康復(fù)醫(yī)學(xué)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和生物力學(xué)問(wèn)題

——基本概念力（force）是一種作用，它能改變受力物體的靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)力學(xué)（Mechanics）對(duì)力進(jìn)行廣泛綜合研究的學(xué)科生物力學(xué)（Biomechanics）當(dāng)力作用于人體和其他生物體上并加以研究的學(xué)科作用于人體的力外力主要有：重力（gravitationalforce）是地球?qū)ζ涓浇矬w吸引的力，是人體保持直立姿勢(shì)及活動(dòng)時(shí)必須克服的負(fù)荷。作用于人體運(yùn)動(dòng)器官各節(jié)段重力占體重的百分比為：頭部7%，軀干43%，單側(cè)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向下，大小與人體及重物的質(zhì)量相等。外力摩擦力是指人體或肢體在地面或器械上滑動(dòng)時(shí)所受到的摩擦阻力。其大小因人體或肢體重量及地面或器械表面質(zhì)地而異，其方向與運(yùn)動(dòng)方向相反。流體作用力人體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所承受的流體阻力，稱流體作用力。其大小與運(yùn)動(dòng)速度、流體密度成正比，故在水中運(yùn)動(dòng)所受到的阻力較空氣中大。但因流體的浮力抵消了大部分重力，故人體在水中運(yùn)動(dòng)比較省力。器械的其他阻力肢體推動(dòng)運(yùn)動(dòng)器械進(jìn)行鍛煉時(shí)，除要克服器械重力外，還需要克服器械的慣性力、摩擦力或彈力所產(chǎn)生的阻力，其大小與肢體推力相等，方向相反。外力各種外力經(jīng)常被用來(lái)作為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的負(fù)荷，這種負(fù)荷要求肢體運(yùn)動(dòng)的方向和力量與之相適應(yīng)，從而選擇投入工作的肌群及其收縮強(qiáng)度，這是肌力訓(xùn)練的方法學(xué)基礎(chǔ)。作用于人體的力內(nèi)力主要有：肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的力這種力通過(guò)骨的附著點(diǎn)，根據(jù)力偶（forcecouple）、力矩（forgue）、分力、合力等力學(xué)規(guī)律和杠桿原理產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)和/或維持人體姿勢(shì)。各組織器官間的被動(dòng)阻力各內(nèi)臟器官間的摩擦力內(nèi)臟器官和固定裝置間的阻力如胃腸蠕動(dòng)與腹膜、腸系膜、大血管間的阻力，食管蠕動(dòng)與縱膈間的阻力等。血液淋巴液在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的流體阻力，在分流時(shí)產(chǎn)生的湍流等。內(nèi)力各種內(nèi)力總是相互適應(yīng)，以維持最佳活動(dòng)，同時(shí)也不斷和外力相抗衡以適應(yīng)人體生活的需要。例如為克服重力對(duì)血液流動(dòng)的影響，有時(shí)需要肌肉收縮來(lái)幫助血流循環(huán)。骨的力學(xué)性能圖示出某一塑性材料假定的加載荷的變形曲線。當(dāng)在材料的彈性區(qū)內(nèi)加載，并隨之卸負(fù)時(shí)，結(jié)構(gòu)恢復(fù)原來(lái)形狀，即不產(chǎn)生永久變形；若繼續(xù)加載，材料的最外層纖維就開(kāi)始在某些點(diǎn)“屈服”。若繼續(xù)加載，超過(guò)此屈服點(diǎn)(yieldpoint)，則進(jìn)入該曲線的非彈性區(qū)，將出現(xiàn)永久變形。若在非彈性區(qū)再繼續(xù)加載，則可以達(dá)到結(jié)構(gòu)的極限斷裂點(diǎn)。在曲線上，由載荷和變形顯示的強(qiáng)度，用極限斷裂點(diǎn)表示；由能量?jī)?chǔ)存顯示的強(qiáng)度，用整個(gè)曲線下面積大小來(lái)表示；結(jié)構(gòu)的剛度用彈性區(qū)的曲線斜率來(lái)表示。不同加載形式下骨的性能不同加載形式下骨的性能以不同方向的力或力矩施加在結(jié)構(gòu)上可以產(chǎn)生拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)和聯(lián)合載荷（圖示）。下面將論述施加在平衡結(jié)構(gòu)上的這些載荷形式。關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)關(guān)節(jié)是骨骼系統(tǒng)中相鄰骨間的功能性聯(lián)接。在生理學(xué)上，關(guān)節(jié)軟骨實(shí)際上是一種孤立的組織，沒(méi)有單獨(dú)的血液和淋巴供應(yīng)。它主要依賴軟骨下骨組織提供軟骨下部近1/3的血供，其余依賴滑膜周?chē)?xì)血管的滲入。關(guān)節(jié)軟骨的細(xì)胞密度低于大多數(shù)其他組織，其主要功能是：①把施加于關(guān)節(jié)上的載荷擴(kuò)散到較大的區(qū)域，以減少接觸應(yīng)力；②使對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)面以最小的摩擦和磨損進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)醣蛋白聚合體的簡(jiǎn)圖關(guān)節(jié)軟骨的生物學(xué)性質(zhì)滲透性它表示液體流過(guò)多孔物質(zhì)的固體基質(zhì)時(shí)的摩擦阻力。滲透性越低，承載時(shí)液體流動(dòng)阻力越大。與普通海綿的滲透性相比，健康軟骨的滲透性是很小的。隨著壓力和變形的增加，健康關(guān)節(jié)軟骨的滲透性大大降低。因此，關(guān)節(jié)軟骨具有一個(gè)機(jī)械反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，阻止組織間液完全流出。潤(rùn)滑（有兩種基本類(lèi)型）界面潤(rùn)滑和液膜潤(rùn)滑。界面潤(rùn)滑依靠單層潤(rùn)滑劑分子化學(xué)吸附到接觸的固體面上。作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，承載面受到互相滑動(dòng)的潤(rùn)滑劑分子保護(hù)，防止因表面粗糙發(fā)生的粘合和磨損。當(dāng)載荷不很重，載荷較低和（或）上下波動(dòng)，并且相應(yīng)于接觸面的相對(duì)速度較高時(shí)，關(guān)節(jié)很可能是在第二種潤(rùn)滑機(jī)制下，即液膜潤(rùn)滑形式下工作。軟骨變性的生物力學(xué)關(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)和再生能力有限，如果承受應(yīng)力太大，可能很快發(fā)生完全破壞。高接觸壓力會(huì)減少液膜潤(rùn)滑的可能性。固體表面凹凸不平點(diǎn)的接觸，可引起顯微應(yīng)力點(diǎn)的集中，使這些關(guān)節(jié)面材料發(fā)生磨損。關(guān)節(jié)總載荷頻率和數(shù)量的增加，可以解釋為什么某些職業(yè)的人員關(guān)節(jié)變性的發(fā)生率高，如足球運(yùn)動(dòng)員的膝關(guān)節(jié)，芭蕾舞演員的踝關(guān)節(jié)等。骨關(guān)節(jié)病也可以繼發(fā)于膠原蛋白-糖蛋白基質(zhì)的分子或微觀結(jié)構(gòu)損傷，如類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等。膠原組織的生物力學(xué)骨骼系統(tǒng)周?chē)心z原組織的有韌帶（包括關(guān)節(jié)囊）、肌腱和皮膚。這些結(jié)構(gòu)是被動(dòng)運(yùn)動(dòng)的，不產(chǎn)生主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。膠原組織主要由三種類(lèi)型的纖維組成：膠原纖維、彈性纖維和網(wǎng)狀纖維。膠原纖維主要為組織提供強(qiáng)度和剛度，彈性纖維在組織受載時(shí)提供延展性，而網(wǎng)狀纖維提供容積。膠原組織的力學(xué)特性膠原組織的主要成分是膠原纖維和彈性纖維，二者一起構(gòu)成該組織的90%左右。由于膠原纖維為類(lèi)塑性材料，而彈性纖維為類(lèi)脆性材料，故受載時(shí)這兩類(lèi)纖維的表現(xiàn)完全不同。拉伸試驗(yàn)下，膠原纖維在加載開(kāi)始時(shí)即稍有伸長(zhǎng)，但很快隨著負(fù)荷的增加變得剛硬到達(dá)屈服點(diǎn)，隨之出現(xiàn)非彈性變形，直到極限破壞（圖１-7A）。破壞時(shí)的變性范圍為6～8%。彈性纖維在低載荷下呈現(xiàn)較大的伸長(zhǎng)（可達(dá)原長(zhǎng)的2倍多），但隨著載荷的增加，纖維突然變得剛硬，沒(méi)有變形而突然斷裂（圖１-7B）。膠原纖維比較強(qiáng)，能承受的應(yīng)力大約是皮質(zhì)骨在拉伸下的一半；彈性纖維比較弱，能承受的應(yīng)力僅為皮質(zhì)骨在拉伸下所能承受的1/10。關(guān)節(jié)的生物力學(xué)關(guān)節(jié)的分型關(guān)節(jié)的活動(dòng)度和穩(wěn)定性關(guān)節(jié)的功能取決于其活動(dòng)度（rangeofmotion,ROM或柔韌性flexibility）和穩(wěn)定性（stability）：一般情況下，穩(wěn)定性大的關(guān)節(jié)活動(dòng)度小。上肢關(guān)節(jié)有較大的活動(dòng)度，而下肢關(guān)節(jié)有較大的穩(wěn)定性。影響關(guān)節(jié)活動(dòng)度和穩(wěn)定性的因素有構(gòu)成關(guān)節(jié)兩個(gè)關(guān)節(jié)面的弧度之差。差別大時(shí)活動(dòng)度大，穩(wěn)定性低；差別小時(shí)則相反。②關(guān)節(jié)囊的厚薄與松緊度。③關(guān)節(jié)韌帶的強(qiáng)弱與多少。④關(guān)節(jié)周?chē)∪旱膹?qiáng)弱與伸展性。一般來(lái)說(shuō)，骨骼和韌帶對(duì)關(guān)節(jié)的靜態(tài)穩(wěn)定起主要作用，肌肉拉力則對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定起主要作用。開(kāi)鏈和閉鏈人們通常將一側(cè)上下肢視為一條長(zhǎng)鏈，每個(gè)關(guān)節(jié)均為鏈扣。如遠(yuǎn)端游離即為開(kāi)鏈，此時(shí)可任意活動(dòng)某一單獨(dú)關(guān)節(jié)或同時(shí)活動(dòng)若干關(guān)節(jié)。反之，遠(yuǎn)端閉合，如接觸地面、墻面或桌面，或兩手相握，即可稱之為閉鏈。此時(shí)所能做的肢體運(yùn)動(dòng)只能是多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)活動(dòng)。在康復(fù)治療尤其是神經(jīng)疾病后康復(fù)治療中，可以根據(jù)需要選擇訓(xùn)練較強(qiáng)的肌群、關(guān)節(jié)來(lái)帶動(dòng)較弱的肌群關(guān)節(jié)而進(jìn)行開(kāi)、閉鏈運(yùn)動(dòng)。對(duì)于關(guān)節(jié)粘連患者既可以選擇開(kāi)鏈活動(dòng)以專一活動(dòng)該關(guān)節(jié)，也可以采用閉鏈運(yùn)動(dòng)使其他關(guān)節(jié)帶動(dòng)該關(guān)節(jié)的活動(dòng)。肌肉的收縮形式等張收縮(isotoniccontraction)是肌力大于阻力時(shí)產(chǎn)生的加速度運(yùn)動(dòng)和小于阻力時(shí)產(chǎn)生的減速度運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)時(shí)肌張力大致恒定，故稱等張收縮。因引起明顯的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，故也稱動(dòng)力收縮(dynamiccontraction)。由于近期研究證明，所謂“等張收縮”時(shí)肌張力并不恒定，因此建議根據(jù)等張收縮時(shí)肌纖維長(zhǎng)度改變不同，分為：向心收縮(concentriccontraction)

肌肉收縮時(shí)，當(dāng)肌肉的支點(diǎn)和起點(diǎn)互相靠近時(shí)，稱為向心收縮，如上樓梯時(shí)股四頭肌的縮短收縮。離心收縮(eccentriccontraction)

肌肉收縮時(shí)肌力低于阻力，使原先縮短的肌肉被動(dòng)延長(zhǎng)，則稱為離心收縮或延長(zhǎng)收縮，如下樓梯時(shí)股四頭肌的延長(zhǎng)收縮。現(xiàn)已知過(guò)多離心收縮可以造成肌肉酸痛。其訓(xùn)練作用則意見(jiàn)不一。等長(zhǎng)收縮(isometriccontraction)

當(dāng)肌肉收縮力與阻力相等時(shí)，肌肉長(zhǎng)度不變，也不引起關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，稱等長(zhǎng)收縮或靜力收縮，如半蹲位時(shí)的股四頭肌收縮，此時(shí)肌張力恒定。在對(duì)抗固定物件而等長(zhǎng)收縮時(shí)，肌肉的張力視主觀用力程度而定。肌肉的協(xié)同肢體的每一動(dòng)作都需要多組肌肉合作才能完成。原動(dòng)肌(agonist)：直接完成動(dòng)作的肌群稱為原動(dòng)肌，其中起主要作用者稱主動(dòng)肌，協(xié)助完成動(dòng)作或僅在動(dòng)作的某一階段起作用者稱副動(dòng)肌。例如在屈肘運(yùn)動(dòng)中起作用的肌肉有肱二頭肌、肱肌、肱橈肌和旋前圓肌。其中起主要作用的是肱二頭肌和肱肌，稱主動(dòng)??；其余稱副動(dòng)肌。拮抗肌(antagonist)：與原動(dòng)肌作用相反的肌群稱拮抗肌。當(dāng)原動(dòng)肌收縮時(shí)，拮抗肌應(yīng)協(xié)調(diào)地放松或作適當(dāng)?shù)碾x心收縮，以保持關(guān)節(jié)活動(dòng)的穩(wěn)定性及增加動(dòng)作的精確性，并能防止關(guān)節(jié)損傷。如在屈肘動(dòng)作中，肱三頭肌和肘肌即是肱二頭肌和肱肌的拮抗肌。肌肉的協(xié)同固定?。╢ixator）：為了發(fā)揮原動(dòng)肌對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力作用，必須將肌肉相對(duì)固定的一端（定點(diǎn)）所附著的骨骼或更近的一連串骨骼充分固定。參加這種固定作用的肌群，通稱為固定肌。例如在上臂體側(cè)下垂的屈肘位作腕關(guān)節(jié)屈伸負(fù)重活動(dòng)時(shí)，必須固定肩、肘關(guān)節(jié)，這時(shí)起固定肩、肘關(guān)節(jié)的肌群均稱為固定肌。（4）中和?。╪eutralizator）：其作用為抵消原動(dòng)肌收縮時(shí)所產(chǎn)生的一部分不需要的動(dòng)作。例如作擴(kuò)胸運(yùn)動(dòng)時(shí)，斜方肌和菱形肌都是原動(dòng)肌。斜方肌收縮除使肩外展擴(kuò)胸外，還可使肩胛骨下角外旋；菱形肌收縮使肩胛骨移向脊柱以產(chǎn)生擴(kuò)胸效應(yīng)的同時(shí)，可產(chǎn)生肩胛骨下角的內(nèi)旋。這種肩胛骨下角的內(nèi)外旋?？上魅鯏U(kuò)胸效應(yīng)。但兩肌同時(shí)收縮時(shí)所產(chǎn)生的無(wú)效動(dòng)作可相互抵消，因此又互為中和肌。人體運(yùn)動(dòng)的杠桿原理由于肌肉收縮產(chǎn)生的實(shí)際力矩輸出，受運(yùn)動(dòng)節(jié)段杠桿效率的影響，因而人的運(yùn)動(dòng)均遵循杠桿原理，各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)均可以分解為一系列的杠桿運(yùn)動(dòng)。有關(guān)杠桿作用的幾個(gè)名詞支點(diǎn)（F）是指杠桿繞著轉(zhuǎn)動(dòng)的軸心點(diǎn)，在肢體杠桿上支點(diǎn)是關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)中心。力點(diǎn)（E）動(dòng)力作用點(diǎn)稱為力點(diǎn)，在骨杠桿上力點(diǎn)是肌肉的附著點(diǎn)。阻力點(diǎn)或稱重力點(diǎn)(W)阻力在杠桿上的作用點(diǎn)稱為阻力點(diǎn)，是指運(yùn)動(dòng)節(jié)段的重力，運(yùn)動(dòng)器械的重力，摩擦力或彈力以及拮抗肌的張力，韌帶、筋膜的抗?fàn)坷λ斐傻淖枇?。在一個(gè)杠桿系統(tǒng)中的阻力作用點(diǎn)只有一個(gè)，即全部阻力的合力作用點(diǎn)為唯一的阻力點(diǎn)。力臂(d)從支點(diǎn)到動(dòng)力作用線的垂直距離，稱為力臂。阻力臂(dw)從支點(diǎn)到阻力作用線的垂直距離稱為阻力臂。力矩(M)表示力對(duì)物體轉(zhuǎn)動(dòng)作用的大小，是力和力臂的乘積，即M=E×d。阻力矩（Mw）阻力和阻力臂的乘積為阻力矩，即Mw=W×dw。杠桿的分類(lèi)第1類(lèi)杠桿：又稱平衡杠桿，其特征是支點(diǎn)在力點(diǎn)與阻力點(diǎn)中間，如天平和蹺蹺板等。圖示：第1類(lèi)杠桿（平衡杠桿）W：重量，重（阻）力點(diǎn)；E：力，力點(diǎn)；F：支點(diǎn)杠桿的分類(lèi)第2類(lèi)杠桿：又稱省力杠桿，其特征是阻力點(diǎn)在力點(diǎn)和支點(diǎn)的中間，如一根一端支在地上，向上撬動(dòng)重物的棍棒。在人體上，這類(lèi)杠桿在靜態(tài)時(shí)極為少見(jiàn)，只有在動(dòng)態(tài)時(shí)可以觀察到，如站立提踵時(shí)，以跖趾關(guān)節(jié)為支點(diǎn)，小腿三頭肌以粗大的跟腱附著于跟骨上的支點(diǎn)為力點(diǎn)，人體重力通過(guò)距骨體形成阻力點(diǎn)，在跟骨與跖骨構(gòu)成的杠桿位于支點(diǎn)和力點(diǎn)之間。這類(lèi)杠桿的力臂始終大于阻力臂，可以用較小的力來(lái)克服較大的阻力，故稱為省力杠桿（圖示）。第2類(lèi)杠桿，省力杠桿W：重量，重（阻力）點(diǎn)；E：力，力點(diǎn)；F：支點(diǎn)杠桿的分類(lèi)第3類(lèi)杠桿：又稱速度杠桿，其特征是力點(diǎn)在阻力點(diǎn)和支點(diǎn)的中間，如鑷子的使用。此類(lèi)杠桿在人體中最為普遍，如肱二頭肌通過(guò)肘關(guān)節(jié)屈起前臂的動(dòng)作，此時(shí)支點(diǎn)在肘關(guān)節(jié)中心，力點(diǎn)（肱二頭肌在橈骨粗隆上的止點(diǎn)）在支點(diǎn)和阻力點(diǎn)（手及所持重物的重心）的中間（圖１-14）。此類(lèi)杠桿因?yàn)榱Ρ凼冀K小于阻力臂，力必須大于阻力才能引起運(yùn)動(dòng)，所以不能省力，但可以使阻力點(diǎn)獲得較大的運(yùn)動(dòng)速度和幅度，故稱速度杠桿。第3類(lèi)杠桿，速度杠桿W：重量，重（阻力）點(diǎn)；E：力，力點(diǎn)；F：支點(diǎn)杠桿原理在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的作用省力：要用較小的力去克服較大阻力，就要縮短阻力臂或延長(zhǎng)力臂。在人體杠桿中肌肉拉力的力臂一般都很短，如臏骨就延長(zhǎng)了股四頭肌的力臂。此外，通過(guò)肌肉在骨上附著點(diǎn)的隆起、突起來(lái)延長(zhǎng)力臂，如股骨大轉(zhuǎn)子就增大了臀中肌、臀小肌的力臂，小轉(zhuǎn)子則延長(zhǎng)了髂腰肌的力臂。同樣，縮短阻力臂也能夠省力，如提重物時(shí)，重物越靠近身體越省力；舉杠鈴的技術(shù)關(guān)鍵也是讓杠鈴盡可能貼近身體。假如杠鈴離身體12cm時(shí)（即阻力臂長(zhǎng)12cm）能舉