骨、关节、肌肉的生物力学

骨、关节、肌肉的生物力学

第一节骨的生物力学

人体共有206块骨，其功能是对人体起支持、运动和保护的作用。骨的外部形态和内部结构不论是从解剖学还是生物力学的角度来看，都是十分复杂的。这种复杂性是由骨的功能适应性所决定的。骨的功能适应性，是指对所担负工作的适应能力。从力学观点来看，骨是理想的等强度优化结构。它不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷（力）的优越性，而且在外力条件发生变化时，能通过内部调整，以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。

一、骨的生物力学特征

（一）骨对外力作用的反应

1．骨对简单（单纯）外力作用的反应

（1）拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。例，单杠悬垂时上肢骨的受力。

（2）压缩：压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。例，举重举起后上肢和下肢骨的受力。

（3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。在弯曲负荷下，骨骼内不同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“。例，负重弯举（杠铃）时前臂的受力。

（4）剪切：标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动（剪切）的趋势（图3-1），在骨骼内部的剪切面产生剪应力。例，人体运动小腿制动时，股骨髁在胫骨平台上的滑动产生剪应力。

（5）扭转：骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷，在骨的内部产生剪应力。例，掷铁饼出手时支撑腿的受力。

2．骨对复合（实际）外力作用的反应

在人体运动中，受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见，大量出现的是复合载荷。复合载荷即是同时受到上述两个或两个以上的载荷作用（分别以人行走和小跑时成人胫骨前内侧面的应力为例）。

（二）骨结构的生物力学特征

骨的结构被广泛认为通过进化过程得到了最优化的设计：即在特定的载荷环境下得到重

量最轻的结构。以下从结构优化的角度分三个方面介绍骨结构的生物力学特征。

1．各向异性

由骨内部解剖结构易见骨是一种复合材料结构。复合材料结构的特点就是各向异性，即其力学性能具有较强的对成分和结构的依赖性。应该注意的是，同一块骨的不同部分的力学性能是有差别的（以股骨密度和强度的等高线为例）。

2．壳形（管形）结构

分析表明，骨以其合理的截面和外形而成为一个优良的承力结构。以长骨为例加以说明。

（1）弯曲载荷下长骨结构的优化

（2）扭转载荷下长骨结构的优化

3．均匀强度分布

骨具有强度大，重量轻的特点。如果引入比强度（极限（最高）强度除以比重）和比刚度（弹性模量除以比重）的概念，则可以见到骨的比强度接近于工程上常用的低碳钢，而骨的比刚度可达到低碳钢的三分之一。

二、运动对骨的力学性能的影响

（一）适宜应力对骨的力学性能的良好影响

1．体育锻炼对骨的力学性能的良好影响

长期坚持体育锻炼，可使骨密质增厚，骨变粗，骨面肌肉附着处突起明显，骨小梁的排列根据拉（张）应力和压应力的方向排列更加整齐而有规律。随着形态结构的变化，骨变得更加粗壮和坚固，抗弯曲、抗压缩和抗扭转载荷的能力都有提高。当体育锻炼停止后，骨所获得的变化就会慢慢消失。因此，体育锻炼应经常化，锻炼的项目要多样化。专项训练与全面训练相结合。

2．不同运动项目对骨的力学性能的影响

大量横向和纵向研究表明，负重和冲击性体育运动项目（如跑、跳、投、田径项目、网球和垒球等球类项目）均有助于增加峰值骨量。研究显示，负重运动如跑步可显著增加下肢骨密度，而对非负重的前臂则无影响。网球运动员击球臂骨投射密度增加，用定量CT 测定后发现，运动训练效果主要是使松质骨结构与密度得以改善与提高，能有效增加骨干横断面或横断面惯量矩（骨壁增厚和骨径的增大）。研究表明，体育锻炼的项目不同，对人体各部分骨的影响也不同。经常从事下肢活动的跑、跳项目的运动员，对下肢骨影响较大，对上肢骨影响较小。而经常练习举重的运动员，对上肢和下肢的影响都较大。又如从事多年训练的

跳远运动员，踏跳脚的第二跖骨直径增大，芭蕾舞演员的第二、第三跖骨的骨密质，足球运动员第一跖骨的骨密质都有增厚。拳击运动员桡骨骨密质也明显增厚。

3．适宜应力原则

骨骼对体育运动的生物力学适应性本质上是骨骼系统对机械力信号（应力）的应变。有利的运动负荷及强度导致的骨应变会诱导骨量增加和骨的结构改善；应变过大则造成骨组织微损伤和出现疲劳性骨折，应变过小或出现废用则导致骨质流失过快。因此对骨存在一个最佳的合适应力范围。

周期性超强度运动训练可能导致骨微细结构的破坏。这些骨的微损伤随时间不断累积（常见于军事野营训练军人和长跑运动员），如得不到改建修复可导致骨强度下降，甚至发生疲劳性骨折。

骨骼的废用（如卧床、肢体固定或失重）对骨的影响也应受到重视。事实上，大量研究已证实骨骼废用使骨密度下降和骨结构受损的速度远比体育锻炼对骨的有益影响快得多，而且恢复时间长且困难。一旦发生由于上述原因造成的骨质快速丢失，如何制定有效的以体育运动为主的康复训练计划仍缺乏研究，这应是今后的重点研究方向之一。

（二）骨的运动损伤及防治

1．骨折的断裂形式及载荷方式

如果作用于骨骼上的载荷超过骨所能承受的强度极限，就会引起的骨折。

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。

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。

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。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。

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。

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。

实际情况下的骨折绝大部分是由复合载荷引起的。

（三）常见运动性骨损伤生物力学分析

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