第六章 运动器系的生物力学与损伤

一、骨力学性能的结构基础
骨由外面的骨膜、中间的骨质、内部骨髓 及分布的神经血管组织构成。骨质的多细 胞功能活动决定了骨的生长与适应，不同 的骨质结构与不同的排列影响着骨质的不 同力学性质。
（一）骨组织
骨组织的一般结构: 1.骨基质:又名骨质，是钙化的细胞间质，是人体最
大的Ca2+ 库。 A.有机部分:由胶原纤维 和基质构成，后者主要 包括糖蛋白和蛋白多糖。 有一定的弹性和韧性。 B.无机部分：又名骨盐，主要为羟基磷灰石。很坚
骨不同方向承载能力比较
骨结构在横向 与纵向上是不同 的,故骨胳强度随 载荷的方向而异. 在最常见的载荷 方向,骨胳的强度 和刚度最大.
（二）骨的运动损伤
由于骨的受载形式的多样性，决定了骨 折损伤发生的复杂性。根据导致骨折外力 作用特点，骨折可划分为单纯的高外能量 外力作用所致的机型骨折；长期反复性低 能量外力作用所致疲劳性骨折。
行走时胫骨前内侧骨密质的应力值.HS-足跟着地； FF-全足平放；HO-足跟离地；TO-足趾离地；S摆动.
慢跑时胫骨前内侧骨密质的应力
慢跑时的应力 方式完全不同.在 足趾着地时先是 压应力,继而在离 地时转为高拉应 力,而剪应力在整 个支撑期间一直 较小,表明扭转载 荷很小.
图3-3慢跑时胫骨前内侧骨密质的应力 值.TS-足趾着地；TO-足趾离地.
应变：是描述受载物体结构形变的物理量， 它包括单位长度的变化与结构单元体角度 的变化。长度的变化称为线应变，角度的 变化称为剪应变。
三、骨损伤的运动生物力学原理
（一）骨的受载形式
根据外力作用的不同,人体骨骼的受力形式 可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和 复合载荷几种形式（图3-1）.这些载荷会在 骨内产生拉应力、压应力和剪应力,相应产 生拉应变（伸长）、压应变（缩短）和剪 应变（截面错位）,对骨的结构造成不同的 影响.应力：单位面积所受的力.应变：受力 条件下单位长度或单位面积的变化量.
硬。
2.骨组织中的细胞: 分4类。 A.骨原细胞：位于结缔组织形成的骨外膜及
骨内膜贴近骨组织处。
B.成骨细胞:来源于骨原细胞。 C.骨细胞:来源于类骨质钙化
后所包绕的成骨细胞。 D.破骨细胞:位于骨基质表面的小凹陷内。
(二)骨密质和骨松质
1.骨密质：分布于长骨的骨干、骨髓及其他 类型骨的表面。骨质成 板状有规律排列，称为 骨板。根据骨板分布位 置及排列方式可分为怀 骨板、骨单位和间骨板。
本章同时从力学角度介绍了运动器系的损 伤原理。
教学目标：
理解骨、关节、肌肉的生物力学特性.掌握 运动对骨、关节、肌肉的生物力学特性影 响及骨、关节、肌肉运动损伤的力学机制.
重点掌握肌肉的力学特性,为正确分析人体 动作奠定理论基础.
人体全身骨骼图
骨的图片
第一节 骨的运动生物力学与损伤
人体206 块骨借骨连接形成人体的支架系 统。骨的生理活性对力的作用有着很强的 依赖性，骨的结构性重塑、功能性适应与 外力作用有关。例如从事体力劳动或经常 参加体育活动者，其骨比较强壮；长期不 运动则会导致骨退化、萎缩；长期定式的 不良身体姿势会则会导致畸形。适宜的负 荷作用对骨有着积极的影响，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。
(二）机械应力对骨的生物学反应
骨的塑形与重建过程，是以机械负载刺
激为前提条件的。也就是说，骨组织中存 在“机械应力—生物学反应”的调控系统， 这一系统中有3个基本的“最小有效阈值” 力学参量：骨重建阈值、骨塑建阈值和疲 劳损伤阈值，这些阈值参量影响着骨组织 塑形与重建的进行方向。
应力：是指在物体某一截面上单位面积所 受的里，包括正应力和剪应力。
剪切载荷
扭转载荷
压缩载荷 拉伸载荷
弯曲载荷
由于骨结构为多孔介质的夹层结构，且
骨质密度也有着较大的差异（骨松质、骨 密质），在承载时具有明显的异向性特征 （不同方向上的力学性质不同）。这种异 向性不仅表现在不同负荷形式下骨承载能 力，即使同质结构在不同方向上受载，其 力学性能也表现出较大的差异特征。
(3)纯弯曲载荷造成的骨折不多见,常见的是侧力弯 曲载荷,如三点弯曲（图1-5（a））.从侧面和后面 对小腿腓骨击打极易造成这种骨折.因此,足球比赛 规则严禁从侧面和后面铲击小腿.
（如图）骨密质的结构及骨板的排列方式决 定了其力学强度优于松质骨。
2.骨松质：由针状 和片状的骨小梁构 成。主要位于骨骺 和骨干内侧面。其 骨小梁排列受多种 因素的影响，表现 出很大的可塑性。
二、骨的生长及机械应力的影响
（一）骨的生长 骨的生长包括长度的增长和横向增粗两
个方面。骨的生长与诸多因素有关，如遗 传、激素分泌、营养的摄取、运动状态、 维生素的摄取、运动性物理负荷等。生长 发育期的少年儿童，适宜的负荷刺激可以 促进骨的生长发育，而过载的负荷作用， 则会影响骨的长长。
成人皮质骨式样不同受载能力比较
成人皮质骨的极 限应力在压缩、拉 伸和剪切负荷时是 不同的.皮质骨所能 承受的压缩应力大 于拉伸应力,所能承 受的拉伸应力又大 于剪切应力.
行走时胫骨前内侧骨密质的应力值
百度文库
正常行走时,足跟 着地时为压应力,支 撑阶段为拉应力,足 离地时为压应力.在 步态周期的后部分 出现较高的剪应力, 表示存在显著的扭 转载荷,提示在支撑 时相和足趾离地时 相胫骨外旋
1.急性骨折
高能量外力作用所致的急性骨折多发生于 意外性的跌摔、暴力性撞击等情况。根据 骨承载载荷形式的不同所导致的骨折形式 也不同。
(1)拉伸载荷引起的骨折常见于跟骨. 第5跖骨基底靠近腓骨短肌附着 处的骨折以及跟腱靠近附着处 的跟骨骨折都是由于拉力产生 的骨折.
(2)压缩载荷引起的骨折常见于椎体. 有时由于肌肉异常强烈的收缩,也可 产生关节内压缩型骨折.
第六章 运动器系的生物力学与损伤
骨
关节
肌肉
内容提要:
人体运动的“硬件”是以骨骼为杠杆,关节 为枢纽,肌肉收缩为动力的运动系统.这个运 动系统受神经中枢“软件”的控制,通过内 力和外力的相互作用,完成目标动作和适应 外界环境变化.这是人体运动训练可行性的 重要基础.
本章从力学结构及运动对这些运动器官的 影响两个方面介绍骨、关节、肌肉的生物 力学特性.