康復(fù)醫(yī)學(xué)中的運動學(xué)和生物力學(xué)問題

南京醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院康復(fù)科

——周士枋基本概念力（force）是一種作用，它能改變受力物體的靜止或運動狀態(tài)力學(xué)（Mechanics）對力進行廣泛綜合研究的學(xué)科生物力學(xué)（Biomechanics）當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及活動時必須克服的負荷。作用于人體運動器官各節(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。外力支撐反作用力靜力支撐反作用力：在靜止狀態(tài)下，地面或器械通過支撐點作用于人體的對重力的反作用力，其大小與重力相同，方向相反。動力支撐反作用力：人體做加速度運動時所受的支撐反作用力，除上述力外還要加上與加速度運動力大小和方向相反的反作用力。外力摩擦力是指人體或肢體在地面或器械上滑動時所受到的摩擦阻力。其大小因人體或肢體重量及地面或器械表面質(zhì)地而異，其方向與運動方向相反。流體作用力人體在流體中運動時所承受的流體阻力，稱流體作用力。其大小與運動速度、流體密度成正比，故在水中運動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，故人體在水中運動比較省力。器械的其他阻力肢體推動運動器械進行鍛煉時，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)常被用來作為運動訓(xùn)練的負荷，這種負荷要求肢體運動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：肌肉收縮時產(chǎn)生的力這種力通過骨的附著點，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)的運動和/或維持人體姿勢。各組織器官間的被動阻力各內(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與腹膜、腸系膜、大血管間的阻力，食管蠕動與縱膈間的阻力等。血液淋巴液在管道內(nèi)流動時產(chǎn)生的流體阻力，在分流時產(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，同時也不斷和外力相抗衡以適應(yīng)人體生活的需要。例如為克服重力對血液流動的影響，有時需要肌肉收縮來幫助血流循環(huán)。骨組織的生物力學(xué)骨骼系統(tǒng)的作用是保護內(nèi)臟器官并為肌肉提供堅強的動力聯(lián)系和附著點，以利于肌肉收縮和身體運動。骨具有實現(xiàn)該目的所需的力學(xué)性能。除此之外，骨具有自我修復(fù)的能力，并能根據(jù)力學(xué)的需要改變其性能和外形。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。當在材料的彈性區(qū)內(nèi)加載，并隨之卸負時，結(jié)構(gòu)恢復(fù)原來形狀，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始在某些點“屈服”。若繼續(xù)加載，超過此屈服點(yieldpoint)，則進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，則可以達到結(jié)構(gòu)的極限斷裂點。在曲線上，由載荷和變形顯示的強度，用極限斷裂點表示；由能量儲存顯示的強度，用整個曲線下面積大小來表示；結(jié)構(gòu)的剛度用彈性區(qū)的曲線斜率來表示。骨組織結(jié)構(gòu)骨骼是由皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成。這兩種骨的類型可以看作是孔隙率大范圍變化的一種材料。孔隙率指的是非礦物組織（非骨組織）所占骨容積的比率，以百分比表示。皮質(zhì)骨的孔隙率為5~30%，而松質(zhì)骨為30％~90%。皮質(zhì)骨較松質(zhì)骨堅硬，斷裂前能承受較大的應(yīng)力，而能承受的應(yīng)變則較小。在體外承受的應(yīng)變超過原長2%時，皮質(zhì)骨斷裂；而松質(zhì)骨在應(yīng)變超過7%時才斷裂。這是由于松質(zhì)骨的多孔性結(jié)構(gòu)具有較高的能量儲存量。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。肌肉活動對骨應(yīng)力分布的影響骨在體內(nèi)受載時，止于骨上的肌肉收縮可以改變骨的應(yīng)力分布。這種肌肉收縮時所產(chǎn)生的壓應(yīng)力，可減少或消除骨上的拉應(yīng)力，使拉應(yīng)力全部或部分抵消。肌肉收縮在髖關(guān)節(jié)上產(chǎn)生相似的效應(yīng)，走路時，彎曲力矩施加在股骨頸上，拉應(yīng)力發(fā)生在上部骨皮質(zhì)。臀中肌收縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力抵消了拉應(yīng)力，導(dǎo)致骨皮質(zhì)上部既無壓應(yīng)力又無拉應(yīng)力，故肌肉收縮使得股骨頸能承受更高負荷（見圖）。臀中肌松弛時（上圖），拉應(yīng)力作用在上部的骨皮質(zhì)上，壓應(yīng)力作用在下部的骨皮質(zhì)上。臀中肌收縮（下圖）使拉應(yīng)力抵消關(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)軟骨實際上是一種孤立的組織，沒有單獨的血液和淋巴供應(yīng)。它主要依賴軟骨下骨組織提供軟骨下部近1/3的血供，其余依賴滑膜周圍毛細血管的滲入。關(guān)節(jié)軟骨的細胞密度低于大多數(shù)其他組織，其主要功能是：①把施加于關(guān)節(jié)上的載荷擴散到較大的區(qū)域，以減少接觸應(yīng)力；②使對應(yīng)的關(guān)節(jié)面以最小的摩擦和磨損進行相對運動。一個醣蛋白聚合體的簡圖關(guān)節(jié)軟骨的生物學(xué)性質(zhì)滲透性它表示液體流過多孔物質(zhì)的固體基質(zhì)時的摩擦阻力。滲透性越低，承載時液體流動阻力越大。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)軟骨具有一個機械反饋調(diào)節(jié)機制，阻止組織間液完全流出。潤滑（有兩種基本類型）界面潤滑和液膜潤滑。界面潤滑依靠單層潤滑劑分子化學(xué)吸附到接觸的固體面上。作相對運動時，承載面受到互相滑動的潤滑劑分子保護，防止因表面粗糙發(fā)生的粘合和磨損。當載荷不很重，載荷較低和（或）上下波動，并且相應(yīng)于接觸面的相對速度較高時，關(guān)節(jié)很可能是在第二種潤滑機制下，即液膜潤滑形式下工作。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。高接觸壓力會減少液膜潤滑的可能性。固體表面凹凸不平點的接觸，可引起顯微應(yīng)力點的集中，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，如足球運動員的膝關(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，如類風濕性關(guān)節(jié)炎等。膠原組織的生物力學(xué)骨骼系統(tǒng)周圍含有膠原組織的有韌帶（包括關(guān)節(jié)囊）、肌腱和皮膚。這些結(jié)構(gòu)是被動運動的，不產(chǎn)生主動運動。膠原組織主要由三種類型的纖維組成：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度和剛度，彈性纖維在組織受載時提供延展性，而網(wǎng)狀纖維提供容積。膠原組織的力學(xué)特性在載荷下，膠原組織的特性受三種主要因素影響：①纖維的結(jié)構(gòu)；②膠原纖維和彈性纖維的特性；③膠原纖維和彈性纖維之間的比例。纖維的結(jié)構(gòu)：肌腱、韌帶、皮膚中三種膠原的結(jié)構(gòu)不同，并與每種結(jié)構(gòu)的功能相適應(yīng)。肌腱纖維幾乎完全平行排列，使肌腱更適應(yīng)于承受高拉伸載荷。韌帶纖維，包括關(guān)節(jié)囊，較少恒定的結(jié)構(gòu)，在不同的韌帶中，結(jié)構(gòu)隨韌帶的功能而異。雖然多數(shù)韌帶纖維近似平行，但也有些纖維不是平行排列。皮膚纖維呈網(wǎng)狀，這種結(jié)構(gòu)使皮膚在各個方向上具有延展性。皮下組織的結(jié)構(gòu)則更為松散，從而提供更大的擴展空間。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。由于膠原纖維為類塑性材料，而彈性纖維為類脆性材料，故受載時這兩類纖維的表現(xiàn)完全不同。拉伸試驗下，膠原纖維在加載開始時即稍有伸長，但很快隨著負荷的增加變得剛硬到達屈服點，隨之出現(xiàn)非彈性變形，直到極限破壞（圖１-7A）。破壞時的變性范圍為6～8%。彈性纖維在低載荷下呈現(xiàn)較大的伸長（可達原長的2倍多），但隨著載荷的增加，纖維突然變得剛硬，沒有變形而突然斷裂（圖１-7B）。膠原纖維比較強，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)的分型關(guān)節(jié)可根據(jù)運動軸心或自由度多寡分成以下類型：單軸關(guān)節(jié)：①滑車關(guān)節(jié)，如指間關(guān)節(jié)、肱尺關(guān)節(jié)等均只能沿額狀軸在矢狀面上作屈伸運動。②車軸關(guān)節(jié)（圓柱關(guān)節(jié)），如近、遠側(cè)橈尺關(guān)節(jié)，只能繞垂直軸在水平面上作旋前旋后運動。雙軸關(guān)節(jié)：①橢圓關(guān)節(jié)，如橈腕關(guān)節(jié)，可在額狀軸和矢狀軸上作屈伸、收展、內(nèi)收運動。②鞍狀關(guān)節(jié)，如拇指腕掌關(guān)節(jié)，可作屈伸及收展運動。三軸關(guān)節(jié)或稱多軸關(guān)節(jié)：①球窩關(guān)節(jié)，如肩關(guān)節(jié)。②杵臼關(guān)節(jié)，如髖關(guān)節(jié)。③平面關(guān)節(jié)，如肩鎖關(guān)節(jié)、腕骨和跗骨間諸關(guān)節(jié)。但這些關(guān)節(jié)因兩關(guān)節(jié)面大小基本一致，關(guān)節(jié)囊與關(guān)節(jié)韌帶堅實緊張，活動度小。凡具有兩個或兩個以上自由度的關(guān)節(jié)都可以作繞環(huán)運動。關(guān)節(jié)的活動度和穩(wěn)定性關(guān)節(jié)的功能取決于其活動度（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)活動度小。上肢關(guān)節(jié)有較大的活動度，而下肢關(guān)節(jié)有較大的穩(wěn)定性。影響關(guān)節(jié)活動度和穩(wěn)定性的因素有構(gòu)成關(guān)節(jié)兩個關(guān)節(jié)面的弧度之差。差別大時活動度大，穩(wěn)定性低；差別小時則相反。②關(guān)節(jié)囊的厚薄與松緊度。③關(guān)節(jié)韌帶的強弱與多少。④關(guān)節(jié)周圍肌群的強弱與伸展性。一般來說，骨骼和韌帶對關(guān)節(jié)的靜態(tài)穩(wěn)定起主要作用，肌肉拉力則對動態(tài)穩(wěn)定起主要作用。開鏈和閉鏈人們通常將一側(cè)上下肢視為一條長鏈，每個關(guān)節(jié)均為鏈扣。如遠端游離即為開鏈，此時可任意活動某一單獨關(guān)節(jié)或同時活動若干關(guān)節(jié)。反之，遠端閉合，如接觸地面、墻面或桌面，或兩手相握，即可稱之為閉鏈。此時所能做的肢體運動只能是多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)活動。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)練較強的肌群、關(guān)節(jié)來帶動較弱的肌群關(guān)節(jié)而進行開、閉鏈運動。對于關(guān)節(jié)粘連患者既可以選擇開鏈活動以專一活動該關(guān)節(jié)，也可以采用閉鏈運動使其他關(guān)節(jié)帶動該關(guān)節(jié)的活動。肌肉的生物力學(xué)肌肉活動主要以肌力和肌張力來表現(xiàn)其力學(xué)特性。影響肌力的4個因素影響肌力的因素首先是肌肉的橫斷面。其次是肌肉的初長度即肌肉收縮前的長度。因為肌肉是彈性物質(zhì)，故在生理限度內(nèi)肌肉在收縮前被牽拉至適宜的長度則收縮時的肌力較大。當肌肉被牽拉至靜息長度的1.2倍時，肌力最大。第三為肌肉的募集。同時投入收縮的運動單位數(shù)量越多，肌力也越大，稱為肌肉的募集（recruit）。肌肉募集受中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能狀態(tài)的影響，當運動神經(jīng)發(fā)出的沖動強度大時，動員的運動單位就多；當運動神經(jīng)沖動的頻率高時，激活的運動單位也多。第四為肌纖維走向與肌腱長軸的關(guān)系。一般肌纖維走向與肌腱長軸相一致，但也有不一致的。如在一些較大的肌肉中，部分肌纖維與肌腱形成一定的角度成羽狀連結(jié)。這種羽狀連結(jié)的肌纖維越多，成角也越大，肌肉越粗，能產(chǎn)生較多的力。肌肉的收縮形式等張收縮(isotoniccontraction)是肌力大于阻力時產(chǎn)生的加速度運動和小于阻力時產(chǎn)生的減速度運動。運動時肌張力大致恒定，故稱等張收縮。因引起明顯的關(guān)節(jié)運動，故也稱動力收縮(dynamiccontraction)。由于近期研究證明，所謂“等張收縮”時肌張力并不恒定，因此建議根據(jù)等張收縮時肌纖維長度改變不同，分為：向心收縮(concentriccontraction)

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

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

當肌肉收縮力與阻力相等時，肌肉長度不變，也不引起關(guān)節(jié)運動，稱等長收縮或靜力收縮，如半蹲位時的股四頭肌收縮，此時肌張力恒定。在對抗固定物件而等長收縮時，肌肉的張力視主觀用力程度而定。肌肉的協(xié)同肢體的每一動作都需要多組肌肉合作才能完成。原動肌(agonist)：直接完成動作的肌群稱為原動肌，其中起主要作用者稱主動肌，協(xié)助完成動作或僅在動作的某一階段起作用者稱副動肌。例如在屈肘運動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，稱主動肌；其余稱副動肌。拮抗肌(antagonist)：與原動肌作用相反的肌群稱拮抗肌。當原動肌收縮時，拮抗肌應(yīng)協(xié)調(diào)地放松或作適當?shù)碾x心收縮，以保持關(guān)節(jié)活動的穩(wěn)定性及增加動作的精確性，并能防止關(guān)節(jié)損傷。如在屈肘動作中，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)揮原動肌對肢體運動的動力作用，必須將肌肉相對固定的一端（定點）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)屈伸負重活動時，必須固定肩、肘關(guān)節(jié)，這時起固定肩、肘關(guān)節(jié)的肌群均稱為固定肌。（4）中和?。╪eutralizator）：其作用為抵消原動肌收縮時所產(chǎn)生的一部分不需要的動作。例如作擴胸運動時，斜方肌和菱形肌都是原動肌。斜方肌收縮除使肩外展擴胸外，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)生擴胸效應(yīng)的同時，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胸效應(yīng)。但兩肌同時收縮時所產(chǎn)生的無效動作可相互抵消，因此又互為中和肌。肌肉的協(xié)同肌肉的協(xié)作關(guān)系隨著動作的改變而變化，如作用于腕關(guān)節(jié)的橈側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕伸肌、橈側(cè)腕屈肌和尺側(cè)腕屈肌。在作伸腕動作時，橈側(cè)腕伸肌和尺側(cè)腕伸肌為原動肌，而橈、尺側(cè)腕屈肌為拮抗肌。橈側(cè)腕伸肌和尺側(cè)腕伸肌同時收縮，使腕向橈側(cè)和尺側(cè)屈曲的作用相互抵消，因此又互為中和肌。在向橈側(cè)屈曲腕關(guān)節(jié)時，橈側(cè)腕伸肌和橈側(cè)腕屈肌同為原動肌，尺側(cè)腕伸肌和尺側(cè)腕屈肌則為拮抗肌。橈側(cè)腕伸肌和橈側(cè)腕屈肌同時收縮使腕伸、屈的作用相互抵消，因而又互為中和肌。此時固定肘關(guān)節(jié)的肌群即為固定肌。人體運動的杠桿原理由于肌肉收縮產(chǎn)生的實際力矩輸出，受運動節(jié)段杠桿效率的影響，因而人的運動均遵循杠桿原理，各種復(fù)雜的運動均可以分解為一系列的杠桿運動。有關(guān)杠桿作用的幾個名詞支點（F）是指杠桿繞著轉(zhuǎn)動的軸心點，在肢體杠桿上支點是關(guān)節(jié)的運動中心。力點（E）動力作用點稱為力點，在骨杠桿上力點是肌肉的附著點。阻力點或稱重力點(W)阻力在杠桿上的作用點稱為阻力點，是指運動節(jié)段的重力，運動器械的重力，摩擦力或彈力以及拮抗肌的張力，韌帶、筋膜的抗牽拉力所造成的阻力。在一個杠桿系統(tǒng)中的阻力作用點只有一個，即全部阻力的合力作用點為唯一的阻力點。力臂(d)從支點到動力作用線的垂直距離，稱為力臂。阻力臂(dw)從支點到阻力作用線的垂直距離稱為阻力臂。力