1、第一章第一章 总论总论内容内容第一节第一节 人体运动学基础与概念人体运动学基础与概念第二节第二节 运动学基础运动学基础第三节第三节 动力学基础动力学基础第四节第四节 静力学平衡静力学平衡第五节第五节 生物力学基础生物力学基础第六节第六节 人体运动的能量代谢人体运动的能量代谢第七节第七节 人体运动的效果评价人体运动的效果评价第五节第五节 生物力学基础生物力学基础材料力学相关概念材料力学相关概念1 运动生物力学运动生物力学2 为了引入应力的概念，参照下图，首先围绕K点取微小面积，有分布内力的合力，应力定义为：KK应力与应变应力与应变APp 应力是一个矢量平均应力某个范围内，单位面积上的内力的平均集
2、度K点的应力当面积趋于零时，平均应力的大小 和方向都将趋于一定极限，得到应力即单位面积上的内力某截面处内力的密集程度应力的国际单位为N/m2 1N/m2 = 1Pa（帕斯卡） 1MN/m2 = 1MPa = 106 N/m2 = 106Pa 1GPa = 1GN/m2 = 109PaAPAPpAddlim0垂直于截面的应力称为垂直于截面的应力称为“正应力正应力” ” ( (Normal Stress) )位于截面内的应力称为位于截面内的应力称为“切应力切应力”( (Shearing Stress) ) p M ANANAddlim0ATATAddlim0 对于构件任一点的变形，只有线变形和角变
3、形对于构件任一点的变形，只有线变形和角变形 两种基本变形，分别由线应变和角应变来度量。两种基本变形，分别由线应变和角应变来度量。 线应变线应变应变（应变（Strain） 线应变线应变 即单位长度上的变形量，无量纲，即单位长度上的变形量，无量纲，其物其物 理意义是构件上一点沿某一方向变理意义是构件上一点沿某一方向变形量形量 的大小的大小 角应变角应变 切应变切应变 即一点单元体两棱角直角的改变量，即一点单元体两棱角直角的改变量， 无量纲无量纲E2/LP/ALinear elastic materialE1E3E=E=Constant，modulus of elasticity /elastic
4、modulus(弹性模量） 代表材料刚度P/A/L弹性模量弹性模量D3D2D1 /LP/ANonlinear elastic materialP/A=C（1-e-D /L）比如一些生物材料：软骨或骨属于这种情况C=a constant,D=equivalent moduluse=natural log base （自然对数的底）黏弹性材料：力学性质既具有弹性材料的力学性质，又具有黏性材料的力学性质。 生物固体材料如骨、软骨、肌肉、血管壁、皮肤等都是黏弹性材料。 黏弹性黏弹性黏弹性材料的特点 （1）当物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力将随时间的增加而下降，这种现象叫做应力松弛。 时
5、间t应力应力松弛曲线 （2）若令应力保持一定，物体的应变随时间的增加而增大，这种现象称为蠕变。 时间t应变 蠕变曲线 （3）对物体作周期性的加载和卸载，则加载时的应力-应变曲线同卸载时的应力-应变曲线不重合，这种现象称为滞后。 应变应力 滞后现象二、运动生物力学（一）人体解剖参考面（二）人体关节的运动形式（二）人体关节的运动形式1屈曲(flexion)与伸展(extension)：主要是以横轴为中心,在矢状面上的运动。2内收(adduction)与外展(abduction)：主要是以矢状轴为中心,在前额面上的运动。3内旋(internal rotation)与外旋(external rotat
6、ion)：主要是以纵轴为中心,在水平面上的运动。 另外，前臂和小腿还有旋前(pronation)和旋后(supernation)运动；足踝部还有内翻(inversion)和外翻(eversion)运动。（三）人体的基本运动形式（三）人体的基本运动形式 上肢推上肢推 在克服阻力时上肢由屈曲状态变为伸展状态的动作过程称为推的基本运动形式。上肢拉上肢拉 在克服阻力时上肢由伸展状态变为屈曲状态的动作过程成为拉的基本运动形式。上肢鞭打上肢鞭打 在克服阻力或自体位移过程中，上肢诸环节依次加速与制动，使末端环节产生极大速度的动作形式称鞭打动作。下肢缓冲下肢缓冲 在抵抗外力作用过程中，下肢由伸展的状态转为较为
7、屈曲的状态的动作过程称下肢的缓冲运动。下肢蹬伸下肢蹬伸 在克服阻力过程中，下肢由屈曲状态，进行积极伸展的动作过程称为下肢的蹬伸动作。下肢鞭打下肢鞭打摆动动作摆动动作 身体某一部分完成“主要”动作（如踏跳动作）时，身体的另一部分（如两臂及摆动腿）配合“主要”动作进行加速摆动的动作形式称摆动。躯干扭转躯干扭转 在身体各部分完成动作时，躯干上下两端同时绕躯干纵轴的反向转动称躯干的扭转运动形式。相向运动相向运动 人体处于无支撑的腾空状态完成动作时，由于人体两端均无约束，因此身体某一部分向某一方向活动（转动）时，身体的另一部分会同时产生相反方向的活动（转动），这种身体两部分相互接近（或远离）的运动形式称
8、相向运动。（四）人体运动链（四）人体运动链n三个或三个以上环节通过关节相连，组成运动链(kinematic chain)，关节运动链是研究人体运动的基础，在关节康复治疗中具有重要的运动学与生物力学意义。n运动链分为开链（open kinematic chain，OKC）和闭链（closed kinematic chain，CKC） 闭链闭链 如果一个运动链的两端都被固定住，或者说运动链中每一个环节至少和其他二个环节相连就叫闭链。 四杆机构的闭链1CDBA32开链开链n如果运动链的末端环节是可以自由运动的，或者说如果运动链中有一个环节只和其他一个环节相连接，这个运动链就叫开链。 n在人体运动中大
9、多是开链，尤其是四肢的运动。 人体上肢环节的开链系统人体运动链左边图示bam（一个开链）和ABCDE与dff1d1（闭链）。右边图示一个闭链的运动，其关节角运动是耦合的。引自V.M. Zatsiorsky Kinematics of Human Motion（五）人体基本运动原理（五）人体基本运动原理1.1.杠杆原理杠杆原理阻 力阻 力点点动力点动力点支点支点寰 枕寰 枕关节关节斜方肌斜方肌阻力点阻力点动力点动力点支点支点阻力点阻力点动力点动力点支点支点平衡杠杆省力杠杆速度杠杆2.关节活动顺序性原理上下肢各关节的肌肉生理横断面（上下肢各关节的肌肉生理横断面（cmcm2 2）上上 肢肢 下下 肢
10、肢 关节关节 性别性别 肩关节肩关节 肘关节肘关节 腕关节腕关节 髋关节髋关节 膝关节膝关节 踝关节踝关节 男男 140 72 42 261 161 158 女女 89 51 31 142 97 92 大关节最先产生运动，然后依据关节的大小出现一定的先后顺序。 1.1.步态分析的生物力学参数步态分析的生物力学参数运动学指标动力学指标肌电活动参数能量参数（六）步态分析运动学指标运动学指标 周期、时相、步长和步频（步速）是步态的基本运动学参数。通过录像解析系统获得原始数据后，经计算软件可直接得到步速及关节角等数据。 (1)时间参数 (2)空间参数 (3)时间-空间参数时间参数时间参数n行走过程中,
11、从一侧脚跟着地开始到该脚跟再次着地构成一个步态周期。n对指定的下肢而言,一个步态周期的活动可分为支撑时相和摆动时相，分别称为单、双支撑时相和摆动时相。n两侧下肢同时踏地支撑时相称为双支撑时相，每一个步态周期中要出现两次双支撑时相。支撑时相又分为脚跟着地、脚趾着地、支撑中期、脚跟离地、蹬离期和趾离地诸动作阶段。摆动时相分为加速期、摆动期和减速期。 空间参数空间参数n行走时左右足跟(或趾尖)间的纵间距离称为步长，而同侧足跟(或趾尖)两次着地间的距离称为步周长或周期跨距。n步长与身高显著相关,中国青年男性的步长约为55.077.5cm，女性约为50.070.0cm。身高相同的男、女性，其步长无显著性
12、差异,且步长随着年龄的增大而下降。健康成年人正常步态行走时，身体质心上下起伏的幅度约为44cm。时间时间- -空间参数空间参数n时间-空间参数是步行中髋、膝、踝关节运动规律(角度变化或位移、速度、加速度等)、身体重心的位置变化规律、骨盆的位置变化规律的反映。n常用的有步态周期中不同时相的关节角度参数、关节角度曲线、角度-角度图。n单一的角度数值变化意义不大。 动力学指标(1)足-地接触力(2)踝关节力(3)身体重心的加速度足足- -地接触力地接触力n动力学指标是专门研究引起运动的力的参数，常用的主要有地面反作用力（地反力）的测定，是患者在实验通道上行走，当足踏在测力台上时测出的力，地面反作用力
13、通常可按垂直、前后和左右方向作三维记录，用测力台还可以得到冲量指标。n还有足底压力的测试。目前比利时Rsscan International公司的footscan足底压力测试系统普遍使用。踝关节力踝关节力 Bresler和Frankel于1950年曾估算踝关节力超过2倍体重。Selreg等在1975年采用数学模型方法，测定踝关节反作用力为5.2倍体重。Stauffer等在1977年测算的踝关节反作用力约为5倍体重。Walker于1977年估算踝关节力在3.596倍体重之间。汤荣光等对单肢负重期踝关节力进行了测定，测得在单肢负重期踝关节力出现最大值，约4.67倍体重。因此可以确定人体踝关节力约为
14、5倍体重。比较男、女性踝关节力，经检验无显著性差异。身体重心的加速身体重心的加速度度n行走时人体重心不仅在水平方向，而且在垂直方向上不断改变着位置和速度。其中身体重心在垂直方向的速度变化与各关节及其活动肌肉的力学状况有密切关系。n例如：分析一侧膝关节在行走期间的关节内力时，需要分析膝关节以上身体各部分重心的位置和加速度变化，有关的参数值是进行下肢膝关节受力分析时必不可少的基础数据。肌电活动参数肌电活动参数 n主要为步行过程中下肢各肌肉的电活动，目前多采用表面电极记录步行时有关肌肉的电活动。n在正常人步行中，股四头肌活动、踝关节背伸肌活动与步行能力显著相关，姿势的变化与步长、步速、支撑期显著相关
15、。其中，股四头肌活动与每个步态参数都有很重要的影响。在推动身体重心向上、向前时，腓肠肌和比目鱼肌显示出最大峰值活动。肌电肌电n骨骼肌在兴奋时，会由于肌纤维动作电位的传导和扩布而发生电位变化，这种电位变化称为肌电。用适当的方法将骨骼肌兴奋时发生的电位变化引导、放大并记录所得到的图形，称为肌电图。引导肌电信号的电极分类： 引导肌电信号的电极可分为两大类，一类是针电极，另一类是表面电极。1.1.针电极针电极2.2.表面电极表面电极能量参数能量参数n包括能量代谢参数和机械能参数。n能量代谢参数是指步行中的能量代谢，可以在步态分析过程中同时用气体分析仪测量及分析气体中含氧量的变化，以此来计算步行中的能量
16、消耗量，用以衡量步行效率，但不能查明行走时具体的异常机制。n机械能消耗参数可以应用动能、势能及其转换技术来计算在一个步态周期中身体不同部位的能量消耗(产能及耗能)，可查明行走异常时耗能高的特定部位和特定时期，有助于研究步态异常机理，选择恰当的治疗方法。2.2.步态测试方法步态测试方法（1）定性分析法（2）定量分析法定性分析法定性分析法n由医务人员用肉眼观察病人行走过程，然后根据所得印象或按照一定观察项目逐项评价的结果，作出步态分析的结论。n步态观察应由受过训练和有丰富临床经验的临床医生来进行。进行步态观察时，病人应尽量少穿衣服以便于观察，嘱咐病人以自然和习惯的姿势和速度来回步行数次，从正面、背
17、面、侧面观察病人的步行情况，正面、背面有助于观察躯干和骨盆的倾斜情况，侧面有助于观察脊柱运动、髋关节运动的情况，侧面是观察支撑腿负重反应的最佳角度。定量分析法定量分析法n它是借助器械或专门设备来观察行走步态，以得出可记录下并能计量的方法。n步态分析系统分为二维（2D）和三维（3D）步态分析系统。二维步态分析系统价格低廉，分析技术相对简单，所得参数能够反映步态的基本特征，在步态分析应用早期较为普遍使用。 目前，国际上比较先进的三维步态分析系统通常包括以下部分： （1）一组带有红外线发射源的红外线摄像机，在同一空间但分布在不同位置，以及能够粘贴在待测部位(一般为关节部位)的红外反光标记点，可以用来
18、测量人体运动时的空间位置变化。(Motion Analysis System) （2）测力台，用以测量行走时地面反作用力的变化。(Ground Reaction Force and Vector Analysis) （3）肌电遥测系统，用以观察动态肌电图。(Dynamic Electromyography) （4）能量消耗测定（Energy Expenditure) ：通过氧耗计算（比较简单的间接的方法）。 （5）计算机及其外围设备，可调控以上三组装置同步运行并对观察结果进行分析处理。n这种三维步态分析系统可以提供时空参数、运动学参数、动力学参数、肌电活动参数、能量参数以及图形，有利于进行深入细致的研究，作出全面的结论，但价格昂贵，分析技术复杂，对操作人员及操作场地要求高，使用不方便，且不易升级换代，因此目前在国内难以普及应用。
