康复治疗学生物力学重点.docx

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康复治疗学生物力学重点

摩擦力在康复治疗中有广泛应用

为了提高动作稳定程度、可采用增加静摩擦力的方法。

例如．

●拐杖前的操皮垫，增加摩擦系数从而达到增加摩擦力的效果；

●矫形器内侧面增加纹路以增加摩擦力，使患侧更加吻合．防止损伤；

●斜板站立中注意斜板角度的变化从而引起摩擦力的变化，应在保障患者安全的同时达到牵拉小腿三头肌的效果。

●动摩擦力中，在二级肌力患者的肌力练习中．患者将患肢放于近似光滑的平面上．调整其接触面的摩擦系数或角度，以改变动摩擦力．从而达到增加肌力的目的。

肌肉力（Muscularforce）：

肌肉主动收缩时产生的力。

⏹肌肉由大量的纤维组成，当肌肉兴奋时，能够收缩产生张力，并在腱的附着点产生对骨的拉力，从而使物体产生运动或保留一定姿势。

●肌肉的稳定分量和转动分量：

1）稳定分量：

沿着骨的轴线作用，指向或背离关节转动轴心，这个分量起着稳定关节的作用，称为稳定分量

2）转动分量：

垂直于骨轴线，使骨产生转动的分量。

⏹力对物体作用的运动效应包括：

移动效应和转动效应。

●力偶的概念：

作用在同一物体上的大小相等、方向相反、作用线互相平行的两个力，称为力偶。

记作（F，）。

⏹力偶臂：

两个力作用线之间的距离。

⏹力偶作用面：

力偶的两个力作用线决定的平面。

⏹力偶的三要素：

力偶矩的大小、力偶的转向和力偶的作用平面。

⏹力偶对物体的作用只有转动效应而无移动效应。

⏹力偶矩：

组成力偶的两个力对其作用面内任一点之矩的代数和来度量。

力偶的作用效应取决于力的大小和力偶臂的长短，与矩心O的位置无关。

●力系：

指作用在物体上的一群力（或力偶）。

（一）力线平移定理

1、定理：

作用在刚体上的力F可以平行移动到刚体上的任意一点，但必须同时附加一个力偶，力偶矩等于力F对平移点之矩。

⏹平面力系平衡的必要和充分条件：

力系的主向量R和力系对任意点的主矩都等于零。

手杖的使用具有重要的临床意义。

如果髋外展肌受伤，使用手杖可使髋外展肌力减小，从而明显地减轻疼痛。

如果股骨颈骨折，使用手杖会有助于防止其他病变发生。

精通医术的矫形外科医生，对患股骨颈骨折的患者。

在骨折的六个月内，行走时都要使用拐杖。

因使用手杖是减少髋关节负荷的有效方法。

1．根据平衡人体重心与支撑点的位置关系，平衡种类可分为上支撑平衡、下支撑平衡和混合支撑平衡三类。

（1）上支撑平衡：

支撑点在重心上方的平衡。

如各种悬垂类动作。

这类平衡比较稳定，在康复运动时可以利用拐棍，将支撑点从地面移到腋下，形成上支撑平衡，增加患者行走的稳定程度。

（2）下支撑平衡：

支撑点在重心下方的平衡，如手倒立等。

这类平衡需要一定的技巧。

人体站立也是下支撑平衡，脑和神经的损伤、疾病，都容易造成其技巧丧失，因此，在康复中常见此类平衡。

（3）混合支撑平衡：

既非完全上支撑，又非完全下支撑的平衡。

如肋木侧平衡。

在患者行走的康复训练中，经常采用扶双杠行走练习，也是混合支撑平衡的事例。

3、影响人体下支撑稳定性的因素

（1）支撑面：

在下支撑物体的平衡中，都有一定的支撑面。

支撑面积愈大，物体平衡的稳定性也愈大。

支撑面积是由各支撑部位的表面及它们之间所围的面积组成。

（2）重心高低：

重心高低对稳定性也有影响。

一般地讲，重心愈低，稳定性就愈大。

（3）稳定角：

所谓稳定角就是重心垂直投影线（或称重力作用线）和重心至支撑面边缘相应点的连线间的夹角。

稳定角愈大，物体的稳定程度愈大，即物体在某方位上平衡稳定性的储备能力愈大。

（1）稳定平衡：

物体的平衡位置无论有多大偏离，当去掉破坏平衡的力后，物体就能恢复到原来的平衡状态，如玩具不倒翁。

此类平衡的特点是当物体偏离平衡位置时，其重心升高，产生使物体恢复到原来状态的重力矩（稳定力矩）。

（2）不稳定平衡：

物体稍偏离平衡位置后，当去掉破坏平衡的力时，不能再恢复到原来的平衡位置。

在这种平衡中，其特点是当物体偏离平衡位置时，重心降低，这时出现的重力矩将增大物体的偏离程度，使其不能再回复到原来的位置上，这种情况仅在下支撑中出现，且是点支撑或线支撑，其平衡多属于不稳定平衡，如康复训练中的单脚站立。

人体平衡在康复训练中的应用

坐位平衡训练练习坐位平衡时，为了使患者获得躯干的控制能力和头向健侧屈的姿势反应能力，应指导患者拉长患侧颈部和躯干的侧屈肌，抬高肩胛带，同时与上肢负重结合起来。

开始可用前臂支撑，或在治疗师的帮助下活动上躯干，然后在整个上肢伸展负重时进行。

以身体重心向侧方移动为训练目标时，应兼顾健侧和患侧的双向练习。

应力（内力分布集度）：

分布在单位面积上的内力——表征内力在截面上的聚集状态。

泊松比：

横向应变与纵向应变之比的绝对值称为泊松系数。

张应变：

绝对伸长不能充分地描述长度的变化，为此引入绝对伸长与原长之比（即相对伸长）——单位长度的伸长量

⏹切应变：

设上下两面间的垂直距离为d，相对位移为，则

●弹性模量（elasticmodulus）:

材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。

“弹性模量”是描述物质弹性的一个物理量，是一个总称，包括“杨氏模量”、“剪切模量”、“体积模量”等。

材料强度：

结构杆件所用材料在规定的荷载作用下，材料发生破坏时的应力称为强度。

要求不破坏的要求，称为强度要求。

根据外力作用方式不同，材料的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。

失效（Invalidation）：

构件在外力的作用下，发生断裂或塑性形变，从而影响其正常功能的现象。

许用应力：

是构件正常工作时的极限值，即要求工作应力不超过许用应力。

⏹当剪应力低于材料的剪切比例极限时，剪应力与剪应变成正比。

——胡克定律

截面法：

是求构件内力的方法。

假想用一平面将物体截成两部分，只取其中一部分为研究对象，画其受力图。

此时截面上作用力就是截面上的内力。

扭矩（Torsionmoment）：

作用在轴内部截面上内力的力矩（力偶）

横截面m-m上内力偶的矩称为弯矩。

粘弹性特点：

●应力松弛

●蠕变

●弹性滞后

应力松弛（stressrelaxation）：

当负荷作用于物体而使之突然发生形变后，如保持应变一定时，其应力随时间逐渐减小，这种现象称为应力松弛。

蠕变（creep）：

在持续不变的载荷作用下，应变随着时间的增加而逐渐增加的现象。

⏹弹性滞后

⏹材料的应变响应滞后于应力响应，致使一个加载、卸载过程中的应力-应变曲线形成一个迟滞回线，迟滞回线的面积表示一个加载过程的能量损耗。

图1.结出了椎间盘的蠕变曲线。

在开始阶段蠕变速率很高，随着时间的延长速率降低，在30min以后变形不再继续增长。

在载荷不大时，当卸载后经过一段时间，变形可完全消失，仅当载荷过大时，才会出现永久变形。

图2.是椎间盘的松弛曲线。

它是施加初始应变并保持这一应变而得出的。

当时间无限延长时，应力并不趣于零而保持一有限值。

故椎间盘从总体上看是属于粘弹性固体材料。

粘弹性体的基本力学模型

Maxwell模型：

由一个弹簧和一个阻尼器串联而成。

Voigt模型

⏹

由一个弹簧和一个阻尼器并联而成。

两个元件具有相同的应变，即

而应力为两个元件的应力之和。

即

拉伸应力作用于上侧，压缩应力作用于下侧。

应力在骨周边较高，而在中性轴最低。

离中性轴越远，应力越高。

由于骨的几何形状不对称，故应力分布不均匀。

扭转就是载荷作用于物体造成结构体沿着轴线发生扭曲，在物体内部产生扭矩（torque）（或称力矩）。

当物体受到扭转负载时，整个物体就分布剪切应力。

物体发生弯曲时，这些应力的强度与它们距中性轴的距离呈比例关系（图2-29）．

应力离中性轴越远，强度就越大。

图2-33A显示了滑雪者向前摔倒的示意图。

胫骨受到了弯矩的作用，在胫骨后侧产生了很高的张应力，胫骨前侧产生了很高的压应力。

小腿三头肌的收缩在胫骨的后侧产生了很强的压应力（图2—33B），这样就抵消了胫骨后侧大量的张应力，从而避免了，胫骨在张应力作用下发生骨折。

图2-34股骨颈受到弯曲负载时的应力分布,当臀中肌松弛时（上方），张应力作用于股骨颈上部

皮质骨，压应力作用于下部皮质骨。

臀中肌收缩（下方）能够抵消张应力

髋关节运动过程中弯矩作用于股骨颈，在颈上部的皮质处产生张应力。

臀中肌的收缩产生压应力，这种压应力能够抵消张应力，最终的结果就是颈上部皮质骨既没有受到压应力也没有受到张应力。

因此，肌肉收缩使股骨颈能够承受更高的载荷。

骨的应变率依赖性

图2-355种应变率下皮质骨的应变率依赖性随着应变率的增加，骨的刚度（模量）和强度也显著增高

骨是一种粘弹性（viscoelastic）材料，所以它的生物力学特征随着它受到的加载速率的变化而发生改变（即作用力加载和移除时的速率）。

加载于骨的载荷速率越高，骨在骨折前表现出的刚度就越高，能承受的载荷也就越高。

假设加载速率处于骨可承受的生理限度之内，则加载速率越高，骨积累的能量也越多。

通常在构件截面尺寸改变的地方，会引起局部应力过大的现象，称为应力集中。

孔边最大应力与同一截面上应力均匀分布时的应力值之比叫应力集中系数k。

应力集中对塑性材料来说可以忽略，对脆性材料来说，它的存在将大大地影响构件的强度。

骨具有重建能力，通过改变其大小、形状和结构来适应外界的力学要求（Buckwa[teretaI．，1995）。

这种骨能够随着应力的作用水平变化而获得或丢失松质骨和（或）皮质骨的现象称之为Wolff定律，说明机械应力能够影响和调节骨的重建活动。

活体骨按其所受应力而改变成分、内部结构和外部形态。

长期处于失重状态能够导致承重骨发生骨量丢失，比如太空旅行。

●宇航员会经历快速的钙丢失及由此引发的骨量减少。

●废用和活动减少状态对骨骼是有害的。

●卧床休息能造成每星期丢失约1％的骨量。

部分或者完全制动状态下，骨不能受到正常机械应力的刺激，将会导致骨膜和骨膜下骨吸收以及骨力学性能下降（如强度和刚度）。

骨的生物力学特征

●骨是一种复杂的双相复合材料。

一相由无机矿物盐组成，另一相由有机基质组成，包括胶原和无定形基质。

无机成分使骨具有硬度和刚度，而有机成分使骨具有柔韧性和弹性。

●从微观上讲，骨的功能结构单位是骨单位，或者称为哈佛系统。

这个系统是由矿化基质以同心圆排列方式包绕在中央管的周围所构成，中央管含有血管和神经纤维。

●从宏观上讲，骨骼由皮质骨和网状骨（松质骨）组成。

皮质骨的密度比较高，而松质骨的密度值则差异很大。

如何确定人体中关节转动中心？

胫股关节瞬时中心的定位

●摄片前，在股骨上找解剖上容易区别的A、B两点；

●用X光拍摄膝关节由伸直位置开始逐渐弯曲的侧面图。

每隔10°照一张片，直到最大弯曲为止。

●利用重叠法，将每张X光片上的A、B两点确定出来，A、B的移动轨迹可用记录仪记录下来。

●当股骨由A伸展10°致点A1时，先将A1和A连接，再画一中点垂直线，用同样方法再画BB1中点垂直线，则两垂线的交点便是伸展过程中每旋转10°的瞬时旋转中心。

注意：

摄片时必须避免关节旋转，并保持正确的侧面位置。

对膝关节有病的患者，仅摄可能弯曲、伸展运动范围。

切除半月板后，不仅应力集中在中心部，同时由于胫骨和股骨的接触减少，还会改变负荷的分布。

所以切除半月板要特别慎重。

●髌骨切除的膝关节其髌韧带比正常膝更靠近胫股关节的瞬时中心（图）。

由于力臂缩短，股四头肌必须产生比正常膝更大的力才能维持膝关节恒定的力矩。

●髌骨的切除可使膝完全伸直的股四头肌力增加约30％，这可能超过病人的股四头肌收缩能力，故对髌骨切除应慎重考虑。

Johnston和Smidt（1969）以电子测角仪研究步态周期中额状面上（外展一内收）和横断面上（内一外旋）的运动。

●在摆动相出现额面内的外展，刚好在足趾离地后，外展最大。

足跟着地时，髋关节变成内收，一直持续到站立相（支撑段）后期。

●在横面内，髋关节在整个摆动相内都外旋，刚好在足跟着地前内旋。

关节内旋一直保持到站立相后期再度发生外旋为止。

椎间盘的生物力学特点：

1.椎间盘的纤维环与终板成30º角，每层纤维环之间互成120º，故椎间盘可承受较大的压力而不破裂。

若压力加大，常常引起软骨板和椎体的破裂或骨折。

2.实验证实，脊柱屈曲加旋转时受力是损伤椎间盘的主要原因。

3.椎间盘内是半流体胶状物，在密封下受力时只有变形而容量不变。

震荡力反复作用于同一个椎间盘，其滞后力就会变小，也就容易发生椎间盘破裂，所以，汽车司机、摩托车司机得腰椎间盘突出症的较多。

4.在日常活动中，椎间盘的承载力形式复杂，通常是压缩、弯曲和扭转的组合．这些载荷的联合作用可对椎间盘造成更大危害。

5.推间盘的总体结构有利于对抗压缩，但并不十分有利于对抗其他负荷．对张力特别是扭力的耐受能力不如压缩力。

6.由于椎间盘的生物修复和再生能力很低，所以它的疲劳特性十分重要。