运动生物力学PPT课件

运动生物力学SportBiomechanics 南京医科大学康复治疗学系DeptofRehabTherapeuticsofNanjingMedicalUniversity 康复治疗学精品课程系列之 2020 4 16 2 基本概念 力 force 是一种作用 它能改变受力物体的静止或运动状态 力学 Mechanics 对力进行广泛综合研究的学科 生物力学 Biomechanics 当力作用于人体和其他生物体上并加以研究的学科 2020 4 16 3 作用于人体的力 外力主要有 重力 gravitationalforce 是地球对其附近物体吸引的力 是人体保持直立姿势及活动时必须克服的负荷 2020 4 16 4 作用于人体运动器官各节段重力占体重的百分比为 5 2 1 12 3 2 43 3 2020 4 16 5 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的对重力的反作用力 其大小与重力相同 方向相反 G N 2020 4 16 6 外力 动力支撑反作用力 人体做加速度运动时所受的支撑反作用力 除上述力外还要加上与加速度运动力大小和方向相反的反作用力 2020 4 16 7 外力 摩擦力是指人体或肢体在地面或器械上滑动时所受到的摩擦阻力 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 2020 4 16 8 外力 流体作用力人体在流体中运动时所承受的流体阻力 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的阻力较空气中大 但因流体的浮力抵消了大部分重力 故人体在水中运动比较省力 2020 4 16 9 外力 器械的其他阻力肢体推动运动器械进行锻炼时 除要克服器械重力外 还需要克服器械的惯性力 摩擦力或弹力所产生的阻力 其大小与肢体推力相等 方向相反 2020 4 16 10 外力 各种外力经常被用来作为运动训练的负荷 这种负荷要求肢体运动的方向和力量与之相适应 从而选择投入工作的肌群及其收缩强度 这是肌力训练的方法学基础 2020 4 16 11 作用于人体的力 内力主要有 肌肉收缩时产生的力这种力通过骨的附着点 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的运动和 或维持人体姿势 2020 4 16 12 内力 各组织器官间的被动阻力各内脏器官间的摩擦力内脏器官和固定装置间的阻力如胃肠蠕动与腹膜 肠系膜 大血管间的阻力 食管蠕动与纵膈间的阻力等 血液淋巴液在管道内流动时产生的流体阻力 在分流时产生的湍流等 2020 4 16 13 内力 各种内力总是相互适应 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的需要 例如为克服重力对血液流动的影响 有时需要肌肉收缩来帮助血流循环 2020 4 16 14 骨组织的生物力学 骨骼系统的作用是保护内脏器官并为肌肉提供坚强的动力联系和附着点 以利于肌肉收缩和身体运动 骨具有实现该目的所需的力学性能 除此之外 骨具有自我修复的能力 并能根据力学的需要改变其性能和外形 2020 4 16 15 骨对其承受的力具有适应能力 持久运动后 承受最大应力的骨骼可产生相应的改变 骨皮质增厚 骨密度增加 骨粗隆增大等 2020 4 16 16 而肢体在废用后则可发现 骨皮质变薄 骨密度减少 骨粗隆减小 2020 4 16 17 骨的力学性能 强度和刚度是骨的重要的力学性能 在做载荷试验时能够很好的了解这些性能 强度 是一个生物材料 如骨骼 抵抗破坏的能力 刚度 是一个生物材料 如骨骼 抵抗变形的能力 2020 4 16 18 决定结构强度的三个参数 结构断裂前所能承受的载荷 断裂前所能承受的变形 断裂前所储存的能量 2020 4 16 19 骨的力学性能 图示出某一塑性材料假定的加载荷的变形曲线 当在材料的弹性区内加载 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 材料的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 则进入该曲线的非弹性区 将出现永久变形 若在非弹性区再继续加载 则可以达到结构的极限断裂点 在曲线上 由载荷和变形显示的强度 用极限断裂点表示 由能量储存显示的强度 用整个曲线下面积大小来表示 结构的刚度用弹性区的曲线斜率来表示 2020 4 16 20 应力应变曲线 在标准情况下进行试验 可以确定单位面积所加载荷大小和以原长来表示的变形量 从而可以绘出一条曲线 称为应力应变曲线 2020 4 16 21 把一个骨组织的标准试样装在试验卡具上 加载直至断裂 可以获得骨的应力和应变值 应力应变曲线可说明变形结果 应力应变曲线的分区与载荷变形曲线相似 2020 4 16 22 2020 4 16 23 应力应变 应力是结构内某一平面上响应外部施加的载荷而产生的单位面积的负荷 即力在截面上各点的分布情况和密集程度 以单位面积所受的力来表示 表示骨试样应力测量的最常用单位是每平方米牛顿 应变是结构在载荷下某一点上发生的变形 2020 4 16 24 应力应变 应变有两种类型 线应变 它是长度的改变 是与以结构原长相除后的变形量 伸长或缩短 以百分比表示 如cm cm 2020 4 16 25 2020 4 16 26 剪应变是某一结构在承受载荷下所发生的角改变 以弧度 rad 表示 1弧度约等于57 3 2020 4 16 27 弹性模量 材料的刚度以弹性区内的曲线斜率来表示 刚度值可以由弹性区内任何一点的应力除以此点的应变取得 亦即载荷变形曲线上弹性范围内任意一点的应力对应变的比值 此值称为弹性模量 modulusofelasticity 也称杨氏模量 Young smodulus 能量储存显示的强度用整个曲线下面积表示 2020 4 16 28 弹性模量 2020 4 16 29 骨的组织结构 骨骼是由皮质骨和松质骨组成 这两种骨的类型可以看作是孔隙率大范围变化的一种材料 孔隙率指的是非矿物组织 非骨组织 所占骨容积的比率 以百分比表示 皮质骨的孔隙率为5 30 而松质骨为30 90 皮质骨较松质骨坚硬 断裂前能承受较大的应力 而能承受的应变则较小 在体外承受的应变超过原长2 时 皮质骨断裂 而松质骨在应变超过7 时才断裂 这是由于松质骨的多孔性结构具有较高的能量储存量 2020 4 16 30 2020 4 16 31 不同加载形式下骨的性能 不同加载形式下骨的性能以不同方向的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的这些载荷形式 2020 4 16 32 不同加载形式下骨的性能 拉伸 在拉伸载荷下 在结构表面施加大小相等 方向相反的载荷 在结构内部产生拉应力和拉应变 2020 4 16 33 不同加载形式下骨的性能 压缩 在压缩载荷下 在结构表面施加大小相等 方向相反的载荷 在结构内部产生压应力和压应变 2020 4 16 34 不同加载形式下骨的性能 剪切 在剪切载荷下 平行于结构表面施加载荷 在结构内部产生剪应力和剪应变 2020 4 16 35 不同加载形式下骨的性能 弯曲 骨在弯曲下承载时 拉应力和拉应变作用在中心轴的一侧 而压应力和压应变作用在中心轴的另一侧 2020 4 16 36 不同加载形式下骨的性能 扭转 当一载荷施加在构件上 使其绕轴扭动 构件在扭转下 剪应力分布在整个构件上 2020 4 16 37 不同加载形式下骨的性能 联合载荷 在实际活动中 骨在体内所加的载荷通常是以上几种形式的综合 并且骨经常受到多个不确定的载荷 2020 4 16 38 肌肉活动对骨应力分布的影响 骨在体内受载时 止于骨上的肌肉收缩可以改变骨的应力分布 这种肌肉收缩时所产生的压应力 可减少或消除骨上的拉应力 使拉应力全部或部分抵消 肌肉收缩在髋关节上产生相似的效应 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 臀中肌收缩产生的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 拉应力作用在上部的骨皮质上 压应力作用在下部的骨皮质上 臀中肌收缩 下图 使拉应力抵消 2020 4 16 39 关节软骨的生物力学 关节是骨骼系统中相邻骨间的功能性联接 关节软骨实际上是一种孤立的组织 没有单独的血液和淋巴供应 它主要依赖软骨下骨组织提供软骨下部近1 3的血供 其余依赖滑膜周围毛细血管的渗入 2020 4 16 40 关节软骨的细胞密度低于大多数其他组织 其主要功能是 把施加于关节上的载荷扩散到较大的区域 以减少接触应力 使对应的关节面以最小的摩擦和磨损进行相对运动 2020 4 16 41 关节软骨的组成成分 胶原纤维糖蛋白凝胶软骨细胞水分 显微镜下的关节软骨 2020 4 16 42 胶原纤维 是体内最丰富的蛋白 具有高级结构的组织 可形成最佳的力学性能 胶原为关节软骨提供一种纤维状超微结构 这种胶原网和多水的糖蛋白一起 共同抵抗关节的应力和应变 2020 4 16 43 糖蛋白凝胶 是由分布不均匀的糖蛋白大分子及其聚合物组成 糖蛋白的基本结构单元是氨基多糖 糖蛋白有一特殊部分与胶原密切相连 并把胶原纤维结合到一起 2020 4 16 44 软骨细胞和水分 软骨细胞 2020 4 16 45 软骨各成分间结构上的相互作用 糖蛋白的基本结构单元是氨基多糖 氨基多糖具有吸引正电荷如钠离子 钙离子以中和固定负电荷的作用 相邻的氨基多糖链有固定的电荷相互排斥 使组织内保持一种挺而伸展的状态 氨基多糖和小离子的浓缩液 有通过渗透作用自我稀释的趋向 当软骨面受力时 可发生瞬间变形 这主要是糖蛋白区的形状改变所致 这种外加的应力使软骨基质中的内压超过了膨胀压 引起液体从组织中外流 2020 4 16 46 一个糖蛋白聚合体的简图 2020 4 16 47 关节软骨的生物学性质 渗透性蠕变反应润滑 2020 4 16 48 关节软骨的生物学性质 渗透性表示液体流过多孔物质的固体基质时的摩擦阻力 渗透性越低 承载时液体流动阻力越大 与普通海绵的渗透性相比 健康软骨的渗透性是很小的 随着压力和变形的增加 健康关节软骨的渗透性大大降低 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 2020 4 16 49 软骨的蠕变反应一个恒定的载荷瞬间施加于关节上 在载荷的作用下 软骨的压缩变形连续增加 直至获得一个平稳状态或近似值 这就是 蠕变 2020 4 16 50 润滑 有两种基本类型 界面润滑和液膜润滑 界面润滑是依靠单层润滑剂分子化学吸附到接触的固体面上 作相对运动时 承载面受到互相滑动的润滑剂分子保护 防止因表面粗糙发生的粘合和磨损 液膜润滑是当载荷不很重 载荷较低或上下波动时 并且相应于接触面的相对速度较高时 关节很可能是在第二种润滑机制下 一层较厚的润滑剂膜使两个承载面有较大的间隙 这层液膜上的压力可支持承载面上较大的负荷 2020 4 16 51 软骨变性的生物力学 关节软骨的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的可能性 固体表面凹凸不平点的接触 可引起显微应力点的集中 使这些关节面材料发生磨损 关节总载荷频率和数量的增加 可以解释为什么某些职业的人员关节变性的发生率高 2020 4 16 52 如足球运动员的膝关节 芭蕾舞演员的踝关节等 骨关节病也可以继发于胶原蛋白 糖蛋白基质的分子或微观结构损伤 如类风湿性关节炎等 胶原组织生物力学 南京医科大学康复治疗学系DeptofRehabTherapeuticsofNanjingMedicalUniversity 康复治疗学精品课程系列之 一 胶原组织 2020 4 16 55 1 什么是组织 组织是机体中一些形态结构类似 功能相关的细胞和细胞间质组合成的群体结构 人体有多种组织 一般可以归纳为四种基本组织 上皮组织 结缔组织 肌肉组织和神经组织 2020 4 16 56 2 什么是结缔组织 结缔组织由细胞和大量的细胞间质组成 细胞间质包括细丝状的纤维和无定型的基质 结缔组织功能 连接 支持 营养 保护 防御和修复等 结缔组织范畴 液态的血液 胶态的固有结缔组织 固态的骨和软骨组织 2020 4 16 57 3 什么是固有结缔组织 固有结缔组织的基质呈胶状 细胞和纤维散布其中 分类疏松结缔组织致密结缔组织脂肪组织网状组织胶原组织 2020 4 16 58 纤维主要由三种类型的纤维组成 胶原纤维 网状纤维 弹性纤维 基质细胞 成纤维细胞 巨噬细胞 浆细胞 肥大细胞等 胶原组织 2020 4 16 59 骨骼系统周围含有胶原组织的有韧带 包括关节囊 肌腱和皮肤以及外伤后引起的瘢痕组织中的纤维组织等 2020 4 16 60 4 1 胶原纤维 别名 白纤维 新鲜时呈亮白色 组成 胶原蛋白 特点 韧性大 抗拉力强 作用 为组织提供强度和刚度 2020 4 16 61 2020 4 16 62 4 2 弹性纤维 别名 黄纤维 新鲜时呈黄色 组成 弹性蛋白 特点 富有弹性 容易被拉长及复原 作用 在组织受载时提供延展性 2020 4 16 63 2020 4 16 64 4 3 网状纤维 别名 嗜银纤维 银染法能将其染成棕黑色 组成 III型胶原蛋白 特点 多分布于造血器官 内分泌器官及肝内 作用 构成容积 支架 2020 4 16 65 2020 4 16 66 4 4 基质 定义一种由生物大分子构成的胶状物质 组成主要为蛋白多糖和糖蛋白 作用减少细胞 纤维间摩擦 2020 4 16 67 胶原组织 胶原组织 2020 4 16 68 5 常见的胶原组织 骨骼系统周围含有胶原组织的有 韧带 包括关节囊 肌腱皮肤这些结构是被动运动的 不产生主动运动 二 力学特性 2020 4 16 70 1 胶原组织生物力学 活动时 韧带和肌腱主要在拉伸下受载 关节运动在韧带上产生拉伸载荷 肌肉收缩在肌腱上也产生类似载荷 皮下组织和皮肤则是在更为复杂的形式下受载 要承受拉伸 压缩和剪切负荷 2020 4 16 71 2 胶原组织力学特性影响因素 在载荷下 胶原组织的特性受三种主要因素影响 纤维的结构胶原纤维和弹性纤维的特性胶原纤维和弹性纤维之间的比例 2020 4 16 72 2 1 纤维的结构 肌腱 韧带 皮肤中三种胶原的结构不同 并与每种结构的功能相适应 肌腱韧带皮肤 2020 4 16 73 肌腱纤维 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 F 2020 4 16 74 韧带纤维 韧带纤维 较少恒定的结构 在不同的韧带中 结构随韧带的功能而异 虽然多数韧带纤维近似平行 但也有些纤维不是平行排列 F 2020 4 16 75 皮肤纤维 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 皮下组织的结构则更为松散 从而提供更大的扩展空间 F 2020 4 16 76 肌腱 韧带和皮肤的力学特性 纤维排列不同 力学特性不同 肌腱能承受最强的拉伸载荷 韧带受拉伸载荷时 由于纤维不成行 只有与主纤维方向完全一致的纤维首先被完全拉直而承受最大载荷 那些与主纤维方向不平行的纤维 只承受低载荷 皮肤纤维走向较之韧带更无规则 故所能承受的最大载荷也最小 因此皮肤在拉伸下 比肌腱和韧带更脆弱一些 2020 4 16 77 胶原纤维和弹性纤维的特性 2020 4 16 78 2020 4 16 79 胶原纤维未受载荷时呈波浪状 受低载荷时 胶原纤维稍有伸长 直到波浪状的纤维拉直 此时胶原纤维束迅速变刚硬 直到屈服点 然后发生非弹性变形 直到极限而断裂破坏 破坏时的变性范围为6 8 弹性纤维受低载荷时 弹性纤维伸长很大 当达到极限破坏点时突然变刚硬 没有变形而突然断裂 2020 4 16 80 2 3 胶原纤维和弹性纤维的比例 胶原组织中弹性纤维和胶原纤维之间的比例随该组织功能的不同而不同 并影响组织的力学性能 2020 4 16 81 肌腱 主要功能 是把肌力传递到骨或筋膜 几乎完全由胶原纤维组成 在拉伸载荷下 其性能几乎与单独胶原纤维束的应变相一致 2020 4 16 82 韧带 功能 稳定关节 支持关节运动并防止过量运动 强度 在载荷下 决定韧带强度的主要因素是韧带的粗细 形状和载荷增加速度 韧带的横截面积影响其强度 与加载方向取向一致的纤维数越多越宽越厚 韧带的强度越大 韧带与骨一样 其强度和刚度随加载荷速度的增加而增大 当加载荷速度 变形率 增加4倍时 破坏时的载荷几乎增加了50 2020 4 16 83 膝关节前侧观 韧带 2020 4 16 84 韧带的组成 人体内的大多数韧带与肌腱一样主要由胶原纤维所组成 但脊柱中的两个韧带 项韧带和黄韧带由2 3的弹性纤维参与构成 所以几乎完全表现为弹性性能 这些韧带具有特殊的功能 能保护神经根免受机械冲击 为脊柱提供内在稳定性 2020 4 16 85 脊柱的韧带 侧面观 2020 4 16 86 拉伸破坏试验的力学性能 两种韧带在拉伸破坏试验时 力学性能差异A为膝前交叉韧带 具有高百分比的胶原纤维B是黄韧带 具有高百分比的弹性纤维 2020 4 16 87 韧带与胶原纤维力学特性对比 2020 4 16 88 人膝前交叉韧带拉伸破坏试验 区 载荷稍有增加 因波浪形胶原纤维拉直而韧带伸长 区 与加载方向取向相同的纤维完全拉直 组织的刚度迅速增加 组织开始变形并与载荷成线性关系 胶原纤维也开始出现微观破坏 区 应变超过6 8 屈服点 后 胶原纤维束出现进行性破坏 区 在达到组织能耐受的最大载荷时发生组织的巨大破坏 区 韧带伸长约6 8 时 韧带完全破坏 虽然组织仍然连续 但已不能支持载荷 2020 4 16 89 人黄韧带 含60 70 弹性纤维韧带伸长70 时突然破坏 2020 4 16 90 总结 存在即合理 人体内纤维的种类和排列的密度 因起存在的部位的功能差异而不同 真皮 硬脑膜 巩膜和一些器官的被膜多向密集交织的胶原纤维束肌腱单向平行密集排列的胶原纤维束黄韧带和项韧带单向平行密集排列的弹性纤维束 2020 4 16 91 3 骨 韧带 骨复合体 离体韧带的力学性能韧带的结构 骨 韧带 骨复合体的一个环节 2020 4 16 92 Copper试验 Copper和Misol用光学和电子显微镜检查狗韧带的起止点 根据组织形态把韧带的止点分为4个区 2020 4 16 93 腱止点结构及功能示意图 1 1区 腱纤维 2 2区 纤维软骨 3 潮线 4 3区 钙化软骨层 5 4区 骨 2020 4 16 94 骨 韧带 骨复合体 移行区韧带末端 1区 的胶原纤维与纤维软骨 2区 有交织 纤维软骨逐渐变为矿物化纤维软骨 3区 矿物化纤维软骨又与皮质骨融合 4区 由于韧带 骨连结处存在3种刚度逐渐增加的材料 当韧带进入刚度较大的骨结构上的止点部位 应力集中效应就减小 为什么 2020 4 16 95 4 各种载荷条件下复合体性能 载荷的速度和持续时间对骨 韧带 骨复合体的影响 在评估关节损伤和治疗各种关节疾病方面具有很高的临床价值 2020 4 16 96 4 1 恒定载荷效应 关节在长时间内承受恒定的低载荷时 软组织发生缓慢变形即蠕变 软组织在长期恒定载荷下会产生蠕变现象 受载初期6 8小时内这种蠕变最大 如在较低速度下持续数月 绝大部分蠕变发生在负荷 变形曲线的初始区 2020 4 16 97 应用1 畸形足 牵伸畸形足并用管形石膏固定 使病足承受固定载荷 2020 4 16 98 应用2 特发性脊柱侧弯 脊柱侧凸是指脊柱的一个或数个节段在冠状面上偏离身体中线向侧方弯曲 形成一个带有弧度的脊柱畸形 通常还伴有脊柱的旋转和矢状面上后突或前突的增加或减少 同时还有肋骨 骨盆的旋转倾斜畸形和椎旁的韧带和肌肉的异常 2020 4 16 99 特发性脊柱侧凸 最为常见的是原因不明的特发性脊柱侧凸 约占全部脊柱侧凸的80 它好发于青少年 尤其是女性 常在青春发育前期发病 在整个青春发育期快速进展至青春发育结束 在成年期则缓解进展 有时则停止进展 2020 4 16 100 矫形器治疗 用石膏或支架治疗特发性脊柱侧弯 借助所加的恒定载荷使软组织伸长 当软组织变形到某一恒定长度时 使载荷发生松弛 即载荷随时间而减小 受载最初6 8小时的载荷松弛最大 以后这种效应减弱 也可以在低速率下持续数月 每天脊柱侧弯矫形器的佩戴时间 2020 4 16 101 三点压力系统 2020 4 16 102 脊柱侧弯矫形器 2020 4 16 103 4 2 加载荷速度的影响 离体韧带和骨一样 在加载荷速度增加时 能储存更多的能量 断裂时需要更大的力 并能承受较大的伸长 完整的骨 韧带 骨复合体在拉伸破坏试验时呈现更复杂的力学性能 2020 4 16 104 前交叉韧带试验 Noyes和Grood使用灵长类的膝前交叉韧带进行慢速 60秒 比体内损伤机制慢得多 和快速 0 6秒 与体内机制相似 拉伸破坏试验 结果慢加载荷速度 韧带的骨性止点是最弱的部分 可以发生胫骨棘撕脱 快加载荷速度 在2 3的测试样本中 最弱的部位在韧带 2020 4 16 105 制动实验 将灵长类动物在在体石膏中制动8周后进行拉伸破坏试验 结果 与对照组相比 这些动物的前交叉韧带最大破坏载荷下降40 能量储存明显减少 制动韧带的刚度也明显减少 而伸长加大 2020 4 16 106 结论 关节在部分或完全制动后 需要较长时间 可长达1年 才能恢复正常的强度和刚度 当关节制动时 等长运动训练并不能模拟正常的生理载荷 所以不能防止韧带强度的降低 但关节制动期间进行等长运动训练有很多有益效果 老年化在韧带上产生的改变与制动引起的结果相似 韧带的强度和刚度随着年龄的增长有明显降低 2020 4 16 107 5 肌腱 功能 把肌肉附着在骨或筋膜上 并把拉伸载荷从肌肉传递到骨或筋膜 从而产生关节运动 2020 4 16 108 肌腱的类型 类型 有鞘肌腱和无鞘肌腱 承受特别高摩擦力的部位 如在手掌面 手指及腕关节 肌腱有一层鞘包裹 这种鞘由纤维层组成并衬一层滑膜壁层 滑膜细胞产生的滑液有利于肌腱滑动 在承受较低摩擦力的部位 肌腱由一层疏松结缔组织构成的腱鞘包裹 在手指中肌腱必须绕角而起作用 在某些地方 一部分鞘形成滑车或环状韧带 滑车是一种简单机械装置 能够使沿肌腱传递的肌力改变方向 2020 4 16 109 人手指的屈指深肌腱的简图 1 屈指深肌腱 2 滑车 3 腱鞘 4 长腱纽 5 短腱纽 包绕人指深屈肌腱的两个最重要滑车 2020 4 16 110 2020 4 16 111 5 1 肌肉 肌腱 骨复合体 在负载时 肌腱的力学性能和韧带基本相同 决定肌腱强度的因素 肌腱的粗细形状以及加载荷速度 和韧带一样 不能孤立地来考虑肌腱 必须把它考虑为肌肉 肌腱 骨系统的一个环节 肌腱止点的结构也与韧带相似 可以分为4个区 伴随着腱性材料向骨性材料的转变 其力学性能也产生逐渐改变 使肌腱在接近骨止点处的应力集中效应有所减小 2020 4 16 112 影响肌腱承受应力值的主要因素 与肌腱连结的肌肉收缩量 肌腱直径与肌肉直径的比值 2020 4 16 113 应用举例 肌肉收缩时 肌腱上的应力值增加 主要表现为拉应力增高 若肌肉快速的被动伸展 肌腱上的拉应力可进一步升高 踝关节快速背屈 腓肠肌和比目鱼肌未能反射性松弛 使跟腱上的拉伸增加 肌腱所受载荷可以超过屈服点而引起跟腱断裂 2020 4 16 114 肌肉的收缩量 肌肉产生的收缩量取决于它的生理横截面积 肌肉的横截面积越大 收缩产生的力值越高 通过肌腱传送的拉伸载荷也越大 同样 肌腱的横截面积越大 能承受的载荷也越大 2020 4 16 115 拉伸强度 健康肌腱的拉伸强度是肌肉强度的两倍 临床现象 肌肉断裂比肌腱断裂更为常见 大肌肉通常有大横截面积的肌腱 例如股四头肌有膑腱 小腿三头肌有跟腱 但某些小肌肉也有大横截面积的肌腱 例如跖肌 2020 4 16 116 在载荷下 决定韧带强度的主要因素是 韧带的粗细韧带的形状外界载荷增加速度 2020 4 16 117 5 2 手术修复后屈肌腱的愈合 手术修复的主要目的 恢复肌腱断端的连结和肌腱的正常滑动功能 手术后3 14天内 肌腱最弱 此时 修复区胶原纤维变软 其支持力和抗缝合剪切效应的能力下降 2020 4 16 118 狗肌腱术后的恢复 在较短时间内肌腱抗拉伸强度接近正常 但在随后几天内迅速下降 第5天最低 第6天以后 肌腱逐渐恢复其强度 20天左右恢复正常 2020 4 16 119 人肌腱术后的恢复 人手术后必须制动3周左右 以防止修复的肌腱再断裂 制动3周以上 常引起肌腱 腱鞘和周围软组织的粘连 临床上 延长制动时间常引起关节僵直 关节僵直和出现粘连均能妨碍肌腱的滑动功能 并能引起关节活动的减少 2020 4 16 120 人的肌腱不可能在手术修复后40 50周内恢复正常强度 虽然肌腱是被动结构 不产生主动运动 但由于肌肉不断收缩肌腱经常承受载荷 即使关节被固定 肌腱仍可受到一定载荷 所以制动并不能完全消除肌腱上的载荷 手术吻合方法就具有极大的重要性 2020 4 16 121 跟腱左右Z形切开延长术 2020 4 16 122 跟腱前后切开延长术 肌肉关节的生物力学 南京医科大学康复治疗学系DeptofRehabTherapeuticsofNanjingMedicalUniversity 康复治疗学精品课程系列之 2020 4 16 124 五 关节的生物力学 关节的结构是极为复杂的 包括前述三种具有不同力学特性的材料 即骨 软骨和胶原组织 关节又是四肢 脊柱赖以活动的基础 因此在康复治疗中必须充分了解其特性 2020 4 16 125 关节的分型 所有关节运动都可以分解为环绕三个相互垂直的轴心 在三个相互垂直的平面上进行的运动 即 环绕额状轴在矢状面上的运动环绕矢状轴在额面上的运动环绕垂直轴在横面 水平面 上的运动 2020 4 16 126 2020 4 16 127 单轴关节 只有一个自由度 即只能绕一个运动轴在一个平面上运动 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 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 2020 4 16 128 滑车关节 2020 4 16 129 车轴关节 如 近 远侧挠尺关节 2020 4 16 130 双轴关节 有两个自由度 可以围绕两个互为垂直的运动轴在两个平面上运动 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 鞍状关节 如拇指腕掌关节 可作屈伸及收展运动 2020 4 16 131 挠腕关节 椭圆关节 拇指腕掌关节 鞍状关节 2020 4 16 132 三轴关节或称多轴关节 此类关节有三个自由度 即在三个相互垂直的运动轴上可作屈伸 收展 旋转等多方向的运动 球窝关节 如肩关节 杵臼关节 如髋关节 平面关节 如肩锁关节 腕骨和跗骨间诸关节 2020 4 16 133 球窝关节 2020 4 16 134 杵臼关节 2020 4 16 135 平面关节 2020 4 16 136 关节的活动度和稳定性 关节的功能取决于其活动度 rangeofmotion ROM 或柔韧性 flexibility 和稳定性 stability 一般而言 稳定性大的关节活动度小 上肢关节有较大的活动度 而下肢关节有较大的稳定性 2020 4 16 137 影响关节活动度和稳定性因素 构成关节的两个关节面的弧度之差 差别大时活动度大 稳定性低 差别小时则活动度小 稳定性高 用肩关节与髋关节为例作比较 2020 4 16 138 影响关节活动度和稳定性因素 关节囊的厚薄与松紧度 关节囊越厚 关节稳定性越高 活动度越小 关节囊越薄 关节稳定性越低 活动度越大 2020 4 16 139 影响关节活动度和稳定性因素 关节韧带的强弱与多少 关节韧带强度越高 关节处韧带数量越多 关节稳定性越高 关节活动度越小 反之 关节韧带强度越低 关节处韧带数量越少 关节稳定性越低 关节活动度越大 2020 4 16 140 影响关节活动度和稳定性因素 关节周围肌群的强弱与伸展性 关节周围肌肉强度越高 伸展性越低 关节的稳定性越好 活动度越小 反之 关节周围肌肉强度越弱 伸展性越高 关节的稳定性越差 活动度越大 2020 4 16 141 影响关节活动度和稳定性因素 一般来说 骨骼和韧带对关节的静态稳定起主要作用 肌肉拉力则对动态稳定起主要作用 2020 4 16 142 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 2020 4 16 143 开链和闭链 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 2020 4 16 144 开链和闭链 人体在进行闭链时 所能做的肢体运动只能是多关节协调活动 如蹲站时必须同时活动髋 膝 踝关节 不可能作单一关节的活动 两上肢撑地作俯卧撑运动时 也只能同时活动腕 肘 和肩关节 而不可能单独活动单一关节 2020 4 16 145 开链和闭链运动在康复中的应用 在康复治疗尤其是神经系统疾病后康复治疗中 可以根据需要选择训练较强的肌群 关节来带动较弱的肌群关节而进行开 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他关节带动该关节的活动 2020 4 16 146 肌肉的生物力学 肌肉活动主要以肌力和肌张力来表现其力学特性 什么是肌力 什么是肌张力 两者的区别 2020 4 16 147 影响肌力的4个因素 1 肌肉的横断面肌肉由肌纤维组成 每条肌纤维的横断面称为肌肉的生理横断面 单位生理横断面所能产生的最大肌力称为绝对肌力 在研究离体肌肉时 把每根垂直横切的肌纤维切面加起来 再将总和乘以肌肉的平均厚度 就得到生理横断面 2020 4 16 148 2020 4 16 149 生理横断面 2020 4 16 150 影响肌力的4个因素 2 肌肉的初长度即肌肉收缩前的长度 肌肉是弹性物质 在生理限度内 肌肉在收缩前被牵拉至适宜的长度 则收缩时的肌力较大 当肌肉被牵拉至静息长度的1 2倍时 肌力最大 2020 4 16 151 例如在投掷铅球时 必须充分屈曲肘关节 以尽可能牵张肱三头肌 然后利用肱三头肌急剧收缩时的力量将铅球抛出 2020 4 16 152 影响肌力的4个因素 3 肌肉的募集 同时投入收缩的运动单位数量越多 肌力也越大 称为肌肉的募集 recruit 肌肉募集受中枢神经系统功能状态的影响 当运动神经发出的冲动强度大时 动员的运动单位就多 当运动神经冲动的频率高时 激活的运动单位也多 2020 4 16 153 2020 4 16 154 影响肌力的4个因素 4 肌纤维走向与肌腱长轴的关系 一般肌纤维走向与肌腱长轴相一致 但也有不一致的 如在一些较大的肌肉中 部分肌纤维与肌腱形成一定的角度成羽状连结 2020 4 16 155 羽状连结的肌纤维越多 与肌腱成角也越大 肌肉越粗 能产生较多的力 如腓肠肌或其他快肌 具有较强的收缩力 2020 4 16 156 羽状连接的肌纤维越少 与肌腱成角也越小 甚至很少成角 则肌肉越细 故具有较高的持续等长收缩力 如比目鱼肌或其他慢肌 2020 4 16 157 肌肉的收缩形式 等张收缩 isotoniccontraction 等张收缩定义 肌力大于阻力时产生的加速度运动和小于阻力时产生的减速度运动 运动时肌张力大致恒定 故称等张收缩 因为引起明显的关节运动 故也称动力收缩 dynamiccontraction 2020 4 16 158 肌肉的收缩形式 等张收缩 isotoniccontraction 等张收缩特点 阻力与肌力不等产生加速度运动肌张力大致恒定引起明显的关节活动 2020 4 16 159 等张收缩分类 所谓 等张收缩 时肌张力并不精确恒定 因为根据等张收缩时肌纤维长度改变不同分为向心收缩与离心收缩 2020 4 16 160 等张收缩分类 向心收缩 concentriccontraction 肌肉收缩时 当肌肉的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的缩短收缩 2020 4 16 161 等张收缩分类 离心收缩 eccentriccontraction 肌肉收缩时肌力低于阻力 使原先缩短的肌肉被动延长 则称为离心收缩或延长收缩 如下楼梯时股四头肌的延长收缩 2020 4 16 162 肌肉的收缩形式 等长收缩 isometriccontraction 等长收缩定义 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 2020 4 16 163 肌肉的收缩形式 等长收缩 isometriccontraction 等长收缩的特点 收缩力与阻力相等肌肉长度不改变不引起关节活动 2020 4 16 164 肌肉的收缩形式 等长收缩 isometriccontraction 例如 半蹲位时的股四头肌收缩 此时肌肉长度基本不变 2020 4 16 165 肌肉的协同 肢体在完成每一个动作时 都需要多组肌肉合作才能完成 为了阐明各块肌肉在进行某一动作的具体作用 现分别命名如下 原动肌 agonist 拮抗肌 antagonist 固定肌 fixator 中和肌 neutralizator 2020 4 16 166 原动肌 agonist 直接完成动作的肌群称为原动肌 其中起主要作用者称主动肌 协助完成动作或仅在动作的某一阶段起作用者称副动肌 例如 在屈肘运动中起作用的肌肉有肱二头肌 肱肌 肱桡肌和旋前圆肌 其中起主要作用的是肱二头肌和肱肌 称主动肌 其余称副动肌 2020 4 16 167 拮抗肌 antagonist 与原动肌作用相反的肌群称拮抗肌 当原动肌收缩时 拮抗肌应协调地放松或作适当的离心收缩 以保持关节活动的稳定性及增加动作的精确性 并能防止关节损伤 例如 在屈肘动作中 肱三头肌和肘肌即是肱二头肌和肱肌的拮抗肌 2020 4 16 168 固定肌 fixator 为了发挥原动肌对肢体运动的动力作用 必须将肌肉相对固定的一端 定点 所附着的骨骼或更近的一连串骨骼充分固定 参加这种固定作用的肌群 通称为固定肌 例如 在上臂体侧下垂的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 肘关节的肌群均称为固定肌 2020 4 16 169 中和肌 neutralizator 中和肌的作用是为了抵消原动肌收缩时所产生的一部分不需要的动作 例如 扩胸运动 斜方肌和菱形肌都是原动肌 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的同时 可产生肩胛骨下角的内旋 这种肩胛骨下角的内外旋常可削弱扩胸效应 但两肌同时收缩时所产生的无效动作可相互抵消 因此又互为中和肌 2020 4 16 170 人体运动的杠杆原理 人体在进行正常的运动时 肌肉收缩产生的实际力矩输出 受到运动节段杠杆效率的影响 因而人的运动均遵循杠杆原理 各种复杂的人体运动均可以分解为一系列的杠杆运动 2020 4 16 171 有关杠杆的名词 支点 F 是指杠杆绕着转动的轴心点 在肢体杠杆上支点是关节的运动中心 力点 E 动力作用点称为力点 在骨杠杆上力点是肌肉的附着点 2020 4 16 172 有关杠杆的名词 阻力点或称重力点 W 阻力在杠杆上的作用点称为阻力点 是指运动节段的重力 运动器械的重力 摩擦力或弹力以及拮抗肌的张力 韧带 筋膜的抗牵拉力所造成的阻力 在一个杠杆系统中的阻力作用点只有一个 即全部阻力的合力作用点为唯一的阻力点 2020 4 16 173 有关杠杆的名词 力臂 d 从支点到动力作用线的垂直距离 称为力臂 阻力臂 dw 从支点到阻力作用线的垂直距离称为阻力臂 2020 4 16 174 有关杠杆的名词 力矩 M 表示力对物体转动作用的大小 是力和力臂的乘积 即M E d 阻力矩 Mw 阻力和阻力臂的乘积为阻力矩 即Mw W dw 2020 4 16 175 杠杆的分类 第1类杠杆 又称平衡杠杆 特征 支点在力点与阻力点中间 作用 传递动力和保持平衡 举例 头颅与脊柱的连接 支点位于寰枕关节的额状轴上 力点在支点的后方 阻力点 头的重心 位于支点的前方 2020 4 16 176 杠杆的分类 第2类杠杆 又称省力杠杆 特征 阻力点在力点和支点的中间 力臂始终大于阻力臂 作用 以较小的力来克服较大的阻力 举例 站立提踵时 以跖趾关节为支点 小腿三头肌以粗大的跟腱附着于跟骨上的支点为力点 人体重力通过距骨体形成阻力点 2020 4 16 177 第3类杠杆 又称速度杠杆 特征 力点在阻力点和支点的中间 力臂始终小于阻力臂 力必须大于阻力 作用 使阻力点获得较大的运动速度和幅度 举例 肱二头肌通过肘关节屈起前臂的动作 此时支点在肘关节中心 力点在支点和阻力点的中间 杠杆的分类 2020 4 16 178 杠杆原理在康复医学中的应用 省力 要用较小的力去克服较大阻力 就要缩短阻力臂或延长力臂 在人体杠杆中肌肉拉力的力臂一般都很短 人体有一些补偿机制可以使之增大 2020 4 16 179 举例 通过籽骨能增长力臂 如膑骨就延长了股四头肌的力臂 2020 4 16 180 举例 通过肌肉在骨上附着点的隆起 突起来延长力臂 如股骨大转子就增大了臀中肌 臀小肌的力臂 小转子则延长了髂腰肌的力臂 2020 4 16 181 举例 一个活动多 肌肉强壮的人 其骨骼上的粗隆 结节也较明显 说明运动锻炼不仅能增强肌力 而且能增大力臂来增加力矩 2020 4 16 182 举例 同样 缩短阻力臂也能够省力 如提重物时 重物越靠近身体越省力 举杠铃的技术关键也是让杠铃尽可能贴近身体 2020 4 16 183 杠杆原理在康复医学中的应用 获得速度 许多动作不要求省力 而要求获得较大的运动速度和幅度 如投掷物体 踢球 挥拍击球等 为使阻力点移动距离和速度增大 就要增长阻力臂和缩短力臂 2020 4 16 184 2020 4 16 185 举例 人体中大多数杠杆虽属速度杠杆 但为了获得更大速度 常需使几个关节组成一个杠杆臂 这就要求肢体伸展 如掷铁饼时 就要先伸展手臂 有时甚至需要附加物体延长阻力臂 如利用球棒或球拍来延长阻力臂 2020 4 16 186 2020 4 16 187 2020 4 16 188 杠杆原理在康复医学中的应用 防止损伤 从上述杠杆原理可知 第3类杠杆 速度杠杆 不利于负重和载荷 而人体肌肉杠杆又大都属于第3类杠杆 因此可以理解阻力过大容易引起运动杠杆各环节的损伤 特别是其力点和支点 即肌腱系统和肌肉止点以及关节的损伤 2020 4 16 189 举例 肢体伤病后 常常要求局部或全身休息 使肌力降低 因此在康复治疗中特别强调增强肌肉锻炼 同时应适当控制阻力和阻力矩 可保护运动杠杆免受损害 人体主要关节的生物力学特性 南京医科大学康复治疗学系DeptofRehabTherapeuticsofNanjingMedicalUniversity 康复治疗学精品课程系列之 肩关节生物力学 2020 4 16 192 概述 就广义而言 肩是把上臂连结到胸的一组结构 其功能是使肱骨定位并在空间运动 肩是身体中最复杂的关节 2020 4 16 193 由于肩运动范围大 组成成分多 以及各组成成分在大小和形状上面存在很强的个体差异 因而要对肩作一完全定量的生物力学阐述是很不实际的 2020 4 16 194 肩关节解剖基础 参考系统解剖学和解剖图谱 这里不再详述 2020 4 16 195 肩的活动范围和活动轴 绕额状轴的矢状面活动 前屈180 后伸50 绕矢状轴的额面活动 外展180 内收45 绕垂直轴的水平面活动 内旋90 外旋90 环转 2020 4 16 196 2020 4 16 197 盂肱关节包括一个近似半球形凸出的肱骨关节面和一个含骨质与软组织的盂 盂肱关节的稳定性主要取决于合适的盂 盂窝和肱骨头 完整的关节囊 盂唇 关节韧带及其周围的肌肉 2020 4 16 198 肩锁关节肩锁关节是锁骨远端与肩峰近端肩的小滑液关节 肩锁关节的稳定性主要来自锥状韧带和斜方韧带 肩锁关节通常有一个半月板 把关节分为两个功能单位 在肩峰和半月板之间发生绕锥状韧带的旋转 在半月板与锁骨之间产生斜方韧带的铰链作用 2020 4 16 199 肩锁关节 2020 4 16 200 胸锁关节胸锁关节是胸骨柄与锁骨近段间的一个滑膜关节 关节内有一块半月板 上连锁骨 下接第一肋软骨 这块半月板将胸锁关节分为两个腔 上下滑动发生于锁骨与半月板之间 前后滑动则发生在半月板与胸骨之间 胸锁关节的主要稳定结构是肋锁韧带 将锁骨固定在第一肋上 2020 4 16 201 2020 4 16 202 肩胸 关节 又称为肩胛胸壁关节 肩胛骨除了与肩锁关节和胸锁关节相连外它与胸廓没有骨或韧带的连接 在肩胛骨作各种运动时 肩胛骨通过相关肌肉可作前伸 后缩 上举 下降及旋转 2020 4 16 203 肩胸关节 2020 4 16 204 三角肌下 关节 此为生理学上的关节 它在三角肌下 其下方为肱骨上端和肌性肩轴 当肩外展时 肱骨大结节被冈上肌向上 内侧拉 三角肌下的滑液囊上隐窝被拉至肩锁关节之下 滑液囊的深面在其浅面上滑向内侧 浅面皱起 这样便允许肱骨头滑至肩峰 三角肌拱顶的深面 形成了 关节 这就产生了一个有利条件 一块肌肉可以跨越数个关节并能对每一个关节起作用 如起自胸壁止于肱骨的背阔肌从理论上就跨越肩胸 胸锁 肩锁和盂肱关节 2020 4 16 205 三角肌下关节 2020 4 16 206 肩外展的生物力学图解 2020 4 16 207 肩关节外展力学分析 开始外展时 三角肌实际并没有作用 其力点几乎与上臂杠杆平行 但有使肱骨头产生上方脱位的倾向 冈上肌在外展时 则处于最有效率的位置 其力E有一个强有力并有效的沿切线方向的分力 Et 迫使肱骨头紧贴关节盂 阻止了三角肌向上脱位的倾向 外展一旦开始并达到45 60度时 这两组肌肉的作用发生逆转 冈上肌效率减退 而三角肌则变得更为有效且在外展中占主要地位 2020 4 16 208 近期的力学研究认为在大多数情况下三角肌不论其微弱的分力如何 均起到始动的作用 同时三角肌的早期收缩有利于固定肱骨头于关节盂 也有利于其外展 2020 4 16 209 计算肩关节外展受力情况可简化为一杠杆系统 如平抬手臂 臂重 1 20体重 体重 600N 则m臂 30N 臂重心离肱骨头中心30cm 则 Fm 0 03 30 0 3 0 Fm 30 0 3 0 03 300N 其反力T 300N 这是粗略近似 实际上三角肌力并不与臂平行 肌力Fm平行手臂 离中心3cm 设 2020 4 16 210 以外展为例的受力分析目的 了解肩关节的瞬时旋转中心 了解主要作用肌肉的起止点 作用力的大小和方向 在肌肉力和外力的作用下 掌握关节面受力情况 应用 在给病人的训练过程中 设定合理的运动负荷 防止训练过度或训练不充分 肩关节屈曲 后伸 旋