康复医学概论：运动学的应用与滑液变化

任务一　运　动　学

情景设置与任务导入

患者，王某，女，52岁，家庭主妇，在买菜的过程中被一醉酒驾车的司机撞伤，造成全身多处疼痛，活动障碍。经路人送入医院进行治疗。体格检查：神志清楚，心肺正常；脸部和四肢多处软组织挫伤；右侧前臂下端疼痛，出现畸形并有异常活动；双侧大腿疼痛，无法行走。经X线检查，诊断为右尺桡骨下端骨折、双侧股骨干骨折。未见神经系统损伤的征象。入院后医生给予右尺桡骨骨折切开复位内固定术、双侧股骨骨折切开内固定术。术后行运动训练、物理因子治疗等，X线复查见骨折对位、对线良好。全身未出现其他并发症。

分析思考：

（1）该患者入院时主要是什么系统出现了功能障碍？

（2）术后康复治疗师为了能给患者制订出最合理的运动训练计划，必须掌握运动学的哪些理论知识？

一、概述

康复医学是指运用各种手段针对各种原因引起的功能障碍者，通过训练与再训练，以达到最大限度发挥残存功能、提高生活质量、重返社会为目的的一门学科。在各种康复治疗中，较多运用运动和物理因子的方法，其中又以运动治疗为主要手段。因此，运动学的知识为制订合理治疗方案提供了理论基础。

运动学（kinesiology）是指运用力学方法和原理来观察和研究人体节段运动和整体运动时所产生的各种活动功能以及生理、生化和心理的改变，并阐述其变化的原理、规律或结果，以指导健康或疾患人群，达到增强体质、改善残损功能、提高生活质量、预防或治疗疾病的目的，是康复医学的重要组成部分。

人体运动学是研究机体活动时各系统生理效应变化的科学，主要包括运动生理学和生物力学。它是康复治疗学专业的基础课程，作为一名以恢复患者功能为己任的优秀的康复治疗师，必须熟练掌握人体运动学各个领域的知识，正确认识人体运动器官各部分的解剖学特点和力学特性，以更好地掌握各种康复临床治疗的理论与技能，为学习其他后续专业课程和今后的康复治疗工作奠定良好的基础。

通过对人体结构和功能的力学研究和运动动作的生物力学分析，掌握运动器官的结构与功能相一致的关系，熟悉人体各组织器官的运动规律，以帮助我们更深入地理解运动障碍的实质，掌握各种运动治疗的适应证和禁忌证、技巧和手法，制订适宜的运动治疗方案，选择恰当的训练手段与方法，准确地实施运动治疗方案，轻松、安全、高效地进行训练。通过研究不同的运动方法对于人体的某一局部施加的力量负荷的特点，可采取预防措施防止治疗时给患者造成误用性综合征的发生，防止康复治疗师本人在治疗时用力过度或不当导致自身外伤的发生，也有益于外伤后康复训练的适宜方法、强度、持续时间和间隔时间的选择。

二、运动解剖

（一）肌肉、关节的解剖学基础

1．关节的种类

关节的种类可分为三大类：纤维关节、软骨关节、滑膜关节。

（1）纤维关节为不动关节，即不活动关节。此种类关节由致密纤维组织联结，因而活动很少，常见种类如下。

①骨缝联合，如颅骨间的联结。

②韧带联合，如胫腓关节联结处。

③嵌合，如齿槽。

（2）软骨关节为微动关节，即轻微活动关节。此种类关节关节骨之间的空隙由透明软骨或纤维软骨所占，联结点只有微动，常见种类如下。

①纤维软骨关节，如椎间盘、耻骨联合。

②透明软骨关节，如长骨的骨骺板。

（3）滑膜关节为活动关节，即自由活动关节。滑膜关节有关节腔，因而活动自如，关节的骨关节面是完全离开的，表面有软骨覆盖，骨端有关节囊，并有加强联结的韧带结构包绕，关节囊有两层，其外层为纤维层，为致密纤维结缔组织，其内层为滑膜层，为血管丰富的疏松结缔组织和滑膜组织。在外层致密纤维结缔组织中有丰富的感觉神经的终末结构。此类关节的常见种类如下。

①平面或滑动关节，如腕关节和踝关节。

②枢纽关节，如指（趾）间关节。

③髁关节，如膝关节。

④球窝关节或杵臼关节，如肩关节、髋关节。

⑤椭圆关节，如桡腕关节。

⑥车轴关节，如桡尺近侧关节。

⑦鞍状关节，如拇指的腕掌关节。

2．关节的解剖学基础

（1）关节面　绝大多数关节的关节面是透明软骨，少数关节的关节面为致密纤维组织。正常软骨呈光滑、发亮、微蓝色，具有弹性。软骨由软骨细胞、胶原纤维组织和基质所构成。基质的主要成分是蛋白质多糖复合物。关节软骨的营养来自关节滑液。关节软骨损伤或缺损时其修复过程有两种形式：①软骨表层部分缺损，修复过程极为缓慢，不能达到软骨关节面平整的效果；②软骨全层缺损，其修复主要靠深层骨松质，即经由纤维结缔组织变为纤维软骨，有的最终也可变成透明软骨。

（2）滑膜　滑膜为关节囊的内壁，而且覆盖没有软骨覆盖的骨质和关节韧带的表面。滑膜具有神经末梢，分为两层：①内膜层富有细胞并由血液运输；②内膜下层则血管较少，纤维组织多于细胞，与关节囊分界不清。滑膜有两方面的功能：①构成血液滑膜屏障；②产生滑液进入关节腔。代谢产物经由滑膜进入淋巴液或血液，遇有异物或碎屑时可以清除或将其固着于滑膜上。分泌透明质酸进入滑液以保持关节的润滑。关节的润滑是为了减少摩擦。当关节承受负载时，间质液体可被挤压出，软骨受重越大，液体压力也越大。当关节负载减去后，间质液又被软骨再吸入。

（3）滑液　滑液为透明、微黄的液体，呈碱性，运动后期pH值下降，休息后又回升。滑液中含有多核白细胞、淋巴细胞、单核细胞、巨噬细胞以及滑膜细胞等，另有蛋白质、酶及各种无机盐。滑液的黏稠度与黏多糖类的含量有关，并受湿度和运动影响。温度每降低1℃，则滑膜黏稠度增高1%，因此在低温下关节活动较僵硬的原因，除肌肉痉挛外，滑液黏稠度增高也是因素之一。在休息时，滑液有如固体不流动，在低速运动时，犹如高密度黏性油，在高速运动时，则变稀薄以适应关节的运动。滑液除供给营养外，还有理想的润滑作用。由于滑液的高表面张力的特性，即使在强大压力下，两关节面之间仍然保持一薄层滑液，而使两软骨面不直接接触，这一特点对保持关节滑动和避免软骨磨损有重要的意义。

（4）关节囊和韧带　关节囊和韧带的拉伸强度超过骨骼的拉伸强度（有人测定膝关节腓侧副韧带的拉伸强度为6．5kg/mm）。因此在损伤时常常不是韧带附着部发生撕裂，而是骨发生撕脱骨折，所以关节囊和韧带是关节稳定的重要结构。

（5）血管和神经　关节软骨无神经及血管，仅在最深层有由骨质来的少许血管，其主要营养来自关节滑液，神经感受器分布在关节纤维囊及韧带中。

3．肌肉的解剖学基础

肌肉是肢体运动的动力，在神经系统的支配下，通过肌肉收缩完成各种运动。全身骨骼肌有600多块，约占成人体重的40%。肌肉的大小、形态多种多样，大致可分为长肌、短肌、阔肌和轮匝肌四种。肌肉一般附着于邻近2块或2块以上的骨面上，跨过1个或多个关节，肌肉收缩时牵动骨，引起关节运动。骨骼肌具有展长性、弹性、兴奋性、传导性和收缩性。肌肉可发生牵拉、断裂、劳损、弛缓或痉挛，从而出现了肌肉起、止点疼痛以及肌肉牵拉伤、断裂伤、无力或僵硬等。

（二）全身各主要关节的运动解剖

1．肩部

1）关节　肩部有三个关节，即胸锁关节、肩锁关节和肩关节。肩部关节的作用是连接臂与胸部，使上肢置于有效的空间位置，便于执行手的功能。

2）肌肉及其功能　肩部肌肉有固定和运动肩胛带及肩关节的作用，并参与上肢的重要技巧运动。

（1）肩胛带的运动

①肩胛骨上提肌群：斜方肌上部、肩胛提肌、菱形肌。

②肩胛骨下降肌群：斜方肌下部、前锯肌下部、背阔肌、胸小肌。

③肩胛骨前伸肌群：前锯肌、胸小肌。

④肩胛骨后缩肌群：斜方肌、菱形肌。

⑤肩胛骨上回旋肌群：前锯肌和斜方肌上部。

⑥肩胛骨下回旋肌群：肩胛提肌、菱形肌和胸小肌。

（2）肩关节的运动

①上臂屈肌群：三角肌前部、胸大肌、喙肱肌和肱二头肌长头。

②上臂伸肌群：三角肌后部、背阔肌、大圆肌、小圆肌、冈下肌和肱二头肌。

③上臂外展肌群：三角肌、冈上肌。

④上臂内收肌群：胸大肌、背阔肌、大圆肌、小圆肌、冈下肌和肩胛下肌。

⑤上臂旋内肌群：肩胛下肌、胸大肌、三角肌前部、背阔肌和大圆肌。

⑥上臂旋外肌群：三角肌后部、冈下肌、小圆肌。

2．肘关节及前臂

1）关节　肘关节是由肱骨远侧端、尺骨和桡骨的近侧端构成的，包括肱尺关节、肱桡关节和桡尺近端关节三组关节。肘关节的功能是连接上臂及手，调节手和躯干的距离、方向及手掌的旋转。

2）肌肉及功能

（1）前臂屈肌群：肱二头肌、肱肌、肱桡肌和旋前圆肌。

（2）前臂伸肌群：肱三头肌、肘肌。

（3）前臂旋内（前）肌群：旋前圆肌、旋前方肌。

（4）前臂旋外（后）肌群：旋后肌、肱桡肌和肱二头肌。

3．腕部及手部

1）关节　腕部和手部主要由腕关节、腕骨间关节、腕掌关节、掌指关节和指间关节构成。组成腕部和手部骨骼的复杂性和多样性，决定了腕关节和手部各关节的形式及手完成实用性动作、技巧性动作、精细动作的能力。

2）肌肉及功能

（1）腕关节的运动

①腕屈肌群：桡侧腕屈肌、掌长肌、尺侧腕屈肌、指浅屈肌、指深屈肌。

②腕伸肌群：桡侧腕长伸肌、桡侧腕短伸肌、指总伸肌、尺侧腕伸肌、拇短伸肌、示指固有伸肌、小指固有伸肌。

③腕外展肌群：桡侧腕屈肌、桡侧腕长伸肌、桡侧腕短伸肌、拇长展肌、拇长伸肌、拇短伸肌。

④腕内收肌群：尺侧腕伸肌、尺侧腕屈肌。

（2）拇掌指关节的运动

①屈拇掌指关节肌群：拇长屈肌、拇短屈肌。

②伸拇掌指关节肌群：拇长伸肌、拇短伸肌。

③外展拇掌指关节肌群：拇长展肌、拇短展肌。

④内收拇掌指关节肌群：拇内收肌。

（3）掌指关节的运动

①屈掌指关节肌群：指深屈肌、指浅屈肌、蚓状肌、骨间肌、小指短屈肌。

②伸掌指关节肌群：指总伸肌、示指固有伸肌、小指固有伸肌。

③内收掌指关节肌群：骨间掌侧肌。

④外展掌指关节肌群：骨间背侧肌、小指展肌。

4．髋部和骨盆部

1）关节　髋关节是由髋臼和股骨头构成的球窝关节。髋关节是连接下肢和躯干的重要关节，具有支持体重和传递重力的作用。

2）肌肉与功能

（1）大腿屈肌群：髂腰肌、股直肌、缝匠肌、阔筋膜张肌、耻骨肌。

（2）大腿伸肌群：臀大肌、肱二头肌、半膜肌、半腱肌、大收肌。

（3）大腿外展肌群：臀中肌、臀小肌、臀大肌上部及梨状肌。

（4）大腿内收肌群：大收肌、长收肌、短收肌、耻骨肌、股薄肌、闭孔内肌及闭孔外肌。

（5）大腿旋内肌群：臀中肌前部、臀小肌前部及阔筋膜张肌。

（6）大腿旋外肌群：髂腰肌、臀大肌、臀中肌后部、臀小肌后部、耻骨肌、梨状肌、股方肌、缝匠肌、闭孔内肌和闭孔外肌。

5．膝部

1）关节　膝关节是人体最大、最复杂的关节，是由胫骨下端、胫骨上端、髌骨构成的屈戌关节。膝关节主要是做屈伸运动和在小腿半屈位时做轻微的旋转动作。位于膝关节内的半月板具有加深关节窝、增加稳固性和作弹性垫的作用，并随小腿的屈伸做前后及内外的移动，当小腿由屈曲旋转位做迅速伸直的动作时，半月板退让不及，容易受到股骨髁的猛力压迫而被撕裂。

2）肌肉及功能

（1）小腿屈肌群：股二头肌、半膜肌、半腱肌、缝匠肌、股薄肌和腓肠肌。

（2）小腿伸肌群：股四头肌。

（3）小腿旋内肌群：半腱肌、半膜肌、股薄肌、缝匠肌及腓肠肌内侧头。

（4）小腿旋外肌群：股二头肌及腓肠肌外侧头。

6．踝部与足部

1）关节　踝部和足部的关节主要有踝关节、距跟关节、跗横关节、跗跖关节、跖趾关节和趾间关节。这些关节的韧带彼此联结较为牢固，并构成足弓。因此各骨之间的关节活动范围极小，主要作用是支持体重、传递重力、参与行走。

2）肌肉及功能

（1）足跖屈肌群：小腿三头肌、胫骨后肌、趾长屈肌、拇长屈肌、腓骨长肌及腓骨短肌。

（2）足背屈肌群：胫骨前肌、趾长伸肌、第三腓骨肌、拇长伸肌。

（3）足外展肌群：腓骨长肌、腓骨短肌。

（4）足内收肌群：胫骨前肌、胫骨后肌、趾长屈肌、拇长屈肌。

（5）足内翻肌群：腓肠肌、比目鱼肌、胫骨后肌、胫骨前肌、趾长屈肌、拇长屈肌。

（6）足外翻肌群：腓骨长肌、腓骨短肌、胫骨前肌、趾长伸肌、拇长伸肌。

7．头、颈、躯干部

1）骨骼　头颈躯干部的骨骼有颅骨（面颅骨、脑颅骨）、椎骨（颈椎、胸椎、腰椎、骶骨、尾骨）、肋骨、胸骨。椎骨借助韧带、椎间盘和椎间关节联结而构成脊柱。

2）关节　头、颈、躯干部的关节主要有寰枕关节、寰枢关节、第二颈椎至骶骨的联结。其中第二颈椎至骶骨的椎体彼此是分离的，相邻各椎体之间借助椎间盘、韧带和关节联结在一起。椎间盘坚韧而富有弹性，具有缓冲振荡和允许脊柱做少量的屈伸和侧屈运动的作用。但脊柱各部位的运动幅度取决于椎间盘的厚薄及关节突的上、下关节面的方向。

3）肌肉及功能

（1）脊柱的屈肌群：胸锁乳突肌、腹直肌、腹外斜肌、腹内斜肌及髂腰肌。

（2）脊柱的伸肌群：斜方肌、夹肌、骶棘肌。

（3）脊柱的回旋肌群：同侧夹肌及腹内斜肌、对侧腹外斜肌。

（4）脊柱的侧屈肌群：包括同侧前面的屈肌群和对侧后面的伸肌群。向右侧屈时有右侧的胸锁乳突肌、腹直肌、腹外斜肌、腹内斜肌、斜方肌、夹肌、骶棘肌、腰方肌、髂腰肌。

（5）头颈的屈肌群：斜角肌、胸锁乳突肌、头前直肌、头长肌、颈长肌及舌骨上、下肌群。

（6）头颈的伸肌群：枕骨下肌群、头最长肌、头半棘肌、颈半棘肌。

（7）头颈的侧屈肌群：斜角肌、胸锁乳突肌。

（8）头颈的回旋肌群：胸锁乳突肌、斜角肌、斜方肌、椎枕肌。

三、运动生理

（一）运动生理学的生物学基础

生物学与生物化学是了解运动后生理变化的基础。

1．身体内的能量转化

人体必须不断地以化学能作为完成各种复杂功能的能源。能量存在于糖、脂类和蛋白质的化学结构中，并在复杂的反应中缓慢地释放，在这一能量转化中可以产生极大的效能。

2．运动中能量转化

在运动过程中需要大量能量，不同强度的运动能量获取的层次不同，主要表现为以下三个层次。

（1）即刻能量——ATP－CP系统。该系统为时间较短、强度很大的运动（如100m冲刺、25m游泳或举重等）提供能量。

（2）短时能量——乳酸系统。在剧烈运动中超过一定限度后高能磷酸盐必须迅速再合成，此时主要通过对储备糖原（肌糖原）的缺氧代谢途径——糖酵解来补充，结果形成乳酸。这一过程可以迅速通过底物的磷酸化过程提供ATP（三磷酸腺苷）。由于此时供氧不足，所以糖代谢分解只能形成乳酸。

（3）长期能量——有氧代谢系统。有氧代谢在运动后阶段的能量提供中极为重要，在慢跑中由于氧气供应充分，此时细胞利用氧气的能力称为摄氧能力（oxygen uptake）。摄氧能力常与体形大小相关，即体形愈大摄（耗）氧量愈多，平均为250mL/min（安静基础代谢时摄氧量为160～290mL/min），其值随运动时间的延长而升高。

3．最大摄氧量

随着运动强度和时间的增加，个体的摄氧能力不断增强，当再进一步增强做功时，摄氧能力不再升高甚至有所降低，这时就是达到了最大摄氧量（VO2，max）。其大小受到运动模式、遗传、训练状态、性别、身体成分、年龄等因素的影响。

4．肌纤维类别

（1）慢缩纤维（slow－twitch fiber） 慢缩纤维又称Ⅰ型肌纤维，具有收缩速度缓慢、产生的张力较低的特点。又由于此纤维具有较多的线粒体和高浓度的氧化酶，可以持续地进行有氧代谢，故其收缩持续时间长，不易产生疲劳，是进行低强度运动和维持姿势的主要动力，适用于耐力性运动项目（如中长跑、游泳等）。

（2）快缩纤维（fast－twitch fiber） 快缩纤维又称Ⅱ型肌纤维，具有糖酵解能力高和收缩速率快的特点，短时间内可暴发巨大的张力，但容易疲劳。此类肌纤维适用于需急停急动的运动项目，如篮球、足球、跳跃、投掷等剧烈运动。

5．运动单位

运动的功能单位称为运动单位（motor unit）。由脊髓前角运动神经元发出的终末支，与不同数量具有相似生化和生理特性的肌纤维相连接形成运动终板，这种由运动神经元的终末支及其所支配的肌纤维合称为运动单位。有的一个运动神经元仅支配5条肌纤维（如眼肌），有的则可支配千条以上。如手指具有120个运动单位，控制着41 000条肌纤维，平均约为1∶340；而腓肠肌内侧头有580个运动单位，支配着1 030 000条肌纤维，平均约为1∶1 800。

（二）运动对骨骼肌、骨关节的影响

肌肉的运动是其保持功能的主要因素，经常进行肌肉收缩，可使肌肉发生适应性改变，包括形态、功能及生化方面的改变，从而产生最大张力和最高代谢率。

研究表明，不同类型的运动形式对骨骼肌代谢和功能会产生不同的影响，如耐力运动可增加线粒体的质和量，使肌纤维增粗，以红肌纤维为主，肌肉的耐力增加；如为阻力运动时，线粒体的数量减少，无氧代谢能力增加，肌纤维增粗，以白肌纤维为主，肌肉单位时间内的爆发力增强。

在正常情况下，骨不断由成骨细胞和破骨细胞维持着钙、磷的平衡。在幼年时期，由于骨骼生长较快，成骨细胞功能占优势，维持着骨的正平衡；至老年期，破骨细胞的功能占优势，维持着骨的负平衡。因此，老年人都有不同程度骨质疏松。骨代谢既受营养、激素等影响，也受重力和张力影响，因此，运动有助于减轻和预防骨质疏松。运动有维持骨结构的作用。在幼年期进行系统的负重训练，不仅可维持骨代谢的正平衡，而且可促使骨密质增厚，骨小梁结构排列更趋向于“受力型”。例如，股骨颈的骨质排列呈垂直形，若与未进行负重训练者相比，则后者骨质排列呈锐角的“非受力型”变化。

运动对软骨也会产生一定程度的影响。已知软骨并无直接血管供应，其营养主要来自于软骨下骨组织的血液、关节滑囊壁和关节滑液。任何关节活动都可对软骨产生“挤压”效应，从而使软骨获得足够的营养，同时，运动还可保持关节滑液的营养成分。若长期固定不动，即可引起关节囊挛缩、关节滑液变稀，其中长链的透明质酸和硫酸软骨素分子裂解，从而降低软骨的营养，再加上缺乏“挤压”，常可使软骨变薄，最终使关节形态破坏，进而造成功能障碍。因此，运动在维护关节的形态和功能上起到了重要的作用。

（三）运动对物质代谢的影响

1．运动对糖类代谢的影响

运动时除能量代谢发生变化外，物质代谢也会发生变化。肌糖原是运动中的主要燃料，随着运动方式、运动强度、时间、饮食条件、训练水平和周围环境的不同而变化，在一定强度的运动中，运动开始时肌糖原的降解速度较快，以后随着时间的延长呈曲线相关，在任何时间内，运动强度越大，肌糖原利用越多。

2．运动对脂类代谢的影响

应用放射免疫法测定标记的研究表明，肌肉做功时脂肪酸是最重要的脂类原料，并且是安静时和轻度至中度运动时有氧ATP形成的主要能源。在最大摄氧量为40%的强度下运动时，脂肪酸的氧化约占肌肉能量来源的60%，同时，运动可提高脂肪组织的脂蛋白活性，加速了富有甘油三酯的乳糜和极低密度脂蛋白的分解，因此，运动可降低血脂。

3．运动对蛋白质代谢的影响

生理学家过去认为运动中蛋白质提供的能量可不予计算，但最近的研究表明，在剧烈运动中蛋白质也分解并提供能量。蛋白质供应能量可通过其分解产物丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸在肝脏中脱氨基分别形成丙酮酸、α－酮戊二酸、草酰乙酸且参与三羧酸循环，提供ATP，也可以通过糖的异生作用形成葡萄糖供应能量。

4．运动对骨代谢的影响

运动可增加骨受力，对骨形成有明显影响，骨受力增加可刺激其生长，使骨量增加，骨受力降低可抑制其生长，使骨量减少。研究发现体力劳动者的骨密度高于脑力劳动者的。同时不同的运动方式对骨代谢可产生不同的影响。除此以外，运动可提高体内的雌激素水平，而雌激素是稳定骨钙的重要因素。因此，运动具有预防和治疗骨质疏松的作用。

（四）运动对心血管系统的影响

心血管系统为骨骼肌的运动和维持全身脏器有足够的营养供应及代谢产物的清除提供了强有力的保障，保证了骨骼肌理想的做功环境，从而使生命维持在最佳状态。当人体运动数秒后，人的心血管系统就会出现复杂的功能调节，其调节程度取决于运动强度。

1．血流量增多(www.xing528.com)

当人体在运动状态下，由于自主神经的主导作用，同时受到局部氧气张力下降和二氧化碳张力升高的作用，骨骼肌中血管平滑肌张力减弱，血管很快舒张。随着运动肌肉内血管的开放，其他脏器血管相应收缩，使血流量重新分配，保证肌肉系统有足够多的血流。这样机体就可以通过以上机制从血液中获取较多的氧气来满足运动的需要。另外，运动还可使交感神经对容量血管起作用，使静脉系统中的血流量减少，从而保证了心脏的回血量。

2．心率影响

运动可使心率加快，心输出量增加，从而保证了肌肉、呼吸和全身脏器的需要，即使在无氧、等张收缩的运动及仅有小肌群参与（如用手进行运动）的大强度运动时，心输出量也明显增加。

3．血压的影响

收缩压随动态做功增加而升高是心输出量增加的结果，在每一级做功开始的数分钟内，收缩压出现一致的增加，然后则达到一个稳态。在运动时，由于代谢增加，运动肌肉中的动脉扩张，不运动的组织中的血管收缩，阻力增加，但其总的净效应是全身血管的阻力降低，一般情况下，运动时收缩压增高，而舒张压不变。

另外，运动能增加纤溶系统的活性，降低血小板的黏滞性，以防止凝血块的形成。

知识拓展与自学指导

心血管系统的失健和健化现象

任何减少运动以及卧床休息超过2～4周的情况，均会不可避免地出现心血管系统的失健现象，具体表现为安静时心率增快，每搏输血量减少，心肌收缩做功效率降低，从而使在亚极量运动中，不是以增高每搏输血量而是以增快心率来保证运动中足够的每分钟排血量。由于此时血液中儿茶酚胺的含量也升高，并增加了环磷酸腺苷（cAMP）的量，这就有可能降低心肌的缺血阈值。因为运动中心脏负荷的增加，必然使运动停止后的恢复期延长。以上现象都是前述运动效应和（或）健化现象的倒退。在心血管疾患中，这些现象更为明显。然而，这些失健现象是完全可逆的，只要坚持进行合适的运动康复治疗，不仅可产生外周效应（约占85%），而且还可产生相应的中心效应（约占15%），也就是说有可能直接提高心功能。

（五）运动对呼吸系统的影响

在运动过程中由于能量的需求，使得肺通气能力相应增大，从而保证在各种状态下能维持最佳氧气和二氧化碳的浓度。机体在整个运动的全过程中，其摄氧量不断发生改变。当在一定负荷量下的运动刚刚开始的短时间内，则吸氧量逐渐增高，到达一定程度时，只要运动强度不变，摄氧量就维持在一个相当的水平。当运动结束进入恢复期后，摄氧量缓慢下降并恢复到安静水平。由于运动时消耗的能量随运动强度加大而增加，故如果逐渐增大运动量时，随着需氧量的增加而使通气量增高。健康人在大运动量后对呼吸系统的各指标会造成影响，如大运动量后会使呼吸频率、潮气量、每分钟通气量、吸气量、二氧化碳排出量等出现不同程度的升高。

知识拓展与自学指导

运动诱发哮喘

在1984年奥运会中，美国运动员中竟有11%的人发生运动诱发哮喘（exerciseinduced asthma，EIA），也就是运动后出现咳嗽、哮喘和呼吸急促。大量研究表明，运动一开始儿茶酚胺从交感神经系统中释放，对支气管中的平滑肌可产生松弛作用，无论是健康人或哮喘患者均如此，不发生哮喘。但哮喘患者接下去即出现支气管痉挛，分泌大量黏液痰，严重者可发生阻塞。此现象发生在运动后10min，并在30～90min内恢复。其发生原因可能是对体温梯度的敏感，这是因为运动中增加了通气量导致上呼吸道内温度下降，若停止运动，上呼吸道内温度迅速回升，这“冷”和“温热”刺激了气管黏膜下黏膜腺使分泌增加，同时肥大细胞也释放出大量化学介质和组胺，从而引起支气管痉挛。另外，干燥也是一种刺激原，如在湿润的环境下运动，EIA可以不发生。为防止EIA的发生，建议选择合适的运动方法和运动时间，如选择游泳、各种水上运动、室内活动等项目，运动时间安排在较为温暖时（如中午），在运动前做充分的准备运动，以使机体与运动强度相适应，降低支气管敏感性。

（六）运动对内分泌系统的影响

在体力运动和精神应激状态下，激素能使身体功能强化产生适应感，从而维护机体内环境的稳定，调节电解质和酸碱平衡等。运动对内分泌腺也有一定的作用，从而影响了其所分泌的激素含量。如急性运动时，下丘脑生长激素释放因子分泌增多，促使生长激素分泌增多，非长期训练者较长期训练者增加明显。大多数报道认为急性运动后血中甲状腺激素浓度也含量升高。轻微和中等强度运动时肾上腺素无明显变化，但剧烈运动时，血中肾上腺素可明显增加，极量运动时去甲肾上腺素可以升高2～6倍。经过一段时间运动锻炼后，运动时肾上腺去甲肾上腺素反应逐渐减弱，它们的血浓度也逐渐降低。研究发现，短时间运动时，血浆胰岛素浓度下降，血浆胰岛素浓度与运动强度和持续时间呈负相关。当运动强度和持续时间增加时，血糖和血中胰岛素水平往往进行性下降，但是胰岛素大幅度下降常见于持续2～3h的极量运动，运动后经1h或更多时间可恢复到运动前水平。

（七）运动对消化系统的影响

不同强度的运动对胃酸分泌或胃排空会产生不同的影响。低强度运动对胃酸分泌或胃排空仅有轻微的影响，但随着运动强度的增加，胃酸分泌明显减少（但慢性十二指肠球部溃疡患者运动时却出现高酸性反应）。中等强度运动可延缓胃的排空，特别是过饱、高渗性饮食和高脂饮食后尤为明显，但进行长时间、间歇的蹬脚运动可以加速胃排空。

运动时，肝血流量可降低80%以上，所以，长距离运动可使血清谷丙转氨酶、胆红素、碱性磷酸酶含量升高。临床中见到这种情况不要误认为是肝病引起的肝功能损害的表现。

除此以外，运动还有利于脂肪代谢及胆汁合成和排出，并能减少胆石症的发生。

（八）运动对泌尿系统的影响

和正常安静状态时相比较，运动时肾血流量减少，尤其在剧烈运动时，肾血流量可下降至安静时的50%。运动时体内水分因蒸发和水分子跨膜运动的影响而丢失。在剧烈运动开始时，水分从血液中移至活动肌细胞中，从而形成组织的高渗性。随着脱水的进一步加重，水分丢失则发生在细胞内。但长期训练（如马拉松跑步训练）后，血容量不仅不减少反而增加，并可持续至停止运动后数日。

与此同时，不同运动强度的运动还会影响电解质的代谢。在轻强度运动时，尿排钾量稍增；短暂大强度运动时，尿排钾量减少；剧烈运动后尿排钠量也减少。而血浆镁离子浓度在长期运动中可减少0．2mmol/L，镁离子大部分从汗中流失。血钙浓度在剧烈运动后无变化。

（九）运动对神经系统的影响

中枢神经系统对全身器官的功能起调控作用，同时又需要周围器官不断传入信息以保持其紧张度和兴奋性。运动是对中枢神经系统最有效的刺激形式，所有运动都可向中枢神经系统提供感觉、运动和反射性传入，多次重复训练还是条件反射的综合，随着运动复杂性的增加，大脑皮层将建立暂时性的联系和条件反射，神经活动的兴奋性、灵活性和反应性都得以提高。

（十）运动对精神和心理因素的影响

对患者来说，由于对疾病的不正确理解和对治疗丧失信心，极易产生精神抑郁、悲观失望等情绪，这些“负性”情绪，常可进一步削弱人体的功能。患者参加运动，积极主动地锻炼，可以扭转上述的消极影响，同时引起相应的体液调节改变。这是因为运动可反射性引起大脑皮质和使丘脑、下丘脑部位兴奋性提高，而下丘脑是调节内脏、内分泌活动的次高级中枢，对躯干活动有调节作用。运动可提高机体的反应能力，因而能较好地适应各种因素给机体所造成的应激状态。在适量运动应激反应中，垂体前叶－肾上腺皮质功能系统起着极为重要的保护作用，这些影响可调节精神和心理状态。在丘脑中还有“愉快中枢”，运动时常表现为良好、愉快的情绪，再加上交感神经的营养性影响，可改变体内物质代谢过程。特别当患者看到自己参加运动并从中获益时，常常能对治疗恢复信心，有助于疾病的康复。

知识拓展与自学指导

运动与细胞凋亡

细胞凋亡（apoptosis）是指在一定的生理或病理条件下，机体为维护内环境的稳定，遵循自身程序，通过一定的信号传导途径，激活DNA内切酶，使细胞正常死亡的过程。有证据表明，运动时不仅存在细胞坏死，还存在细胞凋亡的现象。运动通过某些因素诱发细胞凋亡，诱发细胞凋亡的信号有糖皮质激素、下调的生长因子、活性氧自由基、细胞内高Ca^2＋浓度和肿瘤坏死因子等。目前已证实在淋巴细胞、骨骼肌细胞和心肌细胞中存在由运动诱发的细胞凋亡。细胞凋亡发生的程度受运动形式、运动强度、运动持续时间的影响。运动可影响免疫系统的功能，如中等强度、持续时间不长的运动可增强T淋巴细胞的功能，剧烈的急性运动可使淋巴细胞功能反应降低。

四、运动生物力学

力（force）是一个物理名词，是一种作用，它能改变受力物体的静止或运动状态或使其发生形变。力具有大小、方向、作用点三个要素。对力进行广泛综合研究的学科称为力学（mechanics）。力作用于人体或其他生物体上并加以研究的学科，称为生物力学（biomechanics）。运动生物力学（sports biomechanics）是应用力学原理和方法研究生物体的外在机械运动的生物力学分支。运动生物力学的任务是研究人体或一般生物体在外界力和内部受控的肌力作用下的机械运动规律。在运动生物力学中，神经系统的控制和反馈过程以简明的控制规律代替，肌肉活动简化为受控的力矩发生器，作为研究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响，简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。相邻环节之间以关节相连接，在受控的肌力作用下产生围绕关节的相对转动，并影响系统的整体运动。

（一）作用于人体的力

无论是静止状态还是运动状态的人体往往都要受到外力和内力这两种力的影响。

1．外力

外界环境作用于人体的力称为外力。主要的外力有如下几种。

（1）重力（gravitational force）　地球对其表面及其附属物体吸引的力称为重力。重力是人体保持直立姿势及活动时都必须克服的一种负荷。重力的作用方向是垂直向下。重力的大小与人体及重物质量相关。人体运动器官各节段所受的重力各不相同，其占体重的百分比分别是：头部7%，躯干43%，单侧大腿12%，单侧小腿5%，单侧足3%，单侧前臂2%，单侧手1%。如果人体携带物品或在运动中使用哑铃、沙袋等重物时，这些物体所受的重力作用相应叠加于人体。

（2）器械的其他阻力　肢体推动运动器械进行锻炼时，除要克服器械重力外，还需要克服器械的惯性力、摩擦力或弹力所产生的阻力，其与肢体推力比较，大小相等，方向相反。

（3）支撑反作用力　根据人体所处的状态不同，该外力可分为静力支撑反作用力和动力支撑反作用力两种。在静止状态下，地面或器械通过支撑点作用于人体对重力的反作用力，称为静力支撑反作用力。其大小与重力相同，但方向与重力方向相反。而当人体做加速度运动时所受的支撑反作用力，除了上述力外，还要加上与加速度运动力的大小相同但方向相反的反作用力，称为动力支撑反作用力。

（4）摩擦力　摩擦力是指人体或肢体在地面上或器械上滑动时所受到的摩擦阻力。由于受到人体或肢体重量及地面质地的影响，摩擦力的大小各不相同，但其方向与运动方向相反。

（5）流体作用力　流体作用力是指人体在流体中运动时所承受的流体阻力。其大小与运动速度、流体密度呈正比，所以在空气中运动受到的阻力较水中的小。但人体在水中运动比较省力，其原因主要是流动的浮力抵消了大部分重力所致。

运动训练的负荷常常由上述几种外力构成。由于这种负荷的存在，则必然要求肢体运动的方向和力量与之相适应，从而选择相应投入工作的肌群及其收缩强度，这正是肌力训练的方法学基础。

2．内力

人体内部各种组织器官相互作用的力称为内力。其中最重要的是肌肉收缩所产生的主动拉力，这种力通过骨的附着点，根据力学规律和杠杆原理产生相应的运动和（或）维持人体姿势的作用；其次是各种组织器官间的被动阻力，包括皮肤、皮下组织、肌肉、骨、软骨、关节囊、韧带、筋膜等受压力或拉力作用时对抗变形的阻力。除此以外，内力还包括躯体的惯性力、内脏器官间的摩擦力（如心脏搏动与肺的摩擦）、内脏器官和固定装置（如腹膜、肠系膜、大血管等）间的阻力以及血液、淋巴液在管道内流动时产生的流体阻力等。

在生理情况下，各种内力总是相互适应的，以维持最佳活动，同时也不断和外力相抗衡以适应人体生活的需要。

（二）人体运动中的杠杆作用

在体育运动和日常生活中，到处可看见杠杆，人体体内的骨在肌肉拉力作用下能够绕关节转动并克服阻力做功就是杠杆作用。人体运动遵循了杠杆原理，各种复杂动作都可分解为一系列的杠杆作用。运用杠杆原理对运动进行分析是研究运动生物力学的一个重要途径。

1．有关杠杆作用的几个名词

（1）支点　支点是指杠杆绕着转动的轴心点，在肢体杠杆上支点是关节的运动中心。

（2）力点　动力作用点称为力点，在骨杠杆上力点是肌肉的附着点。

（3）阻力点（或称重力点）　阻力在杠杆上的作用点称为阻力点，阻力是指运动节段的重力、运动器械的重力、摩擦力或弹力及拮抗肌的张力，以及韧带、筋膜的抗牵拉力。在一个杠杆系统中的阻力点只有一个，即全部阻力的合力作用点为唯一的阻力点。

（4）力臂　从支点到动力作用线的垂直距离，称为力臂。

（5）阻力臂　从支点到阻力作用线的垂直距离称为阻力臂。

（6）力矩　力矩表示力对物体转动作用的大小，是力和力臂的乘积。

（7）阻力矩　阻力和阻力臂的乘积称为阻力矩。

力矩和阻力矩的作用方向一律用“顺时针方向”和“逆时针方向”来表示。习惯上把顺时针方向的力矩规定为正力矩，逆时针方向的力矩规定为负力矩。规定正负之后，几个力矩的合成就可以用代数和来计算。

2．杠杆的分类

（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”。在人体中，这一类杠杆较少，如头颅与脊柱的连接。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”。如足承重时跖屈可使身体升高，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。

人体中多数是第一、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，另一块可活动，肌肉收缩可产生转动效应和关节的反作用力。

知识拓展与自学指导

（1）转动效应：转矩用M来表示，M＝F×L，L是指肌力作用线与瞬时旋转轴之间的垂直距离，力（F）的转动效应是由垂直于运动骨长轴的较小分力产生的。M受很多因素影响，如肌力大小、肌附着点与关节的位置关系、关节的角度及关节面的形状等。

（2）关节的反作用力：根据牛顿第三定律，作用于骨上的力应与关节面上的一个大小相等、方向相反的力抵消，这个力可分解为关节接触面上的一个正常压力的反作用力和一个切线分力。压力的反作用力来自对关节面的压缩，该力与关节面相接触，有稳定作用。切线分力有防止关节脱位的作用。

3．杠杆原理在康复中的应用

（1）省力　要用较小的力去克服较大阻力，就要缩短阻力臂或延长力臂。在人体杠杆中肌肉拉力的力臂一般都很短，人体有一些补偿机制可以使之增大。通过籽骨能增长力臂，如膑骨就延长了股四头肌的力臂。此外，通过肌肉在骨上附着点的隆起、突起来延长力臂，如股骨大转子就增大了臀中肌、臀小肌的力臂，小转子则延长了髂腰肌的力臂。一个活动多、肌肉强壮的人，其骨骼上的粗隆、结节也较明显，这说明运动锻炼不仅能增强肌力，而且能增大力臂来增加力矩。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；举杠铃的技术关键也是让杠铃尽可能贴近身体。

（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。为使阻力点移动距离和速度增大，就要增长阻力臂和缩短力臂。人体中大多数杠杆虽属第三类杠杆，有利于获得速度，但为了获得更大速度，常需使几个关节组成一个长的杠杆臂，这就要求肢体伸展，如掷铁饼时，就要先伸展手臂。有时甚至需要附加物体延长阻力臂，如利用球棒或球拍来延长阻力臂。

（3）防止损伤　从上述杠杆原理可知第三类杠杆不利于负重和载荷，而人体肌肉杠杆又大多属于第三类杠杆，因而可以理解阻力过大容易引起运动杠杆各环节的损伤，特别是其力点和支点，即肌腱系统和肌肉止点以及关节的损伤。因此在康复治疗中特别强调增强肌肉锻炼，同时应适当控制阻力和阻力矩，以保护运动杠杆免受损害。

（三）关节的运动生物力学

1．关节运动的面与轴

康复医学用三维坐标系统来记录人体运动，人体所有的关节运动都可分解为环绕3个相互垂直的轴心、沿3个相互垂直的平面上进行的运动。

（1）矢状面　矢状面是通过躯干纵轴、前后位的垂直平面，将人体分为左、右两半。

（2）额状面　额状面也称冠状面，是与矢状面成直角的垂直平面，将人体分为前、后（背侧与腹侧）两部分。

（3）水平面　水平面也称横切面，是通过人体与地平面平行的任一平面，将人体分为上、下两部分。

（4）x轴　x轴也称矢状轴，是矢状面与水平面交叉所形成的前后向轴（前为正、后为负），即在水平面上由前向后贯穿人体的线。

（5）y轴　y轴也称额状轴、横轴，是额状面与水平面交叉所形成的左右向轴（右为正、左为负），即在水平面上由右向左贯穿人体的线。

（6）z轴　z轴也称纵轴或垂直轴，是矢状面与额状面交叉所形成的轴（上为正、下为负），即上下贯穿人体垂直于水平面的线。

2．关节运动的常用术语

（1）屈与伸　关节绕额状轴进行的运动，运动时相关关节的两骨互相靠拢，角度变小称为屈，角度变大称为伸。

（2）内收与外展　关节绕矢状轴进行的运动，运动时骨向身体正中线或肢体向正中线靠拢者称为内收，离开正中线者称为外展。

（3）旋转　关节绕其本身的垂直轴所进行的运动称为旋转。骨的前面向身体前方或内侧旋转时，称为旋内；向身体后方或外侧旋转时，称为旋外。在前臂，桡骨围绕桡骨头和尺骨头的轴线旋转向前方的运动，称为旋前。将手掌恢复到向前而手背向后的运动，称为旋后。在下肢，足向内旋转，足底转向内侧，称为内翻；足向外旋转，足底转向外侧，称为外翻。

（4）环转　环转是指关节头在原位转动，骨的远端可做圆周运动，运动时全骨描绘成一圆锥形轨迹。环转运动实为屈、展、伸、收的依次连续运动。双轴关节（如腕关节）或三轴关节（肩关节）可进行环转运动。

全身各主要关节的运动详见图4－1－1。

3．运动的自由度

运动的自由度是指关节的活动度，自由度与关节活动轴有密切关系，关节有几个运动轴就有几个自由度。

（1）一个自由度　该关节只有一个运动轴，仅能绕此轴做一度空间的运动，如指间关节只能绕额状轴进行屈伸运动。

（2）两个自由度　该关节有两个相互垂直的运动轴，可绕此两个运动轴做二度空间的运动，如桡腕关节可绕额状轴和矢状轴做屈、伸、内收、外展运动。

（3）三个自由度　该关节有三个相互垂直的运动轴，可绕这些轴做三度空间的运动，如髋关节可绕额状轴、矢状轴、垂直轴做屈、伸、内收、外展及旋转运动，三个运动轴均通过关节中心。

4．关节的分型

关节可根据运动轴心或自由度的多寡分成以下类型。

（1）单轴关节　此类关节只有一个自由度，即只能绕一个运动轴在一个平面上运动，包括：①滑车关节，如指间关节、肱尺关节等均只能沿额状轴在矢状面上做屈伸运动；②车轴关节（圆柱关节），如近、远侧桡尺关节，只能绕垂直轴在水平面上做旋前、旋后运动。

（2）双轴关节　此类关节有两个自由度，可以围绕两个互为垂直的运动轴在两个平面上运动，包括：①椭圆关节，如桡腕关节，可在额状轴和矢状轴上做屈、伸、外展、内收运动；②鞍状关节，如拇指腕掌关节，可做屈、伸、内收、外展运动。

（3）三轴关节　三轴关节也称多轴关节，此类关节有三个自由度，即在三个相互垂直的运动轴上可做屈、伸、内收、外展、旋转等多方向的运动，包括：①球窝关节，如肩关节；②杵臼关节，如髋关节；③平面关节，如肩锁关节、腕骨和跗骨间诸关节。这些关节由于关节面曲度小，可视为球面无穷大，所以归为多轴关节。但这些关节因两关节面大小基本一致，关节囊与关节韧带坚实紧张，活动度小。

5．关节的稳定性和灵活性

关节的运动方式和运动幅度取决于关节的形态结构。关节在形态和结构上各有其特点，稳定性大的关节（如膝关节）活动度较小，灵活性较差；而灵活性大的关节（如肩关节）稳定性较差。影响关节稳定性和灵活性的因素有组成关节的两个关节面的弧度之差、关节囊的厚薄与松紧度、关节韧带的强弱与多少、关节周围肌群的强弱与伸展性。

图4－1－1　全身各主要关节的运动

6．开链和闭链

人们通常将一侧上、下肢视为一条长链，每个关节均为链扣。如远端游离即为开链，此时可任意活动某一单独关节或同时活动若干关节；反之，远端闭合，如接触地面、墙面或桌面，或两手相握，即可称之为闭链。此时所能做的肢体运动只能是多关节协调活动。如蹲站时必须同时活动髋关节、膝关节和踝关节，不可能做单一关节的活动；两上肢撑地做俯卧撑运动时，也只能同时活动腕关节、肘关节和肩关节，而不可能单独活动单一关节。

在康复治疗尤其是神经疾病后的康复治疗中，可以根据需要选择训练较强的肌群、关节来带动较弱的肌群、关节而进行开链、闭链运动。对于关节粘连患者既可以选择开链运动以专一活动该关节，也可以采用闭链运动使其他关节带动该关节的活动。

（四）肌肉的运动生物力学

1．肌肉的力学特性

（1）伸展性和弹性　肌肉的伸展性是指肌肉放松，在外力作用下其长度增加的能力；肌肉的弹性是指当外力去除后，肌肉恢复原来长度的能力。

（2）运动单位募集　运动单位募集是指进行特定活动动作时，通过大脑皮质的运动程序，调集相应数量的运动神经元及其所支配的肌肉纤维的兴奋和收缩过程。运动单位募集越多，肌力就越大。运动单位募集受中枢神经系统功能状态的影响，当运动神经发出的冲动强度大时，动员的运动单位就多；当运动神经冲动的频率高时，激活的运动单位也多。

（3）杠杆效率　肌肉收缩产生的实际力矩输出受运动节段杠杆效率的影响。如髌骨切除后股四头肌力臂缩短，伸膝力矩将减小约30%。

2．肌肉的收缩形式

（1）等长收缩　等长收缩（isometric contraction）是指肌肉收缩时只有张力的增加，而长度基本不变。此时肌肉承受的负荷等于或大于肌肉收缩力。等长收缩时肌肉长度基本不变可产生很大的张力，但由于肌肉作用的物体未发生位移，所以未对物体做功。它的作用主要是维持人体的位置和姿势。如半蹲位时的股四头肌收缩，此时肌张力恒定。

（2）等张收缩　等张收缩（isotonic contraction）是指肌肉收缩时只有长度的变化，而张力基本不变，同时有关节的运动。此时肌肉承受的负荷小于肌肉收缩力，肌肉的收缩力除克服施加给它的负荷外还能使物体发生位移，所以它对物体做了功。人体四肢特别是上肢的运动主要是等张收缩，一般情况下，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。根据等张收缩时肌纤维长度改变不同，分为向心收缩（如上楼梯时股四头肌的缩短收缩）和离心收缩（如下楼梯时股四头肌的延长收缩）。现已知过多的离心收缩可以造成肌肉酸痛。对于等张收缩的训练作用则意见不一。

3．肌肉在关节运动中的作用

（1）原动肌　直接完成动作的肌群称为原动肌（agonist），其中起主要作用者称为主动肌，协助完成动作或仅在动作的某一阶段起作用者称为副动肌。例如，在屈肘运动中起作用的肌肉有肱二头肌、肱肌、肱桡肌和旋前圆肌。其中起主要作用的是肱二头肌和肱肌，为主动肌，其余的为副动肌。

（2）拮抗肌　与原动肌作用相反的肌群称为拮抗肌（antagonist）。当原动肌收缩时，拮抗肌应协调地放松或做适当的离心收缩，以保持关节活动的稳定性及增加动作的精确性，并能防止关节损伤。如在屈肘动作中，肱三头肌和肘肌即是肱二头肌和肱肌的拮抗肌。

（3）固定肌　为了发挥原动肌对肢体运动的动力作用，必须将肌肉相对固定的一端（定点）所附着的骨骼或更近的一连串骨骼充分固定，参加这种固定作用的肌群，称为固定肌（fixator）。例如，在上臂体侧下垂的屈肘位做腕关节屈伸负重活动时，必须固定肩关节、肘关节，这时起固定肩关节、肘关节的肌群均称为固定肌。

（4）中和肌　中和肌的作用为抵消原动肌收缩时所产生的一部分不需要的动作。例如，做扩胸运动时，斜方肌和菱形肌都是原动肌。斜方肌收缩除使肩外展扩胸外，还可使肩胛骨下角外旋；菱形肌收缩使肩胛骨移向脊柱以产生扩胸效应的同时，可产生肩胛骨下角的内旋。这种肩胛骨下角的内、外旋常可削弱扩胸效应，但两肌同时收缩时所产生的无效动作可相互抵消，因此又互为中和肌。

知识拓展与自学指导

副动肌、固定肌和中和肌通常统称为协调肌（synergist）。肌肉的协作关系随着动作的改变而变化，如作用于腕关节的桡侧腕伸肌、尺侧腕伸肌、桡侧腕屈肌和尺侧腕屈肌。在做伸腕动作时，桡侧腕伸肌和尺侧腕伸肌为原动肌，而桡侧腕屈肌、尺侧腕屈肌为拮抗肌。桡侧腕伸肌和尺侧腕伸肌同时收缩，使腕向桡侧和尺侧屈曲的作用相互抵消，因此又互为中和肌。在向桡侧屈曲腕关节时，桡侧腕伸肌和桡侧腕屈肌同为原动肌，尺侧腕伸肌和尺侧腕屈肌则为拮抗肌。桡侧腕伸肌和桡侧腕屈肌同时收缩使腕伸、屈的作用相互抵消，因而又互为中和肌。此时固定肘关节的肌群即为固定肌。

4．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（preload）、后负荷（afterload）和肌肉的收缩力（contractility）。

（1）前负荷　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。在一定范围内，肌肉的初长度与肌张力呈正变关系，但是超过该限度则呈反变关系。也就是说，在初长度增加的开始阶段，增加初长度能使肌张力相应增大，但如果初长度增加超过某一点时，再增加初长度，肌张力不但不会增大，反而减小，该点产生的肌张力最大，称为最适初长度。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　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时总是肌张力增加在前，肌长度缩短在后。在一定范围内，肌肉的收缩速度与后负荷呈反变关系，称为张力－速度曲线。当后负荷增加到某一数值时，肌肉产生的张力可达最大限度，此时肌肉将不出现缩短，初速度为零，其收缩形式为等长收缩。前、后负荷为零时，肌肉的收缩无须克服阻力，速度达到最大值。在肌肉初速度为零和速度达最大值之间，肌肉收缩既产生张力，又出现缩短，而且每次收缩一出现，张力都不再增加，此时的收缩形式为等张收缩。

（3）肌肉的收缩力　肌肉收缩力在临床上简称肌力，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、肌肉的募集、肌纤维走向与肌腱长轴的关系和骨关节的杠杆效率等。肌肉内部功能状态的改变也直接影响肌力，如缺氧、酸中毒可降低肌肉的收缩能力，而钙离子、肾上腺素则可增强肌肉的收缩能力。

5．影响肌力的因素

（1）肌肉的生理横断面　由于肌肉由肌纤维组成，每条肌纤维的横断面称为肌肉的生理横断面。单位生理横断面所能产生的最大肌力称为绝对肌力。在研究离体肌肉时，把每根垂直横切的肌纤维切面加起来，再将总和乘以肌肉的平均厚度，就得到生理横断面。一般认为绝对肌力值在各种族人群中相对一致。

（2）肌肉的初长度　肌肉的初长度即肌肉收缩前的长度。因为肌肉是弹性物质，故在生理限度内肌肉在收缩前被牵拉至适宜的长度则收缩时的肌力较大。当肌肉被牵拉至静息长度的1．2倍时，肌力最大。例如，在投掷铅球时，必须充分屈曲肘关节，以尽可能牵张肱三头肌，然后利用肱三头肌急剧收缩时的力量将铅球抛出。

（3）肌肉的募集　同时投入收缩的运动单位数量越多，肌力也越大，称为肌肉的募集（recruit）。肌肉的募集受中枢神经系统功能状态的影响，当运动神经发出的冲动强度大时，动员的运动单位就多；当运动神经冲动的频率高时，激活的运动单位也多。

（4）肌纤维走向与肌腱长轴的关系　一般肌纤维走向与肌腱长轴相一致，但也有不一致的。如在一些较大的肌肉中，部分肌纤维与肌腱形成一定的角度构成羽状联结。这种羽状联结的肌纤维越多，成角也越大，肌肉越粗，能产生的力越多。如腓肠肌或其他快肌，具有较强的收缩力。而比目鱼肌等慢肌，肌纤维与肌腱很少成角，故具有较高的持续等长收缩力。

（5）骨关节的杠杆效率　肌肉收缩产生的实际力矩输出，受运动节段杠杆效率的影响。有人报道髌骨切除后股四头肌力臂缩短，可使伸膝力矩减少30%。

（五）骨骼的运动生物力学

1．骨骼的基本结构和力学特征

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。骨结构分密质骨和松质骨。密质骨质地致密，配布于长骨骨干和其他骨的表面，很有规律地层层排列为板状。松质骨位于长骨的两端及其他骨的内部，由大量针状或片状的骨小梁顺最大应力和张力线排列成海绵状。骨组织主要由骨细胞、有机纤维、黏蛋白、无机结晶体和水组成。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地附着于纤维表面，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，并与基质结合成片状形成骨板，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，是形成松质骨的单元。骨的力学性质受人的年龄、性别、部位等因素影响。

骨的变形以弯曲和扭转最为常见。弯曲是沿特定方向上连续变化的线应变分布，扭转是沿特定方向上的角应变的连续变化。骨骼的层状结构充分发挥了其力学性能。从受力情况来分析，一个长骨若中部受到垂直于长轴的力的作用，该长骨的两端由关节固定，中部的力使其长度伸长并弯曲，与两端关节固定点形成相反的平行力，越靠近骨皮质部应力越大。若受到扭转力的作用，情况也是如此，骨的一部分类似于一个圆柱体，圆柱的端面受一对大小相等、方向相反的力矩作用发生角应变，轴心的应变及剪应力为零，圆柱体表面的力最大，即骨皮质部受的力最大，而骨皮质是最坚硬的部位，抗压、扭转力也最强。

2．应力对骨结构的影响

应力刺激对于骨的强度和功能的维持有积极的意义，骨是能再生和修复的生物活性材料，有机体体内的骨处于增殖和再吸收两种相反过程，此过程受很多因素的影响，如应力、年龄、性别及某些激素水平，但应力是比较重要的因素。

骨的外形、骨小梁结构的排列、矿物质含量等经常因其所受的应力而改变。应力与骨组织间存在一种生理平衡。在平衡情况下骨组织的成骨细胞和破骨细胞的活性是相同的。当应力增大时，成骨细胞活跃，引起骨质增生，承载面增大，应力下降，达到新的平衡；当应力下降时，破骨细胞再吸收增强，骨组织量下降，使应力增加，因此骨能通过改变它的大小、形状及内部结构以适应力学的需要进行功能重建。实践证明，经常运动时，由于骨承受了正常生理范围内的较大应力，出现了骨体粗大、骨皮质增厚、骨密度增加、骨小梁排列更合理、骨隆突更发达等情况。同时适度的应力刺激能促进钙盐的沉积，加速骨折后骨痂的形成，从而加快骨折的愈合。相反，制动由于承受不到一般的机械应力，骨膜和骨膜下骨将吸收，患者的尿钙、尿磷和尿氮增加，从而引起骨钙流失，发生骨质疏松，使骨的强度和刚度显著下降。在松质骨和肌腱韧带附着处，骨吸收和强度下降更明显，易于发生再次骨折或撕脱骨折，临床上必须特别注意。

知识拓展与自学指导

肌肉活动对骨应力分布的影响

骨在体内承受载荷时，止于骨上的肌肉收缩可以改变骨的应力分布。这种肌肉收缩时所产生的压应力，可减少或消除骨上的拉应力，使拉应力全部或部分抵消。从承受三点弯曲的胫骨可以说明这种肌肉收缩的效应。滑雪者向前跌倒，胫骨受到一个弯曲力矩。胫骨后侧受高拉应力，前侧受高压应力。而小腿的三头肌收缩，使后侧产生一个高压应力，能抵消一部分高拉应力，从而使胫骨免于发生拉伸骨折，但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，但不成熟骨较弱，可能出现压缩骨折。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。臀中肌收缩产生的压应力抵消了拉应力，导致骨密质上部既无压应力，又无拉应力，故肌肉收缩使得股骨颈能承受更高的负荷。

（六）关节软骨、韧带、肌腱的运动生物力学

1．关节软骨的运动生物力学

（1）软骨的结构特征　软骨由软骨细胞和细胞间质组成。细胞间质呈固体凝胶状态，软骨细胞埋在固体基质内。软骨根据其外观、所含纤维的性质及其内部结构通常可分为透明软骨、含有许多胶原纤维的纤维软骨以及富含弹性纤维的弹性软骨。关节软骨的固体基质占软骨湿重的20%～40%。基质中的60%是胶原纤维，38%是蛋白多糖凝胶，2%是软骨细胞。关节软骨除固体基质以外的60%～80%是组织间液，主要是水分。组成关节软骨的这些成分的性质，它们间的相互作用及复杂结构，决定了关节软骨的力学性质。

（2）关节软骨的力学性质　关节软骨表层纤维较致密，而且纤维的交叉呈拱形排列，并与张力方向相平行，所以软骨表层抗张强度较大，而越向深层其抗张强度越小。如用一锐利物体刺入关节软骨时，会形成一个纵行裂口，而并非圆形裂口。

软骨富含弹性主要表现为软骨受压后会发生变形，压力解除后变形处可迅速恢复。软骨基质中的胶原纤维和蛋白多糖分子结合水的能力很强，能调节水的流动。负重时软骨中的水分和小分子物质受压由软骨表层流出，软骨迅速变形，以后由于表层组织受压而变致密，水的流失变慢，软骨变形也减慢。压力解除后，基质中的蛋白多糖分子迅速张开，并将关节腔内滑液中的水分吸入软骨，软骨的厚度也很快复原。

软骨还能使粗涩不平的关节面变得平滑，减少关节面的摩擦，从而使关节面两侧做相对运动时的摩擦力和磨损程度降低到最小限度。

2．韧带、肌腱的力学特征

骨骼系统周围的胶原组织为韧带（包括关节囊）、肌腱和皮肤。它们是被动结构，自身不会产生主动运动。韧带和肌腱是致密的、规则的胶原组织，它们主要是由平行排列的堆积成的胶原纤维组成，其他的组成材料包括弹性纤维、网状纤维、蛋白多糖以及水等。由于胶原纤维内的细纤维在未受载荷时呈波浪状，载荷开始后胶原纤维被拉直、伸长，直至屈服点，继而产生非弹性变形，直至达到极限而断裂破坏。破坏时的变形范围为6%～8%。胶原组织附加成分为基质，它是一种胶状材料，能减少纤维间的摩擦。韧带主要作为一个关节的骨之间的静力支撑，并与关节周围肌肉系统一起对动力支撑起重大作用。在运动过程中，韧带和肌肉主要是承受张力。关节运动产生的拉伸载荷作用在韧带上，而肌肉收缩也是在肌腱上产生的拉伸载荷。

1）韧带的力学特征

（1）韧带的黏弹性　韧带在牵拉载荷的应力作用下呈现出以下力学特征。

①非线性应力－应变关系：韧带胶原纤维并非全部平行排列。当韧带的拉伸载荷开始时，只有与载荷作用方向一致的纤维承受最大牵伸而被完全拉直。随着载荷与被动伸长过程中的牵伸力越加越大，越来越多的非平行纤维才会受到载荷而被拉直。韧带在一定范围内受拉伸载荷而逐步延长时，会表现出逐渐增大的阻抗即需要不断增大载荷，才能使韧带进一步延长。这种特征有利于在应力下保持关节的稳定和牢固。

②蠕变：在静力学实验中，如载荷不再增加，但恒定地维持下去，韧带还可以缓慢地继续延长。在反复多次牵伸后也有类似的蠕变现象，即牵伸到达同样长度所需的载荷逐步减少。

③应力松弛：在韧带受载荷牵伸而延长时，如其长度被维持不变，则韧带内因牵伸而提高的张力会逐步下降，称之为应力松弛现象。

（2）塑性延长　肌腱在载荷牵伸下发生弹性延长和塑性延长。前者在应力去除后回缩，后者则为持久地延长。其机制可能是胶原分子间或分子内横键裂解，相邻大分子胶原相互滑移，然后在新的位置上形成新的横键。国内吴毅等的实验证明：在一定范围内，随着牵伸力增加、牵伸时间延长、温度增高，产生的塑性延长增加，同时一次性持续牵伸产生的塑性延长较分次反复牵伸的为大。

2）肌腱的力学特征　肌腱的胶原纤维几乎完全呈平行排列，使其能承受较高的拉伸载荷。人体韧带的拉伸变形范围为6%～8%（屈服点），肌腱的应变范围为10%～15%。人体内肌腱的拉伸载荷强度极限为50～1 000MPa。通常肌腱所能承受的载荷与其横截面积呈正比。健康肌腱的拉伸载荷强度极限为肌肉的2倍。成年人肌腱每平方厘米抗张力强度为661～1 265kg，而肌肉松弛时抗张力每平方厘米仅为5．44kg。肌腱在体内受载荷的研究表明，正常活动时，体内肌腱所承受的载荷少于载荷强度极限的1/4。但由于肌腱血运差，在慢性损伤时易发生变性而使强度明显下降。在老年人、运动员及舞蹈演员中，跟腱断裂大都伴有跟腱组织变性。

上述特征对牵伸肌腱、韧带及粘连组织，改善关节柔韧性，矫治关节的纤维性挛缩强直有重要意义。