第五章 人体生物力学

第一节 骨与关节生物力学

一、骨的力学特性

（一）各向异性

骨具有多层的复合材料结构。这种结构的最大特点为具有各向异性力学特性，即其力学特性具有较强的对成分和结构的依赖性。但是应该指出的是，同一块骨的不同部分的力学特性是有差异的。

（二）黏弹性

骨是一种黏弹性材料，也具有明显的黏弹性效应。对骨试样做拉伸或压缩（单轴）即可得到滞回曲线，这说明骨试样在加载—卸载的过程中耗散能量。

（三）骨强度与骨密度

骨密度（bone mineral density，BMD）是检测骨质量的一个重要标志和判定骨强度的主要指标，反映骨质疏松程度，预测骨折危险性的重要依据。通过骨密度检查可以判断和研究骨生理、病理和人的衰老程度，以及诊断全身各种疾病对骨代谢的影响。

（1）骨生长受外部应力的影响，应力对骨生长、构建（modeling）和重建（remodeling）起着调节作用。人们很早就已经开始探索机械外力与骨生长发育之间的关系。Meyer等最早提出骨小梁沿主应力方向排列理论。19世纪，Wolff进一步发展了他们的理论，提出了“Wolff定律”，指出骨小梁不仅沿主应力方向排列，当主应力方向发生改变时，骨小梁也会随之发生改变；骨的形态和功能的每一种变化，或单独功能的改变，将导致相应的内部结构以及外部形状改变。

（2）骨是力学敏感性组织，根据载荷不同调节其骨量、结构及力学特征。骨以最优的形式适应其力学环境，即骨质中的骨细胞能够感应局部的应力，并据此调整细胞的成骨、吸收作用。外部载荷可以不同程度地调节骨力学特性，这一结果从理论上和实验中都得到了充分证明，对于预防和缓解骨质疏松带来的危害非常重要。

（3）静态载荷与动态载荷：载荷是指随着作用时间的变化，大小及方向都不发生变化的力。Herr等（1971）研究了承受动态载荷的兔，他们指出：动态应力对骨的功能适应性是一个形态发生改变的刺激，不管作用的是拉应力还是压应力，引起骨响应的，必须是动态载荷，而非静态载荷。动态载荷是日常生活和实验中最常见的加载方式，包括交变载荷、循环载荷及间歇载荷等。它们的共同特点是载荷随时间变化而有规律地重复。走、跑、跳等基本运动形式可近似看成动态载荷对骨的作用。

大量研究表明动态载荷作用于骨可以有效地提高骨的力学性能。动态载荷可明显增加骨小梁的宽度和数量，并且增加松质骨的强度。大量研究表明骨力学性能地提高与载荷大小有关，中等强度载荷可以提高骨力学性能，而高强度载荷对提高骨力学性能无明显作用，甚至会导致骨微结构破坏，骨力学性能下降。

（4）骨质疏松及骨结构的改变：骨质疏松症最终标志是骨力学性能下降，发生骨折的危险性增大。骨密度一直作为描述和诊断骨质疏松症及评价骨折危险性的一个有效、无创、可以定量测量的指标。但是，大量临床数据显示，骨密度正常状态下的患者仍可能发生骨折，或者相同骨密度的人群，骨折的发生率也不同。在临床上单纯依靠骨密度对骨质疏松症进行诊断会引起误诊或漏诊等问题。此外，骨密度仅能反映骨矿物含量，很难体现出骨的抗骨折能力。

随着医学成像技术的发展，医学图像分辨率不断提高，目前可以达到微米级别。经过重建后的三维图像能够清晰地呈现骨骼内部微观结构，动物和人体骨骼及人体不同解剖部位骨骼微观结构差异很大。高分辨率医学成像技术可以用于研究老龄化或骨质疏松症等骨疾病引起的骨骼微观结构变化，探究骨质疏松症的发病机制，寻找决定骨质量的微观结构因素。同时，高分辨率医学成像技术也可以用于骨质疏松症药物治疗后的效果评价。

二、肌肉、肌腱和韧带生物力学

（一）骨骼肌的分类

骨骼肌按其在运动中的作用不同，分为原动肌、拮抗肌、固定肌和协同肌。

1．原动肌（agonist） 在运动的发动和维持中一直起主动作用的肌肉称为原动肌。

2．拮抗肌（antagonist） 拮抗肌指那些与运动方向相反或发动和维持相反运动的肌肉。原动肌收缩时，拮抗肌协调地舒张或适当地离心收缩，以保持关节活动的稳定性及提高动作的精确性，并能防止关节损伤。

3．固定肌（fixator） 固定肌是指为了发挥原动肌对肢体的动力作用，需将肌肉近端附着的骨做充分的固定，这类固定骨的肌肉即为固定肌。

4．协同肌（synergist） 协同肌是指原动肌跨过一个单轴关节可产生单一运动，如多个原动肌跨过多轴或多个关节，就能产生复杂的运动，此时需要其他肌肉收缩来消除某些因素，这些可辅助完成某些动作的肌肉，称为协同肌。

（二）肌腱和韧带的生物力学

肌腱是机体软组织中具有最高拉伸强度的组织之一，原因是其由胶原组成，而胶原是最强的纤维蛋白，同时这些纤维蛋白沿张力作用方向平行排列。

胶原的力学性质主要由胶原纤维的结构、胶原与细胞外间质、蛋白多糖之间的相互作用决定。骨-肌腱-肌肉结构的性质依赖于肌腱本身、肌腱与骨附着处、肌腱肌肉交界处三者的力学性质。

肌腱和韧带与许多组织一样，具有与时间和过程相关的弹性特征，即肌腱和韧带的伸长不仅与受力的大小有关，也与力的作用时间及过程有关。这种黏弹性反映了胶原的固有性质及胶原与基质之间的相互作用。肌腱和韧带与时间的关系可用蠕变-应力松弛曲线来描述。组织持续受到特定随时间延长发生的拉伸过程称为蠕变。

三、关节生物力学

（一）骨关节的基本概念

骨与骨之间连接的地方称为关节，如四肢的肩、肘、指、髋、膝等关节。骨关节由相邻的骨之间借结缔组织构成的囊相连，由关节囊、关节面和关节腔构成。

1．关节面 即构成关节各骨的邻接面，关节面上覆盖有一层很薄的光滑软骨。软骨的形状与骨关节面的形状一致，可以减少运动时的摩擦；同时软骨富有弹性，可减缓运动时的振荡和冲击作用。关节软骨属透明软骨，其表面无软骨膜。通常一骨形成凸面，成关节头；一骨形成凹面，成为关节窝。

2．关节囊 关节囊是由跨过关节附丽于邻近骨，独特的纤维组织所构成的膜性囊，密封关节腔。关节囊分为内、外两层，外层为厚而坚韧的纤维层，由致密结缔组织构成。纤维层增厚部分称为韧带，可增强骨与骨之间的连接，并防止关节的过度活动。关节囊的内层为滑膜层，薄而柔软，由血管丰富的疏松结缔组织构成，含有平行和交叉的致密纤维组织，并移行于关节软骨的周缘，与骨外膜有坚固连接。滑膜形成皱褶，围绕着关节软骨的边缘，但不覆盖软骨的关节面。滑膜层产生滑膜液，可提供营养，并起润滑作用。

3．关节腔 关节囊与关节面所围成的潜在性密封腔隙，称关节腔。腔内含有少量滑膜液，使关节保持湿润和滑润；腔内平时呈负压状态，以增强关节的稳定性。

相对的骨面之间有腔隙，腔内含有少量滑液。每个关节都有关节面、关节囊、关节腔，其活动幅度较大。某些关节，如膝关节，还有韧带、关节盘和半月板等辅助结构。关节疾病可使关节腔内液体增多，形成关节积液和肿大。关节周围有许多肌肉附着，当肌肉收缩时，可做伸、屈、外展、内收及环转等运动。

（二）骨关节的生物力学研究

1．关节的自由度 关节面的形态、运动轴的多少与方向，决定着关节的运动和范围，其运动形式基本上沿三个互相垂直的轴做三组拮抗性的运动。

（1）屈和伸：是指关节沿冠状轴进行的运动。运动时，两骨之间的角度发生变化，角度变小称为屈（flexion）；相反，角度增大称为伸（extension）。一般来说，屈指的是关节向腹侧面成角，而膝关节则相反，小腿向后贴近大腿的运动称为膝关节的屈，反之则称为伸。在足部，足上抬，足背向小腿前面靠拢为踝关节的伸，亦称背伸；足尖下垂为踝关节的屈，亦称跖屈。

（2）外展和内收：外展是关节沿矢状轴进行的运动。运动时，骨向正中矢状面靠拢，称收或内收（adduction）；反之，远离身体正中矢状面，称展或外展（abduction）。但手指的收展是以中指为准的靠拢、散开运动，足趾的收展是以第2趾为准的靠拢、散开运动。

（3）旋内和旋外：是指关节沿垂直轴进行的运动，统称旋转（rotation）。骨向前内侧旋转，称旋内（medial rotation）；反之，向后外侧旋转，称旋外（lateral rotation）。在前臂，桡骨是围绕通过桡骨头和尺骨头的轴线旋转，将手背转向前方的运动，称旋前（pronation），将手掌恢复到向前而手背转向后方的运动，称旋后（supination）。此外，有些关节还可进行环转运动（circumduction），即关节头在原位转动，骨（肢体）的远侧端做圆周运动，运动时全骨（肢体）描绘出一圆锥形的轨迹。能沿二轴以上运动的关节均可做环转运动，实际为屈、外展、伸和内收的依次连续运动，如肩、髋、腕等关节。

2．影响关节运动幅度的因素 限制关节活动范围的生理因素主要包括：骨性限制、软组织的限制、韧带的限制和肌肉的张力以及失神经支配等。

（1）拮抗肌的肌张力：如髋关节的外展动作受到内收肌张力的限制，使其不能过度外展，同样的，髋屈肌会限制髋部的伸展动作。又如，在膝关节伸展位进行屈髋将受到腘绳肌的限制。

（2）软组织相接触：如髋膝关节屈曲与胸腹部相接触影响髋膝关节的过度屈曲。

（3）关节的韧带张力：关节韧带强，则活动幅度就小，例如髋伸展受髋部韧带的限制，伸膝时会受到前交叉韧带、侧副韧带等的限制。

（4）关节周围组织的弹性情况：关节囊薄而松弛，关节的活动度较大，如盂肱关节与胸锁关节同属轴关节，但因关节囊松紧不同而关节活动度不同，前者较为灵活。

（5）骨组织的限制：如伸展肘关节时，会因关节形态而有骨与骨的接触，限制肘过伸。

此外，关节囊外软组织挛缩可导致关节活动受限，影响关节的主动、被动运动范围。临床上，由于关节长期制动、卧床、创伤、烫伤等造成肌肉皮肤短缩，形成瘢痕而导致挛缩。组织粘连发生于关节内、关节周围软组织以及引起该关节活动的主要肌肉。例如，关节组织受损伤后，大量的浆液纤维组织渗出，局部出现胶原纤维，导致粘连形成，又因为疼痛，关节活动少、不充分，使韧带、肌腱等被胶液粘在一起，一旦形成组织粘连，将影响关节的运动范围。同样，关节的周围组织烧伤、烫伤后形成的瘢痕也将与皮下软组织粘连，缩小关节的活动范围，影响关节的主动、被动运动。因此，应在不加重患者损伤及不引起难以忍受的疼痛的条件下，尽早做轻柔的关节被动或主动活动，维持关节周围组织的灵活性，防止粘连的发生，以缩短功能恢复的时间，增大关节活动范围。关节外伤后，关节腔内纤维软骨撕裂，使关节内产生异物，也可造成关节活动受限。关节疾病，例如类风湿关节炎、关节僵硬、异位骨化、骨性关节炎等，也将影响关节的活动范围。

（三）软骨的生物力学研究

1．关节软骨 关节软骨属于透明软骨，表面光滑，呈淡蓝色，有光泽，其是由一种特殊的致密结缔组织的胶原纤维构成的基本框架，这种框架呈半环形，类似拱形球门，其底端紧紧附着在下面的骨质上，上端朝向关节面。这种结构使关节软骨紧紧与骨结合起来而不会掉下来，同时当受到压力时，还可以有少许的变形，起到缓冲压力的作用。在这些纤维之间，散在分布着软骨细胞，软骨细胞由浅层向深层逐渐由扁平样至椭圆或圆形的细胞组成，这些软骨细胞维持关节软骨的正常代谢。

关节软骨的主要功能包括有：

（1）关节软骨能将作用力均匀分布，使承重面扩大。能最大限度地承受力学负荷，还能保护关节软骨不易损伤。

（2）润滑作用。关节软骨非常光滑，关节运动时不易磨损。关节软骨能维持人一生的活动而不损伤，良好的润滑作用起着关键性的作用。当关节滑膜有病变时，如类风湿关节炎等，滑液分泌异常，失去正常的润滑作用，影响关节功能发挥及关节软骨的营养供应。

（3）关节软骨具有力的吸收作用。人在一生中从事很多剧烈活动，例如冲击力的作用而不损伤关节，原因之一就是关节软骨有力或者能量的吸收作用。关节软骨不但光滑，还有弹性，能够最大限度地吸收、缓冲应力作用。关节软骨损伤后力的吸收作用降低，关节损伤、退变会进行性加重。

关节软骨没有神经支配，也没有血管，其营养成分必须从关节液中获得，而其代谢废物也必须排至关节液中，关节软骨的这种营养代谢必须通过关节运动，使关节软骨不断受到压力刺激才能进行，所以关节运动对于维持关节软骨的正常结构起着重要的作用。

（陈文明）