肉收缩速度，所以肌肉做功与其收缩速度有关。,肌肉做功,图3-6 不同载荷肌肉做功与收缩速度的关系,图3-6是受试者伸膝关节肌群的测试结果。肌肉收缩速度大时做功减小是由于肌肉收缩力量下降而造成。,肌肉功率,肌肉收缩的功率等于肌肉收缩力与其该瞬时的收缩速度的乘积。离体肌肉在收缩时的功率可从肌肉的“FV”曲线得到。在此曲线上每一点的功率等于以该点和坐标原点为顶点所构成的矩形面积（图3-7中的阴影部分）。假定肌肉收缩时力和速度同时达到最大值，这时功率应是最大，但这是不可能的。,功率曲线图反映了功率与肌肉收缩力及收缩速度的关系。 1.当载荷为零时，肌肉表现出最大收缩速度，此时功率很小。 2.随载荷的增加，肌肉收缩速度随之下降，当处于1/3最大收缩力与速度位置时，功率最大（Nm）。,3.随着力与速度的进一步变化，功率开始减小。当阻力增大到肌肉不能缩短时，速度为零，不做功，功率为零。 4.如果载荷继续增加，肌肉由等长收缩变为离心收缩，此时肌肉开始做负功，但肌肉的负