1、人体运动生物力学,2009年全国假肢矫形器制作师执业资格理论课,研究内容,力学基础知识 骨杠杆 关节 步态分析,参考书籍,书名 作者 出版社 出版年矫形器学概论 靳尔刚 中国社会出版社 2007现代运动生物力学 郑秀媛 国防工业出版社 2007新编康复医学 胡永善 复旦大学出版社 2006运动生物力学 赵焕彬 高等教育出版社 2007,一、力学基础知识,1、力的基本概念 力的定义、效应、三要素、内力与外力 2、力的特性 力的矢量表示法、力的平行四边形定律、力的作用与反作用定律 3、几种常见力 重力、摩擦力、弹性力 4、力矩与力的平衡,1、力的基本概念,定义：一个物体对另一个物体的作用，物体间力
2、的作用是相互的。力的单位：牛顿，N 人体运动生物力学中的力主要是：人体与地面、器械、流体的相互作用。力的效应：力使物体的运动状态和形状发生改变的作用。内效应（形状发生改变）和外效应（运动状态改变）力的效应的描述：牛顿第一定律、第二定律和胡克定律为基础。,牛顿第一定律：任何物体，如果不受外力的作用或所受的合力为零，将保持静止或匀速直线运动状态，又称惯性定理。惯性：所有物体具有保持它原来运动状态的性质。物体惯性的量度是物体的质量，质量越大惯性越大。牛顿第二定律：物体运动的加速度与作用力成正比，与物体的质量成反比。F=ma胡克定律：物体在弹性限度内，应力和应变成正比，公式：s=Ee,力的三要素：大小
3、、方向、作用点内力：在一个系统内部相互作用的力。人体内部各部分相互作用的力，如肌肉力、组织粘滞力、韧带张力、关节约束反作用力等称为人体内力。外力：外界作用于人体的力称为人体外力。人体所受主要外力：重力、弹力、摩擦力、支撑反作用力、介质作用力等，矫形器的压力、扭力等。内力与外力的关系：内力与外力的概念是相对的。确定某个力是外力或者是内力，取决于选取的研究对象。研究对象不同，同一个力既看作是内力也可看作是外力。,2、力的特征,力的矢量表示法矢量：指有大小和方向的物理量。标量：只用大小就可以表示其特征的物理量，质量。力的表示：通常用一根带箭头的线段来表示。长度：大小 箭头：方向 起点：作用点,力的平
4、行四边形定律 力的矢量性决定了力的合成与分解遵循力的平行四边形定律。同一点A作用的两个力F1和F2，以其作邻边画平行四边形，则平行四边形的对角线即代表这两个力的合力，即 F3=F1+F2,力的作用与反作用定律牛顿第三定理：两物体间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反、且作用在同一条直线上。特点：作用在两个不同的物体上，与同一物体受到的平衡力有本质的区别；大小相等，但各自可能产生不等的运动效果；性质相同，同时产生，同时消失；系统内的作用力与反作用力属系统内力，对整体运动没有作用；静止和运动状态下第三定律都成立；,力的合成与分解力的合成：当一个物体受到数个力的作用时，合力为几个力的矢量和。力的
5、平行四边形定律。力的分解：某一力如果要用不同方向的分力来表示，称为力的分解。,F12,重力：物体本身受地球吸引而产生的力，方向指向地心。重力与质量不同：质量是物体所含物质的多少，是物体惯性的量度，标量，重力是物体产生重力加速度的原因，矢量。重心：重力的作用点是物体的重心。人体重心：人体各部分所受地球引力的矢量合成，使人体产生重力加速度的力。,3、几种常见力,摩擦力：两个互相接触的物体，当它们要发生或已经发生相对运动时，在接触面上产生的一种阻碍相对运动的力。摩擦力分为：静摩擦力和动摩擦力两种。静摩擦力：两物体接触有相对运动趋势，但没有相对运动，这时的摩擦力称为静摩擦力。如果物体间发生了相对运动，
6、则称动摩擦力，包括：滑动摩擦力和滚动摩擦力。弹性力：物体由于形变而对引起形变的物体产生的作用力，弹力是接触力，而人体在接触过程中发生形变有时是肉眼观察不到的，但相互挤压产生的弹力是存在的。,4、力矩与力的平衡,影响因素：力矩是使人体转动状态发生改变的原因，与力的大 小、力的作用线到转动轴的垂直距离有关。方向：物体沿逆时针方向转动为正，反之为负。,力矩：力和力臂的乘积,力的平衡：平衡条件：维持人体平衡的两个条件合力和合力矩为零。平衡的分类：1）根据人体支点相对重心位置上支撑平衡；下支撑平衡；混合支撑平衡2）根据平衡稳度分类 稳定平衡；不稳定平衡；有限度的稳定平衡；随遇平衡,1）人体支点相对重心位
7、置,上支撑平衡：当人体处于平衡，且支点在人体重心的上方。如：体操中的各类悬垂动作。下支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人体重心的下方，下支撑平衡在人体动作中最为常见。如：平衡木的平衡动作、站立以及田径、武术等。混合支撑平衡：是一种多支撑点的平衡状态，这时有的支撑点在人体重心上方，有的支撑点在人体重心下方，如肋木侧身平衡。,2）根据平衡稳度分类,稳定平衡不稳定平衡有限度的稳定平衡随遇平衡,稳定平衡,人体在外力作用下，偏离平衡位置后，当外力撤除时，人体自然回复平衡位置，而不需要通过肌肉收缩恢复平衡，则该平衡是稳定平衡，多数上支撑平衡属于稳定平衡。特点：当偏离平衡位置时，重心升高，产生的重力矩使人
8、体向平衡位置运动，回到平衡位置后，合力为零，合力矩为零。,不稳定平衡,人体在外力作用下，偏离平衡位置后，当外力撤除时，人体不仅不能回到原来的平衡位置，而是更加偏离平衡位置。这种平衡叫不稳定平衡。仅在下支撑平衡动作中出现。特点：偏离平衡位置时，重心降低，产生的重力矩使人体继续倾倒。,有限度的稳定平衡,人体在外力作用下，在一定限度内偏离平衡位置，当外力撤除时，人体回到平衡状态，但是当偏离平衡位置超过某一限度时，人体失去平衡，这种平衡叫做有限度的稳定平衡。特点：在一定限度内偏离平衡位置时，人体重心升高，产生的重力矩使人体向平衡位置移动，最终恢复平衡，但超过某一定限度的偏离平衡位置时，人体重心降低，产
9、生的重力矩使人体更加偏离平衡位置。,随遇平衡,人体在外力作用下偏离平衡位置，当外力撤除时，人体既不回到原来的平衡位置，也不继续偏离原位置，而是在新位置上保持平衡，这种平衡叫随遇平衡。在运动中很少见。特点：偏离原来位置时，重心高度不变，不产生使物体位置移动的重力矩。如：连续完成的两个前滚翻。,重心高度:重心越低，稳定性越好。支撑面：是由各支撑部位的表面及它们所包围的面积，支撑面越大，物体平衡的稳定性越好。稳定角：重力作用线和重心与支撑面相应边界的连线之间的夹角。稳定角越大，稳定性越好；稳定角越小，稳定性越差；稳定角为零，人体处于临界状态。质量：质量越大稳定性越好。摩擦力：支撑物的表面摩擦力越大，
10、越易保持稳定。,影响人体平衡的因素,二、骨杠杆,1、骨杠杆定义 2、杠杆原理 3、杠杆的分类,1、骨杠杆定义：在肌肉拉力作用下，骨骼能够围绕关节轴转动，并克服阻力做功，其功能与杠杆相同，称作骨杠杆。骨杠杆具有三个点：动力作用点、阻力作用点和支点。支点：是关节的瞬时中心；动力臂：是肌肉作用线到支点的垂直距离。阻力臂：是阻力作用线到支点的垂直距离。,2、骨杠杆原理杠杆原理：即杠杆平衡条件，作用在同一物体的两个力矩，大小相等，方向相反。动力动力臂=阻力阻力臂代数式：F1*L1=F2*L2杠杆平衡条件反映：动力臂是阻力臂的几倍，动力就是阻力的几分之一。,3、杠杆的分类 双臂杠杠：动力点和阻力点位于支点
11、两侧单臂杠杆：动力点和阻力点位于支点同侧 省力杠杆：动力臂 阻力臂，动力阻力等力杠杆：动力臂=阻力臂，动力=阻力,三、关节,1、关节定义 2、关节分类 3、关节的运动,1、关节定义关节：是骨与骨之间的可动连接；基本功能：传递力和保证身体各部分间灵活运动；特点：灵活性和稳定性；稳定性和灵活性：是关节功能同时存在的两个方面，关节灵活性以便人体运动时适应各种运动，稳定性保证人体运动中维持动态平衡，处于合理的工作状态，免于损伤。,2、关节的分类,移动：是最简单的一个骨关节面在另一骨关 节面上的滑动。屈伸：通常是指关节沿冠状轴进行的运动。收展：是关节沿矢状轴进行的运动。旋转：是关节沿垂直轴进行的运动。内
12、旋、外旋环转：运动的骨，其上端在原位转动，下端则作圆周运动，运动时全骨描绘出一圆锥形的轨迹。,3、关节的运动,下肢运动的关节主要包括：髋关节、膝关节、踝关节；髋关节：是球关节，其股骨头和髋臼具有朝各个方向活动的能力；膝关节：属于多轴关节；踝关节的运动：包括跖屈、背屈、外旋、内旋；肘关节：的运动主要包括两种是屈曲和伸展。,四、步态分析,1、步行周期（1）支撑相（2）摆动相2、步行参数 步长、步宽、步幅、步频、步行周期等3、异常步态,步行（walking）：指通过双脚的交互动作移行人体的活动。步态（gait）：是行走时人体的姿态，是步行运动状态的统称。步态分析（gait analysis）：是研究
13、步行规律的检测方法，旨在通过生物力学和运动学手段，揭示步态异常的关键环节和影响因素，从而协助康复评估和治疗，也有助于协助临床诊断、疗效评估、机理研究等。,1、步行周期,步行周期：指一侧下肢完成从足落地到再次落地的时间过程，根据下肢在步行时的位置分为：站立期和摆动期。,（1）站立期,下肢接触地面并承受重力的时相，约占步行周期的60%，即足跟触地到足趾离地时期，包括：早期(early stance)：首次触地和承重反应，正常步速时占步行周期的10%12%。中期(mid stance)：支撑足全部着地，对侧足处于摆动相，是唯一单足支撑全部重力的时相，正常步速时大约为步行周期的38%40%。末期(te
14、rminal stance)：指下肢主动加速蹬离(push off)的阶段，开始于足跟抬起，结束于足离地，约为步行周期的10%12%。,站立期早期(early stance)：,首次触地:指足跟接触地面的瞬间，使下肢向前运动减速，落实足进入支撑相的位置。承重反应:指首次触地之后重心由足跟向全足转移的过程。双支撑相:支撑足首次触地及承重反应期相当于对侧足的减重反应和足离地，由于此时双足均在地面，又称之为双支撑相。双支撑相是步行周期中最稳定的时期。跑步地面反作用力（GRF）:首次触地时的GRF一般相当于体重和加速度的综合，正常步速时为体重的120%140%。步速越快，GRF越高。,（2）摆动期,下
15、肢在空中向前摆动的时相，指足离开地面向前迈步到再次落地的时间，占步行周期的40%，包括：早期(initial swing):指足离开地面早期的活动，主要的动作为足廓清地面和屈髋带动屈膝，加速肢体前向摆动，占步行周期的13%15%。中期(mid swing):指足在迈步中期的活动，足廓清仍然是主要任务，占步行周期的10%。末期(terminal swing):指迈步即将结束，足在落地前的活动，主要任务是下肢前向运动减速，准备足着地的姿势，占步行周期的15%。,步态周期（Gait Cycle Timing）,1、足跟着地期（heel contact）2、站立中期（mid-stance）3、推离期4
16、、加速期(acceleration)5、摆动前期(prophase-swing)6、摆动中期(mid-swing)7、摆动后期(deceleration),2、步行参数,时间-距离参数：包括步长、步幅、步宽、步频、步行周期、支撑相时间、摆动相时间等。运动学参数：是指步行中髋、膝、踝等关节的运动规律骨盆倾斜和旋转、身体重心位置的变化规律等。动力学参数：指引起运动的力学参数，包括地面反力、肌肉力做功与功率等。肌电活动参数：指步行过程中下肢主要肌肉的电生理活动指标。能量代谢参数：指人体运动过程中的能量代谢情况。,时间/距离参数,步长（step length）：指一足着地至对侧足着地的平均距离，走步时
17、左右足跟间的距离。步长时间(step time)：指一足着地至对侧足着地的平均 时间。步幅(stride length)：同一侧足跟两次着地间距离。步行周期(cycle time)：指平均步幅时间(stride time)，相当于支撑相与摆动相之和。步频(step frequency)：单位时间内所行进的步数。步速（walking velocity)：每秒钟所走的平均距离。步宽（stride width）：当足完全接触地后，两足的长轴线与两个踝关节连线交点之间的垂直距离。足偏角(toe out angle)：指足中心线与同侧步行直线之间的夹角。,动力学参数测定：,（1）动力学分析：是对步行时作
18、用力、反作用力强度、方向和时间的研究方法。牛顿第三定律是动力学分析的理论基础。（2）特征：,地面反作用力：正常步行时GRF呈双峰型。在步行中足跟着地时有一极大值，随足逐渐放平，受力面积增大力值减小，足完全放平时力值最小，至足跟离地足趾蹬地时出现另一个极大值。在整个步行周期中，GRF具有典型的双峰值性质。,剪力：前后剪力表现为反向尖峰图形，左右剪力形态相似，但是幅度较小。力矩：是力与关节活动范围的乘积。测力平台：记录步行时压力变化的规律。测得人体运动时的垂直力和剪力。与运动学参数结合可以分析内力，即肌肉、肌腱、韧带和关节所产生的控制外力的动力，一般以力矩表示。足测力板：采用特制超薄的测力垫直接插
19、入到受试者鞋内，测定站立或步行时足底受力分布及重心移动的静态或动态变化，协助设计合适的矫形鞋和步态分析。,步行参数的测定,定性分析 目测法：由医务人员通过眼睛观察，对步态作大体分析的方法。定量分析 足印法 关节角度测量法 三维步态分析,正常步态具有的特点：稳定性、周期性、节律性、方向性、协调性影响步态的多种因素：解剖结构、生理功能、运动控制能力、心理状态、步态分析,3、常见异常步态,常见异常步态现象 外周神经损伤导致的异常步态 中枢神经疾病常见的异常步态,常见异常步态现象,足下垂足内翻足外翻足趾卷曲母趾背伸,膝僵直 膝过伸 膝过屈 髋过屈 髋内收过度 髋过伸,1、足下垂：指摆动相踝关节背屈不足
20、，可导致廓清障碍，常与足内翻或外翻同时存在；2、足内翻：步行时足触地部位主要是足前外侧缘，常有承重部位疼痛，导致踝关节不稳，进而影响全身平衡。导致患肢摆动相廓清能力降低。3足外翻：多见于骨骼发育尚未成熟的儿童或年轻患者，表现为步行时足向外侧倾斜，支撑相足内侧触地，可有足趾屈曲畸形，严重影响支撑相负重能力。4、足趾卷曲：支撑相足趾保持屈曲，常合并足下垂及内翻，多见于中枢神经损伤、长期制动及挛缩等。,5、母趾背伸：支撑相和摆动相脚趾均背屈，多见于中枢神经损伤患者。6、膝僵直：支撑相晚期和摆动初期的关节屈曲角度40度(正常人为60度)，同时髋关节屈曲程度及时相均延迟。减小其摆动相力矩导致拖足。患者往
21、往在摆动相采用划圈步态、尽量抬髋或对侧下肢踮足来代偿。7、膝过伸：对侧膝关节无力导致的，多见于支撑相中、末期，膝过伸临床上很常见。8、膝屈曲：指患者支撑相和摆动相都保持屈膝姿势，多见于骨性畸形，临床上较少见。,9、髋过屈：多由于屈髋肌挛缩或痉挛造成，表现为支撑相髋关节屈曲，特别是在支撑相中、末期。10、髋内收过度：髋关节内收过度即剪刀步态，常见于脑瘫患者。摆动相髋关节内收，与对侧下肢交叉，步宽或足支撑面缩小，致使平衡困难，同时影响摆动相地面廓清和肢体前向运动；影响日常生活活动。11、髋过伸：屈髋肌无力或伸髋肌痉挛/挛缩可造成髋关节屈曲不足，使相关肢体在摆动相不能有效抬高，引发廓清障碍。,外周神
22、经损伤导致的异常步态,臀大肌步态臀中肌步态屈髋肌无力步态股四头肌无力步态踝背屈肌无力步态腓肠肌/比目鱼肌无力步态,臀大肌步态：表现躯干前后摆动显著增加，类似鹅行走的姿态，又称鹅步。臀中肌步态：躯干左右摆动显著增加，类似鸭行走的姿态，又称鸭步。屈髋肌无力步态：是摆动相主要的加速肌，屈髋肌肌力降低造成摆动相肢体行进缺乏动力。股四头肌无力步态：使支撑相早期膝关节处于过伸位，导致躯干前屈，极大的增加韧带和关节囊的负荷导致损伤。踝背屈肌无力步态：足触地踝关节不能控制跖屈，导致支撑相早期缩短，迅速进入中期。腓肠肌/比目鱼肌无力步态：膝塌陷步态。,中枢神经疾病常见的异常步态,偏瘫步态截瘫脑瘫帕金森步态,偏瘫步态：偏瘫患者常见股四头肌痉挛导致膝关节屈曲困难，小腿三头肌痉挛导致足下垂、胫后肌痉挛导致足内翻，表现为划圈步态。截瘫：足落地时缺乏踝关节控制，导致稳定性降低，表现位跨栏步态。脑瘫：痉挛型表现为足下垂、足内翻、足外翻，表现为快速而不稳定步态，类似于醉汉行走姿态。帕金森步态：以普通性肌肉张力异常增高为特征，表现为步行启动困难、下肢摆动幅度减小、髋膝关节轻度屈曲、重心前移、步频加快以保持平衡，表现为蹒跚步态。,Thank you！,
