第四章　人体运动学基础

人体的肌肉骨骼系统是一个复杂的力学系统，其中骨骼为力学支柱，除支撑起人的外形，还承受着体重，并为肌肉活动提供动力联系和附着点。但骨骼本身不能运动，需依赖肌肉的牵引及关节的转动。其运动规律属于运动学范畴，遵循力学的基本规律。

一、骨关节的运动与力学杠杆

（一）骨关节的运动

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：围绕关节的旋转和线形位移。骨骼围绕关节的旋转会产生关节的滚动-滑动，线形位移产生关节的滑行（slip）、牵引（traction）、压缩（compress）。

1.骨骼的旋转

主动运动和被动运动均可使骨骼产生围绕关节的旋转（rotation），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，又称解剖运动。而围绕多于一轴并产生多于一平面的骨骼运动，即为多轴旋转，又称功能运动。

（1）正常关节运动：

正常关节的运动可产生滚动-滑动。滚动发生于两关节面形状不同的情况下。滑动发生于一侧关节面的一点接触对侧关节面的不同点时。

（2）制动：

当关节活动受到限制时，关节的正常滚动-滑动被干扰，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动时，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骨骼上的外力而形成的，分为牵引、压缩和滑行。治疗面是指经过关节凹面，垂直于旋转中心与关节接触面中点连线的平面。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，凸面移动时，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。

（二）力学杠杆

1.人体力学杠杆的组成与分类

骨骼、肌肉及关节的运动过程中都存在着杠杆原理。杠杆包括力点、支点和阻力点三个部分。在人体中，力点为肌肉在骨骼上的附着点，支点为运动关节的中心，阻力点为作用在杠杆上、与运动方向相反的阻力。根据力点、支点和阻力点之间不同的位置关系可分成三类杠杆。

（1）第一类杠杆：

平衡杠杆（balance lever）支点位于力点与阻力点之间（图4-0-1），主要作用为传递动力和保持平衡。例如，颈后部肌肉作用于寰枕关节使头后仰，其中颈后部肌肉附着点为力点，寰枕关节为支点，头部重心为阻力点。

（2）第二类杠杆：

省力杠杆（save labour lever）阻力点位于力点和支点之间（图4-0-2）这类杠杆的力臂大于阻力臂，在克服较大阻力时只需较小的力。在静态的人体上，这类杠杆极为少见，只有在动态时可以见到，例如站立位垫脚尖时，跟骨与跖骨构成杠杆，小腿三头肌跟腱在跟骨上的附着点为力点，跖趾关节为支点，阻力点位于支点和力点之间，为人体重力通过距骨体形成。

（3）第三类杠杆：

速度杠杆（speed lever）力点位于阻力点和支点之间（图4-0-3），此类杠杆的力臂小于阻力臂，故力必须比阻力大才能引起杠杆运动。此类杠杆不省力，但可以使远端获得较大的运动速度。例如屈肘时，力点为肱二头肌在桡骨粗隆上的止点，在支点和阻力点之间，支点位于肘关节中心，阻力点为手及所持重物的重心，屈肘时，肱二头肌缩短较小的距离就能引起手较大范围的运动。

2.人体杠杆的力学特性

（1）省力：

如果要用较小的力去克服较大阻力，就需要延长力臂或缩短阻力臂。例如通过籽骨能增长力臂，像髌骨就延长了股四头肌的力臂。同样，缩短阻力臂也能够省力，如提重物时，重物越靠近身体越省力。

（2）获得速度：

许多动作不要求省力，而要求获得较大的运动速度和幅度，如投掷物体、踢球、挥拍击球等。

（3）防止损伤：

人体杠杆大都属于第三类杠杆，当阻力过大时容易引起力点和支点的损伤。因此在康复治疗过程中，特别注重强化肌肉的训练，同时应适当降低阻力和阻力矩，起到保护运动杠杆免受损害的作用。

二、人体生物力学

生物力学是应用力学原理和方法，结合生理学、医学及生物学对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支。

（一）骨骼生物力学

1.骨骼的生物力学特性

（1）骨的组成及生物活性：

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、黏蛋白、无机结晶和水组成。骨的生物活性来源于骨细胞。胶原纤维借助黏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、部位等因素影响。

（2）骨的变形：

最为常见的是弯曲和扭转。弯曲（bending）是线应变沿特定方向上的连续变化，扭转（torsion）是角应变沿特定方向上的连续变化。骨发生弯曲和扭转时，骨皮质部受的力最大，而骨皮质是骨骼中最坚硬的部位，其抗压、扭转力最强。

2.应力对骨生长的作用

（1）应力（stress）是在单位面积上的作用力。

（2）骨的再生和修复：

骨骼实际是一种能再生（regeneration）、能修复（repair）的生物活性材料。研究表明，所有骨骼都有其特定的最适宜的应力范围，所受应力过高或过低都会加速其吸收。如肢体瘫痪患者，其骨骼由于长期缺乏肌肉运动所产生的应力作用，使骨的吸收加快，故而产生骨质疏松。

（3）骨折愈合：

骨折后的骨愈合需形成骨痂（callus），而形成骨痂需要应力的作用。骨的重建实际是骨对应力的适应过程，即骨在需要承受应力的部位生长，而在不需要的部位吸收。

（二）关节生物力学

骨与骨之间借纤维组织、软骨或骨组织以一定的方式相互连接组成的结构称为关节。根据骨间连接组织的不同和关节活动的差异，可将关节分为动关节和不动关节两类。

（三）骨骼肌的生物力学

1.肌肉的类型

骨骼肌按其在运动中的作用不同，又分为原动肌、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叫原动肌。

（2）拮抗肌（antagonist）：

指那些与运动方向完全相反或发动和维持相反运动的肌肉。如在屈肘运动中，肱二头肌是原动肌，而肱三头肌是拮抗肌。

（3）固定肌（fixator）：

为了发挥原动肌对肢体的动力作用，部分肌肉需将原动肌近端附着的骨骼作充分固定，这类肌肉即为固定肌。如在肩关节，当臂下垂时，冈上肌起固定作用。

（4）协同肌（synergist）：

一块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，包括需要其他肌肉收缩来消除某些因素，这些肌肉可辅助完成某些动作，被称为协同肌。

在不同的运动中，某块肌肉可担当原动肌、拮抗肌、固定肌或协同肌等不同的角色。即使在同一运动中，同一块肌肉的作用也会改变。

2.肌肉的收缩形式

骨骼肌在运动神经的支配下，产生肌肉的收缩或肌张力增加，在骨关节和韧带的配合下完成躯体的各种运动。

（1）等长收缩（isometric contraction）：

是指肌肉收缩时只有张力的增加而无长度的变化。此时肌肉承受的负荷等于或大于肌肉收缩力。它的作用主要是维持人体的位置和姿势。

（2）等张收缩（isotonic contraction）：

是指肌肉收缩时只有长度的变化而无张力的改变，并有关节的运动。人体骨骼肌的收缩大多是混合式收缩，也就是说既有张力的增加又有长度的变化，而且总是张力增加在前，当肌张力增加到超过负荷时，肌肉收缩才出现长度的变化，一旦出现长度的变化，肌张力就不再增加了。

3.骨骼肌收缩与负荷的关系

影响骨骼肌收缩的主要因素有前负荷、后负荷和肌肉的收缩力。

（1）前负荷（preload）：

前负荷是指肌肉收缩前已存在的负荷，它与肌肉的初长度关系密切。初长度是指肌肉收缩前在前负荷作用下的长度。肌肉处于最适初长度时收缩产生的张力最大，收缩速度最快，做功的效率也最高。

（2）后负荷（afterload）：

后负荷是指肌肉开始收缩时承受的负荷。肌肉在有后负荷的情况下收缩总是肌张力增加在前，肌长度缩短在后。

（3）肌肉收缩力：

肌肉收缩的力量在临床上简称肌力，其大小受很多因素的影响，如肌肉的生理横断面、肌肉的初长度、运动单位募集、肌纤维走向与肌腱长轴的关系和骨关节的杠杆效率等。

4.运动对骨骼肌的影响

肌肉组织具有很强的适应能力，肌肉的适应性因训练方式的不同有很大的差别。

（1）力量训练：

高强度训练可增加肌肉力量，这是肌肉横截面积增加的结果。未受过训练的人，最多只有80%的运动单位可在神经系统参与下收缩。力量训练可改变中枢神经系统对运动单位的作用，使更多的运动单位同步收缩而产生更大的收缩力量。

（2）耐力训练（endurance exercise）：

耐力训练中，肌肉产生的适应性变化主要是来自能量供应方面而不是肌肉的体积变化。因此，随着有氧训练而产生的耐力素质的改善是源于中枢和外周循环以及肌肉的代谢变化。同时肌肉收缩对能量的利用也产生了节省化的适应性反应。

（3）无氧训练（anaerobic exercise）：

持续数秒至2分钟的高强度训练主要依赖于无氧代谢途径供能。其能量主要来源于储存的磷酸肌酸分解为ATP以及葡萄糖的酵解。无氧训练所产生的人体适应性变化主要表现为磷酸肌酸的储存量增加。

（4）运动对肌纤维类型的影响：

超负荷训练可使运动单位里所有成分发生适应性反应，肌肉组织的这种可塑性使得肌纤维在形态学上和功能上均随所受的刺激强度变化发生改变。极限训练可使肌纤维的类型发生转变。同样，改变对肌肉刺激的频率也可改变肌纤维的类型。

（四）软骨的生物力学

软骨（cartilage）由软骨组织和其周围的软骨膜构成。软骨具有一定的硬度和弹性，其作用依所处部位而异。

1.软骨的分类

根据软骨间质内纤维种类的不同，可将软骨分为透明软骨、弹性软骨和纤维软骨3种类型。

2.软骨的生物力学特性

因对于运动来说，覆盖在关节表面的软骨为其提供了重要结构基础，故我们下面以关节软骨为例讲述软骨的生物力学特性。

（1）渗透性（osmosis）：

关节软骨中的胶原、蛋白多糖与其他分子能组成强大、耐疲劳、坚韧的固体基质，从而来承受负重时所产生的压力和张力。

（2）黏弹性（viscoelastic）：

关节软骨具有黏弹性，表现为当持续均衡负重或变形时，软骨呈现时间依赖性，压力不变，随时间的延长，其形变增加。同样，当组织发生形变并保持一定的应变值时，会发生应力松弛。此乃软骨的蠕变特性。

（3）剪切特性：

关节软骨中随机分布的胶原结构决定了其具有明显的剪切特性。胶原纤维的牵张作用与相嵌其间的蛋白多糖分子的剪切力使得软骨具有剪切应力-应变反应。

（4）拉伸特性：

当一块材料受到拉伸或压缩时，其容积发生变化。在拉伸试验中，无论是流体依赖性的黏弹性机制、还是非流体依赖性的黏弹性机制均在软骨对张力的反应中起作用。

（5）负荷对软骨的作用：

关节的运动和负重对维持正常关节软骨的组成、结构和机械特性非常重要。负荷的类型、强度和频率将直接影响关节软骨的功能。

（6）关节结构破坏对软骨的影响：

关节结构破坏可改变关节表面应力的大小，与关节不稳和软骨的生化改变密切相关。

（五）肌腱和韧带的生物力学

1.肌腱的生物力学性质

（1）胶原是人体中最强的纤维蛋白，而肌腱由胶原组成，是机体软组织中具有最高拉伸强度的组织之一。肌腱与许多组织一样，具有与时间和过程相关的弹性特性，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。

（2）影响肌腱力学的因素

1）解剖部位：不同解剖部位肌腱的生物力学性质不同。如成年猪趾屈肌腱的极限拉伸强度是趾伸肌腱的三倍，研究表明趾屈肌腱的胶原含量比趾伸肌腱多。

2）锻炼和固定：锻炼对肌腱的结构和力学性质有长期的正面效应。例如经长期训练后，猪趾屈肌腱的弹性模量、极限载荷都有增加。

3）年龄：随年龄的增长，肌腱胶原纤维波浪弯曲角度减小，导致应力-应变曲线中“延滞” 区域减少。青壮年和老年的肌腱极限拉伸强度显著高于未成年人。青壮年肌腱的模量高于未成年人和老年人。

2.韧带的生物力学

（1）拉伸特性：

韧带的拉伸特性是按照骨-韧带-骨复合体的结构性质来确定的，属于韧带本身的力学性质。

（2）骨-韧带-骨复合体的结构性质：

可从单轴拉伸试验中的载荷-拉伸曲线中获得。韧带具有非线性、应变强度结构的特征。这种特征可能是由于胶原纤维具有波浪状弯曲而且部分纤维的排列方向不一致所致。

（3）力学特性：

韧带的力学特性也可从单轴拉伸试验中获得。在应力-应变曲线（图4-0-4）中可得到弹性模量、拉伸强度、极限应变以及应变能量。韧带与肌腱一样，由于胶原和基质之间的相互作用，其具有与时间及过程相关的黏弹体的特点。

（4）影响韧带特性的因素

1）骨骼的成熟情况：

对兔的研究表明，兔股骨-内侧副韧带-胫骨复合体的结构性质以及韧带本身的力学性质都随骨骼成熟程度的增加而变化。

2）年龄：

韧带的拉伸特性随年龄的增长逐渐减弱。

3）关节活动：

关节重新活动可使股骨-内侧副韧带-胫骨复合体和股骨-前交叉韧带-胫骨复合体的结构特性由固定后的结果发生缓慢的逆转。韧带附着处力学特性的恢复要比韧带本身恢复的慢，固定几周则需要几个月的时间进行活动使之恢复正常。

（六）脊髓的生物力学

1.结构特点

脊髓是中枢神经的一部分，位于脊椎骨组成的椎管内，呈长圆柱状。如除去周围的神经根，齿状韧带组织，将脊髓悬吊起来，其长度可因自身重量而延长10%，此时若想使其继续延长，可突然出现弹性阻力。

2.位移曲线

当脊髓受压时，开始很小的力即可使其发生很小的变形，之后随应力的增加进一步发生变形，直至塌陷。脊髓的生物力学特性与其组织特性有关，其发生变形的第一阶段有较大的伸缩性，由脊髓的折叠性形成，可在很小的外力下折叠或展开；第二阶段中，脊髓展开或折叠达到极限，脊髓组织直接承受到外力作用以10为指数迅速增加。

3.脊柱活动与脊髓的关系

前期脊髓可随椎管长度的改变发生相应变化，其折叠性可满足脊柱从完全伸直到完全屈曲所需的70%～75%的长度变化。生理活动的极限部分由脊髓本身的弹性变形来完成。

（七）神经根的生物力学

1.结构特点

与周围神经不同，脊神经根只在近神经节处才有一薄层神经外膜，而外周神经有厚厚的神经外膜。脊神经由神经纤维和胞体组成，而外周神经只由神经纤维组成。

2.应力曲线

脊神经仅能被牵拉15%～23%，直腿抬高试验时脊神经可在神经根管内滑动2～5mm。假如神经受到压迫，这种正常的神经根活动就会受到限制，在被牵拉的过程中，可产生神经的激惹和炎症，此时神经内的张力升高，在神经内可能发生小范围结构上的破坏，从而造成神经根生物力学特性的改变。

（岳寿伟 魏 慧）

参考文献

［1］岳寿伟.腰椎间盘突出症的非手术治疗.第4版.北京：人民军医出版社，2012.

［2］Gabrielli F，Subit D，Ogam E，et al.Time-frequency analysis to detect bone fracture in impact biomechanics.Application to the thorax.Med Eng Phy，2009，31（8）：952-958.