针刀医学之生物力学基础理论

　　针刀医学之生物力学基础理论：为r让大家能够更好理解以上疾病在病因和治疗方面的力学涵义，提高大家对骨伤疾病的研究能力，在这一节专门给大家简单介绍些骨伤科方面的生物力学知识。

 

　　一、骨伤科生物力学的概念

 

　　生物力学是近20年来新发展起来的，是活跃在力学与生物学、力学与医学、力学与生物医学工程等学科之间的边缘学科。但是，在古老的巾医骨伤科学巾.仍可追溯到一些朴素的生物力学概念。早在《素问,痿论篇》中就有“宗筋主束骨以利机关……“的论述。这里包含了儿个方面的力学概念：一是骨本身耍受宗筋的约束；二是骨与骨之间的联系要靠宗筋；三是美节（机关）的正常活动要靠宗筋维系。这里的宗筋可能是指关节囊、韧带及肌腱的结构与功能。在力学方面，这里明偷地提岀了肢体之间耍靠一定的联系与制约才能发挥其正.常的生理功能——“利机关”。

 

　　在《医宗金鉴•正骨心法要旨》屮有“必素知其体相，识其部位，一旦临证，机触于外，巧生于内，手随心转，法从手出。或拽之离而夏含，或推之就而复位，或止其斜，或完其阙。……”的论述，提出要清楚了解人体的整体结构及局部特点，认清外力对人体作用的效应，用不同的复位力来整复骨折脱位。这里包含了丰富的经典力学内容，对于有重叠倾向的骨折或脱位，用大小相箸，方向相反的牵引力使之“离而复合”，对冇分离倾向的骨折或脱位用大小相等，方向相对的挤压使之“就而复位”。还提到“诚以手本血肉之体，其宛转运用之妙，可以一己之卷舒，高下疾徐，轻重开合，能达病者之血气凝滞,皮肉肿痛，筋骨挛折，与情忐之苦欲也。”对所施复位力的大小方向提出了貝体要求，对复位力的生理效应做了明确的解释。如果手法复位不能满足要求，则“制器以止之，用夫手法之所不逮”。用一箜机械力来补允人力的不足。

 

　　《吕氏春秋•本生篇》说；“出则以车，人则以辇（古代的一种轿），务以自佚（自己图舒适而失去运动机会），命之日拍照〈四肢痹蹶）之机。”这是多么生动的运动生物力学概念。这可能是对生物界“用进废退”规律的最早阐述。

 

　　在西方•古老的力学也与医学有者不解之缘。

 

　　伽利略在成为一位蓍名物理学家之前，是一个医科学校学生..他找到了摆长与周期的定量关系•并用摆来測定人的心率，用与心搏合拍的摆氏米表达心率。

 

　　Borell（1608〜]679年）是一位意大利的数学家和天文学家.在他的著作《论动物的运动》一书中，成功地阐明了肌肉的运动和动物门身的运动问题。

 

　　德国医生Wolff在1892年提出的骨改建的定律・至今仍足骨科生物力学的重要基础理论。

 

　　Frank提出了心脏的流体力学理论，Starling提出了物质透过膜的传输定律，并说明了人体内水平衡的问题。Hill则因肌肉力学的研究而获诺贝尔奖金.他们的贡献为生.物力学奠定了基础。

 

　　著名美籍生物力学专家冯元桢教授曾指出：“中国除了有与世界各国相同的情形外，另冇一份特别的、祖先传下来的宝贵遗产.那就是中医和气功。……生物力学可能是研究中医和气功的工貝.之一

 

　　力学是研究运动的科学，生物学是研究生命的科学：生物力学则是研究生物与力学有关的向题。它用力学的方法来处理以前不属于力学的I'可题，使许多医学及生理学上知其然而不知其所以然的观察及经验有了较深的了解、它的H标是生物界繁复无穷的现象.故不可能用几个基本的物理概念来解释.但它遵循自然界能址不灭、动蛍不灭及质量不灭的基木定律，再加上描写物性的本构方程，对一些现象就可能用力学的方法来解歸。生物力学体现了近代科学的发展，它貝有学科问彼此滲透、相互交叉、紧密联系的特点。

 

　　骨伤科生物力学主要研究骨、肌肉、韧带等生物材料的力学性能，骨的微观结构与宏观力学效应的关系，骨的耦合力学效应，骨的消长及其控制问题，骨的断裂与愈含的力学问题，肌肉收缩及其生理效应，关节的结构、功能、疾病及治疗的力学问题等。用力学的方法研究骨伤科疾病的发病机制，治疗原理。

 

　　二、骨伤科生物学的任务及研究方法

 

　　目前，骨伤科生物力学的主要任务有两个方面，一方面是探讨物性的基础理论研究，一方面是分析解决临床问题的应用研究。

 

　　在物性研究方面，应当注意以下问题的研究：

 

　　1-建立骨伤科生物材料的本构方程正如研究弹性力学得先知道虎克定律，研究

 

　　流体力学得先知道牛顿定律一样，建立骨伤科生物材料的物性本构方程是研究骨伤生物力学的第•步。口前已在一定条件下对血液、血管、肌肉、骨骼、软骨等生物固体，生物流体寻得一些本构方程，但困难的是确定包含在这些本构方程中的常数。因此，收集数据是十分重要的C

 

　　2.收集物性迁移与扩散的数据物质的迁移与扩散在生物体屮是广泛存在的。例如，食物是通过什么样的方式消化吸收的。又是怎样转化为能虽的；肌肉活动时能堇是以什么样的方式释放的，即生物力能的转化问题。只有在大量掌握这类数据之后.才能使力学真正进入生物的领域，帮助人们去探索牛命的奥秘。但由于种种条件的限制，目前要取得这类数据还有困难，还需要几代人不懈的努力.

 

　　3-寻找生长与应力的关系生长与应力的关系问题,最早是在骨骼的发生、发育中发现的，骨的生长与施加一定应力是密切相关的。很久以前人们就注意到，由于肌肉的牵拉力，造成骨骼表面的一些突起和凹陷，长时间的废用，可使骨质萎缩.X线密度降低°对于生长与应力关系的探讨.将直接影响到日前•些临床问题的解决，一些治疗方法的发现。

 

　　在临床应用方面，也有许多任务需塁完成：

 

　　1-对损伤机制的硏究如人体对振动或冲击的反应，人体对速度的耐受性，人体对失重及高温高压的反应，骨骼对应力的反应，骨折的发生及其移位规律，软组织损伤的发生及其机制等，

 

　　2.对治疗方法的研究如各种治疗手法的效应力，各种内外固定方法对骨折局部应力状态的影响，各科1手术设计中的力学因素，各种人工假体的植换问题，植入的人工材料的力学性能及其生物相容性等问题。

 

　　3.对功能恢复的研究如对各种功能活动的力学分析.假体的设计，残废人的功能重建问题，轮椅及其他康复器械的设计等。

 

　　冯元桢教授曾指岀，在研究生物力学冋题时，我们仍依照力学的传统方法，按如下步骤进行。

 

　　（1）考虑生物的形态、器官的解剖以及组织的结构和微结构，借此K餅所研究对象的几何特点-

 

　　（2）测定组织或材料的力学性质，确定木构关系。这住生物力学屮往往是很困难的，因为我们通常不能将活组织分离出来进行试验.或是由于所要求的组织试件尺寸太小，或是难于将组织维持在活体状态。再则，生物组织产生的变形住往是很大的（其意义是应变一位移关系是非线性的），应力一应变关系通常是非线性的，并与受丿J的历史过程有关。

 

　　（3）根据物理学中的基本原则（质量守恒、动量守恒、能量守恒和Maxwell方程等）和组织的本构方程，导岀其主要的微分方程和积分方程。

 

　　（4＞弄消器官工作的情形，以期获得有意义的边界条件。

 

　　〈5）用解析方法或数值方法解边界值问题（具有合适条件的微分方程和积分方程）。

 

　　（6）做生理实验以验证上述边界值问题的解。若有必要.则另立数学模型求解，以期理论与实践相一致。

 

　　(7)探讨理论与实验在实际中的应用，研究是否有作更进一步改进的必要。

 

　　在研究过程中，理论和实验必须相凡参照进行修正•以期获得一致.并使问题能在定性和定量方面得到满意的说明。这样.当器官组织的性质或某些边界条件发生变化时，我们即可据此预言其功能的变化，从而有助于诊断及治疗。

 

　　三、骨伤科生物力学的意义

 

　　今犬，骨伤科工作者面临看新的挑战，伤情越来越复杂，治疗标准越来越高，人们日益感到无论是继承、发掘、整理屮医骨伤科遗产，还是为适应骨伤科学科建设的需要，生物力学总是一个非常重要的基础。而骨伤科的良好疗效，尚待解决的生物力学问题，也越来越引起力学工作者的兴趣。

 

　　骨伤科生物力学是力学向骨伤科学的渗透.也是促进力学发展的动力。目前力学涉及的是与外环境没有物质交换的封闭系统热力学，这一基本概念在生物体中就不适用T,所以冇必要创造开放系统的热力％它扩展r力学的研究范囲，丰富了力学的研究内容。到目前为止的力学知识，还不能完全满意地解决骨伤科的临床和基础问题.还需要骨伤科丁作者与力学工作者密切合作，去探索科学的新奇。

 

　　通过对人体骨骼、肌肉、血管的生物力学性能的研究，也将促使一些新的力学分支出现。目前的生物固体力学，生物流体力学，生物工程学等均与骨伤科的发展存若密切的关系。止如冯元桢教授指出的：“如果没有生物力学则有些生物问题就不可能领会，这就好象没有空气动力学就不能造出一架好的飞机。对于一架飞机，力学可以使我们设计它的结构，预示它的性能。对于一个器官来说，生物力学能够帮助我们r解它的正常功能，以及由功能的变化预示其变化.并指出人为的改进方法。因此.诊断学、外科学、修复学等都紧密与生物力学联系在一起。”

 

　　总之，这门新兴科学的研究与发展，対祖国医学科学现代化，对骨伤科学术水平的不断提高，对力学的进一步发展，对工程技术的改逬.对康复学、保健学、运动医学等都有着不可忽视的重大意义.由于各学科之间相互渗透.相与交义.紧密结合，骨伤科生物力学必将成为骨伤科医生手中的一件得力工共。

 

　　四'力学基本概念

 

　　在一定范围内，力学的是本概念、定律也适用于丹伤生物力学。正确地理解、熟练地掌握、合理地应用力学的基本概念和特性，是学习研究骨伤科生物力学的必要前提。

 

　　1.力的概念

 

　　(1)力:力(force)是〜个物体对另一个物体的作用。力和物体是分不开的，凡是谈到力・就应该弄清该力是哪两个物体间的作用，哪个是施力物体，哪个是受力物体。例如临床常用的点穴疗法，医生的手指施于患者的穴位，可达到调和阴阳、疏通气血的治疗作用。而病人的穴位受力，发生形态改变，进而达到经络通畅，气血调和，阴阳平衡的治疗效果。这种力使物体形态发生改变的现象，称为力的变形效应(内效应)。骨伤科临床应用的各种治疗手法，也是由于不同形式的力作用的结果。如舒筋活絡的揉法，就是通过前臂的旋转实现的；驱风散寒的擦法，则是医生的手掌在病人体表的摩

 

　　348赫

 

　　擦。这种力使物体的运动状态发生改变的现象，称为力的运动效应（外效应）。

 

　　总之，力是物体间的相互作用，这种作用使物体的形状和运动状态发生改变。力的效应问题是力学的基本问题。

 

　　有些作者根据不同需要，还把力分为外力和内力，面积力和体积力，均布力和集中力等。对于力的效应的描述是以牛顿第一定律、第二定律和虎克定律为基础的。

 

　　牛顿第一定律：任何物体，如果不受力的作用，则将保持静止或匀速直线运动状态。该定律给出了力的定性的定义：力是物体运动状态改变的原因°

 

　　牛顿第二定律：质点受到外力作用时，所产生的加速度的大小与力的大小成正比与质点的质量成反比，加速度的方向与作用力的方向相同，写为

 

　　F=ma

 

　　式中m为质点的质量，F为作用力，a为加速度。

 

　　该定律给出了力的定量的定义：作用于质点的力等于质点的质量与其加速度的乘积。

 

　　虎克定律：强性杆件受压时，应力与应变成正比。写为

 

　　式中。为应力（単位面积上所受的力），e为应变率（单位长度的伸长或短缩），E为弹性系数或弹性模量（不同的物质其弹性系数或弹性模量是不同的）。

 

　　该定律建立了力与变形之间的关系。

 

　　（2〉力矩：人们的日常活动经常发生转动，为「看到侧方或后方的事物，颈椎不时要转动。打开门窗，拧紧螺钉，踏归行车的脚蹬，都是要使物体绕某一点或某一轴发生转动。

 

　　物体是怎样发生转动的？以扳手拧紧螺丝为例。力F使扳手连同螺丝绕点转动。力的数值F愈大，衆钉拧得愈紧,力的作用线离螺钉中心愈远，拧紧螺钉愈省力。大量的事实使我们得到这样的概念：力F使物体绕点转动的效应，不仅与力的大小F有关，而旦还与力的作用线到点的垂直距离h（力臂）冇关，因此，乘积Fh就是力的转动效应的度量，该乗积取适当的正负号，称为力F对点的矩，简称力矩m,正负号用以区别力F使物体绕点转动的方向。所以力矩可以用一个代数量表示。即力F使物体绕点的转动效应，既与力的大小F成正比，又与力臂的大小h成正比，记为：

 

　　m=±Fh

 

　　力矩的转动效应决定于3个因素：力矩作用面的位置，力矩的大小和力矩的转向。只要一个因索不同，其转动效应就将发生改变。例如，眩二头肌对前臂的转动效应，当前臂屈伸时，力矩的作用面是矢状囱，转动轴为额状轴，当前臂旋前旋后时，力矩作用面为水平面，转动轴为矢状轴。

 

　　在国际单位制中，力矩的单位是牛顿•米或牛顿•厘米；在工程单位制中，力矩的单位是kg•米或kg•厘米<

 

　　<3）力偶；在力学中，把大小相等，方向相反，作用线平行的两个力F和F'组成的系统叫力偶。两力之间的垂直距离d称力偶臂・力偶所在的平面称力偶的作用面。

 

　　力偶的特性表现在它即不能合成为一个力，其本身又不平衡。一个力偶在任何情况

 

　　1kg力=9.807牛顿

 

　　（2）力的合成与分解：作用于刚体匕的力系如果可以用一个力代替而不改变对刚体的效应，那么这个力称为力系的合力，而力系中的各个力称为分力，由各分力求合力叫做力的合成.由合力求分丿J的过程叫方的分解。两个分力的合成符合下述规律：作用于物体上同--点A的两个力F.珂订以合成为一个合力R・合力R也作用于该点，合力R的大小和方向由从两分力F2为邻边所构成的平行四边形的对角线来表示。这就是力的平行四边形法则，写为日=日+已。

 

　　该定律指出，两个力（矢里）相加〈台成）不能简单地求算术和，而要用平行四边形定律求几何和（矢量和）。例如互成直角的两个力P和Q,P是3kg,Q是4kg,这两个力的合力R的大小应是5kg,而不是7kg。

 

　　根据平行四边形对边平行旦相等的性质，求力P和Q的合力R时，可以只画出力平行四边形的-半，先将力的首尾树接，再从1>（或Q）的起端至Q（或P>的终端作矢MAC,则矢量AC就代&合力。这就是力的三角形法则，它是由力的平行四边形定律演变来的，在实际运用中，冇时利用三角形法则求合力较为方便。

 

　　<3）力的平衡：平衡系捐物体相对于地面处于静止或匀速直线运动的状态中。

 

　　物体只受两个力的作用而平衡秣为二力平衡。它是物体平衡最简单的杉式。受齒个力作用的刚体（在受力情况下保持形状和大小不变的物体）处于平衡状态的充分和必要条件是，这两个力大小相等，方向相反，作用线相同（简称等值，反向，共线），这就是二力平衡条件。对于非刚体来说，二力平衡条件只是必要条件而非充分条件.例如绳索的两端受到等值、反向、共线的两个拉丿J则处于平衡状态，但如受到等值、反向、共线的两个抵力就不能平衡了。

 

　　如果物体受不平行的三个力作用而平衡，那么它们的作用线在同一平面内并汇交于一点，且它们组成封闭的力二角形。“组成封闭的步三角形"6仅是二力平衝的必要条件，也是充分条件。因为.此时Fj、畠、&的合力等J••零.即它们与零力系等效，所以它们在平衡中，利用三力平衡的条件.可以简便抱求解一些静力平衡冋题。

 

　　（4）作用力和反作用力定律（牛顿第三定律）：力是物体之间的相互作用，两物体相互作用的力符合下述重要規律：两个物体间的作用力和反作用力.总是大小相等，方向相反，作用线相同，分别作用于这两个物体上。例如.为了克服肌肉收缩造成的骨折重叠移位，对一些骨干骨折采用骨牵引治疗.牵引的重丿J给肌肉以-•定的拉力.而肌肉则产生收縮，以等量的张力反作用于牵引装置。

 

　　必须注意，作用力和反作用力不是作用在同…物体上，而是分别作用在两个相电作用的物体上。对于每一个物体来说，不能把作用力和反作用力说成是一对平衝力。以上面的例子，如果牵引的重力大于肌肉的张力，则可能发生过牵，如果肌肉的张力大于牵引力，则可能发生重叠。

 

　　作用力和反作用力是力学中普遍存在的--对矛盾，它们相互对立，相互依存，同时出现，同时消失.如牵引力发生变化（增大或减小），肌肉也将发生相应的力学改变（伸长或缩短），以对抗牵引力的变化。这是矛盾同-•性的体现。

 

　　作用和反作用定律是丿J学中的一个基本定律。人体运动中的动力传速，都是通过关

 

　　廿之间的作用与反作用的关系而实现的，借助这个定律，我们可以对人体的遥动作岀合理的受力分析。

 

　　3.几种常见的力

 

　　（1）约束与约束反丿J

 

　　物体的运动大都受到某些限制，如肢体的运动要在美步活动范围之内，肌肉的收缩只能发生在其起止点之间。这些限制物体某些运动的条件称为约束，约束是通过与被约束的物体相互接触的物体来实现。如固定骨折的夹板的约束是通过捆在其上的布带来实现的。所以，约束也是物体，而且必须是与被约束物体相接触的物体。当物体受到约束时，物体与约束之间作用看力，约束给物体的力限制物体的某些运动，约束给被约束物体的力称为约束力或约束反力。约束反力对物体的阻抗是物体某些运动受到限制的原因，所以•约束反力的方向总是与约束所限制的込动方向相反"活见的约束反力有：

 

　　①约束反力的作用线和方向都受一定的约束：A.柔索：柔索只能承受张力，而不能承受压力和弯曲（抗压和抗弯能力很小）。当物体受到柔索的约束时，它只能限制物体沿着自身伸长的方向运动，而不能限制物体在其他方向的近动。因此，柔索的约束反力的作用线一定沿着柔索的中心线，其方向朝向背离物体的方向。常见的柔索约束如绳、链条、韧带、筋膜、肌腱等。B.光滑接触而：当接触面之间的摩擦力远小于物体所受的其他力时，库擦力可以忽略不计•而认为接触面是光滑的。光滑接触面约束只能限制物体沿接触点的公法线压人接触面的运动.而不能限制物体沿着接触面和脱离接触面的运动。因此，光滑接触血的约束反力的作用线一定沿若接触点的公法线.其方向指向物体的内部。由于关节而间有透明光滑的关节软骨，关节囊的滑膜层能分泌滑液.关节腔内也有少量滑液.所以.关节面间的摩擦力可以减小到最小的程度。因此，人体关节面的约束是--个比较理想的光滑接触面约束。

 

　　②约束反力的作用线通过定点而方向不定的约朿：A.崎柱形胶链：将两物体用圆柱形销钉连接而构成的结构称为圆柱饺链，简称铉链或较。笠链只能限制两物体的相对移动，而不限制两物体的相对转动。佼链约朿反力的作用絞-定在垂直于销钉轴线的平而内，凡通过销钉的巾心。由于约束反力的方向还取决于接触点的位罟，而皎链的接触点又往往不能预先确定，所以，饺链约束约束反力的方向也不能预先确定，即茂链约束是约束反力的作用线在垂直于销钉轴线的平面内通过销钉中心而方向不定的约束。临床上，用圆柱形饺链连接的装置、器械很多，如咬骨钳的“关节”，超美节夹板的连接点，滑动牵引用的滑轮和轴等，B.球形皎链：一物体上的球形部分眠人另一物体的球窝部分而构成的结构称为球形m.球形皎链只能限制物体在空间的相对移动，而不能限制物体相对球心的转动。球形钗链是约朿反力的作用线通过球心而方向不定的约束。人体的肩关节、靛关节等类似于球形关节。

 

　　⑵重力；地球表面上物体的重力是指地球对物体的引力（何|地球自转的影响）.車•力的方向指向地心，重力的作用点称为物体的重心。重力在骨伤科临床治疗中有二重性，在某些情况下，重力是造成窗折移位的不利困索.在另外一些情况下，它又可以成为促使骨折复位，维持固定效果的有利因素。如用‘‘攀索叠破”法、..悬吊牵引”法及两桌法治疗椎体压缩性骨折，都是利用人体的重力作用.使压缩的椎体前缘张开，达到力学平衡。

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