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康复护理学（四）第二节康复治疗的生物力学基础一、生物力学的基本概念1．生物力学研究生物体内力学问题的科学叫生物力学(biomechanic)，它是力学、生物学、医学等学科相互渗透的学科。2．力和应变单位面积上的作用力叫应力，单位是N/m2。物体受外力作用发生形状和大小改变称变形。物体的形变是受到外力作用的结果，应力相对应的形变不是绝对改变而是相对改变，物体在内部应力作用下发生的形变和大小的相对变化称应变。在一定的形变限度内，当解除外力后，物体能够完全恢复原状的变形叫弹性形变，其基本形式有长度形变、体积形变和形状形变。长度形变：当一个细长物体受到纵向牵拉或挤压时，形变主要发生在沿作用力方向的长度改变。体积形变：当物体受到压强作用，体积发生变化而形状不改变的形变。形状改变：只有形状改变而不发生体积改变的剪切形变，如一弹性长方体，在两对平行切面上施加一对大小相等、方向相反、作用线平行的剪切力的作用所发生的形变即剪切形变，其对应的应变为剪切应变(shearingstrain)。3．弹性模量(modulusofelasticity)某物质的应力和应变的比值称该物质的弹性模量。在长变的情况下，在正比极限范围内，张应力与张应变之比或压应力与压应变之比称杨氏模量(young'smodulus)。4．刚体在外力作用下，物体的大小与形状不发生改变的物体称为刚体(rigidbody)。理论上，刚体是指在任何载荷下都不发生变形的物体。在实际研究中，当有些部分在制定载荷下的变形与该研究中其他部分的变形量相比极其微小可忽略不计时，则可将该部分视为刚体。如在腰椎运动中，椎体与椎间盘、韧带、关节囊相比，变形量极小，因而可被视为刚体，而椎间盘等其他物体则视为塑性物体(plasticbody)。5．力矩力F的作用点对应的矢量，与F的乘积叫做力矩，即M=r×F，它表示力对物体转动作用的大小。二、骨与关节的生物力学(一)骨骼的生物力学功能骨骼系统是人体重要的力学支柱，不仅承受着各种载荷，还为肌肉提供可靠的动力联系和附着点。骨组织主要由骨细胞、有机纤维、粘蛋白、无机结晶体和水组成。骨的生物活性来源于骨细胞。胶原纤维借助粘蛋白的胶合形成网状支架，微小的羟磷灰石晶粒充填于网状支架并牢固的附着于纤维表面，这种结构不仅具有较好的弹性和韧性，还具有较大的强度和刚度。胶原平行有序排列并与基质结成片状形成骨板，是形成密质骨的单元。胶原与基质贴附交错无序则形成棒状骨小梁，是形成疏质骨的单元。骨的力学性质受人的年龄、性别、部位等因素的影响。骨的变形以弯曲和扭转最为常见，弯曲是沿特定方向上连续变化的线应变的分布，扭转是沿特定方向上的角应变的连续变化。骨骼的层状结构充分发挥了其力学性能。从受力情况来分析，一长骨若中部受到垂直于长轴的力的作用，该长骨的两端由关节固定，中间部的力使其长度伸长并弯曲，与两端关节固定点形成相反的平行力；骨载面上的应力分布情况是沿Y方向的应力以中心部对称，向骨的表层对称分布，即中心部应力为0，越靠近骨皮质部应力越大。长骨受力时的变形及应变如下：若受到扭转力的作用，情况亦是如此，骨的一部分类似于一个圆柱体，圆柱的端面受一对大小相等、方向相反的力矩作用发生角应变，轴心的应变及剪应力为零，圆柱体表面的力最大，即骨皮质部受的力最大，而骨皮质是最坚硬的部位，抗压、扭转力最强。骨骼受力的扭转和应变如下；(二)应力对骨生长的作用骨是能再生和修复的生物活性材料，有机体内的骨处于增殖和再吸收两种相反过程中，以上过程受很多因素的影响，如年龄、性别、某些激素水平以及应力。研究表明，骨骼都有其最适宜的应力范围，应力过高或过低都会使其吸收加快。如瘫痪的病人，骨骼长期缺乏肌肉运动的应力作用，使骨吸收加快，产生骨质疏松，另外，失重也可造成骨钙丢失。骨折后的骨愈合需骨痂形成，而骨痂的形成需要应力作用。骨在应力作用下羟磷灰石结晶的溶解增加，使发生应变的骨组织间隙液里的钙离子浓度增大，以利于无机晶体的沉积。骨的重建是骨对应力的适应，骨在需要应力的部位生长，在不需要的部位吸收。制动或活动减少时，骨缺乏应力刺激而出现骨膜下骨质的吸收，骨的强度降低。骨折钢板内固定，载荷通过钢板传递，骨骼收到的应力刺激减少，骨骼的直径缩小，抗扭转能力下降。相反，反复承受高应力的作用，可引起骨膜下的骨质增生。(三)关节的种类根据关节运动与否，可将关节分为不动关节和可动关节。不动关节指两骨间无裂隙，借助纤维组织或软骨组织牢固的连接，如肋骨与肋软骨的连接。可动关节指两骨间有裂隙，骨端覆盖光滑的关节软骨关节，周围有胶质膜密封，该类型最常见的是滑膜关节，按滑膜关节的形态分为7种关节:①平面关节:有两个几乎是平面的并列关节面，如跗骨间关节，运动为两骨间的单纯移动。②屈戍关节:形如铰链，受形状限制只能在一个平面上运动，有坚固的副韧带，属单轴关节，如指间关节和肱尺关节。③车轴关节:有一骨性中轴围绕在骨韧带环内，只能绕中轴旋转，中轴也可在环内旋转，如桡骨头在环状韧带和尺骨桡骨切迹内旋转，寰椎围绕枢椎齿突的旋转。此关节属单轴关节。④双踝状关节:有两个凸踝与两个凹关节面相关节，双踝几乎平行，具有一个共同的关节囊，如膝关节，或完全分开的两个关节囊，如颞下颌关节，此关节属单轴关节。⑤椭圆关节:具有一个卵圆形的凸关节面和一个并列的椭圆形凹关节面，属双轴关节。如桡腕关节和跖趾关节。⑥鞍状关节:属双轴关节，具有两个凹凸关节面，每一个关节面有一特定的主凸面和与其直角位置最大的凹面，较大的凸关节面与较小的凹关节面并列，另一关节面则相反，如拇指腕掌关节。⑦球形关节:有一个球形的头和一个相对的窝形成，属多轴关节，具有三个自由度。如髋关节和肩关节。(四)骨与关节的运动骨骼运动会产生相应的关节运动，骨骼运动有两种基本形式:旋转和线形位移。骨骼的旋转会产生关节的滚动-滑行，其线形运动会产生关节的滑行、牵引、压缩。1．骨骼旋转主动运动和被动运动均可产生骨骼的旋转，旋转分为单轴旋转和多轴旋转。单轴旋转即围绕一轴且发生于一平面的骨骼旋转，从功能上讲又称解剖运动。多轴旋转即围绕多于一轴并产生于多于一平面的骨骼运动，其代表了生活中大部分功能动作，所以又称功能运动。与骨骼旋转有关的关节运动:滚动-滑行(jointroll-gliding)正常关节的运动即可产生滚动-滑行。滚动发生于两关节面形状不同的情况下，接触点同时变化，所发生的运动为成角运动，无论关节表面凸或凹，滚动的方向总是朝向成角骨运动的方向。滑行发生与一侧关节面的一点接触对侧关节面的不同点时，滑行的方向取决于运动骨关节面的凹凸形状，当运动骨关节面凸出时，滑行方向与成角骨运动方向相反；当运动骨关节面凹陷时，滑行方向与成角骨运动方向相同。当关节活动受到限制时，关节的正常滚动-滑行被干扰，活动度受限与不正常的滑行有关，当关节滚动程度大而无滑行时，与骨骼运动同向的关节表面受到压缩，同时，与骨骼运动相反方向的关节表面受到牵张，易于损伤。2．骨骼的线形位移骨骼的线形位移是由作用于身体上的外力而形成的，分为牵引(traction)、压缩(compression)和滑行(gliding)。与线形位移有关的关节运动有:治疗面(treatmentplane):是指经过关节凹面，垂直于旋转中心与关节接触面中线的平面。对于凹面关节治疗面与关节的凹面同步移动，对于凸面关节，凸面移动治疗面保持不动。牵引:是指与治疗面垂直且远离治疗面的线形运作。压缩:是指与治疗面垂直且移向治疗面的线形运作。滑行:是指与治疗面平行的关节活动性动作。