運動生物力學

SportBiomechanics江蘇省人民醫(yī)院康復醫(yī)學科卞榮康復治療學精品課程系列之奧運會，劉翔為什么沒能參加比賽骨折后鋼板內固定后，鋼板下的骨直徑增加還是減少骨折后內固定，螺釘周圍骨量增加還是減少外科手術中去除小片狀骨，對于整塊骨而言強度有多大影響拉伸、壓縮、扭轉，哪種應力方式會造成骨的損害，骨粗點好還是細點好，骨為什么是空心的。滑雪運動員易發(fā)生脛骨前端骨折，還是脛骨后端骨折新兵連的士兵為什么會出現(xiàn)骨折現(xiàn)象4/8/20252基本概念力（force）：是一種作用，它能改變受力物體的靜止或運動狀態(tài)。力學（Mechanics）：對力進行廣泛綜合研究的學科。生物力學（Biomechanics）：當力作用于人體和其他生物體上并加以研究的學科。實驗研究，模型研究和應用研究。4/8/20253作用于人體的力外力主要有：重力（gravitationalforce）是地球對其附近物體吸引的力，是人體保持直立姿勢及活動時必須克服的負荷。4/8/20254作用于人體運動器官各節(jié)段重力占體重的百分比為5%2%1%12%3%2%43%3%4/8/20255外力支撐反作用力靜力支撐反作用力：在靜止狀態(tài)下，地面或器械通過支撐點作用于人體的對重力的反作用力，其大小與重力相同，方向相反。GN4/8/20256外力動力支撐反作用力：人體做加速度運動時所受的支撐反作用力，除上述力外還要加上與加速度運動力大小和方向相反的反作用力。4/8/20257外力摩擦力是指人體或肢體在地面或器械上滑動時所受到的摩擦阻力。其大小因人體或肢體重量及地面或器械表面質地而異，其方向與運動方向相反。4/8/20258外力流體作用力人體在流體中運動時所承受的流體阻力，稱流體作用力。其大小與運動速度、流體密度成正比，故在水中運動所受到的阻力較空氣中大。但因流體的浮力抵消了大部分重力，故人體在水中運動比較省力。4/8/20259外力器械的其他阻力肢體推動運動器械進行鍛煉時，除要克服器械重力外，還需要克服器械的慣性力、摩擦力或彈力所產(chǎn)生的阻力，其大小與肢體推力相等，方向相反。4/8/202510外力各種外力經(jīng)常被用來作為運動訓練的負荷，這種負荷要求肢體運動的方向和力量與之相適應，從而選擇投入工作的肌群及其收縮強度，這是肌力訓練的方法學基礎。4/8/202511作用于人體的力內力主要有：肌肉收縮時產(chǎn)生的力這種力通過骨的附著點，根據(jù)力偶（forcecouple）、力矩（forgue）、分力、合力等力學規(guī)律和杠桿原理產(chǎn)生相應的運動和/或維持人體姿勢。4/8/202512內力各組織器官間的被動阻力各內臟器官間的摩擦力內臟器官和固定裝置間的阻力如胃腸蠕動與腹膜、腸系膜、大血管間的阻力，食管蠕動與縱膈間的阻力等。血液淋巴液在管道內流動時產(chǎn)生的流體阻力，在分流時產(chǎn)生的湍流等。4/8/202513內力各種內力總是相互適應，以維持最佳活動，同時也不斷和外力相抗衡以適應人體生活的需要。例如為克服重力對血液流動的影響，有時需要肌肉收縮來幫助血流循環(huán)。4/8/202514骨組織的生物力學骨骼系統(tǒng)的作用保護內臟器官提供運動系統(tǒng)的剛性支架和鏈接并為肌肉提供附著點4/8/202515骨的組成和結構骨組織是一種專門的結締組織。骨由細胞和細胞產(chǎn)生的有機胞外纖維基質和無定形基質組成。骨的無機成分使骨組織具有硬度和剛性。骨的有機成分使骨具有彈性和柔韌性。4/8/202516骨的組成和結構骨的基本單位稱為骨單位，即哈佛系統(tǒng)。無機成分為羥基磷灰石結晶（60-70%）無機質內嵌交織排列的蛋白膠原纖維、蛋白多糖（25-30%）水含量豐富（25%）4/8/202517骨的組成和結構宏觀結構而言，骨包含兩種骨組織類型：皮質骨或稱密質骨，構成骨的外殼或皮質，它的結構致密類似象牙。松質骨或稱網(wǎng)狀骨，構成骨的內層，由骨小梁形成篩狀結構，小梁之間的空隙充滿紅骨髓。4/8/202518骨對其承受的力具有適應能力持久運動后，承受最大應力的骨骼可產(chǎn)生相應的改變——骨皮質增厚，骨密度增加，骨粗隆增大等4/8/202519而肢體在廢用后則可發(fā)現(xiàn)——骨皮質變薄、骨密度減少，骨粗隆減小。4/8/202520骨的力學性能從生物力學角度來講，骨組織是一種雙相復合材料，一相為無機物，另一相為膠原和無定形基質。當堅固的脆性材料嵌入另一種力度較弱但柔韌性強的材料中后，復合材料的性能比其中任何一種單純材料更加堅韌。強度和剛度是骨的重要的力學性能，在做載荷試驗時能夠很好的了解這些性能。強度：是一個生物材料（如骨骼）抵抗破壞的能力。剛度：是一個生物材料（如骨骼）抵抗變形的能力。4/8/202521決定結構強度的三個參數(shù)結構斷裂前所能承受的載荷；斷裂前所能承受的變形；斷裂前所儲存的能量。4/8/202522骨的力學性能圖示出某一塑性材料假定的加載荷的變形曲線。當在材料的彈性區(qū)內加載，并隨之卸負時，結構恢復原來形狀，即不產(chǎn)生永久變形；若繼續(xù)加載，材料的最外層纖維就開始在某些點“屈服”。若繼續(xù)加載，超過此屈服點(yieldpoint)，則進入該曲線的非彈性區(qū)，將出現(xiàn)永久變形。若在非彈性區(qū)再繼續(xù)加載，則可以達到結構的極限斷裂點。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；結構的剛度用彈性區(qū)的曲線斜率來表示。4/8/202523應力應變曲線在標準情況下進行試驗，可以確定單位面積所加載荷大小和以原長來表示的變形量，從而可以繪出一條曲線，稱為應力應變曲線。曲線下方的面積代表強度的能量積累，面積越大，說明結構體在負載時積累的能量就越多。曲線彈性區(qū)的斜率代表了結構體的剛度，斜率越大，材料剛度越高。4/8/202524研究測試標準化骨標本把一個骨組織的標準試樣裝在試驗卡具上，加載直至斷裂，可以獲得骨的應力和應變值，應力應變曲線可說明變形結果。應力應變曲線的分區(qū)與載荷變形曲線相似。應力（stress）：標本每個面積單位承受的載荷。應變（strain）：標本大小改變的百分率表示型變量。4/8/2025254/8/202526應力、應變應力是結構受到外來載荷時其表面單位面積所受到的力。（即力在截面上各點的分布情況和密集程度）表示骨試樣應力測量的最常用單位是每平方米牛頓。應變是結構在載荷下某一點上發(fā)生的變形。兩個基本的應變類型是線性應變和剪切應變，線性應變導致標本長度改變，剪切應變導致組織結構體角關系的改變。4/8/202527應力、應變應變有兩種類型：線應變，它是長度的改變，是與以結構原長相除后的變形量（伸長或縮短），以百分比表示，如cm/cm。4/8/202528剪應變是某一結構在承受載荷下所發(fā)生的角改變，以弧度(rad)表示。4/8/202529彈性模量（楊氏模量）1807年因英國醫(yī)生兼物理學家托馬斯·楊(ThomasYoung,1773-1829)所得到的結果而命名。

材料的剛度以彈性區(qū)內的曲線斜率來表示，剛度值可以由彈性區(qū)內任何一點的應力除以此點的應變取得，亦即載荷變形曲線上彈性范圍內任意一點的應力對應變的比值，此值稱為彈性模量(modulusofelasticity)（也稱楊氏模量，Young'smodulus）。能量儲存顯示的強度用整個曲線下面積表示。4/8/202530彈性模量4/8/202531骨的組織結構骨骼是由皮質骨和松質骨組成。這兩種骨的類型可以看作是孔隙率大范圍變化的一種材料。孔隙率指的是非礦物組織（非骨組織）所占骨容積的比率，以百分比表示。皮質骨的孔隙率為5~30%，而松質骨為30％~90%。皮質骨較松質骨堅硬，斷裂前能承受較大的應力，而能承受的應變則較小。在體外承受的應變超過原長1.5-2%時，皮質骨斷裂；而松質骨在應變超過50%時才斷裂。這是由于松質骨的多孔性結構具有較高的能量儲存量。4/8/2025324/8/202533三種材料應力-應變曲線示意圖不同材料的特征脆性材料延性材料4/8/202534骨的各項異性骨的橫向和縱向結構是有差異的，所以骨受不同方向載荷時會表現(xiàn)出不同的力學性能。4/8/202535不同加載形式下骨的性能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構上可以產(chǎn)生拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉和聯(lián)合載荷（圖示）。下面將論述施加在平衡結構上的這些載荷形式。4/8/202536不同加載形式下骨的性能拉伸：在拉伸載荷下，在結構表面施加大小相等、方向相反的載荷，在結構內部產(chǎn)生拉應力和拉應變。拉伸載荷作用下，物體有延長和收窄的趨勢。4/8/202537網(wǎng)球比賽中跟骨張力性骨折臨床上，張力性骨折常見于松質骨比例較高的骨。比如第五跖骨腓骨短肌腱附著點、跟骨跟腱附著點的骨折。右圖顯示了跟骨張力性骨折，小腿三頭肌強烈收縮導致跟骨受到的張力異常增高4/8/202538不同加載形式下骨的性能壓縮：在壓縮載荷下，在結構表面施加大小相等、方向相反的載荷，在結構內部產(chǎn)生壓應力和壓應變。在壓縮載荷作用下，物體有縮短和增寬的趨勢。4/8/202539腰椎壓縮性骨折臨床上，壓縮性骨折常見于受到高強度壓縮力的椎骨，在骨質疏松的老年人中最多見。圖示椎骨受壓后出現(xiàn)高度降低和寬度增加。4/8/202540不同加載形式下骨的性能剪切：在剪切載荷下，平行于結構表面施加載荷，在結構內部產(chǎn)生剪應力和剪應變。受剪切作用的物體內部會發(fā)生角變形，處于物體內部平面上的直角會轉變?yōu)殁g角或銳角。4/8/202541拉伸、壓縮狀態(tài)下發(fā)生了成角形變物體在不同載荷下發(fā)生角變形。物體受到拉伸或者壓縮時，總會發(fā)生角變形。即出現(xiàn)了剪切應變。4/8/202542在壓縮、拉伸和剪切負載下。成人皮質骨能承受的應力壓縮應力：190MPa拉伸應力：130MPa剪切應力：70MPa松質骨彈性模量軸向：8MPa橫向：50MPa剪切：0-0.4MPa4/8/202543不同加載形式下骨的性能彎曲：骨在彎曲下承載時，拉應力和拉應變作用在中心軸的一側，而壓應力和壓應變作用在中心軸的另一側。中心軸處則無應變和應力。應力強度與所在部位距中心軸距離呈正相關，即離中心軸越遠，應力越高。4/8/202544彎曲可分為三點彎曲或四點彎曲。兩種受力導致的彎曲形變都可見于臨床，尤其是長骨骨折。三點彎曲發(fā)生于三個力作用于統(tǒng)一結構體并產(chǎn)生兩個相同力矩，每個力矩等于作用于結構體一端的力乘以該力至旋轉軸中力作用點的垂直距離。4/8/202545三點彎曲應力造成“靴頂”骨折典型的三點彎曲斷裂類似于滑雪者靴頂部發(fā)生的骨折當滑雪者摔倒時有一個力矩作用于滑雪靴上方的脛骨近端，另一個同樣的力矩由固定的靴子和滑雪板產(chǎn)生，作用于脛骨遠端。當脛骨近端向前方彎曲，骨后方會產(chǎn)生張應力和應變，骨前方產(chǎn)生壓縮應力和應變，這樣在靴頂處就會發(fā)生脛腓骨骨折。因為成人骨抗張性能要差于抗壓性能，所以骨折一般首先發(fā)生在張力側。而不成熟骨具有很好的延展性，所有骨折一般首先發(fā)生于壓力側。4/8/202546股骨四點彎曲在骨折康復期對僵硬的膝進行推拿治療，四點彎曲會導致股骨在最薄弱處發(fā)生骨折，即股骨原發(fā)骨折部位。4/8/202547不同加載形式下骨的性能扭轉：載荷作用于物體造成結構體沿著軸線發(fā)生扭曲，在物體內部產(chǎn)生扭矩。當物體受到扭轉負載時，整個物體就分布剪切應力。物體發(fā)生彎曲時，這些應力的強度與它們距中心軸的距離呈比例關系，應力離中心軸越遠，強度就越大。4/8/202548扭轉負載時最大的剪切應力分布在與中心軸平行和垂直的平面上最大的張應力和壓應力分布在中心軸對角線平面上。4/8/202549犬股骨試驗性扭轉骨折平行于中心軸的短裂紋代表了剪切力造成的損傷，與中心軸呈30度角的骨折線代表最大張應力造成的損傷。4/8/202550不同加載形式下骨的性能聯(lián)合載荷：在實際活動中，骨在體內所加的載荷通常是以上幾種形式的綜合，并且骨經(jīng)常受到多個不確定的載荷。4/8/202551步行中脛骨前內側受力足跟著地相發(fā)生壓應力支撐相張應力足蹬離相壓應力后階段剪切應力相對高些。說明此時存在明顯的扭轉負荷。這種扭轉負荷與足著地和蹬離過程中脛骨向外旋轉有關。HS：足跟著地；FF：全足著地；HO：足跟離地；TO腳趾離地4/8/202552慢跑中脛骨前內側受力慢跑過程中，應力方式有很大的不同。首先腳趾著地時壓應力占優(yōu)勢，然后蹬地起步時轉換成很高的張應力。整個過程中剪應力比較低，這意味著步態(tài)交替過程中輕度的脛骨內外旋產(chǎn)生的扭轉負載是最低的。TS：腳趾著地；TO：腳趾離地4/8/202553肌肉活動對骨應力分布的影響骨在體內受到負荷時，附著于骨的肌肉會發(fā)生收縮，改變應力在骨內的分布。滑雪者向前摔倒時，脛骨后側產(chǎn)生很高的張應力，脛骨前側產(chǎn)生很高的壓應力。小腿三頭肌的收縮在脛骨的后側產(chǎn)生了很強的壓應力，這樣抵消了脛骨后側大量的張應力。避免了骨折。4/8/202554肌肉活動對骨應力分布的影響肌肉收縮在髖關節(jié)上產(chǎn)生相似的效應，走路時，彎曲力矩施加在股骨頸上，拉應力發(fā)生在上部骨皮質。臀中肌收縮產(chǎn)生的壓應力抵消了拉應力，導致骨皮質上部既無壓應力又無拉應力，故肌肉收縮使得股骨頸能承受更高負荷（見圖）。臀中肌松弛時（上圖），拉應力作用在上部的骨皮質上，壓應力作用在下部的骨皮質上。臀中肌收縮（下圖）使拉應力抵消4/8/202555反復加載引起的骨疲勞骨折可以由超過骨極限強度的單一載荷造成；也可以由較低能量載荷反復加載造成；還受到一定時間內載荷作用次數(shù)的影響。反復加載造成的骨折稱為疲勞骨折（fatiguefracture）4/8/202556螺釘對骨的影響（應力集中源）手術中去除小片狀骨或者螺釘擰入骨內，產(chǎn)生應力集中源。骨強度會下降，負載過程中產(chǎn)生的應力不能夠均衡地分布到整個骨，反而集中在缺損部位。這種負載方式下，骨強度降低可達60%。8周后由于骨重建，螺釘或無螺釘?shù)尼斂滓鸬膽性赐耆А?/8/202557扭轉載荷下，開放和閉合截面的應力分布方式閉合截面中，所有的剪切應力都能抵抗外加扭矩。開放截面中，只有骨邊緣的剪切應力抵抗外加扭矩。成人脛骨體外扭轉實驗中，開放節(jié)段性缺損最高能降低90%的骨折負荷和能量積累。4/8/202558骨的重建骨具有重建能力，通過改變其大小、形狀和結構來適應外界的力學要求。這種能夠隨著應力的作用水平而獲得或丟失松質骨和或皮質骨的現(xiàn)象稱之為Wolff定律。說明機械應力能夠影響和調節(jié)骨的重建活動。廢用和活動減少對骨骼是有害的，臥床休息能造成每周丟失約1%的骨量。4/8/202559接骨板下骨吸收加壓鋼板的剛度約為骨的10倍，尺骨骨折后需使用加壓鋼板固定直到愈合。鋼板下骨承受的負荷要較正常低，這些骨部分被吸收，萎縮的尺骨干顯著細小。骨直徑減小20%就會導致扭轉強度下降60%。圖示，應在大小和形狀改變意味著在骨折愈合后不久、骨尺寸變小之前就該去除堅硬的接骨板。4/8/202560股骨頸骨折使用釘板固定后的平片內植物會造成其附著部位發(fā)生骨肥大螺釘周圍發(fā)生骨肥大。股骨頸骨折后使用釘板固定，螺釘周圍的骨會發(fā)生肥大以適應螺釘所在部位增加的負荷。4/8/202561關節(jié)軟骨的生物力學關節(jié)是骨骼系統(tǒng)中相鄰骨間的功能性聯(lián)接。關節(jié)軟骨實際上是一種孤立的組織，沒有單獨的血液和淋巴供應。它主要依賴軟骨下骨組織提供軟骨下部近1/3的血供，其余依賴滑膜周圍毛細血管的滲入。4/8/202562關節(jié)軟骨的細胞密度低于大多數(shù)其他組織，其主要功能是：①把施加于關節(jié)上的載荷擴散到較大的區(qū)域，以減少接觸應力；②使對應的關節(jié)面以最小的摩擦和磨損進行相對運動。

4/8/202563關節(jié)軟骨的組成成分膠原纖維15-22%蛋白多糖4-7%軟骨細胞水分顯微鏡下的關節(jié)軟骨4/8/202564膠原纖維是體內最豐富的蛋白。膠原為關節(jié)軟骨提供一種纖維狀超微結構，這種膠原網(wǎng)和多水的糖蛋白一起，共同抵抗關節(jié)的應力和應變。4/8/202565軟骨膠原纖維網(wǎng)結構隨深度排列的超微結構4/8/202566蛋白多糖是由分布不均勻的糖蛋白大分子及其聚合物組成。糖蛋白的基本結構單元是氨基多糖。糖蛋白有一特殊部分與膠原密切相連，并把膠原纖維結合到一起。4/8/202567軟骨細胞和水分軟骨細胞4/8/202568軟骨各成分間結構上的相互作用蛋白多糖的基本結構單元是氨基多糖，氨基多糖具有吸引正電荷如鈉離子、鈣離子以中和固定負電荷的作用。相鄰的氨基多糖鏈有固定的電荷相互排斥，使組織內保持一種挺而伸展的狀態(tài)。氨基多糖和小離子的濃縮液，有通過滲透作用自我稀釋的趨向。當軟骨面受力時，可發(fā)生瞬間變形，這主要是糖蛋白區(qū)的形狀改變所致，這種外加的應力使軟骨基質中的內壓超過了膨脹壓，引起液體從組織中外流。4/8/202569一個糖蛋白聚合體的簡圖4/8/202570關節(jié)軟骨的生物學性質滲透性蠕變反應潤滑4/8/202571關節(jié)軟骨的生物學性質滲透性表示液體流過多孔物質的固體基質時的摩擦阻力。滲透性越低，承載時液體流動阻力越大。與普通海綿的滲透性相比，健康軟骨的滲透性是很小的。隨著壓力和變形的增加，健康關節(jié)軟骨的滲透性大大降低。因此，關節(jié)軟