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1、康复医学中的运动学和生物力学问题康复医学中的运动学和生物力学问题 南京医科大学附属第一医院康复科 周士枋基本概念力（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作用于人体的力外力 主要有：l重力（gravitational force）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。作用于人体运动器官各节段重力占体重的百分比为：头部7%，躯干43%，单侧大腿12%，小腿5%，足2%,上臂3%，前臂2%，手1% 。重力的作用方向垂直
2、向下，大小与人体及重物的质量相等。外力支撑反作用力l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 。l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 。外力摩擦力 l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。流体作用力l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
3、动比较省力。器械的其他阻力 l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。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。 作用于人体的力内力 主要有：l肌肉收缩时产生的力这种力通过骨的附着点，根据力偶（force couple）、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。l各组织器官间的被动阻力l各内脏器官间的摩擦力l内脏器官和固定装置间的阻力如胃肠蠕动与腹膜、肠系
4、膜、大血管间的阻力，食管蠕动与纵膈间的阻力等。l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。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。 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 。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；
5、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(yield point)，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。骨组织结构 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530%，而松质骨为3090%。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
6、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。 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。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，
7、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。在生理学上，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。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。 一个醣蛋白聚合体的简图 关节软骨的生物学性质
8、 渗透性 l它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。 润滑（有两种基本类型）l界面润滑和液膜润滑。界面润滑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。当载荷不很重，载荷较低和（或）上下波动，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，即液膜润滑形式下工作。 软骨变性的生物力学 关节软骨的修
9、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，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。 胶原组织的生物力学 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。这些结构是被动运动的，不产生主动运动。胶原组织主要由三种类型的纤维组成：胶原纤维、弹性纤维和网状纤维。胶原纤维主要为组织提供强度和刚度，弹性纤维在组
10、织受载时提供延展性，而网状纤维提供容积。 胶原组织的力学特性 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。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。肌腱纤维几乎完全平行排列，使肌腱更适应于承受高拉伸载荷。韧带纤维，包括关节囊，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。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。 胶原组织的力学特性胶原组织的主要成分是胶原纤维和弹性纤维，二
11、者一起构成该组织的90%左右。由于胶原纤维为类塑性材料，而弹性纤维为类脆性材料，故受载时这两类纤维的表现完全不同。拉伸试验下，胶原纤维在加载开始时即稍有伸长，但很快随着负荷的增加变得刚硬到达屈服点，随之出现非弹性变形，直到极限破坏（图-7A）。破坏时的变性范围为68%。弹性纤维在低载荷下呈现较大的伸长（可达原长的2倍多），但随着载荷的增加，纤维突然变得刚硬，没有变形而突然断裂（图-7B）。胶原纤维比较强，能承受的应力大约是皮质骨在拉伸下的一半；弹性纤维比较弱，能承受的应力仅为皮质骨在拉伸下所能承受的1/10。关节的生物力学 关节的分型 关节的分型关节可根据运动轴心或自由度多寡分成以下类型：l单
12、轴关节：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。l双轴关节：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。l三轴关节或称多轴关节：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。但这些关节因两关节面大小基本一致，关节囊与关节韧带坚实紧张，活动度小。l凡具有两个或两个以上自由度的关节都可以作绕环运动。关节的活动度和稳定性 关节的功能取决于其活动度（range of motion,ROM或
13、柔韧性flexibility）和稳定性（stability）：一般情况下，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。影响关节活动度和稳定性的因素有l构成关节两个关节面的弧度之差。差别大时活动度大，稳定性低；差别小时则相反。l关节囊的厚薄与松紧度。l关节韧带的强弱与多少。l关节周围肌群的强弱与伸展性。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。 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。反之，远端闭合，如接触地面、墙面或桌面，或两手相握，即可称
14、之为闭链。此时所能做的肢体运动只能是多关节协调活动。在康复治疗尤其是神经疾病后康复治疗中，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。 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。影响肌力的4个因素 l影响肌力的因素首先是肌肉的横断面。l其次是肌肉的初长度即肌肉收缩前的长度。因为肌肉是弹性物质，故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。 l第三为肌肉的募集。同时投入收缩的运动单位数量
15、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。l第四为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。这种羽状连结的肌纤维越多，成角也越大，肌肉越粗，能产生较多的力。肌肉的收缩形式 等张收缩(isotonic contraction)l是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。因引起明显的关节运动，故也称动力收
16、缩(dynamic contraction)。由于近期研究证明，所谓“等张收缩”时肌张力并不恒定，因此建议根据等张收缩时肌纤维长度改变不同，分为：向心收缩(concentric contraction) l 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。离心收缩(eccentric contraction) l 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。现已知过多离心收缩可以造成肌肉酸痛。其训练作用则意见不一。等长收缩(isometric contraction) l 当肌肉收缩力与阻力相等
17、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，如半蹲位时的股四头肌收缩，此时肌张力恒定。在对抗固定物件而等长收缩时，肌肉的张力视主观用力程度而定。 肌肉的协同 肢体的每一动作都需要多组肌肉合作才能完成。 l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。l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
18、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。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。 肌肉的协同固定肌（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。（4） 中和肌（neutralizator）： 其作用为抵消原动肌收缩时所产生的一部分不需要的动作。例如作扩胸运动时，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
19、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。 肌肉的协同肌肉的协作关系随着动作的改变而变化，如作用于腕关节的桡侧腕伸肌、尺侧腕伸肌、桡侧腕屈肌和尺侧腕屈肌。在作伸腕动作时，桡侧腕伸肌和尺侧腕伸肌为原动肌，而桡、尺侧腕屈肌为拮抗肌。桡侧腕伸肌和尺侧腕伸肌同时收缩，使腕向桡侧和尺侧屈曲的作用相互抵消，因此又互为中和肌。在向桡侧屈曲腕关节时，桡侧腕伸肌和桡侧腕屈肌同为原动肌，尺侧腕伸肌和尺侧腕屈肌则为拮抗肌。桡侧腕伸肌和桡侧腕屈肌同时收缩使腕伸、屈的作用相互抵消，因而
20、又互为中和肌。此时固定肘关节的肌群即为固定肌。 人体运动的杠杆原理 由于肌肉收缩产生的实际力矩输出，受运动节段杠杆效率的影响，因而人的运动均遵循杠杆原理，各种复杂的运动均可以分解为一系列的杠杆运动。 ：有关杠杆作用的几个名词支点（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。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。力臂(d)
21、 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。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=Ed。阻力矩（Mw） 阻力和阻力臂的乘积为阻力矩，即Mw=Wdw。杠杆的分类第1类杠杆： 又称平衡杠杆，其特征是支点在力点与阻力点中间，如天平和跷跷板等。图示：第1类杠杆（平衡杠杆）W：重量，重（阻）力点； E：力，力点； F：支点杠杆的分类第2类杠杆： 又称省力杠杆，其特征是阻力点在力点和支点的中间，如一根一端支在地上，向上撬动重物的棍棒。在人体上，这类杠杆在静态时极为少见，只有在动态时可以观察到，如站立提踵时，以跖趾关节为支点，小
22、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，在跟骨与跖骨构成的杠杆位于支点和力点之间。这类杠杆的力臂始终大于阻力臂，可以用较小的力来克服较大的阻力，故称为省力杠杆（图示）。 第2类杠杆，省力杠杆W：重量，重（阻力）点； E：力，力点； F：支点杠杆的分类第3类杠杆： 又称速度杠杆，其特征是力点在阻力点和支点的中间，如镊子的使用。此类杠杆在人体中最为普遍，如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（肱二头肌在桡骨粗隆上的止点）在支点和阻力点（手及所持重物的重心）的中间（图-14 ）。此类杠杆因为力臂始终小于阻力臂，力必须大于阻力才能引起运动，所
23、以不能省力，但可以使阻力点获得较大的运动速度和幅度，故称速度杠杆。 第3类杠杆，速度杠杆W：重量，重（阻力）点； E：力，力点； F：支点杠杆原理在康复医学中的作用 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，如膑骨就延长了股四头肌的力臂。此外，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。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。假如杠铃离身体12cm时（即阻力臂长12cm）能举起50kg的重量，则杠铃离身体10cm(即阻力臂缩短2cm)时，就能举起60kg的重量。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。防止损伤： 从上述杠杆原理可知第3类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，因而可以理解阻力过大容易引起运动杠杆各环节的损伤，再加上在肢体伤病后，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。
