关节的生物力学

软骨面超微结构损害和/或质量损耗，软骨的表面层即变软， 渗透性增加。在这种情况下，液体流动的阻力减少，使液膜中的 液体通过软骨而漏泄。这种液体丧失增加了不光滑软骨面紧密接 触的可能性，从而进一步加剧了研磨过程。
关节软骨破坏的情况，红箭示：正常的关节软骨面，绿箭示： 增生肥厚的髌下脂肪囊，黄箭示：关节软骨大部分被坡坏， 表面充满肥厚的炎症性血管翳，关节软骨的坏死呈海浪状。
关节软骨的变性及机械应力均可影响着关节软骨的渗透性。 例如，骨性关节炎软骨组织的渗透性较之正常组织大。
3、润滑作用： 关节软骨在使两个关节骨面更好适应、吸收能量减缓冲击力
同时，对关节润滑有着重要的影响
4、磨损： 关节软骨的磨损包括承载面之间相互作用引起的界面磨损和
承载面变形引起的疲劳性磨损两个形式。 如果两承载面接触，可因粘连或研磨而产生界面磨损。
一、应力-应变曲线
在肌腱和韧带中，胶原纤维和弹性纤维的排列不同，以满足 各种不同的功能要求。肌腱中的纤维几乎完全是平行排列的，这 使它能够承受很高的拉伸载荷。韧带的排列主要根据功能而定。 纤维在受载和不受载的情况下也有不同的状况。不受载是，纤维 呈波浪形，受载后，纤维被拉直。
胶原纤维-拉伸试验
弹性纤维-拉伸试验
（2）、肌肉工作的协同与控制
4、关节负压 由于关节内压低于关节外的气压，关 节内外的压差在维持关节的稳定性方面也有着重要意 义。
例如：肩关节能负担整个上肢的重量（约为体重的1/20），若 破坏了肩关节的关节囊，则不能负担。
（三）关节的力和力矩
力臂问题： 大部分的相对比较小，小腿三头肌是唯一一个的大力臂。 由此分出：省力杠杆、平衡杠杆、速度杠杆。
（二）、髋关节： 1、髋关节解剖：
பைடு நூலகம்
2、运动：
从髂股韧带（限后伸）、坐股韧带（限内收、旋内）、 耻股韧带（限外展、旋外）来分析限制其某方向的运动。
臀中肌的外展作用。 前屈的动力来源为髂腰肌。
提供肌力来源，单关节肌大于多关 节肌
3、髋关节结构性力学特性： ⑴、股骨颈：
存在的意义：增加关节运动的幅度。特别是 前屈和后伸。
膝关节前交叉韧带的载荷
黄韧带拉伸试验
韧带在刚性增加之前，伸长变形就已达50%，但在变形达到 50%之后，刚性迅速增加并使韧带突然破坏。 思考：结合两种韧带的应力-应变曲线试验结果，请大家阐述 两者与功能的适应性。最好用例子解释。
由于肌腱主要由平行致密排列的胶原纤维组成，所以肌腱的应力 -应变曲线几乎类同于韧带。
思考：如何避免？
③、盂肱节律：
指肱骨、肩胛骨的运动是联动的。 在外展30°以内，每外展15°，肩胛骨上回旋5°； 在大于30°时，每外展10°，肩胛骨上回旋5°。 ④、肱二头肌长头腱腱鞘炎： 指肱骨不过肩时，肱骨外展而肩胛骨不动，易发生大结节与肩峰 之间的研磨，导致肱二头肌长头腱损伤。
⑶、上肢开放运动链的力学特征：
（1）、拉伸负荷特征：
（2）蠕变特征：
应 力
由于关节软骨是固、液双相材 料，因此蠕变曲线的早期有大 量液体渗出，当无液体渗出时， 蠕变曲线稳定。
时间
2、渗透性：
渗透性是指液体流过多孔的固体基质时的摩擦阻力，因此 是这种二相材料的重要材料参数。渗透性越低，在承受载荷时 液体流动的阻力越大。
液体通过如关节软骨等多孔介质是顺液体的压力梯度而行， 这种液压梯度是液体在软骨中流动的动力（营养需要、关节的 润滑、承载能力和软骨组织的磨损）。
股骨髁的外侧部分的长轴与矢状面一致，内侧部分的长轴与矢 状面约呈22°角。
3、股胫外侧角与Q角：
股胫外侧角：指股骨干长轴与胫骨纵轴相交 形成的角度称股胫外側角，大约为174°， 即膝关节大约有6°的外翻角。
Q角是股四头肌力线和髌韧带力线的夹角， 即从髂前上嵴到髌骨中点的连线为股四头肌 力线，髌骨中点至胫骨结节最高点连线为髌 韧带力线，两线所形成的夹角为Q角，国人 正常Q角在11-18°。
一区：当波浪形纤维被拉直时，组织 在低载荷作用下产生伸长变形。
二区：与力的作用方向一致的纤维已 完全拉直，韧带刚性迅速增加。
三区：变形超过6%~8%（屈服点）。
四区：载荷达到了韧带所能承受的最 大值，韧带出现大的破坏。
五区：韧带伸长6%~8%后完全破坏， 韧带不再承受载荷，但组织外观仍保 持连续性。
据研究，当小腿三头肌收缩拉跟腱时，在160KG的范围内，跟腱 张力变化近似呈线性关系。但肌腱比韧带的刚性更差，强度更大。
二、影响韧带和肌腱力学特性的因素：
1、韧带和肌腱的材料力学性质与温度、加载速度、应变量等实验 条件密切相关 ： 2、韧带的强度和刚度受应力大小影响： 3、运动训练对韧带力学性质的影响 ： 4、年龄对韧带力学性质的影响 ：随年龄增长，强度和刚度下降。 5、时间对韧带力学性质的影响：应力松弛、蠕变。
三、关节各论
（一）、肩关节 1、肩关节解剖：思考：什么是肩关节？
什么是肩关节：
广义：指肱骨、肩胛骨、锁骨及其附属结构组成的多种连接复 合体。 滑膜关节：盂肱、胸锁、肩锁关节等。 骨-肌-骨连接：肩胛骨与胸壁的肌肉连接等。 肩峰与肱骨大结节之间构成的“肩峰下关节”（又称第二肩关 节），以及喙锁等关节。 从运动的角度上看，肩关节是一个多结构的机能复合体。 狭义的肩关节是指盂肱关节。
肌力矩的产生需要较大的肌力来产生。
（四）关节软骨的生物力学特性
1、关节软骨的材料性能： 关节软骨对液体的流动有很大的阻力，即渗透性很低。
在快速加载与去载的情况下，没有时间将液体挤出（如跳跃时）， 软骨组织类似于弹性材料，在承载时变形，卸载后立即复原。
持续性、缓慢负载作用于软骨组织，如持续长时间的站立， 其内的液体被挤出，组织的变形将随时间持续而加重。消除载荷 后，若有充分时间使其吸收液体，软骨组织可恢复原状。因此， 在体的软骨组织其受载的力学性能与加载的速度存在高度相关性。
2、肩关节的运动形式： ⑴、前屈、后伸：前屈角度一般大于90°，后伸45°。 ⑵、外展、内收： ⑶、上举、下降： ⑷、旋内、旋外： ⑸、水平屈、伸：
3、盂肱关节： ⑴、构成：球窝关节，两关节面 面积差很大； 关节囊松弛； 运动中的稳定性：主要靠三角肌 和肩袖肌的作用维持： 三角肌的作用：主要起悬吊作用； 喙肱韧带限制过度旋内、外； 盂肱韧带限制过度前屈和后伸。
股骨颈连接股骨干和股骨头，形成两个角度。
颈干角：颈与干的夹角。婴儿约为150°，成 人范围110-140°，大多数人为125-135°。
股骨颈与股骨干长轴形成一个夹角，叫颈干角，正常颈干角 125°～135°，平均127°。正常的颈干角是保持髋关节正常 功能的必要条件。颈干角<110°称为髋内翻，肢体可短缩，臀 中肌松弛、失效，行走时会出现跛行。颈干角>140°称为髋外 翻。髋内翻和髋外翻都会干扰髋关节的力学环境，影响髋关节 的功能。
因此，关节面的形状与结构固然是影响关节稳定性的重要因 素， 但运动中的关节稳定更大程度上取决于关节韧带和收缩肌 肉等因素的影响。
1、关节面： 相应关节面的吻合及其差异程度，影响着 关节的稳定性。
2、韧带： 韧带不仅是骨与骨之间的连接结构，而且是 动态活动关节的重要稳定结构。
3、肌肉： 肌肉既是运动关节的动力，同时又是运动 中维持关节稳定的重要因素 。 （1）、肌肉收缩产生关节加固分力
（三）膝关节：
1、膝关节的解剖：
特点：头大，盂平浅，应该不稳定， 但是由于一些辅助结构的存在，膝关 节很少脱位。
前方的髌韧带的力矩，肌拉力线的改 变股四头肌拉力力的方向作用。
外侧韧带不与关节囊相连，内侧韧带 则相连。
半月板的损伤：特别是下肢处于半蹲 旋转蹬伸的状态时。 检测半月板损伤的实验：研磨实验。
4、受力与关节稳定：
（四）、脊柱：
1、脊柱的解剖： 生理弯曲的意义：调节重心，减震， 支撑脏器等。 椎间盘的结构及功能：弯曲载荷。 2、脊柱的运动：
韧带、肌腱的生物力学
韧带和肌腱都由致密结缔组织构成，主要含有胶原纤维、弹性 纤维及成纤维细胞。其形态是细胞成分少，纤维成分多，排列 紧密。所不同的是人体肌腱和大多数韧带都是以胶原纤维为主， 只有项韧带和黄韧带是以弹性纤维为主。
肩部连接与支点作 用；
肩部载荷来源：上 肢的自身重量；外 界作用负荷。
F=ma，有些运动 如乒乓球、羽毛球， 复合小，但产生的 a大，那么对肩关 节的负荷就大。
4、锁骨的生物学意义： 锁骨的存在，产生对肩胛骨的支撑，使上肢远离身体中线。 所以：锁骨对增加上肢灵活性的意义很大。 当然，暴露了，也易损伤。 如：肩着地，导致锁骨骨折。
第三节 关节生物力学
一、关节结构： 基本结构、辅助结构 二、关节生物力学 （一）、关节的运动 1、移动 2、屈和伸 3、收和展 4、旋转 5、环转
（二）影响关节稳定性的因素
关节面的结构（特别是面积差）、关节囊的松紧度、韧带强 弱、关节负压以及关节周围的肌肉是影响关节稳定性的基本因素。
运动状态的关节始终是不平衡、不稳定的，而人体总是在不 平衡、不稳定中求得相对的平衡与相对稳定。
思考：肩关节外展时，其启动肌 是哪块？
（2）、盂肱关节的力学特征：
①、应力：盂肱关节运动时，肌拉力存在两种力效—剪应力和正 应力，其中剪应力在体育运动中会产生伤害作用，如脱臼。 ②、“过肩运动”：指肘关节高于肩关节的运动。
举例：投掷类运动：如标枪、棒球、铅球、扔手榴弹等，会对肩关 节产生应力，同时对肱骨产生高速的扭转载荷。 比如：棒球运动。球重140克。肱骨远侧端产生逆时针运动，近侧 端产生顺时针运动，从而对肱骨产生扭转负荷。
检测较差韧带损伤的实验：抽屉实验。
2、运动：
（1）、屈伸：130°；
（2）、旋内、旋外：屈膝90°时，（椭圆关节变球窝关节）， 运动范围最大，旋内10°，旋外40°。
思考：为什么？
股骨髁的解剖特点：