关节的生物力学基础-简明运动生物力学书

关节是骨骼系统中相邻骨之间的功能性连接。在滑液关节或自由活动的关节中，关节的骨端、朝向关节腔有一层1~5 mm厚的致密白色结缔组织即关节软骨，或为透明软骨，或为纤维软骨。

1.关节软骨的解剖学结构及组成

关节软骨朝向关节腔的面甚为光滑，便于骨与骨之间的运动。软骨本身具有弹性，能缓冲相连骨之间在走、跳及其他运动时的震动和冲击。此外，软骨的弹性及其变形能力，对增加关节活动性也有影响。运动训练可以使关节软骨的厚度增加。通过训练可加强软骨的可压缩性，以保证关节软骨面在不适应情况下有较大的代偿作用。关节软骨接触面积可以增加，当受到应力时，单位面积受到的力量就能降低。在生理上，关节软骨既无神经又无血管，它的营养主要由滑液和关节囊滑膜层周围的毛细血管供应。在胶原纤维之间，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构成，这些软骨细胞维持关节软骨的正常代谢。

2.关节软骨的力学功能

（1）承受力学负荷

人一生的社会活动都离不开关节软骨的正常功能。关节软骨能将应力均匀分布，使承重面扩大。关节软骨不但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

关节软骨表面非常光滑，关节运动时不易磨损，并且活动灵活、自如。与人工润滑结构相比较，其摩擦系数非常小（表2-1）。关节软骨能维持人一生的活动而不损伤，就是因为有良好的润滑作用。

人在工作之前先活动一下关节，使关节充分润滑，能增加关节的灵活性，防止关节软骨损伤。在关节滑膜有病变时，如类风湿性关节炎等，滑液分泌异常，失去正常的润滑作用，影响关节功能及关节软骨的营养。

表2-1　人体关节和人工润滑结构的摩擦系数

资料来源：引自《运动生物力学》，赵焕彬等，2008年。

（3）力的吸收

人从事很多剧烈活动而不损伤关节，原因之一就是关节软骨有力的吸收作用。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、退变则会进行性加重。

3.关节软骨的渗透性及对受力时间的反应特性

渗透性是物质的一种参数，它表示液体流过多孔物质的固体基质时受到的摩擦阻力。渗透性越低，承受负荷时液体流动的阻力越大。健康软骨的渗透性很小。随着压力和变形的增加，健康关节软骨的渗透性大大降低。关节软骨具有一个机械反馈调节机制，阻止组织间液完全流出。在病理状态下，如骨关节炎，关节软骨的渗透性大于正常组织，出现关节积水、疼痛等有关症状。

关节软骨和关节液对外部负荷作用的快慢非常敏感，关节软骨的形变与外力的作用速度相关，同时关节软骨与关节液的流出有关。例如，关节软骨受到挤压的速度越快，关节液流出的阻力也越大，关节液越不容易流出；而速度越慢，关节液越容易流出。测试结果表明，当作用时间大于0.01 s时，关节液表现出润滑液的机制，使关节灵活地运动；当外力作用时间为0.01 s左右时，关节液同时具有流动性和弹性，像橡皮垫一样缓冲关节面之间的直接碰撞；当外力作用时间很短，达到0.001 s时，关节液不再表现为液体或弹性体，反而会呈现出坚硬“固体”的特点，对碰撞不再起缓冲作用。如打球时手指被戳伤，往往是这样造成的。

4.关节的润滑机制

人体关节虽然经常在大负荷下运动，但关节运动时并不费力，几乎没有摩擦。正常关节的摩擦系数要远远小于金属制品的摩擦系数，关节只有在病理情况下才出现磨损。研究关节的润滑机制意义重大，关节的润滑机制目前尚无普遍接受的统一理论。在一定情况下，根据关节负荷或运动的需要，认为由下列一种或多种机制起作用，类似于骨的功能适应性原理，在定义润滑机制时，出发点是关节采用最适合的机制应对面临的运动和载荷。从工程学观点看，有两种基本的润滑机制：

（1）界面润滑

界面润滑依靠单层润滑剂（关节液）分子化学吸附到接触的固体面上。做相对运动时，关节面受到相互滑动的关节液分子的保护，防止因表面粗糙发生的黏合和磨损。在小负荷、低速的相对运动时，关节液可以作为关节软骨的界面润滑剂，而润滑的能力与滑液的黏度无关。在大负荷下，关节液化学吸附到关节面上是十分重要的。

（2）液膜润滑

当负荷较大、相对速度较高时，关节可能会在第二种润滑机制即液膜润滑的形式下工作。在液膜润滑中，一层较厚的润滑剂（与界面润滑中关节液的分子大小相比而言）即关节液使两个关节面有较大的间隙。这层关节液内的压力可支持关节面上较大的负荷，但这种润滑作用不可能长期支持高负荷，最后液膜变得很薄，两个关节面的凹凸不平之处将互相接触。这个润滑机制可以在很短的时间内承受很高的负荷。由于关节软骨的多孔、充满液体和可渗透的特殊性结构，当关节旋转，负荷区越过关节面时，液体会从关节软骨的负荷接触区前下方渗出。一旦峰区应力值通过某一点后，液体开始被重新吸收，为下一个运动周期做好准备。挤出的关节液量可能不多，但10μm厚的液膜已经能够很好地润滑关节面。通过软骨液体的这种强制性循环，有助于软骨细胞的营养，可将营养物质通过关节腔内的关节液带入细胞。

1.关节静力学

分析关节在静止状态下的受力情况，采用环节静力分析法，即根据杠杆平衡原理估算关节受力大小和关节肌力矩。分析关节运动和受力情况时，不能忽略关节自身的结构、关节周围的肌肉和韧带的作用。很多情况下，主要肌群的肌力对关节的反作用力的影响远远大于重力对地面所产生的反作用力的影响。

例如，单脚站立时，重力线与负重肢的负重线落在膝关节上的一个接触点上，膝关节外侧力与重力平衡，关节重力为两者合力的结果。此时膝关节承受的压力约为体重的2倍。行走时膝关节承受的压力为体重的3~4倍，膝关节承受力的峰值在屈膝20°，膝关节主要承受力在0°~40°。

正常伸膝[图2-18（b）]条件下，胫骨内外侧髁受力基本是相同的，当膝内外翻畸形时，受力完全不同。膝内翻[图2-18（c）]时，内侧受力明显增加，膝关节向外侧移位，承重力线内移，压迫内侧胫骨平台软骨，使软骨慢性损伤，并使外侧副韧带上的应力逐渐增加，膝轴倾斜，常伴有小腿和足内旋。膝外翻[图2-18（a）]时，膝关节向内侧移位，承重力线外移，压迫外侧胫骨平台软骨，持续超负荷会导致软骨损坏，同时内侧副韧带上的应力逐渐增加，严重者会造成髌骨向外移位，伸膝时牵拉股四头肌。膝轴、小腿和足也会发生相应的变化。

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图2-18　膝不同情况下受力情况

2.关节动力学

关节动力学包括两个方面的内容：一是组成关节的各部分在外力作用下的运动特征，主要是关节软骨、关节液和韧带部分；二是作为一个结构整体的关节动力学。其研究方法和关节静力学类似，但还需要考虑人体运动的惯性参数。常用的思路是根据测定的肢体末端的外力和运动学数据，计算关节的反作用力和肌肉力矩。

例如，行走时，股骨头受力受步行加速度的影响。正常情况下，在步行的支撑期足跟着地时，股骨头受力约为体重的5.8倍。在跑跳时，股骨头的承重可达体重的10倍或更多。行走时，股骨头上可产生两个力的峰值：男性行走时的一个峰值是足跟着地时，达体重的4倍；足尖离地前出现第二个峰值，可达体重的7倍。女性行走时力的模式基本相等，但大小略低。假如行走时使用手杖，应使用疼痛或做了手术后的髋部对侧的手，这样减少了疼痛关节股骨头上的力。

3.过当的运动对关节组织、结构性能的影响

典型的网球肘也称为肘外侧疼痛综合征。肱骨外上髁为前臂伸肌群附着处，浅层肌肉从外到内有桡侧伸腕长肌和短肌、伸指总肌、小指固有伸肌及尺侧腕伸肌，这些肌肉具有伸腕、伸指的作用，它们协同肱三头肌有伸肘功能；深层的旋后肌可使前臂旋后。经常做屈伸腕及前臂旋转动作，可引起肱骨外上髁及其周围组织（即肌肉及韧带附着部位）拉伤。网球运动员练习反拍、下旋击球，球的冲击力作用于腕伸肌，使该肌于肱骨外上髁附着部位受到反复牵拉，使该部位发生损伤。乒乓球、羽毛球等的正手扣杀及反拍击球，排球运动的错误扣球（屈肘扣球，并且前臂急剧旋前），击剑刺杀时前臂猛烈旋转等，都可使前臂伸肌附着部位不断受到牵拉而受伤。

膝内侧副韧带损伤。膝关节无论是伸直位还是屈曲位，暴力强迫小腿外展，使膝关节突然外翻，都可引起膝内侧副韧带损伤。膝关节在130°~150°半屈曲位，小腿突然外展、外旋，或足与小腿固定，大腿剧烈内收、内旋，更容易引起膝内侧副韧带损伤；膝关节微屈时，暴力直接作用于膝关节外侧，也可引起膝内侧副韧带损伤。在严重创伤时，内侧副韧带、十字韧带和半月板可同时发生损伤。它多见于篮球、排球、足球、跳高、跳远、体操等运动项目。如篮球运动员在半蹲位急速运球而滑倒，足球运动员带球过人时与他人对脚，足球运动的“两人对足”，守门员向一侧倒地扑球等。

膝关节半月板损伤。半月板在膝伸直时向前移动，屈曲时向后移动，旋转时一个向前一个向后。在足部固定，膝关节在半屈曲位突然内收、外展，同时做旋转活动，半月板被卡在股骨髁和胫骨平台之间，忽然伸直和旋转可造成半月板破裂。内侧半月板破裂多发生在膝半屈曲和小腿外旋位，半月板向后和膝中央移位，大腿下端因外力猛然内旋伸膝，造成的牵拉力和股骨髁的挤压力，可将移位的半月板边缘撕裂或挤压破裂；若膝关节在半屈曲和内收位时，大腿下端突然外旋伸膝，则外侧半月板可发生破裂。此外，突然猛烈屈膝或伸膝时，也可使半月板撕裂。如足球运动员猛力踢球而漏脚时，由于胫骨的夹挤，半月板前角可能会撕裂。少数没有急性损伤史的运动员，可能是过多的磨损或多次微细损伤导致。

案例分析

读图时代：姚明脚伤图解　双脚伤痕累累

《解放日报》　严子健陈忠和：赵蕊蕊骨折很罕见　去雅典只为升国旗

火箭队北京时间昨天凌晨在发给媒体的新闻邮件中宣布，姚明在美国当地时间16日上午的一次核磁共振检查中，被发现左脚踝再次出现应力性骨折，这次骨折与之前的舟骨和跗骨骨折都有关系，姚明何时能够重返赛场没有时间表。

姚明本人在接受采访时表示：“医生告诉我现在还没有具体的治疗方案，”姚明还说，“我只能抱着最好的期待，作最糟糕的心理准备。”不过，姚明仍希望能够重回球场。

《休斯敦纪事报》长期跟踪采访火箭队的资深记者乔纳森很快发出一篇报道说：“火箭中锋姚明的复出之旅受到了一次毁灭性打击，这次骨折出现的部位和之前的不同，是又一次重大伤病。在姚明11月10日所接受的核磁共振检查中，并没有查出有这样的问题。”

火箭队老板莱斯利·亚历山大在接受当地一家电视台采访时表示：“我在听到这个消息之后的第一反应，就像肚子上被人打了一拳那样。这也是火箭队历史上非常令人失望的一刻，我真的很为姚明感到难过。”

曾经为姚明写过自传的ESPN专栏记者里克·布彻的报道说，在检查出左脚踝的又一处骨裂后，姚明和火箭队将会坐下来好好讨论一下他的未来了。虽然自己的职业生涯再度蒙上阴影，但姚明幽默乐观的本性并没有就此失去。“我还没死呢”，姚明说，“现在，我正在喝着啤酒，吃着炸鸡，你想看到什么呢？一个葬礼吗？”布彻的报道还表示，其实姚明也承认自己在知道这个消息的那一刻还是很惊讶的，因为他根本没有感觉到自己的左脚或者脚踝有任何疼痛。报道还引用了姚明的话说：“医生对我说他不能保证这次手术能从根本上解决问题，我也从来没有期望能够重回巅峰”，姚明还说，“我这个人总是会做好发生最糟糕状况的准备。”据悉，在接下来的几天里，火箭队将为姚明作一系列的检查，并商讨下一步的方案，他们最快会在美国当地时间下周一作出一个决定。

休斯敦著名医学专家肯尼斯·弗斯特在接受休斯敦610电台采访时表示，如果火箭队对姚明采用保守治疗方案，姚明的复出计划将会变得遥遥无期；如果姚明再次选择接受手术，他本赛季肯定不会再上场了，而且其职业生涯很可能就此结束。

本赛季也是姚明与休斯敦火箭队合同的最后一年，他的薪水为1 770万美元。

图2-19　姚明发生应力性骨折图解

《时代商报》

昨天下午，刚刚结束日本之行回到北京的中国女排出现在国家体育训练总局的大院内。连日来的舟车劳顿和高密度比赛使姑娘们看上去有些面色憔悴。不过，主帅陈忠和倒是一脸轻松的表情。当得知记者是专程从沈阳赶到北京探营女排奥运备战时，陈忠和破例在排球馆内接受了记者的独家专访。昨天回到北京的首日训练中，记者在训练馆内只看到了12名女排姑娘，赵蕊蕊则一个人留在漳州养伤。“我知道大家目前最关心的就是蕊蕊的伤势，像她这种骨折情况在以前还真不多见。”陈忠和告诉记者，赵蕊蕊的骨折在医学上被称为疲劳性骨折，在女排以及其他运动队中，这样的骨折是很罕见的。“蕊蕊受伤已有一个月的时间了，她一直在福建接受住院治疗，经过这段时间的观察和恢复，她的情况好多了。大约一周后，她就会回到北京。以她目前的状态来看很难立即出现在训练场上。”陈忠和保守估计，蕊蕊回京后的三四周时间应该恢复得相当不错，外界担心赵蕊蕊因伤缺阵雅典奥运会是完全没有必要的。

“蕊蕊的骨折很罕见”

“比赛决不能掉以轻心”

陈忠和表示，虽然在日本进行的五场热身赛中取得了不错的战绩，但是比赛的过程并不能让他感到满意。陈忠和认为，目前队伍的整体情况并不理想，而这次回到北京的主要目的就是调整状态，让队员得到一个全方位的恢复，为下一阶段的训练和比赛做好准备。早在中国女排经过十几年卧薪尝胆把久违的世界冠军奖杯揽入怀中之时，主帅陈忠和便直言，中国队与对手之间的差距并不大，包括这次与日本队交手中国队赢得也并不是很轻松。我们在专心备战的同时，还不能忽视对手的情况，稍有懈怠就可能铸成大错。

“去雅典只为升国旗奏国歌”

随着雅典奥运会开赛的时间一天天迫近，各支有望夺冠的运动队也都进入全封闭状态。陈忠和率领的女排自然早早被列入夺金行列。“我们的目标一直没变，那就是在奥运赛场上升国旗奏国歌，我想这不光是全国人民对我们女排寄予的厚望，也是我们自己必须去完成的一项使命。”陈忠和最后向记者透露，中国女排将在北京集训一个月后前往哈尔滨和天津参加国际女排邀请赛，为梦圆雅典进行最后的冲刺。