第三章　运动学与生物力学基础

第一节　人体运动学

人体运动学（kinesiology）是运用力学原理和方法来研究人体运动时产生的各种活动功能以及生理、心理的改变的科学，主要研究在外力或内力的作用下，身体位置、速度、加速度间的相互关系。

人类身体的运动形式有平移和旋转。 人体所有的运动都由平移及旋转运动组成。 平移是指身体部位进行的平行、同一方向的移动，平移可以在直线或曲线方向内进行。 旋转是身体部位围绕某一旋转轴进行的平面或空间的运动，旋转轴的位置在旋转主体中位移为零的部位，对于肢体或躯干，旋转轴的位置就在关节上或关节附近。

一、肌肉骨骼运动学

（一）肌肉的收缩形式

骨骼肌的两端附着于骨骼上，随肌纤维的缩短、延长或不变，产生复杂的功能活动，其收缩形式有等张收缩、等长收缩和等速收缩。 肌肉收缩时，如果阻力负荷低于肌肉所产生的力时肌肉发生的收缩称为向心性收缩（concentric contraction）；如果阻力负荷大于肌肉收缩所产生的力，肌肉被拉长，称为离心性收缩（eccentric contraction）。

1.等张收缩（isotonic contraction）

在肌肉收缩时，整个肌纤维的长度发生改变，张力基本不变，可产生关节的运动。 此类肌肉收缩又根据肌肉纤维长度变化的方向不同分为：

（1）等张向心性收缩：

肌肉收缩时肌纤维向肌腹中央收缩，长度变短，肌肉的起止点相互接近，如肱二头肌的收缩引起的肘关节屈曲。

（2）等张离心性收缩：

肌肉收缩时肌纤维的长度变长，肌肉起始端远离，此时的肌肉收缩是为了控制肢体的运动速度，如下蹲时，股四头肌收缩但其长度延长，其作用是控制下蹲的速度。

离心性运动的机械效率高而耗氧量低，因此离心性运动消耗的能量少。 离心性运动的另一优点是，与向心性运动相比较，在相同的收缩速度下，肌肉做最大自主性收缩和产生最大力矩时，神经肌电活动则只表现为次最大活动。 而且，反复地进行离心性收缩训练也可以增加肌肉对抗运动性延迟性肌肉疼痛的能力。

2.等长收缩（isometric contraction）

肌肉收缩时整个肌纤维的长度基本不变，所做功表现为肌张力增高，不产生关节的运动。

3.等速收缩（isokinetic contraction）

肌肉收缩时产生的张力可变，但关节的运动速度是不变的。 等速收缩也分为向心性和离心性收缩，等速收缩产生的运动称为等速运动。

（二）作用于人体的力

肌肉骨骼系统常见的载荷有拉伸、挤压、弯曲、剪切、扭转以及混合载荷。 正常组织在一定范围内具有对抗结构或形态变化的能力，但若某一组织由于疾病、损伤或长期不活动，抵抗载荷的能力将大为降低，骨质疏松发生后，压力、扭转和弯曲等载荷，有可能造成骨折。

1.内力

指人体内部各种组织器官相互作用的力。 其中最重要的是肌肉收缩所产生的主动拉力，这是维持人体姿势和产生运动的动力；其次是各种组织器官的被动阻力。

2.外力

指外界环境作用于人体的力。 主要的外力有：重力、机械阻力、支撑反作用力、摩擦力、流体作用力等。

（三）人体的力学杠杆

肌肉、骨骼和关节的运动都存在着杠杆原理。 杠杆有三个点：力点、支点和阻力点。 在人体，力点是肌肉在骨上的附着点，支点是运动的关节中心，阻力点是骨杠杆上的阻力，与运动方向相反。 支点到力点的垂直距离为力臂，支点到阻力点的垂直距离为阻力臂。 根据力点、支点和阻力点的不同位置关系可分为三类杠杆（图1-3-1）。

1.第一类杠杆

支点位于力点与阻力点之间，主要作用是传递动力和保持平衡，故称之为“平衡杠杆”。 支点靠近力点时有增大速度和幅度的作用，支点靠近阻力点时有省力的作用。 如肱三头肌作用于鹰嘴产生伸肘动作，由于肌肉附着点接近肘关节，故手部有很大的运动弧度，然而手部较小的阻力即可阻止肱三头肌的运动。

2.第二类杠杆

阻力点位于力点和支点之间。 这类杠杆力臂始终大于阻力臂，可用较小的力来克服较大的阻力，有利于做功，故称之为“省力杠杆”。 如足承重时跖屈使身体升高，原理类似于抬起独轮推车的车把，其特点是阻力点移动的力矩小于肌肉的运动范围。

3.第三类杠杆

力点位于阻力点和支点之间。 此类杠杆因为力臂始终小于阻力臂，力必须大于阻力才能引起运动，不省力，但可以获得较大的运动速度，故称之为“速度杠杆”。 如肱二头肌引起屈肘动作，运动范围大，但作用力较小。

人体中多数是一、三类杠杆，其特点是将肌腱的运动范围在同方向或反方向上放大，比较费力，肌肉附着点越靠近关节越明显。 这种排列的生物学优势是肌肉集中排列，能使四肢更轻、更细。 若一块肌肉跨过关节分别止于两块骨上，一块固定，另一块可动，肌肉收缩可产生两个效应，即转动效应和关节的反作用力。

二、关节运动学

关节是由两块或更多的骨或肢体节段连接而成。 关节的位移无论是平移或旋转，都可描述为主动或被动，主动运动是由活动的肌肉引起；被动运动是由肌肉以外的动力所驱动，如他人的推力、重力或牵拉结缔组织的张力。 关节的运动学是指关节表面的活动，大多数关节表面都有一些弯曲，即其中一面相对凸起，另一面相对凹陷，这种凹凸的连接可以增加关节面积、增强吻合度，起到稳定关节的作用。

1.运动面与旋转轴

人的身体运动是三维的，有三个基本平面，即水平面、矢状面和冠状面。 骨骼会在一个与旋转轴垂直的平面内围绕关节旋转，而轴的位置就在关节的凸面。 例如，肩可以在三个关节面上运动，即有三个旋转轴。 屈曲和伸展沿内外轴即冠状轴旋转；外展和内收沿着前后即矢状轴进行；内旋和外旋沿着垂直轴进行。 尽管三个直交的轴线是固定的，但事实上在关节活动范围内，每个轴线都会有微小的移动。 只有在一种情况下旋转轴会保持固定，即关节的突起是一个平滑的球面，而与之吻合的是一个平滑的凹面。

2.关节表面的基本运动

包括滚动、滑动和转动。 滚动是指一个旋转关节面上的多点与另一关节面上的多点相接触；滑动是指一个关节面上的单个点与另一关节面上的多个点相接触；转动是指一个关节面上的单个点在另一关节面上的单个点上的旋转（图1-3-2）。

3.关节运动原理

为临床手法治疗提供了理论依据。 凸面对凹面的运动而言，凸面的滚动与滑动的方向相反；凹面对凸面运动而言，凸面的滚动与滑动的方向相同。 在盂肱关节的凸-凹面活动中收缩的冈上肌驱动凸起的肱骨头在关节窝内滚动，致使肱骨外展。 滚动的凸面一般都会伴有反方向的滑动，肱骨头向下的滑动抵消了由于肱骨头滚动出现的向上移动。

滚动-滑动与旋转组合：人体中的某些关节可以产生滚动-滑动与旋转组合，如膝关节的屈曲（图1-3-3）和伸展，在进行股骨对胫骨的伸展时，股骨髁为凸起面，胫骨平台为小凹面，相对固定的胫骨与股骨内、外侧髁产生滚动和滑动，股骨同时轻微向内自旋。 若胫骨相对于固定的股骨伸展，同样出现上述现象，在膝关节，伴随屈曲和伸展产生的自旋是自动发生的，这样相适应的旋转可以在完全伸膝时帮助锁定膝关节。

4.关节运动

关节的活动可以从两个方面描述，即近端对远端和远端对近端节段的运动：①近端节段可以围绕远端相对固定的节段旋转；②远端节段可以围绕近端的相对固定节段旋转。 如进食和抛球是典型的由上肢驱动的远端对近端节段的运动，而引体向上，是上肢近端对远端节段的运动。

5.运动链（kinetic chain）

指一系列的关节链接。 人体若干环节借助关节按一定顺序衔接起来，称为运动链，通常将一侧上下肢视为一条长链。 运动链分为开链和闭链，在物理医学与康复中经常用于描述节段的相对运动，如近端固定，远端游离即为开链，而远端闭合，近端运动即称为闭链。 股四头肌椅训练、步行中的摆动相是典型的开链运动，蹲站、双上肢撑地俯卧撑、蹬车训练则属于闭链运动。 利用开链和闭链运动有着各自的特点和作用，可指导临床康复治疗。