第六章 运动器系的生物力学与损伤

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。


（1）影响骨质疏松症的因素：①遗传因素。②营 养失衡。长期钙摄取不足及维生素D缺乏。③活 动量不足。④不良嗜好，如长期酗酒、吸烟等。 ⑤服用某些药物，如长期服用类固醇激素、利尿 剂等。 （2）运动与骨质疏松：运动对骨生长阶段骨量的 增长又着重要的影响。运动对骨量稳定阶段有着 积极的影响。 有研究发现，经常参加运动的老 人，他们的平衡能力特别好，体内骨密度要比不 爱运动的同年纪老人的骨密度高；并且他们不容 易跌跤，这就有可能有效地预防骨折的发生。
一、关节结构的运动生物力学

基本结构
关节面及关节软骨 关节囊 关节腔
辅助结构
韧带 关节内软骨 关节唇 滑膜囊 滑膜襞

（一）关节稳定性 1.关节面形状 相应关节面的吻合及其差异程度，影响着 关节的稳定性与灵活性。如髋关节的股骨 头关节面与髋臼关节面的角度值均为180° 左右，所以很稳定；而肩关节的肱骨头关 节面角度值约为135°，关节盂的角度值仅 75°左右，故稳定程度相对于髋关节小，而 运动的灵活性较之髋关节要高。

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.


预防骨质疏松
（1）控制饮食结构，避免酸性物质摄入过量，加剧 酸性体质。大多数的蔬菜水果都属于碱性食物，而大多数 的肉类、谷物、糖、酒、鱼虾等类食物都属于酸性食物， 健康人每天的酸性食物和碱性食物的摄入比例应遵守1：4 的比例。壳寡肽为一种动物性活性碱，能迅速排除人体体 液偏酸性物质，能维持血液中钙浓度的稳定，保持人体弱 碱性环境是预防和缓解骨质疏松。 （2）吸烟会影响骨峰的形成 ,过量饮酒不利于骨骼的 新陈代谢 ,喝浓咖啡能增加尿钙排泄、影响身体对钙的吸 收 ,摄取过多的盐以及蛋白质过量亦会增加钙流失。日常 生活中应该避免形成上述不良习惯。

(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。
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
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.关节软骨的力学特性 渗透性是一种材料参数,它表示液体流过多孔的 固体基质时的摩擦阻力.渗透性越低,在承受载荷 时液体流动的阻力越大.与普通海绵的渗透性相比, 健康软骨的渗透性是很小的.液体通过如关节软骨 这样的多孔介质有两种主要的力学方式： a.由液压梯度造成的通过软骨的液流； b.由变形造成的通过软骨的液流. 在正常的关节软骨上,这两种机制同时起作用.
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.

（三）关节软骨及其损伤 在关节中,关节面覆盖有一层1-5mm厚的致密白色 结缔组织——关节软骨.在生理上,关节软骨实质上 是一种孤立的组织,缺乏血液和淋巴供应,也无神经 支配. 关节软骨的固体基质约占组织湿重的20%-40%, 是由胶原蛋白、一种与水亲和力极强的蛋白多糖 凝胶和软骨细胞组成；其余60%-80%的为水溶液, 大部分水溶液在承受载荷的时候可以被挤出.


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(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. (4)剪切载荷引起的骨折常见于跟骨、股骨髁与胫 骨平台的剪切破坏,变形后产生相对位置变动. (5)纯扭转载荷引起的骨折比较少见,它多半是和其 它的载荷形式组合在一起而引起的.

2.韧带强弱 韧带不仅是骨与骨之间的连接结构，而且 也是动态活动关节的重要稳定结构。韧带 对关节在一定方向的加固与制约起着重要 作用，对关节的活动保持在正常的生理范 围内有着重要的意义。如髋关节伸时，髂 骨韧带紧张以防止其过伸（如下图）；膝 关节前、后交叉韧带防止胫骨平台的前、 后移位（如下图）。


1．疲劳骨折
疲劳骨折是一种在运动中常见的低应力性骨折.当 骨受低重复载荷作用时,常可观察到疲劳细微骨折. 疲劳骨折的产生不仅与载荷的大小和循环次数有 关,而且还与载荷的频率有关.因为骨具有一定的修 复重建功能（功能适应性）,所以只有当疲劳断裂 过程超过骨重建过程时疲劳骨折才会发生.肌肉疲 劳可以看作是下肢疲劳的一个原因（下图）.
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。
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。

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。 （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。
行军骨折的出现和发展
疲劳骨折-王莎莎

手球运动员王莎莎的疲劳性骨折。
疲劳骨折-治疗原则
停止致伤动作
调整训练量
手法按摩治疗
局部物理治疗 小腿气垫夹板
3.骨质疏松

骨质疏松症是以骨组织显 微结构受损，骨矿成分和 骨基质等比例不断减少， 骨质变薄，骨小梁数量减 少，骨脆性增加和骨折危 险度升高的一种全身骨代 谢障碍的疾病。

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。

3.肌肉力量 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。肌 肉收缩力在产生关节运动 的同时，对关节也产生加 固力量，以对抗外力对关 节的牵拉作用。

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重 要意义。

（二）关节的力和力矩 关节的存在使骨的杠杆作用得以实现，而 提供骨杠杆转动的力、力矩可来自多方面， 如承载的负荷与环节重量、关节韧带牵拉、 肌肉收缩力等。力的作用对关节所产生的 运动效应不仅取决于施力的大小、方向和 作用点，还取决于关节的运动方式于状态。
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.
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 硬。






接受适量的日光照射 ,都有利于钙的吸收。运动中肌肉收 缩、直接作用于骨骼的牵拉 ,会有助于增加骨密度。因此, 适当运动对预防骨质疏松亦是有益处的。 （4）防止缺钙还必须养成良好的生活习惯，避免酸 性物质摄入过量，加剧酸性体质。如彻夜唱卡拉OK、打 麻将、夜不归宿等生活无规律，都会加重体质酸化。应当 养成良好的生活习惯，从而保持弱碱性体质，预防骨质疏 松症的发生。 （5）不要食用被污染的食物，如被污染的水，农作 物，家禽鱼蛋等，要吃一些绿色有机食品，要防止病从口 入。 （6）保持良好的心情，不要有过大的心理压力，压 力过重会导致酸性物质的沉积，影响代谢的正常进行。适 当的调节心情和自身压力可以保持弱碱性体质，从而预防 骨质疏松的发生。
（3）运动可促进人体的新陈代谢。进行户外运动以及
第二节 关节的运动生物力学与损伤


关节是骨与骨连接成“链”结构的枢纽，为 骨的杠杆作用实施提供支点。关节的基本功能表 现为“连接”与“运动”，因此，影响关节连接 与运动功能的基本因素是关节基本结构、关节自 由度、关节运动幅度、关节稳定及关节损伤等， 这也是关节运动生物力学研究的主要内容。 从机能学得角度研究各关节的力学特性，对 提高运动机能，预防关节损伤有着重要的实际意 义。
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. 本章同时从力学角度介绍了运动器系的损 伤原理。