康复运动学基础--运动力学基础PPT课件.ppt

第三章康复医学基础理论 主讲人 黄朝露黔东南民族职业技术学院 第一节运动力学基础 学习目标 掌握运动的生理生化效应熟悉牛顿运动定律的在人体运动中的应用 熟悉骨 关节 韧带和肌腱的生物力学特性及其在康复治疗中的应用 了解运动中力的合成与分解及其在人体运动中受力分析中的应用 运动是生命的标志 不仅表现为物体的物理性位移 而且也表现为生物体内部结构的动态变化和功能的发挥 运动是良医 ExerciseisMedicine 作为一种学术理念和健康促进项目在2007年11月由美国运动医学和美国医学会正式提出 一人体运动学 运动学是理论力学的一个分支 是运用几何学的方法来研究物体运动的一门学科 人体运动学是研究机体活动时各系统生理效应变化的科学 主要包括运动生理学 exercisephysiology 和生物力学 biomechanics 人体运动学是力学 生理学 生物学和医学相互渗透的学科 运动学知识在康复医学中用于分析运动功能障碍的原因 指导康复治疗实践 是康复医学的重要基础理论之一 一 运动的生理生化效应 运动是人类最常见的生理性刺激 对多个系统和器官的功能具有明显的调节作用 只要生命存在 运动就不会停止 运动时身体的各个系统都将产生适应性变化 继而引起功能的改变 心脏大比拼 1 运动对心血管系统的影响 心脏即是储血器官 也是动力器官 心血管系统是以心脏为中心通过血管与全身各器官 组织相连 血液在其中循环流动 体循环 左心室 主动脉 各级动脉 毛细血管 各级静脉 上下腔静脉 右心房 肺循环 右心室 肺动脉 肺部毛细血管 肺静脉 左心房 血液循环 心脏的一次收缩和舒张 构成一个机械活动周期 称为心动周期 分为收缩期和舒张期 运动时心血管活动的调节 神经调节 体液调节 局部血流调节 冠状血流的调节 交感神经VS副交感神经 交感神经VS副交感神经 交感神经兴奋的场景就像在战场上 战士们杀敌的场面 他们手拿冲锋枪 大喊一声 冲啊 然后向敌人阵地冲去 神经调节 心脏接受心血管中枢发出的心交感神经和心迷走神经的双重支配 心交感神经紧张 心跳加快 收缩加强 每搏输出量增加 心排出量增加 血管收缩 外周阻力加强 副交感神经 心跳减慢 收缩变弱 每搏输出量减少 心排出量减少 返回 体液调节 运动时交感神经兴奋 肾上腺素和去甲肾上腺素进入血液 使心率加快 心肌收缩力增强 心排出量增加 血压升高 皮肤 肾脏 肠胃等内脏的血管收缩 骨骼肌和肝脏中血管及冠状动脉舒张 有助于血液的重新分配 返回 局部血流调节 运动使组织代谢活动增强 局部组织中氧分压降低 代谢产物积聚增加 CO2 H 腺苷 ATP K 等能刺激局部的微动脉和毛细血管舒张 使局部的血流量增多 能向组织提供更多的氧 并带走代谢产物 返回 冠状血流的调节 在运动或精神紧张等情况下 心肌代谢活动增强 耗氧量也随加 此时 机体主要通过舒张冠状动脉 即增加冠状动脉血流量来满足 返回 运动时心血管功能的变化 心率变化 每搏输出量和心排出量变化 血压的变化 运动时器官的血流变化 心率的变化 低强度运动 100次 min中等强度运动 150次 min极量运动 200次 min 正常心率 60 100次 min平均 75次 min 返回 每搏输出量和心排出量的变化 运动时血流速度加快 静脉回心血量增加 使舒张末期心室容积提高 交感神经兴奋及儿茶酚胺分泌增加 使心肌收缩力增强 减少收缩末期心室容积 二者共同作用使每搏输出量明显增加 每搏量的增加和心率的加快使心排出量显著加大 心率超过150 160次 min 每搏输出量逐渐减少 心率超过180次 min 心室充盈期缩短 心输出量减少 返回 血压的变化 动脉血压水平取决于心排出量和外周阻力两者之间的关系 运动时 心排出量增加 故收缩压升高 外周阻力变化不大 等长收缩运动时 因心排出量增加不明显 而骨骼肌持续收缩压迫血管 使外周阻力增加 故血压变化主要表现为舒张压升高 长期有氧运动有助于降压 高血压长期坚持有氧运动对血压降低 尤其舒张压 有较大意义 人体血压 血压 bloodpressure 是指血液在血管内流动时对单位面积血管壁的侧压力 平常所说的血压是指动脉血压 收缩压 心室收缩时血液对动脉管壁的最大压强 一定程度上反映了心脏的收缩能力和大动脉的弹性贮器能力舒张压 心脏舒张时血液对动脉管壁的最小压强 一定程度上反映了外周阻力高低 高血压 原发性高血压 是体循环动脉压升高为主要临床表现的心血管综合征 收缩压 140mmHg或舒张压 90mmHg 返回 运动时器官的血流变化 人体安静时骨骼肌血流量约占心排出量20 运动状况下 骨骼肌的血流量比安静时增加4 20倍 心肌血流量增加3 5倍 而内脏器官 皮肤等部位的血管收缩 血流量比安静时减少2 5倍如果持续运动 肌肉产热增加 体温升高有利于散热 返回 运动在心血管疾病防治中的作用及机制 适当的运动可增加体能并在心血管疾病的防治上有重要意义 运动可以预防和控制高血压可以延缓动脉粥样斑块的进展增加冠状动脉血流贮备 有利于冠心病对于心功能不全的患者 适当的运动可使患者症状得到改善 提高心血管疾病患者的整体功能 生活质量 存活率 维持或增加心肌氧的供应 减少心肌工作耗氧量 可预防或延缓冠状动脉样硬化的进展 并且能增加冠脉侧支循环 增加冠脉直径 从而改善心肌的血流灌注和分布 运动训练能降低安静心率和动脉血压 减少循环血液中的儿茶酚胺水平 从而减少心脏负荷 降低心脏耗氧量 提高心肌功能和电稳定性 运动可以增加休息和运动时的每搏输出量 射血分数 提高心肌抗缺氧能力 从而增加心肌收缩力和电稳定性 血管贮备力增强 运动使毛细血管增加 促进血管内产生内皮舒张因子 更好的参与心血管功能的调节 运动后血管对缩血管物质的反应性减弱 从而使心脏负荷降低 心功能改善 缩血管物质 内皮素 儿茶酚胺 血管紧张素 血管升压素 血栓烷A2 舒血管物质 内啡肽 激肽 PGI2 NO 腺苷 组胺 提高抗动脉粥样硬化能力 改善HDL c LDL c比值 改善糖代谢 增加胰岛素敏感性 减少血小板聚集 增加纤溶酶活性 减轻肥胖等 2 运动对呼吸系统的影响 运动时机体代谢加快 呼吸系统也将发生一系列变化 以适应机体代谢的需求和保证运动的顺利完成 肺通气的动力 呼吸肌收缩和舒张胸廓扩大和缩小肺的舒缩外界环境和肺泡间周期性压力差通气 肺通气的直接动力是外界环境和肺泡间的压力差原动力是呼吸肌的收缩和舒张引起的节律性呼吸运动 肺通气的阻力 肺容积和肺容量 肺换气 肺换气是指肺泡与毛细血管之间的气体交换 在肺泡 O2从分压高的肺泡通过呼吸膜扩散到血液CO2则从分压高的毛细血管血液中扩散到分压低的肺泡中 每分钟肺泡通气量Va Q 每分钟血流量 4 2 5 0 84 1 O2 CO2在血液中存在形式 1 肺扩张反射 肺充气或扩张时 抑制吸气冲动传导 肺扩张感受器迷走神经髓延切断吸气转入呼气加快呼吸频率2 肺萎缩反射 肺萎缩时 增强吸气 使呼气转为吸气冲动传导 肺萎缩感受器迷走神经阻止呼气过深 防止肺不张 2 呼吸运动的调节 运动与肺通气功能的变化 运动时机体需要消耗更多的O2和排出更多的CO2 通气功能会发生相应的变化 主要表现为 呼吸加深加快 肺通气量增加 潮气量 500ml 2000ml呼吸 12 18 40 60次 min每分通气量 6 8L 80 150L通气耗氧量 安静时占总耗氧量的1 2 剧烈运动时占8 10 运动与肺换气 运动时换气机能的变化 主要通过O2的扩散与CO2的交换体现 1 通气血流比值 Va Q大于0 84 意味肺泡通气量过剩 而血流不足 有部分肺泡气未能与血液充分交换 增加肺泡无效腔 使通气效率下降 反之比值小于0 84 则意味着肺泡通气量不足 部分血液不能得到充分的气体交换 造成机体缺氧 2 运动时肺换气的具体变化 1 PO2比安静时更低 呼吸膜两侧PO2差增加 O2在肺部的扩散速度增大 2 儿茶酚胺增多 3 毛细血管前括约肌扩张 4 右心室泵血量增加 运动与氧耗 最大摄氧量 maximaloxygenconsumption VO2max 指长时间进行有大量骨骼肌参与的激烈运动时 人体单位时间内所能摄取的最大摄氧量 氧亏和氧债 在摄氧量能瞒足需氧量的小或中等强度不变能量消耗恒定时 摄氧量能保持在一定水平 称为 稳定状态 但在运动起始阶段 因呼吸 循环的调节较为迟缓 氧在体内的运输滞后 致使摄氧水平不能立即到位 而是呈指数函数曲线样逐渐上升 称为 非稳定期 这一阶段的摄氧量与根据稳定状态推断的需氧量相比 不足部分叫 氧亏 运动后通过快速 慢速两个阶段逐渐移行到安静水平 超过安静水平的耗氧量叫 氧债 3 运动对中枢神经系统的影响 所有的运动都可向中枢神经提供感觉 运动和反射传入 随着复杂性的增加 神经活动的兴奋性 灵活性和反应性都可以得到提高 周围神经按部位可分为 脑神经 12对 脊神经 31对 根据分布的对象不同分为躯体神经和内脏神经周围神经 可根据传递神经冲动的方向不同分为传入神经 感觉神经 和传出神经 运动神经 内分泌系统 内分泌系统 endocrinesystem 是一种整合性的调节机制 通过分泌特殊的化学物质来实现对有机体的控制与调节 同时它也是机体的重要调节系统 它与神经系统相辅相成 共同调节机体的生长发育和各种代谢 维持内环境的稳定 并影响行为和控制生殖等 运动对内分泌系统的影响 胰腺 肾上腺 性激素 胰腺 胰腺分为外分泌腺和内分泌腺两部分 外分泌腺由腺泡和腺管组成 腺泡分泌胰液 腺管是胰液排出的通道 胰岛能分泌胰岛素与胰高血糖素等激素 人类的胰岛细胞按其染色和形态学特点 主要分为 细胞 细胞 细胞及PP细胞 细胞约占胰岛细胞的20 分泌胰高血糖素 细胞占胰岛细胞的60 70 分泌胰岛素 细胞占胰岛细胞的10 分泌 生长抑素 PP细胞数量很少 分泌胰多肽 运动使体内胰岛素水平下降 且降低程度与运动强度 运动时间相关 运动结束后需要1小时或更多时间 血浆胰岛素才可以恢复到运动以前的水平 运动可以提高血浆胰高血糖素水平 后者与运动负荷有关 大幅度运动后胰高血糖素水平明显提高 肾上腺 肾上腺主要产生肾上腺皮质素和肾上腺髓质素 肾上腺皮质素主要生理效应是调节机体水盐糖 蛋白质代谢 并与第二性征及及性器官的发育有关 肾上腺髓质包括肾上腺素和去甲肾上腺素 合称儿茶酚胺 与 受体结合跟血管收缩有关 与 受体结合跟糖原分解 脂肪动员 血管扩张 心率增加 支气管扩张有关 性激素 性激素sexhormone 化学本质是脂质 是指由动物体的性腺 以及胎盘 肾上腺皮质网状带等组织合成的甾体激素 具有促进性器官成熟 副性征发育及维持性功能等作用 雌性动物卵巢主要分泌两种性激素 雌激素与孕激素 雄性动物睾丸主要分泌以睾酮为主的雄激素 雄激素主要在睾丸合成 肾上腺皮质 卵巢也能分泌也能分泌少量的雄激素 雌激素主要由卵巢和胎盘产生 肾上腺皮质也产生少量雄激素 物质代谢 运动对代谢的影响 物质代谢和能量代谢是人体生命活动的基本过程 不同的运动能力和功能状态的人在运动中的代谢特点也有所不同 因此 在康复治疗中应根据不同运动类型的特点 科学地制订运动处方 以更加有效地促进康复 运动对糖代谢的影响 糖是人体主要的能量来源 一般情况下机体60 的热能由糖提供 短时间大强度运动时的能量绝大部分由糖供给 而长时间小强度运动时 也首先利用糖氧化供给 当可利用的糖耗竭时才动用脂肪和蛋白质 糖在体内主要以两种形式存在 一是以糖原的形式存在于组织的细胞浆内 主要是肌糖原和肝糖原 二是以葡萄糖形式存在于血液中 即血糖 运动对糖代谢的影响主要涉及对肝糖原 肌糖原以及血糖三个方面的影响 运动对肝糖原的影响肝糖原的分解与运动时间有关 运动对肌糖原的影响运动时肌糖原是骨骼肌的最重要能量来源 运动的血糖的影响安静状态下 肌摄取血糖量不多 运动时 骨骼肌吸收和利用血糖增多 其数量与运动强度 持续时间和运动前肌糖原储量有关 运动对蛋白质代谢的影响 蛋白质的基本组成单位是氨基酸 氨基酸进行分解代谢供能或参与新的蛋白质合成 氨基酸的主要功能是合成蛋白质 成为细胞的构成成分 以实现组织的自我更新 为机体提供能量是氨基酸的次要功能 只要某些特殊情况下 如长期不能进食或体力极度消耗时 机体才会依靠由蛋白质分解所产生的氨基酸供能 以维持基本的生理功能 运动对蛋白质供能的影响 在机体肌糖原贮备充足时 蛋白质供能仅占总量的5 在肌糖原耗竭时 可升至10 15 机体运动时蛋白质提供能量的比例取决于运动类型 强度 时间 运动能促进蛋白质 尤其是肌肉蛋白质的合成 运动对脂代谢的影响 脂肪在人体的主要功能是储存和供给能量 1g脂肪在体内氧化能 是同量糖和蛋白质的2倍多 脂肪在体内的储量很大 是长时间运动的主要能量来源 长时间中等强度运动 60 85 VO2max 能够增强脂代谢 维持机体热量平衡 减少过多脂肪堆积 保持正常体重 运动能够提高脂蛋白脂酶活性 使体内三酰甘油清除增加 同时 运动还能够升高高密度脂蛋白浓度和降低低密度脂蛋白浓度 促进胆固醇从周围组织转运回肝脏 清除周围组织包括动脉壁的胆固醇沉淀 这对防治动脉粥样硬化以及心脑血管疾病具体有非常重要的意义 二 运动的生物力学 生物力学是生物学和力学融合而成的一门边缘学科 是利用力学的原理与方法研究生物系统结构与功能的一门科学 运动生物力学是生物力学的一个重要分支 是研究人体或者生物体在外力和内部受控的肌力作用下的运动规律 运动生物力学是康复医学的理论基础之一 骨与关节的生物力学 骨 关节和骨骼肌共同组成了运动系统 在运动系统中骨骼肌是运动的动力 而骨起着支撑和杠杆作用 关节是骨于骨连接成 链 的枢纽 为骨的杠杆作用提供支点 三者的协调活动 使人体能完成各种动作 因此 研究骨 关节的力学特征 对提高运动机能 预防关节损伤有重要的实际意义 运动中的内力和外力的关系 2 内力可以改变外力的大小3 外力可用来增强内力 1 内力与外力是相对的 55 当骨骼肌在某一平面产生力作用时 可将肌力分解为两个垂直分量 一个沿着骨轴线作用 另一个垂直骨轴线 前者起稳固关节的作用 因而叫稳固分量 后者是使骨产生转动的分量 所以叫转动分量 56 第四节骨 关节生物力学 一 骨受载荷形式 一 骨的生物力学性质 拉伸载荷压缩载荷弯曲载荷剪切载荷扭转载荷复合载荷 57 骨的应力是指骨结构受到外来载荷时其表面单位面积所受到的力 骨的应变是指骨在外力作用下的局部形变 包括线性应变和剪切应变 二 骨的应力与应变曲线 58 应力较小时 在一定的范围内 应力与应变之间存在着一个线性关系 应力 应变曲线为直线 即应力与应变成正比关系 称为弹性区 去除外部载荷移后 材料将恢复到原来的形状 即不会造成永久形变 载荷持续增加时 骨最外层某些部位就会发生屈服 即弹性区末端点称为屈服点 屈服点以后的曲线则变成了非线性 骨将产生永久变形 称为塑性区 载荷持续增加 骨组织的结构体将在某个部位失效 骨折 图中C点为断裂点 对应的应力称为极限应力 C 59 在应力 应变曲线图中的弹性区 材料的应力与应变之间存在着一定的关系 即应力 应变是常数 此常数为材料的弹性模量或杨氏模量 其大小等于这段直线的斜率 弹性模量或杨氏模量大小表示了材料抵抗变形的能力 称为刚度 达到极限应力时的应力 应变曲线下面的面积表示导致骨折所需要的能量 一般骨在生理负荷范围内 骨产生弹性变形 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 骨的生长是破坏和重建两个过程对立统一的结果 骨的塑形与重建是通过适应力的作用 这种适应性是按沃尔夫 Wolff 定律进行的 适宜的载荷对骨有积极的影响 但过载 过用或过度冲击性载荷可引起骨损伤甚至骨折发生 三 机械应力对骨生长的影响 62 运动中 骨会反复受力 超过某一生理限度时使骨组织受到损伤 造成骨的损伤为疲劳性损伤 在持续性紧张的骨骼肌运动中 首先引起骨骼肌疲劳 收缩能力降低 其结果是抵消作用于骨上的应力的能力也减弱 导致对骨的作用力过大 骨结构在反复的应力刺激下导致结构的改变而发生骨折 四 骨疲劳 63 疲劳性骨折的发生过程示意图 64 骨的力学性质还受到以下因素的影响 骨的大小和形状骨折愈合 当骨折愈合开始时 骨痂在骨折处周围形成套状以稳定骨折区 骨痂使截面积显著增加 从而增加骨骼的强度和刚度 手术因素 有些外科手术造成骨缺损而使其力学性能明显减弱 衰老与骨质疏松 骨组织总量的减少和骨体积的轻度减少 五 影响骨力学性能的其他因素 65 人类三种类型的杠杆 六 骨的杠杆功能 66 二 关节的生物力学 关节面形状韧带强弱骨骼肌力量关节负压 一 关节稳定性 67 关节的存在使骨的杠杆作用得以实现 而提供骨杠杆转动的力 力矩可来自多方面 如承载的负荷与环节重量 关节韧带牵拉 肌收缩力等 二 关节的力和力矩 68 力学性能与固体材料特性和渗透性有关 渗透性是指液体流过多孔固体基质时的摩擦阻力 是双相材料的重要参数 关节软骨损害 变性与关节载荷的频率与量级有关 关节的先天性发育不良以及关节损伤等因素 可以导致应力集中 三 关节软骨生物力学特性 69 肌腱和韧带都是粘弹性组织 其应力 应变曲线的形状取决于组织中胶原纤维和弹性纤维的比例 三 肌腱和韧带的生物力学 一 肌腱和韧带的应力 应变曲线 70 1 解剖位置2 锻炼和固定3 年龄4 激光和热治疗 二 影响肌腱生物力学特性的因素 71 1 温度 负荷加载速度的影响2 机械应力的影响3 年龄的影响 三 影响韧带生物力学特性的因素 72 骨骼肌的生物力学 白肌1型纤维 快速糖酵解纤维 具有最快的收缩时间和最小的抗疲劳能力 白肌1型纤维的线粒体和毛细血管少 有完善的酵解系统 但氧化系统不完善 主要依靠无氧糖酵解来提供能量 白肌2型纤维是一种中间型纤维 氧化和酵解代谢途径均较完善 特性在1型纤维和红纤维之间 红肌纤维含有丰富的氧化酶 收缩和舒张时间比其他类型都要长 抗疲劳能力比白肌纤维大得多 更适应于有氧代谢 在维持姿势的静力性工作为主的肌中 红纤维的比例较高 以动力性工作为主的肌中 红纤维的比例较低 运动对肌纤维类型的影响在白肌纤维中 白肌1型和2型纤维可以相互转化 耐力训练在减少白肌1型纤维的同时可增加白肌2型纤维的比例 而力量训练可增加白肌1型纤维的比例 运动单位动员指运动过程中不同类型的运动单位参与活动的次序和程度 也称为运动单位募集 运动神经冲动频率越高 募集的运动单位越多 肌收缩产生的张力就越大 反之则少 骨骼肌的特性 物理特性 1 伸展性 2 弹性 3 黏滞性 生理特性 1 兴奋性 2 收缩性 骨骼肌在运动中的作用类型 1 原动肌 在运动的发动和维持中一直起主动作用的肌肉 2 拮抗肌 与原动力功能相反的肌群为拮抗肌 3 固定肌 为了发挥原动机对肢体的动力作用 需将肌肉近端附着的骨骼做充分固定 4 协同肌 一块原动机跨过一个单轴关节可产生单一运动 如多个原动肌跨过单轴或多个关节 就能产生复杂的运动 骨骼肌的运动形式 肌运动是肌力和外力相互作用的结果 骨骼肌收缩时产生两种基本运动形式 静力性运动和动力性运动 1 静力性运动 又称等长运动或等长收缩 等长运动时 肌收缩阻力相等 肌肉的起止点无位移 肌长度不变 不引起关节运动 不做功 2 动力性运动 又称等张收缩 是形成运动动作的肌运动形式 分两种 1 向心运动 向心收缩 是指肌肉收缩时肌力大于阻力 肌肉起止点相近 肌的长度缩短的工作形式 2 离心运动 离心收缩 是指肌收缩时肌力低于阻力 肌肉起止点相互远离 肌的长度被拉长的工作形式 3 等速运动 又称等速收缩 是指在整个关节活动范围内 骨骼肌以恒定的速度进行最大的收缩 要通过仪器来完成 骨骼肌收缩与负荷的关系 1 肌收缩的长度 张力关系 指前负荷 肌收缩前所承受的负荷 对肌收缩的张力影响