简明运动生物力学：骨骼力学性能及结构分析

(一)骨组织结构

骨骼是由骨密质和骨松质组成。骨密质较骨松质坚硬,抗压性和抗扭曲性很强,配布于骨表面,断裂前能承受较大的应力,但其能承受的应变较小。骨松质配布于中间,骨髓即充填于骨松质的网眼中。骨密质在体外承受的应变超过原长的2%时,骨密质断裂;而骨松质在应变超过7%时才断裂。

骨密质和骨松质均呈各向异性。骨在不同方向受载时能够显示出不同的力学性能即各向异性,骨小梁的排列显示两个基本方向:一是与重力方向一致,称为压力曲线;二是与肌肉的拉力方向一致,称为张力曲线。如图2-15所示,骨在不同方向拉伸时,在纵轴方向上加载时骨的刚度和强度最大,而在横轴方向最小。

图2-15　骨在不同方向拉伸时的应力-应变曲线

(引自《运动生物力学》,陆爱云,2011年)

由于骨的结构在横向和纵向各不相同,因此,骨的强度也随着所加的载荷的不同方向而异。例如,在生活中,由于劳动、训练、疾病等各种因素的影响,表现出很大的可塑性,如芭蕾舞演员的足跖骨骨干增粗,骨密质变厚;卡车司机的掌骨和指骨骨干增粗;长期卧床的患者,其下肢骨小梁压力曲线系统变得不明显等。

(二)骨骼的受力形式

人体的骨骼受不同方式的力或力矩作用时会有不同的力学反映,骨骼的变形、破坏和骨的受力方式有关。人体骨骼的受力形式多种多样,可根据外力和外力矩的方向,分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转及复合载荷6种。

1.拉伸载荷

拉伸载荷是指自骨表面向外施加大小相等、方向相反的载荷。如人体进行悬垂动作时骨受到的载荷。骨骼在较大的载荷作用下可伸长并变细,载荷增加到一定程度时可发生骨断裂。由拉伸载荷引起的骨断裂多发生于骨松质或肌腱附着点,骨断裂的机制主要是骨单位间结合线的分离和骨单位的脱离,例如,腓骨短肌止点附着于第五跖骨基底的撕脱骨折和跟腱止点的跟骨骨折。

2.压缩载荷

压缩载荷是指施加于骨表面大小相等、方向相反的载荷,如举重。骨骼经常承受的是压缩载荷,压缩载荷能够刺激骨的增长,促进骨折的愈合,较大的压缩载荷可使骨缩短并变粗。在压缩载荷的作用下,骨组织破坏的表现主要是骨组织的斜行劈裂。由压缩载荷产生的骨折常见于脊椎,如不能控制的大幅度坠落伤所致的胸椎或腰椎体压缩骨折。

3.弯曲载荷

弯曲载荷是指骨骼受到使其轴线发生弯曲的载荷作用。骨在弯曲载荷下,拉应力和拉应变作用在中性轴的一侧,即中性对称轴的凸侧受拉伸载荷的作用;而压应力和压应变作用在中性轴的另一侧,即中性对称轴的凹侧受压缩载荷的作用;中性对称轴上没有应力和应变。骨骼上承受的应力值大小与到中性轴的距离成正比,距中性轴越远,应力值就越高,应力值是非对称的,拉应力和压应力并不相等。对于成人骨来说,骨破裂开始于拉伸侧,因为成年人骨骼的抗拉能力弱于抗压能力;对于未成年人骨来说,骨破裂开始于压缩侧,因为未成年人骨骼的抗压能力弱于抗拉能力。

弯曲有两种类型:由3个力引起的弯曲(三点弯曲)和由4个力引起的弯曲(四点弯曲)(图2-16)。这两种弯曲引起的骨折较为常见。典型的三点弯曲骨折是滑雪时发生的靴口骨折,滑雪者向前跌倒,障碍物抵住滑雪靴的项部,此时一个力矩施加于胫骨上部,而固定的足和雪橇则产生一个相等的力矩。当胫骨上部向前弯曲时,拉应力和拉应变作用于骨的后侧,压应力和压应变作用于骨的前侧。因成熟骨的拉伸强度低于压缩,故骨折从拉伸一侧开始。不成熟的(如未成年人的)骨将在压缩下先受损,在压缩一侧形成屈曲骨折。两个大小相等、方向相反的平等力作用在骨上时即称为力偶。当两个力偶作用在骨上产生两个相等力矩时,发生四点弯曲。在两个力偶之间的整个区域内,弯曲力矩相等,结构将在最弱的点发生损坏。四点弯曲骨折的例子:股骨骨折患者在功能恢复期时,因膝关节强直做了不适当的手法治疗,此时膝后关节囊和胫骨形成一个力偶,股骨头和髋关节囊形成另一个力偶。在弯曲力矩作用股骨上时,在最弱点即原先骨折位置再次发生骨折。

图2-16　弯曲加载形式

4.剪切载荷

剪切是指载荷施加方向与骨骼横截面平行。人骨骼所能承受的剪切载荷远远低于拉伸载荷和压缩载荷。剪切骨折常见于骨松质,如股骨髁和胫骨平台骨折。

5.扭转载荷

扭转是指载荷(扭转力矩作用)加于骨骼并使其沿轴线产生扭曲时的扭转状态。常见于人体或局部肢体做旋转时,骨骼所承受的绕纵轴的两个反向力矩作用,如掷铁饼最后阶段腿部所承受的载荷。扭转载荷使骨骼横截面上每一点均承受切应力作用,切应力的大小与该点到中性轴的距离成正比,距中性轴越远切应力越大。骨骼的抗扭转能力最小,过大的扭转载荷很容易造成扭转性骨折。典型的扭转骨折为在进行投掷运动时所发生的肱骨骨折,此时的骨折线呈螺旋形。(www.xing528.com)

6.复合载荷

实际上骨骼很少出现单一形式的载荷作用,作用在骨骼上的载荷往往是上述的两种或两种以上载荷的同时作用,即复合载荷的作用。骨在体内的所加载荷之所以是复合的,其主要原因是骨的几何结构是不规则的,并且骨经常受到多个不确定的载荷。例如,人体在走路和慢跑时对成熟胫骨的前内侧面作体内应变测量,可以证明在日常生理活动下载荷的复合性。Carter从这些应变测量中计算出了应力值:正常走路时,足跟着地时为压应力,支撑阶段(站立相)为拉应力,而足离地时又为压应力。步态周期的后部分出现较高的剪应力,说明存在明显的扭转载荷,这种扭转载荷表明在支撑时相和足趾离地时相胫骨有外旋。慢跑时的应力方式完全不同,足趾着地时主要是压应力,在离地时转为高拉应力,而剪应力在整个支撑期间均较小,表明扭转载荷很小。这种扭转载荷说明在改变步态中,胫骨有外旋和内旋。

(三)骨疲劳的力学性能

图2-17　疲劳性骨折

人体在不断运动过程中,骨骼会反复受力,当这种反复作用的力超过人的某一生理限度时,就可能会使骨组织受到损伤,这种循环载荷下造成的骨损伤称为骨的疲劳损伤(疲劳性骨折),又称行军骨折或应力性骨折。多因骨骼系统长期受到非生理性应力所致,好发于胫骨、跖骨和桡骨,临床上无典型的外伤史,早期X线平片通常为阴性,容易漏诊或误诊(图2-17)。

如果载荷保持在某一水平以下,理论上来说不管载荷反复多少次,材料都会保持其完整件。这是因为活体骨骼具有自行修复能力,虽然每次骨疲劳会产生细小的裂纹,这都在骨的自我修复范围内,不会导致骨折。但骨的自行修复能力是有限的,如在修复过程中继续受外力作用,可使修复障碍,骨吸收增加,反复这一过程,终因骨吸收大于骨修复而导致完全性骨折。

疲劳性骨折易发生在骨骼应力集中的部位,是常见训练伤之一,在部队训练中发病率较高,国内报道为16.9%,国外报道为31%。这与超强度训练或姿势不当有关,多发生于频繁的长跑、越野训练或单一课目的超负荷训练中。此外,也常见于足部承重较多的运动员,如篮球、足球、网球、田径、体操运动员和芭蕾舞演员,也可见于经常坚持大运动量锻炼的中老年人。

(四)肌肉活动对骨应力分布的影响

骨在体内受到载荷作用时,止于骨上的肌肉收缩可以改变骨的应力分布。这种肌肉收缩所产生的压应力,可以减少或消除骨上承受的拉应力,可全部或部分抵消拉应力。这种肌肉收缩的效应可以从承受三点弯曲的胫骨来说明。滑雪者向前跌倒时,胫骨受到一弯曲力矩。胫骨后侧受到高拉应力,前侧受到高压应力。而小腿三头肌收缩,使后侧产生一个高压应力,抵消一部分高拉应力,从而使胫骨免于发生拉伸骨折。但是这种肌肉收缩将在胫骨前面形成更高的压应力。通常成熟骨能够承受这种应力,但是不成熟骨较弱,可能会出现压缩性骨折。肌肉收缩在髋关节上产生相似的效应,走路时,弯曲力矩施加在股骨颈上,拉应力发生在上部骨密质上。臀部肌肉收缩产生的压应力抵消拉应力,导致骨密质上部既无压应力又无拉应力,肌肉收缩可以使股骨颈能承受更高的负荷。

(五)年龄、运动与骨退化

随着年龄的增加,骨密度会降低引起骨骼退化,常见的有以下4种:

1.骨质疏松

多见于45岁以后,特别是绝经后的妇女,受荷尔蒙影响,骨的密度降低速率更快,女性患者比例较男性患者比例高。随着年龄增长后运动量不足、钙质摄取不够,也是造成骨质疏松的原因之一。

2.骨刺

骨刺是一种自然的老化现象,当人步入老年后,80%的患者都会患有各种不同程度的骨刺,出现了骨刺也不用担心,有的会被身体自然吸收,有的经过一些保守的治疗可以很好地治愈。骨刺本身并不会引起疼痛,真正的元凶是软骨退变。当软骨退变老化时,软骨变薄变脆,失去弹性,甚至剥离脱落,裸露的骨面很容易受到力的冲击而损伤,骨内的神经末梢感受到应力和关节液里炎性物质的刺激而产生疼痛。软骨退变得越厉害疼痛就越剧烈。避免长期剧烈的运动、适当的体育锻炼是预防骨刺的方法之一。

3.坐骨神经痛

由于脊椎老化,周围增生组织压迫到神经,或椎间盘突出,造成神经狭窄症,患者常常没走几步路,就会因小腿的麻木与胀痛,需要坐下来休息。

4.脊椎狭窄症

脊椎狭窄症是指腰椎退化诱发骨刺、黄韧带肥厚,使腰椎椎体结构改变,造成椎间局部、神经根管腔等神经管道受到压迫。

众所周知,很多意外、伤害,甚至疾病,最开始的根源是跌倒。但是很多老年人爱面子,认为自己还能走,外出坚持不拿拐杖。这时应柔性劝导老人抛下面子,避免跌倒,即可降低意外的发生概率。居家环境中也可增加扶手、防滑垫等辅助设备,以免不小心摔倒,造成髋骨骨折等风险,这是每个家庭必须面对的重要课题。