運(yùn)動(dòng)中的生物力學(xué)問題演示文稿

運(yùn)動(dòng)中的生物力學(xué)問題演示文稿目前一頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)優(yōu)選運(yùn)動(dòng)中的生物力學(xué)問題ppt目前二頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)內(nèi)容提要第一節(jié)運(yùn)動(dòng)中的生物力學(xué)問題一、作用于人體的力二、骨組織的生物力學(xué)三、關(guān)節(jié)軟骨的生物力學(xué)四、膠原組織的生物力學(xué)五、關(guān)節(jié)的生物力學(xué)六、肌肉的生物力學(xué)七、人體運(yùn)動(dòng)的杠桿原理目前三頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)第一節(jié)運(yùn)動(dòng)中的生物力學(xué)問題力（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)。對力進(jìn)行廣泛綜合研究的學(xué)科稱為力學(xué)（Mechanics）。當(dāng)力作用于人體和其他生物體上并加以研究的學(xué)科，則稱之為生物力學(xué)（Biomechanics）。在康復(fù)治療中常以運(yùn)動(dòng)治療作為主要方法。目前四頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)學(xué)科演變123萌芽時(shí)期形成時(shí)期發(fā)展時(shí)期目前五頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)研究人體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)功能的關(guān)系研究人體運(yùn)動(dòng)技術(shù)的規(guī)律研究人體運(yùn)動(dòng)技術(shù)的最佳化設(shè)計(jì)與改進(jìn)運(yùn)動(dòng)器械研究運(yùn)動(dòng)損傷的力學(xué)原因.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)學(xué)科任務(wù)目前六頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)目前七頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)屈伸肌力量比例:田徑(35)、舉重(21)、賽艇(15)項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員共71名目前八頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)KineticanalysisForceplatformPressureplatformPressureinsole目前九頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)運(yùn)動(dòng)損傷目前十頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)目前十一頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)

疲勞骨折-治療原則停止致傷動(dòng)作調(diào)整訓(xùn)練量手法按摩治療局部物理治療小腿氣墊夾板目前十二頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)作用于人體的力重力支撐反作用力摩擦力流體作用力器械的其他阻力外力目前十三頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)如果沒有重力目前十四頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)一、作用于人體的力目前十五頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)一、作用于人體的力目前十六頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)作用于人體的力肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的力各組織器官間的被動(dòng)阻力各內(nèi)臟器官的摩擦力內(nèi)臟器官和固定裝置間的阻力血液淋巴液在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的流體阻力內(nèi)力目前十七頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)二、骨組織的生物力學(xué)人體共有206塊骨,其功能是對人體起支持、運(yùn)動(dòng)和保護(hù)的作用.骨按形狀可分為長骨、短骨、扁骨和不規(guī)則骨等.骨的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不論是從解剖學(xué)還是生物力學(xué)的角度來看,都是十分復(fù)雜的.這種復(fù)雜性是由骨的功能適應(yīng)性所決定的.骨的功能適應(yīng)性,是指對所擔(dān)負(fù)工作的適應(yīng)能力.目前十八頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)二、骨組織的生物力學(xué)從力學(xué)觀點(diǎn)來看,骨是理想的等強(qiáng)度優(yōu)化結(jié)構(gòu).它不僅在一些不變的外力環(huán)境下能表現(xiàn)出承受負(fù)荷（力）的優(yōu)越性,而且在外力條件發(fā)生變化時(shí),能通過內(nèi)部調(diào)整,以有利的新的結(jié)構(gòu)的形式來適應(yīng)新的外部環(huán)境.越是深入了解人體骨的特性,就越是為其優(yōu)良的受力結(jié)構(gòu)感到驚嘆.制造出這種“智能”型的材料和結(jié)構(gòu),一直是科學(xué)工作者孜孜以求的目標(biāo).目前十九頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)

人體骨骼顱骨軀干骨上肢骨下肢骨目前二十頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)骨的圖片目前二十一頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)二、骨組織的生物力學(xué)

1、骨的力學(xué)性能強(qiáng)度和剛度是骨的重要力學(xué)性能。加載荷后的變形曲線可以給出決定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的三個(gè)參數(shù)：①結(jié)構(gòu)斷裂前所能承受的載荷；②斷裂前所能承受的變形；③斷裂前所儲(chǔ)存的能量。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；由能量儲(chǔ)存顯示的強(qiáng)度，用整個(gè)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。目前二十二頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)二、骨組織的生物力學(xué)應(yīng)力是結(jié)構(gòu)內(nèi)某一平面上響應(yīng)外部施加的載荷而產(chǎn)生的單位面積的負(fù)荷，以單位面積所受的力來表示。應(yīng)變是結(jié)構(gòu)在載荷下某一點(diǎn)上發(fā)生的變形。應(yīng)變有兩種類型：線應(yīng)變，它是長度的改變，是與以結(jié)構(gòu)原長相除后的變形量（伸長或縮短），以百分比表示，如cm/cm。剪應(yīng)變是某一結(jié)構(gòu)在承受載荷下所發(fā)生的角改變，以弧度(rad)表示（1弧度約等于57.3°）。目前二十三頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)2、骨組織結(jié)構(gòu)骨骼是由皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成。皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨均呈各向異性(anisotropy)。各向異性是指在不同方向受載顯示不同的力學(xué)性能。由于骨的結(jié)構(gòu)在橫向和縱向各不相同，因而骨的強(qiáng)度也隨所加載荷的不同方向而異。目前二十四頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)由骨內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)易見骨是一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu).復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就是各向異性,即其力學(xué)性能具有較強(qiáng)的對成分和結(jié)構(gòu)的依賴性.復(fù)合材料的力學(xué)特性,包括揚(yáng)氏模量、剪切模量、粘彈性、極限盈利應(yīng)變等,不僅與其物質(zhì)成分有關(guān),而且與其結(jié)構(gòu)有關(guān).這個(gè)結(jié)構(gòu)關(guān)系包括各成分的幾何形狀,纖維與基質(zhì)之間的結(jié)合,纖維接觸點(diǎn)的結(jié)合等.人們很早就發(fā)現(xiàn),人密質(zhì)骨的橫向（徑向或切向）試件的壓縮模量約為縱向試件的56%.應(yīng)該注意的是,同一塊骨的不同部分的力學(xué)性能是有差別的.目前二十五頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)由圖可見,股骨最強(qiáng)之處在上三分之一處的外側(cè).同時(shí),即使是骨的某一點(diǎn)上,各個(gè)方向的力學(xué)性能也不相同.即具有明顯的各向異性.

目前二十六頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)

骨具有明顯的各向異性.例如長骨主要承受的是軸向的壓力,因此沿軸向具有較高的強(qiáng)度和彈性模量.目前二十七頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)

骨結(jié)構(gòu)在橫向與縱向上是不同的,故骨胳強(qiáng)度隨載荷的方向而異.在最常見的載荷方向,骨胳的強(qiáng)度和剛度最大.目前二十八頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)3、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)合載荷目前二十九頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)壓縮載荷拉伸載荷扭轉(zhuǎn)載荷彎曲載荷剪切載荷目前三十頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)

成人皮質(zhì)骨的極限應(yīng)力在壓縮、拉伸和剪切旗荷時(shí)是不同的.皮質(zhì)骨所能承受的壓應(yīng)力大于拉應(yīng)力,所能承受的拉應(yīng)力又大于剪應(yīng)力.目前三十一頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)4、肌肉活動(dòng)對骨應(yīng)力分布的影響骨在體內(nèi)受載時(shí)，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(shí)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。目前三十二頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)三、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。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使對應(yīng)的關(guān)節(jié)面以最小的摩擦和磨損進(jìn)行相對運(yùn)動(dòng)。目前三十三頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)1、軟骨的成分關(guān)節(jié)軟骨的固體基質(zhì)大約占組織濕重的20％~40%，是由膠原纖維（60%）、與水親和力很強(qiáng)的原纖維間糖蛋白凝膠（40%）以及軟骨細(xì)胞（少于2%）所組成。剩下的重量為水分，占60%~80%，大部分水分在承載時(shí)可被擠出。目前三十四頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)目前三十五頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)（1）膠原：膠原是體內(nèi)最豐富的蛋白。具有高級的結(jié)構(gòu)組織，可形成最佳的力學(xué)性能。膠原的基本生物單位是一種多肽鏈的三鍵螺旋,稱為原膠原。（2）糖蛋白凝膠：軟骨的另一主要結(jié)構(gòu)成分是高含水量凝膠，此種凝膠由分布不均勻的糖蛋白大分子及其聚合物組成。（3）軟骨各成分間結(jié)構(gòu)上的相互作用：糖蛋白有很強(qiáng)的親水性，在水中的溶解度很高。目前三十六頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)3.軟骨變性的生物力學(xué)關(guān)節(jié)軟骨破壞的進(jìn)程與下述各點(diǎn)有關(guān)：①承受的應(yīng)力值；②承受應(yīng)力峰值的總數(shù)；③膠原-糖蛋白基質(zhì)的分子和顯微結(jié)構(gòu)。目前三十七頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)關(guān)節(jié)軟骨的生物學(xué)性質(zhì)1滲透性：滲透性越低，承載時(shí)液體流動(dòng)阻力越大2關(guān)節(jié)軟骨的蠕變(creep)反應(yīng)3潤滑：兩種基本的潤滑類型：界面潤滑和液膜潤滑。目前三十八頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)四、膠原組織的生物力學(xué)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(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。1.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。目前三十九頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)（1）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。皮膚纖維呈網(wǎng)狀，這種結(jié)構(gòu)使皮膚在各個(gè)方向上具有延展性。目前四十頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)（2）膠原纖維和彈性纖維的特性：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(shí)這兩類纖維的表現(xiàn)完全不同。目前四十一頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)（3）膠原纖維和彈性纖維的比例：膠原組織中彈性纖維和膠原纖維之間的比例隨該組織功能的不同而不同，并影響組織的力學(xué)性能。目前四十二頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)2.骨-韌帶-骨復(fù)合體前面提到的是離體韌帶的力學(xué)性能，但是必須把韌帶的結(jié)構(gòu)考慮為骨-韌帶-骨復(fù)合體的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前四十三頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)3.各種載荷條件下骨-韌帶-骨復(fù)合體的性能

載荷的速度和持續(xù)時(shí)間對骨-韌帶-骨復(fù)合體的影響，在估計(jì)關(guān)節(jié)損傷和治療各種關(guān)節(jié)疾病方面具有很高的臨床價(jià)值。（1)恒定載荷效應(yīng)關(guān)節(jié)在長時(shí)間內(nèi)承受恒定的低載荷時(shí)，軟組織發(fā)生緩慢變形即蠕變。（2)加載荷速度的影響在慢速和快速下做拉伸破壞試驗(yàn)，韌帶的骨性止點(diǎn)是最弱的部分。目前四十四頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)4、肌腱肌腱裝置有兩種類型：有鞘肌腱和無鞘肌腱。目前四十五頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)（1）肌肉-肌腱-骨復(fù)合體：有兩個(gè)因素決定肌腱的強(qiáng)度：肌腱的粗細(xì)形狀以及加載荷速度?；顒?dòng)時(shí)，有兩個(gè)主要因素影響肌腱承受的應(yīng)力值：①與肌腱連結(jié)的肌肉收縮量；②肌腱的直徑與肌肉直徑的比值。（2）手術(shù)修復(fù)后屈肌腱的愈合：手術(shù)修復(fù)的主要目的是恢復(fù)肌腱斷端的連結(jié)和肌腱的正?；瑒?dòng)功能。人手術(shù)后必須制動(dòng)3周左右，以防止修復(fù)的肌腱再斷裂。但制動(dòng)3周以上，常引起肌腱、腱鞘和周圍軟組織的粘連。目前四十六頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)

五、關(guān)節(jié)的生物力學(xué)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)面及關(guān)節(jié)軟骨基本結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)囊關(guān)節(jié)腔韌帶關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨輔助結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)唇滑膜囊滑膜襞目前四十七頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)關(guān)節(jié)的基本功能關(guān)節(jié)的基本功能是傳遞人體運(yùn)動(dòng)的力和保證身體各部分間的靈活運(yùn)動(dòng).明確力在各種關(guān)節(jié)中的傳遞方式以及關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是關(guān)節(jié)生物力學(xué)的主要目標(biāo).人體關(guān)節(jié)最奇妙之處在于它是一個(gè)集自如的快速和慢速運(yùn)動(dòng),承受高載荷和低載荷于一體,可正常運(yùn)行數(shù)十年的既靈活又穩(wěn)固的結(jié)構(gòu).在現(xiàn)今的科學(xué)技術(shù)水平上,人體關(guān)節(jié)在承受不同載荷下作不同的運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為分屬于不同的運(yùn)行機(jī)制,目前還無法模擬.目前四十八頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)1.關(guān)節(jié)的分型按關(guān)節(jié)面的形態(tài)、運(yùn)動(dòng)軸數(shù)分類如下：

屈戍關(guān)節(jié)（滑車關(guān)節(jié)）單軸關(guān)節(jié)車軸關(guān)節(jié)根據(jù)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分為橢圓關(guān)節(jié)雙軸關(guān)節(jié)單關(guān)節(jié)鞍狀關(guān)節(jié)球窩關(guān)節(jié)復(fù)關(guān)節(jié)多軸關(guān)節(jié)平面關(guān)節(jié)聯(lián)合關(guān)節(jié)目前四十九頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)2.關(guān)節(jié)的活動(dòng)度和穩(wěn)定性（1）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）（2）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。關(guān)節(jié)囊的厚薄與松緊度。關(guān)節(jié)韌帶的強(qiáng)弱與多少。關(guān)節(jié)周圍肌群的強(qiáng)弱與伸展性。目前五十頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)3.開鏈和閉鏈人們通常將一側(cè)上下肢視為一條長鏈，每個(gè)關(guān)節(jié)均為鏈扣。目前五十一頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)六、肌肉的生物力學(xué)

肌肉力學(xué)是生物力學(xué)里最吸引人的一個(gè)領(lǐng)域.這是因?yàn)榧∪猓ü趋兰。┦侨梭w運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力器官.肌肉不但可以被動(dòng)地承受載荷,而且具有自主收縮的能力,可以能動(dòng)地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而作功.20世紀(jì)50年代Huxley提出了關(guān)于肌肉收縮機(jī)制的肌絲滑移學(xué)說,從肌細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu)出發(fā),開辟了一條新的道路.

目前,肌肉生物力學(xué)面對的要求是,不僅要適應(yīng)所有應(yīng)用力學(xué)先進(jìn)的理論和技術(shù),還要不斷豐富和挑戰(zhàn)力學(xué)已存在的分支和新領(lǐng)域.目前五十二頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)骨骼肌的結(jié)構(gòu)模型

肌動(dòng)蛋白（細(xì)）

收縮成分

肌球蛋白（粗）骨骼肌的結(jié)構(gòu)模型

并聯(lián)彈性成分

彈性成分

串聯(lián)彈性成分目前五十三頁\總數(shù)六十頁\編于六點(diǎn)骨骼肌的解剖結(jié)構(gòu)肌原纖維肌纖維小肌束