第二章
运动学与生物力学

人体运动学以研究人体运动规律为主要内容，涉及人体解剖学、生理学等，多学科研究人体运动的形成、人体运动规律及运动对人体的影响等。生物力学将力学原理与人体运动相结合，主要研究人体运动的力学机制，掌握人体运动学及生物力学基本知识，了解人体运动学相关概念及人体运动相关力学机制，可更好地指导康复工作的开展。

第一节　基础术语与概念

一、运动学描述基本概念

（一）参考系

物体运动具有相对性，对任何一个物体进行运动状态的描述时必须参照另一个物体。因此，在描述物体运动状态时，必须首先选择某物体或物体群作为参照，这个被选定的参考物体就叫作参考系（reference system）。通常我们将相对于地球静止或相对于地球做匀速直线运动的参考系称为惯性参考系，相对于地球做变速运动的参考系称为非惯性参考系。对于同一物体，其运动状态可因所选参考系的不同表现出不同的运动形式。

（二）人体力学模型

1.质点模型 质点模型是一种抽象的简化模型，这种模型只有质量而没有尺寸，当物体的形状和大小对所研究问题没有显著影响时，就可以将物体看作质点。比如在测量人体步行速度时，如果不考虑肢体摆动，就可以将人体看作质点。

2.刚体模型 刚体模型也可看作一种简化的模型，这种模型的物体没有形状的变化，当物体的变形对所研究问题没有影响时，便可将此物体看作刚体，比如在进行人体肢体摆动研究时，肌肉的收缩、血液流动都会导致肢体形状发生一定的变化，但这种微小的变形不会对肢体运动的描述产生大的影响，为了方便描述，这时可以将肢体看作刚体。

3.质点系模型 质点系模型比质点模型和刚体模型具有更加广泛的应用价值，它不但可以描述刚体的运动特征，也可以描述多刚体系统内部的相对运动。质点系模型可分为全质点系模型和简化质点系模型，全质点系模型把物体内的各点看作可做相对运动的点，简化质点系模型把物体分成n个内部无相对运动的区域。在人体运动的相关描述中，简化质点系模型的应用十分广泛。汉纳范建立的由15个刚体构成的人体模型即为简化质点系模型，其将人体分为15个内部无相对运动的刚体（即将人体分为15个相对运动的环节）（图2-1-1）。

（三）运动的分类

1.直线运动和曲线运动 若将物体看作质点，按照质点的运动轨迹，运动轨迹为直线的运动称为直线运动，否则为曲线运动。在曲线运动中，物体的运动方向始终在变化，圆周运动为典型的曲线运动。

2.平动、转动和振动 若将物体看作刚体，运动过程中，不论运动轨迹是直线还是曲线，如果物体上各点的位移、速度和加速度都相同，这样的运动叫作平动；若运动过程中，各点都围绕同一直线做圆周运动，这样的运动叫作转动；如果物体以一点为中心在一定范围内做往复运动，这样的运动叫作振动。

二、人体运动描述

人体运动不同于其他物体，若将人体看成多刚体环节的复合体，任何运动的产生都源于多环节相互协调配合。同时，运动过程中身体姿势时刻发生着变化，所以，对人体运动状态的描述具有一定的复杂性和特殊性。

（一）人体的基本轴和面（图2-1-2）

轴和面是人体运动描述中常用的术语，人体有无数个面和轴。根据实际需要，可设计互相垂直的三个基本轴，分别是冠状轴、矢状轴、垂直轴，在以上三个轴的基础上，延伸出三个基本面，即矢状面、冠状面和水平面。

1.基本轴 ①垂直轴：是指上自头侧，下至尾侧并与地平面相垂直的轴；②矢状轴：是指从腹侧面至背侧面，同时与垂直轴呈直角交叉的轴；③冠状轴：为左右方向与水平面平行，与前两个轴相垂直的轴。

2.基本面 ①水平面：又称横切面，是指与地平面平行，与矢状面和冠状面相互垂直，将人体分为上、下两部的平面；②冠状面：是指左、右方向，将人体分为前、后两部的纵切面，该切面与水平面及矢状面互相垂直；③矢状面：是指前后方向，将人体分成左、右两部的纵切面，该切面与地平面垂直。经过人体正中的矢状面称为正中矢状面，它将人体分成左右相等的两半。

（二）人体运动形式

人体运动是多种运动形式的综合，具有复杂性。在分析人体运动时，将复杂的运动分解为几种基本运动，有助于分析和理解。上肢、下肢及全身运动都具有各自特征。

1.上肢基本运动形式 由上肢各关节共同完成，包括推、拉、鞭打。①推：在克服阻力时，上肢由屈曲态变为伸展态的动作过程，如胸前传球；②拉：在克服阻力时，上肢由伸展态变为屈曲态的动作过程，如游泳；③鞭打：在克服阻力或自体位移时，上肢各环节依次加速、制动，使末端环节产生极大速度的动作形式，叫鞭打动作，如标枪投掷。

2.下肢基本运动形式 包括缓冲、蹬伸和鞭打。①缓冲：在克服阻力时，下肢由伸展状态转为较为屈曲状态的动作过程，如跳远落地前动作；②蹬伸：在克服阻力时，下肢由屈曲状态主动转为伸展状态的动作过程，如跳远起跳时起跳腿的动作；③鞭打：在完成自由泳的两腿打水动作时，下肢各环节有类似上肢的鞭打动作。

3.全身运动形式 包括摆动、躯干扭转和相向运动。①摆动：身体某一部分完成主要动作（如一条腿的起跳）时，另一部分配合主要动作进行加速摆动（如双臂和另一条腿配合起跳的摆动）动作形式，称为摆动；②躯干扭转：在身体各部位完成动作时，躯体上下肢沿身体纵轴的反向转动的运动形式；③相向运动：依据运动形式，把身体两部分相互接近或远离的运动形式称为相向运动。

三、描述人体运动的基本物理量

（一）时间参数

一切物体的运动都是在时间维度中进行的，在描述人体的空间位置变化与规律时，往往要涉及与时间的对应关系，这时要使用适当的时间参数。常用的时间参数有“时刻”和“时间间隔”两个概念。

1.时刻 可抽象为时间参考系上的一个点，用 t 表示。

2.时间间隔 是两个时刻之间的一段时间，是时间参考系上的一个区间，用Δ t 表示，Δ t = t 2 - t 1 。

（二）空间参数

用以描述人体位置改变及其身体姿态位置的主要内容，包括运动轨迹、路程与位移、关节角度与角位移等。

1.运动轨迹 指将人体或某环节简化为质点模型进行相关分析时，质点的运动路线，如进行人体步态分析时，通过对人体质心运动轨迹的研究，可对步行速度、步行稳定性等进行分析。

2.路程与位移 路程与位移是用来描述物体运动位置变化的重要物理量。路程是指物体从一个位置移到另一个位置时的实际运动路线的长度，也就是运动点的轨迹长度 S 。路程只有数值的大小，没有方向，是标量。位移是指运动点的始点到终点的直线距离，其方向由始点指向终点Δ X ，是矢量（图2-1-3）。位移和路程的单位有米（m）、千米（km）和厘米（cm）。国际单位制中用米作为位移、路程的单位。

3.关节角度与角位移 身体姿态变换是通过关节角度变化实现的。所谓关节角度是指构成关节的两环节长轴，以关节转动中心为顶点所形成的角度。角位移是指转动物体经过Δ t 时间所转过的角度。通常规定，从转轴的正方向看，物体逆时针转动角位移为正，顺时针转动角位移为负。角位移常用单位是度、弧度（rad）、周等。

（三）时空参数

人体运动描述中，在对人体空间位置进行描述的同时引入时空参数。参考运动时间因素，体现人体运动的快慢，通常以速率和速度反映线性运动快慢，用角速度反映转动角运动快慢。

1.速率 速率是路程与通过这段路程所经历的时间之比。用公式计算的速率是运动体通过路程（Δ S ）的平均速率。

2.速度 速度是位移与通过这段位移所经历的时间之比，公式中的箭头表示该物理量是矢量。

3.角速度 物体在单位时间内转过的角度称角速度，通常用 ω 表示。设物体在Δ t 时间内角位移为Δ φ ，那么物体转动的快慢可用平均角速度 来描述。角速度的单位为“弧度/秒”，角速度的方向由右手法则确定。

4.加速度 速度变化量Δ v 与所经历的时间Δ t 的比值，体现了此段时间内运动速度的变化率。加速度单位是“米/秒 2 ”（m/s 2 ）。

5.角加速度 角加速度是指转动体在单位时间内角速度的变化量。角加速度的单位为“弧度/秒 2 ”，非国际单位制中也可用“度/秒 2 ”。

通常用加速度和角加速度反映人体运动变化程度。

四、生物力学基本概念

（一）力

力是物体间的相互作用的表现，用 F 表示，单位为牛顿（N）。力具有三个特性：大小、方向、作用点。人体运动的产生及运动状态的改变都要受力的作用，若把人体看作力学系统，则人体受力可分为内力和外力，两种因素共同作用于人体。

外力是外界通过物理方式作用于人体的力。人体在运动中所受的外力主要有重力、支撑反作用力、摩擦力、流体阻力等，在康复训练中，常使用外力作为负荷；内力则是人体内部各组织器官间的相互作用力，人体运动中常见的内力有肌肉收缩对骨的拉力、各组织器官间的被动阻力、各内脏器官的摩擦力等，各种内力相互适应、相互协调，使人体运动达到最佳状态，并不断抵抗外力以适应人体活动的需要。

（二）力矩、力偶和力偶矩

力矩亦称为“转矩”，单位为牛顿·米（N·m），表示力对物体作用时产生转动效果的物理量。物体受力绕某点或定轴转动时，力的转动效果除了取决于力的大小和方向外，还取决于所绕定点或定轴到力的作用线的距离（图2-1-4）。力 F 在垂直转轴OZ平面内，O是平面内的任一点， d 是从O点到力 F 作用力的垂距（称为力臂），则 F 对于O点的力矩是 F 与 d 的乘积，以 M 表示，则有 M o = F · d = F · r ·sinα。

通常认为，力使物体绕点或轴转动，从轴的正面看，力使物体按逆时针方向转动时，力矩为正；力使物体按顺时针方向转动时，力矩为负。

同轴力矩的合成遵循代数加法，即：∑ M = M 1 + M 2 +…+ M n 。不同轴的力矩不可加。

大小相等、方向相反、作用力互相平行但不重合的两个力作用在物体上，物体同样会产生转动，这对力称为力偶。如汽车司机用双手转动方向盘所施加的力就是一个力偶。力偶可以产生单纯的转动效应。

力偶的转动效能用力偶矩评价： M = F × L

力偶的重要性质：①力偶无合力，其在任一轴上投影的代数和为零；即力偶不能用一个力来代替，它是一个不能合成的特殊力系。②只要保持力偶矩不变，可以相应地改变其力和力偶臂的大小，而对物体的作用效应不变。③力偶对物体的作用与矩心无关，即它对平面上任一点的矩保持不变，并且就等于力偶矩，故可以在不改变力偶矩的条件下，可将力偶在平面内任意移动。

五、人体运动杠杆原理

人体很多关节肌肉均符合杠杆原理，杠杆包括支点、阻力点和力点。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。动力作用点称为力点，在骨杠杆上力点是肌肉的附着点。阻力杠杆上的作用点称为阻力点。阻力由运动阶段的重力、运动器械的重力、摩擦力、弹力以及拮抗肌的张力、韧带和筋膜产生的抵抗牵张力等组成。它们在一个杠杆系统中的阻力作用点只有一个，即全部阻力的合力作用点。

从支点到动力作用线的垂直距离称为力臂（ d ），从支点到阻力作用点的垂直距离，称为阻力臂（ d w ），肌力矩（ M ）是肌肉的拉力形成的力矩，阻力矩（ M w ）为阻力和阻力臂的乘积。

根据杠杆上三个点的位置不同，可将人体运动杠杆分为平衡杠杆、省力杠杆、速度杠杆三类。①平衡杠杆，支点在力的作用点和重力作用点之间，如头部的仰头和俯首运动；②省力杠杆重力作用点在支点和力的作用点之间，如行走时提起足跟的动作，这种杠杆可以克服较大的体重；③速度杠杆，力的作用点在重力作用点和支点之间，如肘关节的活动，这种活动必须以较大的力才能克服较小的重力，但运动速度快、活动范围大。

杠杆原理的应用：①省力，要用较小的力去克服较大阻力，就要使力臂增长或缩短阻力臂，在人体杠杆中肌肉拉力的力臂一般都短，可以通过籽骨、肌肉在骨骼上附着点的隆起等来延长力臂；提重物时，使重物靠近身体可以缩短阻力臂而省力。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运动幅度，如投掷、踢球等，为使阻力点移动的幅度和速度增大，就要增加阻力臂和缩短力臂。③防止损伤，从杠杆原理可知速度杠杆一般不能省力，而人体骨骼与肌肉组成的杠杆大多属于速度杠杆，所以阻力过大的时候，容易引起运动杠杆各环节，特别是其力点和支点，即肌腱、肌止点以及关节的损伤；除通过训练增强肌力以外，还应适当控制阻力及阻力矩，以保护肌杠杆。

（祁　奇）

第二节　关节的结构和功能

一、关节的结构

骨与骨借助结缔组织相连，形成骨连接，即关节。

（一）关节的主要结构

关节的主要结构是每个关节都具备的结构，称为关节的三要素，包括关节面、关节囊和关节腔。

1.关节面 关节面是指参与组成关节的骨性接触面。每个关节至少包括两个关节面，一般为一凸一凹，其中关节面凸者为关节头，关节面凹者为关节窝。关节面上覆盖有关节软骨，它光滑、富有弹性，可减少运动时的摩擦，并能缓冲震荡。其形态与厚薄依年龄和关节的功能不同而各异，一般来讲，老年人厚度减小，受压力较大的部位关节软骨较厚，关节头和关节窝较深。

2.关节囊 包在关节的周围，由附着于关节面周缘及其附近骨面上的结缔组织膜构成，使关节腔密闭。可分为外表的纤维层和内面的滑膜层。纤维层由致密的结缔组织构成，厚而坚韧，含有丰富的血管和神经，其厚薄在不同关节或同一关节的不同部位皆存在差异；一般在负重大而活动幅度小的关节，纤维层较厚而紧张，而在运动灵活的关节则较薄且松弛。纤维层具有稳固关节、保持关节的完整性等作用。滑膜层富含血管网，可分泌滑液。滑液是透明蛋清样液体，略呈碱性，除具润滑作用外，还是关节软骨和关节盘等进行物质代谢的媒介。

3.关节腔 指由关节软骨与关节囊滑膜层所围成的密闭、潜在腔隙，内有少量滑液，可润滑关节、减少摩擦，腔内为负压，有利于关节的稳定。

（二）关节的辅助结构

关节除了具备上述三个主要结构外，某些关节为适应其特殊功能而分化出一些特殊结构，以增加关节的灵活性或稳固性，这些结构统称为关节的辅助结构，包括韧带、关节内软骨、关节唇、滑膜襞、滑膜囊等。

1.韧带 韧带位于关节周围或关节腔内，连于相邻两骨之间，由致密结缔组织构成，具有连接加固关节、限制关节运动等作用。大多数韧带位于关节囊外面，称为囊外韧带。其中有的与关节囊相贴，为关节囊的局部纤维增厚，如髂股韧带；有的不与关节囊相贴，分离存在，如膝关节的腓侧副韧带等；还有的是关节周围肌腱的直接延续，如膝关节的髌韧带；也有少数韧带位于关节囊内，如膝关节的交叉韧带。

2.关节内软骨 存在于关节腔内的软骨称为关节内软骨，由纤维软骨构成。其有两种形状，一种是圆盘形，称为关节盘，位于构成关节骨的关节面之间，其周缘附于关节囊，可将关节腔分成两部分；另一种为月牙形，称为半月板，位于膝关节内。关节内软骨可加深关节窝，使两关节面彼此相互适应，减缓外力对关节的冲击和震荡，还可改变关节的运动形式，增大关节运动范围。

3.关节唇 附着于关节窝周缘的纤维软骨环，可增大关节面和加深关节窝，从而使关节更加稳固，在肩关节和髋关节中皆有关节唇。

4.滑膜襞 有些关节的滑膜层面积大于纤维层，以致滑膜折叠，并突向关节腔而形成滑膜襞，其内含脂肪和血管。在关节运动中，当关节腔的形状、容积和压力改变时，滑膜襞可起到填充或调解作用，并可扩大滑膜的面积，有利于滑液的分泌和吸收。

5.滑膜囊 关节囊的滑膜层从纤维层的薄弱或缺如处呈囊状向外膨出称为滑膜囊，其可与关节囊相连或不相连，滑膜囊多位于肌腱与骨面之间，可减少运动时与骨面之间的摩擦。

二、关节的分类

（一）按照骨与骨之间连接的结构与活动情况分类

1.直接连接 两骨之间借纤维结缔组织、软骨或骨组织直接相连，此类连接比较牢固，活动幅度很小或完全不能活动，多见于颅骨和躯干骨间的连接。

2.间接连接 关节的相对骨面相互分离，借助周围的结缔组织膜性连接，其间有间隙，充以滑液，活动性大，多见于四肢骨连接。

（二）根据关节运动轴的数目分类

1.单轴关节 滑膜关节的一种，只有一个运动轴，关节仅能沿此轴做一组运动，分为两种形式。①滑车关节，一骨关节头呈滑车状，另一骨有相应的关节窝，通常只能绕冠状轴做屈伸运动，如指间关节、膝关节和踝关节；②车轴关节，由圆柱状的关节头与凹面状的关节窝构成，关节窝常由骨和韧带连成环，可沿垂直轴做旋转运动，如寰枢正中关节和桡尺近侧关节等。

2.双轴关节 有两个互为垂直的运动轴。能做相互垂直的两个平面的运动。①椭圆关节，椭圆关节有凸凹两个椭圆形关节面，属双轴关节，可做前后的轴屈伸运动和右的伸展运动，当所有的运动联合起来，可形成环转运动，桡腕关节就是椭圆关节。②鞍状关节，一个鞍状关节包含两个U形表面，彼此呈直角嵌合，中心部分接触于两骨凹槽中，如同马鞍置于马背上，彼此可沿另一骨进行双向的移动，相对两骨的关节面都是鞍形，二者互为关节头和关节窝，可沿水平冠状轴做屈伸运动和水平矢状轴做收展运动。

3.多轴关节 有3个或3个以上的运动轴，可做多方向的运动，包括球窝关节和平面关节。①球窝关节：关节头为球体的一部分，关节窝较浅，头与窝松弛相接，运动环节可绕3个基本轴做屈伸、收展、回旋和环转运动，运动幅度大，是最灵活的一种关节，如肩关节。②平面关节：此种关节面可看作直径很大的球体的一部分，但两骨的关节面曲度很小，接近平面，大小一致，关节囊紧张而坚固；这种关节运动范围很小，故又称微动关节，如肩锁关节、骶髂关节。

三、关节的运动形式

人体的运动是由身体各个运动环节在相应关节处产生的运动所构成的。能绕关节运动的人体的一部分（如躯干、上肢和下肢等）或肢体的一部分（如上臂、前臂和大腿等）被称为运动环节，简称环节。

关节的运动与关节面的形状关系密切，后者决定了关节运动轴的数目和位置，进而决定了关节的运动形式和运动范围。关节的各种运动都是环节绕着关节的3个互相垂直的基本轴进行的转动。根据关节运动轴的方位，关节运动的基本形式有以下几种。

1.屈和伸 通常指环节在矢状面内，绕额状轴进行的运动。在标准解剖学姿势下，向前运动为屈，向后运动为伸；但膝关节以及以下关节则相反，即小腿向后为屈，向前为伸，足背向小腿前面靠拢为踝关节的伸，亦称背屈，足尖下垂为踝关节的屈，亦称为跖屈。

2.外展和内收 环节在额状面内，绕矢状面的运动，运动时，使环节向正中面靠拢的运动为内收；反之，远离正中面的运动为外展。对于手指和脚趾而言，人为规定以中指和第二趾为中轴的靠拢为内收，散开为外展。

3.回旋 回旋是环节在水平面内，绕垂直轴，或绕环节自身的长轴进行的旋转，运动时整个环节的运动轨迹呈圆柱形。当环节由前面向内侧旋转称为旋内，而由前面向外侧旋转称为旋外。对于前臂和手的回旋运动，亦称为旋前（手背转向前方）和旋后（手掌恢复到向前而手背转向后方）。头和脊柱等环节则为左、右回旋。

4.水平屈伸 上臂在肩关节外展90°位置，绕垂直轴在水平面内运动时，向前运动为水平屈，向后运动为水平伸。

5.环转 环节以近侧端为支点在原位转动，绕额状轴、矢状轴以及它们之间的中间轴进行连续的运动，环节的远侧端做圆周运动，整个环节的运动轨迹是一个圆锥体，这种运动称为环转。环转运动实际上是屈、展、伸和收依次结合的连续动作。凡是具有额状轴和矢状轴的关节均可做环转运动。

四、关节运动幅度及其影响因素

关节运动幅度是指一个动作开始到结束，在某一关节处的两个运动环节之间运动的极限范围（用角度表示），即指运动环节围绕某运动轴进行转动的最大活动范围。关节的运动幅度与其灵活性和稳固性有关，而关节的灵活性和稳固性之间又是相互矛盾的。一般来说，关节的灵活性好则稳固性差，稳固性好则灵活性差。各个关节的灵活性与稳固性主要受其本身结构和关节周围结构的制约。影响关节运动幅度的因素包括：

1.关节面积大小的差别 构成关节的两个关节面的面积相差越大，关节越灵活，运动幅度也越大，但稳固性就差。

2.关节囊的厚薄与松紧程度 关节囊薄而松弛则关节灵活，运动幅度大，但稳固性差；关节囊厚而紧则关节灵活性差，运动幅度亦小，但稳固性却高。

3.关节韧带的多少与强弱 关节韧带多而强则关节稳固，但运动幅度却小，关节亦欠灵活；关节韧带少而弱则运动幅度大，关节也灵活，但稳固性则差。

4.关节周围的骨结构 关节周围有骨突起，就会阻碍关节的活动，因而影响其灵活性及运动幅度。

5.关节周围肌肉的体积、伸展性和弹性 关节周围肌肉的伸展性和弹性好，则关节的运动幅度大而灵活；反之则小而差。此外，关节周围肌肉的体积太大亦会影响到关节的灵活性与运动幅度。

6.年龄 儿童及少年的软组织内水分较多，弹性好，所以关节的运动幅度大。随着年龄的增长，软组织内的水分减少，弹性下降，关节的运动幅度因而逐渐下降。

7.性别 女性软组织内的水分和脂肪较多，所以弹性比男性好，关节的运动幅度也较大。

8.训练水平 训练水平高的人，关节的灵活性与运动幅度一般都较高。

（祁　奇）

第三节　肌肉骨骼系统的运动学基础

肌肉骨骼系统是由骨骼肌、骨及骨连接构成的。人体运动是由骨骼肌收缩拉动骨骼，引起关节转动产生的。在此系统中，骨主要起支持作用，肌肉收缩提供了关节转动的动力。骨骼肌有多种收缩形式，人体每一种动作的产生都不是由一块肌肉完成的，是通过多肌群间的协同工作实现的。

一、肌肉的构造

（一）肌肉的基本结构

肌肉大体上主要由肌腹、肌腱、血管和神经构成。其中，肌腹居于肌肉中部，较肥厚，由许多肌纤维（肌细胞）及结缔组织结合而构成，其主要功能是通过肌纤维的收缩和舒张，来产生和调节人体运动的动力。肌腱为肌肉两端的呈银白色的部分，主要由大量的胶原纤维束构成，非常坚韧，一端连接于肌腹，另一端附着于骨；长肌的腱多呈条索状，扁肌的腱呈薄膜状，称为腱膜。

肌肉内含有丰富的血管，尤其是毛细血管，为骨骼肌工作提供养料，并及时清除代谢产物。肌肉中分布的神经有躯体运动神经、躯体感觉神经和内脏运动神经等。躯体运动神经支配肌肉的运动。躯体感觉神经起于肌梭和肌腱等本体感受器，主要向神经中枢传导肌肉的张力状态；另外，还传导肌肉的痛觉、温度觉、触觉和压力觉等一般感受。肌肉中还分布着内脏运动神经中的交感神经，可以通过调节肌肉中血管的开放状态，来调节肌肉的血液供应。

（二）肌肉的辅助结构

肌肉的辅助结构包括筋膜、腱鞘、滑膜囊等，它们均由肌肉周围的结缔组织转化而来，具有保护肌肉、维持肌肉的位置、减少运动时的摩擦以及提高运动效率等功能。

筋膜为包在肌肉周围的结缔组织膜，分为浅筋膜和深筋膜。浅筋膜位于皮下，又称皮下筋膜，由疏松结缔组织构成，浅筋膜内含有脂肪、血管和神经等，对肌肉有保护作用，并有助于维持体温。深筋膜又称固有筋膜，位于浅筋膜深面，由致密结缔组织构成。深筋膜包裹肌肉或肌群，形成各块肌肉或各层肌肉的腱鞘，约束肌肉的牵引方向，分隔各块肌肉或肌群，保证每块肌肉或肌群能单独活动，互不干扰。深筋膜还可以成为肌肉的附加支撑点，扩大肌肉的附着面积，利于增强肌肉收缩时的力量。

腱鞘是包在长肌腱周围的结缔组织，主要分布于手、足等活动性较大的部位，呈双层套管状，由外层和内层组成，外层厚而坚韧，称腱纤维鞘；内层称腱滑膜鞘，其又分壁层和脏层，脏层贴于腱纤维鞘内面，内、外两层在鞘的两端相互移行，成为一个密闭的腔隙，内含少量滑液，可减少肌腱活动时与骨面之间的摩擦，并具有固定肌腱的作用。

滑膜囊为扁形封闭的结缔组织小囊，内含滑液，多位于肌肉或韧带和骨面接触处，可减少两者间的摩擦，有肌下滑膜囊、腱下滑膜囊和皮下滑膜囊等。滑膜囊有炎症时，可出现局部疼痛和功能障碍。

二、肌肉的附着点和固定条件

（一）肌肉的附着点

骨骼肌通过肌腱附着在骨骼的骨膜上，两端通常分别附着于两块或两块以上的骨面，其中，跨越一个关节的肌肉称为单关节肌，跨越两个关节的肌肉称为双关节肌，跨越两个关节以上的肌肉称为多关节肌。

骨骼肌两端的附着处，分别称为起点和止点。通常来讲，凡靠近身体正中面或肢体近侧端的附着点，称为起点；远离身体正中面或肢体近侧端的附着点，称为止点。当肌肉收缩时，起点和止点相互靠近而产生动作。

（二）肌肉工作时的固定条件

1.定点和动点 骨骼肌收缩时，起点和止点相互靠近，一般是一端骨的位置相对固定，另一骨相对移动。某一肌肉收缩时，较固定的附着处称为定点，移动的附着处称为动点。需要注意的是，肌肉的定点和动点不是恒定的，当工作条件改变时，两者相互交换。比如，持哑铃屈前臂动作和引起向上动作，两个动作都需要屈肘肌收缩使肘关节屈，在持哑铃屈前臂动作中，屈肘肌的上臂附着处为定点，前臂附着处为动点；而在引起向上动作中，上臂附着处为动点，前臂附着处为定点。

2.固定条件 ①近固定和远固定，肌肉收缩时，以近侧端为定点称为近固定，以远侧端为定点称为远固定。②上固定和下固定，通常在分析附着在躯干的某些肌肉的工作时，以身体上端附着处为定点称为上固定，以下端附着处为定点称为下固定；比如，腹直肌上端的附着处在胸骨、肋骨上，下端的附着点在骨盆上，因此，在做悬垂举腿动作时为上固定，在进行仰卧起坐运动时为下固定。③无固定，肌肉收缩时，两端的附着处都不固定称为无固定；比如核心肌力训练时，身体平躺，躯干与下肢的相向运动，由腹肌、腰大肌在无固定条件下完成动作。

三、肌肉的收缩形式

根据肌肉收缩时的长度变化，可将肌肉收缩的形式分为三类：向心收缩、离心收缩和等长收缩。

（一）向心收缩

向心收缩是指肌肉收缩所产生的张力大于外加的阻力时，起点和止点相互靠近，肌肉缩短，并牵引骨杠杆做相向运动的一种收缩形式。根据整个关节运动范围肌肉张力与负荷的关系，向心收缩又可分等张收缩和等动收缩两种。

1.等张收缩 在整个收缩过程中给予的负荷是恒定的，是相对的概念，由于不同关节角度杠杆得益不同和肌肉收缩长度变化的影响，在整个关节移动范围内肌肉收缩产生的张力和负荷是不等同的，收缩的速度也不相同。

2.等动收缩 在整个关节范围内肌肉产生的张力始终与负荷等同，肌肉能以恒定速度或等同的强度收缩。等动收缩是通过专门的等动负荷器械来实现的。在进行等动收缩时，在整个关节范围都能产生同等的张力（或最大张力），而等张收缩则不能。

（二）离心收缩

当肌肉收缩所产生的张力小于外力时，肌肉积极收缩但被拉长，起止点逐渐远离，称为离心收缩。离心收缩在人体运动中起着制动、减速和克服重力等作用。比如，在人体落地缓冲过程中，股四头肌做离心收缩，防止由重力作用导致膝关节过度屈曲。通过专门的等动负荷器械，也可以在等动的模式下完成离心收缩。

（三）等长收缩

当肌肉收缩产生的张力等于外力时，肌肉积极收缩，但长度不变，这种收缩形式称为等长收缩。等长收缩是肌肉静力性工作的基础，在人体运动中对运动环节的固定、支持和保持身体某种姿势起重要作用。

三种肌肉收缩形式，反映了肌肉收缩的不同特征。人体任何一种运动动作的实现，都有赖于三种肌肉收缩形式的协调配合。另外，有人对三种肌肉收缩形式产生的张力水平进行过研究。结果表明：离心收缩产生的最大力量，大大超过等长和向心收缩产生的力量。肌肉收缩的力量水平，由大到小依次是离心收缩、等长收缩和向心收缩。同时，比较肌肉收缩形式与发生延迟性肌肉疼痛的关系也表明，离心收缩诱发的肌肉疼痛最显著，而向心收缩则不明显，等长收缩诱发的肌肉疼痛比向心收缩稍明显，但大大低于离心收缩。

四、肌群间的动作协调

人体任何动作的产生，都需要多块肌肉的协同配合。根据肌肉在同一动作中的作用不同，可以将其分为原动肌、拮抗肌、中和肌、固定肌。

1.原动肌 当一块或一组肌肉收缩产生的力是引起环节运动的主要动力来源时，这块或这组肌肉称为原动肌。比如，屈肘动作中，肱二头肌和肱桡肌等就是原动肌。

2.拮抗肌 在某一动作中，与原动肌作用相反的肌肉称为拮抗肌。从相对于关节运动轴的关系来讲，拮抗肌位于原动肌的对侧，因此，只要确定了某个动作的原动肌后，拮抗肌也就确定了。例如，在屈肘动作中，原动肌为肱二头肌，那么位于肘关节轴后侧的肱三头肌则为屈肘动作的拮抗肌。

3.中和肌 原动肌通常对关节运动有数种作用。比如髂腰肌在近固定收缩时可使大腿屈和旋外，但在实际运动中，多数只需表现出其中某一个作用，因此就需要通过其他一些肌肉收缩来避免另外一些作用出现，这种抵消原动肌对关节产生多余运动的肌肉称为中和肌。

4.固定肌 当肌肉收缩变短时，应具有使两端点向中心靠近的作用趋势。但在实际运动中，为保证运动的确定方向，通常不需要这种两端都相向运动的作用。因此，为了充分发挥原动肌对动点骨的作用，必须要有其他肌肉来固定原动肌的定点骨，这些固定定点骨的肌肉称为固定肌。

（祁　奇）

第四节　肌肉骨骼系统的生物力学基础

一、肌肉的生物力学

肌肉作为运动系统组成中最具活力的部分，其可产生主动收缩，同时神经系统的支配、人体的能量供应及肌肉本身的结构特性等都会对肌肉功能的发挥产生影响。前文中提到骨骼肌的基本结构为肌腹、肌腱及包裹肌肉的筋膜，其中肌腹具有主动收缩能力，而肌腱和筋膜只能在被动牵拉时产生张力，而无主动收缩能力；加之肌腹内以及周围的肌腱和结缔组织为黏弹性结构，决定了肌肉在收缩和牵拉过程中的不同力学特性。

（一）运动单位

由一个α运动神经元及其所支配的若干条肌纤维组成的功能单位，称为运动单位。根据形态、结构和功能的不同，可将运动单位分为运动性运动单位和紧张性运动单位。运动性运动单位的运动神经元发放的神经冲动频率较高，肌纤维收缩力量大，但较易疲劳；肌纤维中氧化酶的含量较低，属于快肌运动单位。紧张性运动单位的运动神经元发放的神经冲动频率较低，但发放的冲动可持续较长的时间，肌纤维不易疲劳且其中氧化酶的含量较高，属于慢肌运动单位。一般来讲，一个运动单位中的肌纤维数目越少则越灵活；越多则产生的张力越大。

肌肉收缩时产生张力的大小与兴奋的肌纤维数目有关。肌肉收缩时兴奋的肌纤维数目越多，产生的张力就越大。由于肌肉中所有的肌纤维分属于不同的运动单位，因此肌肉收缩时产生张力的大小与同时兴奋的运动单位数目有关，而且也与运动神经元传到肌纤维的冲动频率有关；参与活动的运动单位数目与兴奋频率的结合；称为运动单位动员，也可称为运动单位募集。

（二）肌肉结构的力学模型

Hill提出肌腱为类似于弹簧的弹性结构，与肌肉的收缩成分（肌原纤维中的弹性蛋白、肌动蛋白和肌球蛋白）呈串联关系，而包裹肌肉的肌外膜、肌束膜、肌内膜和肌纤维膜是与肌肉的收缩成分呈并联关系的另一种弹性成分，因此，他提出了如下力学模型。此模型由收缩成分、串联弹性成分和并联弹性成分三部分组成，因此又称为三元素模型（图2-4-1）。

这些并联和串联的弹性成分在肌肉主动收缩和被动牵拉的过程中被拉长，产生张力的同时贮存弹性势能；当肌肉舒张时弹性成分回缩，贮存的能量被释放出来。对于张力的产生而言，串联的弹性纤维比并联的弹性纤维更重要。一些研究显示粗肌丝上的横桥有弹簧似的特性，也属于肌肉的弹性成分。

弹性成分的作用：①弹性成分能保持肌肉处于随时收缩的状态，保证收缩过程中张力的产生和传导；②确保肌肉收缩停止时收缩成分能恢复到原来（休息）的状态；③防止收缩成分松弛时被过度牵拉，从而降低肌肉损伤的风险；④串联和并联的弹性成分表现出的黏性特征，它们吸收的能量和受到应力呈正比，并以时间依赖性的方式消耗能量。

肌肉-肌腱单位的黏性和弹性特征在日常活动中很常见。例如，一个人直立弯腰伸手触摸脚趾时，肌肉起始的牵拉是弹性的，然而当牵伸状态固定时，肌肉进一步的延长来源于肌肉-肌腱结构的黏性，然后手指可以慢慢触摸到地面。

（三）肌肉结构力学模型的性质

肌肉所能产生的总肌力受其机械特性的影响，可通过肌肉长度-张力、负荷-速度、张力-时间关系以及肌肉构造来描述。影响张力产生的其他重要因素还有温度、肌疲劳和预牵拉等。

1.肌肉张力-长度关系 肌肉收缩时的总张力是由收缩成分产生的主动张力和并联弹性成分、串联弹性成分产生的被动张力叠加而成的。整块肌肉的长度-张力关系必须同时考虑主动成分和被动成分的张力。当肌肉处于静息长度或更短时，构成并联弹性成分的组织处于松弛状态；此时，并联弹性成分不会产生被动张力，当肌肉逐渐伸长时，开始产生拉力。对于串联弹性成分而言，在等长收缩时，它们的长度几乎不会发生变化；在肌肉动态收缩时，收缩成分变短，串联弹性成分被拉长，产生被动张力。被动弹性成分的组织具有黏弹性的力学特征，其被动张力的大小与长度的变化呈非线性关系。在实际应用中，大多数单关节的肌肉极少被牵拉到被动张力出现；但对于跨关节肌肉来说，肌肉张力-长度关系的极端状态具有一定的功能性意义。例如，膝关节完全屈曲时腘绳肌缩短程度很大，它能产生的张力也显著降低；相反，屈髋伸膝时腘绳肌被牵拉，所产生的被动张力足以防止肌肉被过度拉长；如果髋关节继续屈曲，腘绳肌的被动张力则使膝关节也屈曲。

2.负荷-速度关系 肌肉收缩的张力与速度关系是指负荷对肌肉收缩速度的影响。在肌肉初长度不变的情况下，改变后负荷大小可使肌肉的张力与速度成反比。逐步增加肌肉的负荷，肌肉产生的张力也逐步增大。但开始出现缩短的时间愈晚，缩短的速度和缩短的长度也愈小。当负荷的增加达到某一数值时，肌肉将不能再缩短，即缩短的速度和长度减小到零，但肌肉产生的张力却达到最大值（简称 P 0 ）。由于肌肉完全没有缩短，因此它所做的功为零。在同样的实验中，逐步减少后负荷的重量时，后负荷愈小，肌肉产生的张力愈小，但缩短出现得愈早，缩短的速度和长度却愈来愈大。当后负荷为零时，缩短速度达到最大，称为最大缩短速度（简称 v max ）。肌肉在做最大缩短速度的收缩，理论上没有做功，因为这时的张力为零。

根据上述不同负荷时肌肉所表现的张力和缩短速度两相对应绘成坐标图，则可得到图2-4-2所示的负荷曲线，图中曲线和横坐标轴相交的一点，肌肉完全不能缩短，张力达到最大（ P 0 ），相当于等长收缩的最大肌力。在曲线和纵坐标相交的一点，肌肉产生的张力为零，但缩短速度最大，该肌肉得到在当时的功能状态下的最大收缩速度。在这两个极端之间，在不同的后负荷时都能看到肌肉在产生与负荷相同的张力的情况下使负荷移动一定的距离，说明肌肉产生的张力和当时的缩短速度呈反比。

二、骨的生物力学

骨作为运动系统的重要组成部分，在运动中发挥着杠杆的作用；同时还通过骨连接构成人体坚硬的支架，发挥保持机体的形态、保护内脏器官，为肌肉提供附着点等作用。它是体内最坚硬的器官之一，同时又具有一定的韧性和弹性，并在整个生命过程中保持活跃性，具有丰富的血供和良好的自我修复能力；其功能和结构能随着力学环境的改变而改变。失用和过度使用通常都会导致骨密度的改变，骨折愈合过程中和骨手术后，骨的形状会发生显著改变，这都是由力学环境的改变造成的。

（一）骨的构造及化学成分

活体骨由骨膜、骨质和骨髓及血管、神经等组成。骨膜是由致密结缔组织所构成的纤维膜，包括覆盖在骨外面的骨外膜和附于骨髓腔里面的骨内膜。骨质是骨的主要组成部分，分为骨密质和骨松质两种。骨密质是由排列紧密而规则的圆筒状骨板和骨细胞构成，有很强的抗压、抗拉、抗弯以及抗扭转能力，分布于长骨、短骨、扁骨以及不规则骨等骨质的表面。其中长骨骨干的骨密质特别厚，形成长骨骨干的管壁。骨松质是由许多针状或片状称为骨小梁的骨质互相交织而成的，网眼内充满着红骨髓，分布于长骨的两端和短骨、扁平骨及不规则骨的内部。骨小梁是按照压（重）力和张力方向有规则地排列着，这种排列方式能使骨以最经济的骨质材料，达到最大的坚固性。骨小梁的排列也不是一成不变的，它会按照压（重）力和肌肉牵拉力的方向变化而做适应性改变。骨髓存在于骨髓腔和海绵骨的网眼里，在胎儿和幼儿时期，所有骨髓都是红骨髓，有造血（制造血球和血小板）的功能。随着年龄的增长，除了在扁平骨、不规则骨和部分海绵骨（如髋骨、肋骨、胸骨和股骨、肱骨的近侧端位置）的红骨髓是终生存在外，骨髓腔内的红骨髓都会被脂肪组织所取代，成为没有造血能力的黄骨髓。

骨的化学成分主要包括有机质和无机质。有机质主要是骨胶原纤维束和黏多糖蛋白等，成为骨的支架，赋予骨弹性和韧性。无机质主要是碱性磷酸钙，使骨坚硬挺实。骨的弹性和硬度是由无机质和有机质的比例而决定的，成人骨含有2/3的无机物和1/3的有机物，这样的比例使骨有最大的坚固性。儿童骨有机成分大而无机成分小，硬度差，但韧性及可塑性大，不易骨折，但容易发生弯曲变形，因此儿童要特别注意保持良好的坐立姿势。老年人骨中的无机物的比例逐渐增多，有机质相对减少，导致骨较脆，易发生骨折，而且骨折不易愈合，因此老年人不易从事太过剧烈和大幅度的活动，并要特别注意预防跌倒的发生，以免造成骨折等问题。

（二）骨的生物力学特性

骨的材料力学特性和结构力学特性共同决定了骨的生物力学特性。

1.强度和刚度 强度和刚度是骨最重要的生物力学特性。骨的强度指骨在承载负荷情况下抵抗破坏的能力。具有足够的强度是保证骨正常功能的基础，即骨在较大强度运动时不应发生骨折。骨的刚度即骨在外力作用下抵抗变形的能力。在日常生活和运动中，骨的形状和尺寸会因承载负荷的作用而变形，如果变形过大，往往会影响骨的结构与功能。

2.载荷-形变曲线 将一个已知方向的力作用于结构体，可测出结构体的形变并绘制出载荷-形变曲线图，通过曲线图可以得到关于结构体的强度、刚度及其他力学性能的信息。图2-4-3表示某一韧性结构体（如长骨）的载荷-形变曲线。

曲线起始直线部分为弹性区，反映了结构体的弹性，及结构体在载荷取消后恢复到初始形状的能力。当负载时，结构体发生形变，但是这种形变不是永久性的，载荷取消时结构体就会恢复到其最初形状。但载荷持续增加时，结构体最外层某些部位就会发生屈服，这些屈服点意味着结构体达到了弹性极限。当载荷超过这个极限，结构体就表现出塑性形变，该特性处于曲线的第二部分，即弯曲部分，称为塑性区。在塑性阶段，载荷取消后结构体无法恢复到最初形状，部分残余形变是永久性的。如果载荷持续增加，组织结构体将会在某个部位失效（骨发生骨折），这个现象反映在曲线上就是极限失效点。

载荷-形变曲线显示出决定结构体强度的三个参数：①结构体在失效前所能承受的载荷；②结构体在失效前能够达到的形变；③结构体在失效前所能积累的能量。在曲线上，结构体的载荷和形变强度或称极限强度，可以通过曲线上的极限失效点表现出来，曲线下面的面积代表了强度的能量积累，面积越大，说明结构体在负载时积累的能力就越强。曲线弹性区的斜率代表了结构体的刚度，斜率越大，材料刚度越高。

3.应力-应变曲线 骨的应力是指当外力作用于骨时，骨以形变产生内部阻抗的方式抗衡外力。应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为帕斯卡（Pa=N/m 2 ），即牛顿/平方米。骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形，其大小等于骨受力后长度变化量与原长度之比，及形变量与原尺度之比，一般以百分比表示。当骨承受了很强的力并超出其耐受应力与应变的极限时，便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。

应力-应变曲线各区与载荷-形变曲线相似，在弹性范围内的载荷不会发生永久性形变。然而一旦超过屈服点，则将发生永久性形变。若以能量贮存的方式表示强度的话，则以整个曲线下的面积来表达。骨的刚度以曲线在弹性范围内的斜率表示，可通过弹性区（直线部分）的应力除以对应的应变获得，也称之为弹性模量或杨氏模量（ E ），为应力（ σ ）和应变（ ε ）的比值。

E = σ / ε

E 代表了材料的刚度，材料的弹性模量或杨氏模量越大，表示材料的刚度越大。

两种类型的骨其力学性能不同，皮质骨的刚度比松质骨要大，在材料失效前能够承受较大应力而发生较小形变，而松质骨在达到屈服点之前可以产生50%的应变量，而皮质骨达到屈服点发生骨折的应变量只为1.5%～2.0%。

4.各向异性 骨的横向和纵向结构是有差异的，所以骨受不同方向载荷时，会表现出不同的力学性能，这就是骨的各向异性特征。

（三）骨的载荷

人体在运动过程中，骨要承受不同方式的载荷（图2-4-4）。当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷等。

1.拉伸载荷 拉伸载荷是指骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿轴线的力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部产生拉应力和应变，使骨伸长并同时变细。比如在上肢提拉重物的活动中，上肢主要受到拉伸载荷的作用。

2.压缩载荷 压缩载荷是指骨的两端受到一对大小相等、方向相对沿轴线的力的作用。如举重运动员举起杠铃后上肢和下肢骨被压缩则是机体承受压缩载荷的表现。当压缩载荷超出骨组织的生理承载极限时，骨组织可能因压缩载荷作用而产生缩短变形。

3.弯曲载荷 使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。骨在弯曲时同时受到拉伸和压缩，拉应力和应变作用于中性轴的一侧，压应力和应变作用于另一侧。而在中性轴上，没有应力和应变。在成人，骨骼破裂开始于拉伸侧，因成人骨骼抗拉能力弱于抗压能力。

4.剪切载荷 剪切载荷表现为在骨的表面受到一对大小相等、方向相反且相距很近的力的作用。

5.扭转载荷 载荷加于骨上使其沿轴线产生扭转的载荷称为扭转载荷。

6.复合载荷 人体运动时，由于骨的几何结构不规则，同时又受到多种不定的载荷，往往使骨处于两种或多种载荷的状态，即为复合载荷。比如人体站立时，股骨即同时受多种载荷的作用。

（四）骨的力学适应性

根据沃尔夫定律，在骨承受负荷的限度内，成人骨对机械力的反应是由应力值所决定的，一般而言，机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。在平衡状态下，骨组织的成骨细胞和破骨细胞的活动大体相同。当人体活动增加、应力增大时，成骨细胞活性增强，骨质生成增加，骨的承受面增加，以适应大的运动量的需要，与此同时，使应力下降以达到新的平衡；反之，当应力降低时，破骨细胞的活性则增强，骨吸收功能增强，骨组织量下降。同时骨小梁的排列方向依赖于作用在骨松质上的应力的大小、方向和力的类型。所以，保持适当的运动量是预防骨质疏松的重要措施。

三、韧带、肌腱的生物力学特性

肌腱、韧带和关节囊是覆盖、连接和制动关节的三个主要结构组织，虽然它们都不能像肌肉那样能主动收缩，但它们对关节运动都有着重要的作用。

韧带和关节囊提供骨与骨的连接，具有增强关节的稳定性、引导正常关节运动、防止关节过度屈伸等作用。肌腱连接肌肉与骨骼，把肌肉的收缩力传到骨骼上，产生关节运动或维持姿势。肌腱另一个功能是确保肌肉在其两端的附着处之间能够维持最佳的收缩长度，以免过度伸展。

（一）肌腱和韧带的组成与结构

肌腱和韧带都是高密度的结缔组织，含有大量平行排列的纤维胶原组织。这些血流量少的组织拥有很多胶原，胶原的机械稳定性对肌腱和韧带的强度和韧性都很重要。和其他结缔组织一样，肌腱和韧带都含很少数的细胞（成纤维细胞）和大量的细胞外基质。细胞外基质中大约70%是水分，30%是固体物质。固体物质包括胶原、基质和少量的弹力蛋白。

需要指出的是，肌腱与韧带的胶原纤维排列不同，这与其所适应结构的功能有关。肌腱的纤维呈有序的平行排列，可承受高强度的轴向拉伸负荷。韧带的纤维排列呈近似平行排列，相互交织得很紧密，除了能承受主方向的张力外，还可以承受其他方向较小的张力。

（二）血液供应

肌腱和韧带只有少量的血管，这影响了它们的代谢与受伤后的康复速度，肌腱的血管来自它们所连接的肌束膜、骨膜和围绕着它们的腱旁组织及腱系膜。被腱旁组织所包围的肌腱又称含血管腱，而被腱鞘包围的肌腱则称为无血管腱。

（三）外围结构及其在骨骼上的附着点

韧带和肌腱的外围结构有一定的相似地方，但它们之间也有不同之处，所以它们的功能有异。两者都被疏松的结缔组织包裹着。疏松结缔组织在韧带中没有特别名称，但在肌腱中被称为腱旁组织。腱旁组织比包着韧带的结缔组织更具结构性，它形成一层腱鞘以保护肌腱及允许肌腱在其内滑动。例如手指的屈肌腱中，腱鞘包着整条肌腱；但其他肌腱中，腱鞘也可能只包着肌腱的某一段，如在关节上的转向部位。

在摩擦力大的部位，例如手腕和手掌，腱旁组织之下有一层滑膜，称为腱外膜，它包围着几组纤维束。腱外膜上滑膜细胞所分泌的滑液有助于肌腱滑动，在没有太大摩擦力的部位，肌腱便只有腱旁组织而没有腱外膜。

（四）肌腱和韧带的生物力学特性

肌腱和韧带都是黏弹性组织，具有黏弹性特征。肌腱能承受很强的张力以将肌肉的收缩力传至关节和带动关节运动，但它也具有一定的柔韧性，能绕着骨骼的外缘改变肌肉拉力方向。韧带则更为柔软及可屈曲，可允许骨与骨之间的活动，但它们也能承受很大的张力及对抗外力以免过度伸展。

将肌腱和韧带进行拉伸测试，测量它们所受的张力和伸长的长度，可做出如图2-4-5所示的负荷-伸展曲线。

在负荷-伸长曲线上第一个区名为“足趾区”，此区所显示区域是在松弛状态下的胶原纤维状态。这时不需太大张力便可把整个结构组织的胶原纤维伸展，至负荷继续增加时波浪形态被拉直。当负荷持续时，肌腱和韧带组织的刚度会增加，因此需要较大的拉力才能产生相同的伸长。在足趾区之后，图表会出现一线性区域，这个区域比足趾区的倾斜度大，表示这些组织的刚度因继续伸长而有了明显的增加。

在线性区之后，在大应变的情况下负荷-伸展曲线可能会突然停止或有向下倾的趋势，这是因为胶原纤维已受到不可逆的损伤，此点为组织的屈服点。整个测试物所能承受的最大能量便以图表内的曲线与横轴所成的面积来代表，直至线性区完结处。当超越线性区域时，组织内已有大量的纤维束不规律地断裂。这时负荷可能会达到拉伸应力的极限，随之样本很快完全断裂，而韧带和肌腱的负荷能力也明显降低。

从实际应用角度来看，对肌腱和韧带的极限拉伸应力实验并没有太大的意义。在正常活体中，这些组织所承受的应力通常只为其极限的1/3，而应变也只为其极限的2%～5%。此外需要指出的是，肌腱和韧带的生物力学性能也会受到负荷加载速率的影响，当负载速度增加时，负荷-伸展曲线的线性部分的倾斜度增加，这表明组织在较高的应变速率下具有较大的刚度。而在承受高速应力时韧带和肌腱可储存较高的能量，在断裂前会有较大的应变值，因此需要较强的应力才会把这些组织拉断。

（五）韧带断裂和肌腱受伤的机制

韧带断裂与肌腱受伤的机制基本相同，当受到一个超过其应力极限的负荷时，达到屈服点前会出现微断裂，整条韧带也会有明显的断裂；而它所连接的关节也会出现不正常的移位，移位也会导致在韧带周边的组织包括关节囊、血管等同时受到损伤。

韧带受伤在临床上按严重程度分为三级。一级韧带损伤临床表征最为轻微，患者只感觉少许疼痛，虽然韧带内的胶原纤维可能有些微断裂，但无关节不稳的临床症状。二级韧带损伤时，患者感觉剧痛并出现关节不稳定。韧带内胶原纤维都相继断裂，导致整条韧带出现半撕裂状态，韧带的强度和刚度会减少50%或以上。但在临床检验时关节不稳定性可能被肌肉过度收缩而遮盖，所以在检验受伤关节的稳定性时多数在患者处于麻醉的情况下进行。三级韧带损伤患者在受伤瞬间会感到剧痛，但痛感会随即减小。临床检查会发现关节十分不稳定。大多数在韧带内的胶原纤维都已断裂，但有少数仍连续，所以即使韧带已完全失去负荷的功能，但在外表看来有可能它还没有完全断裂。

若使韧带或肌腱受伤的关节负重，应力多数会落在关节的软骨之上，这会增加软骨的负荷，因此在人类或其他动物的膝关节上，软骨超载是与关节提早退化有关的。

虽然韧带与肌腱受伤的机制十分相似，但因肌腱附着于肌肉，要多考虑两个重要的因素，分别是连接着肌腱的肌肉所发挥的收缩力与肌腱相对于肌肉的横切面积的比例。当肌肉收缩时，接连的肌腱便会承受应力。在肌肉发挥最大收缩力时，肌腱的拉伸应力也达最高点。在肌肉进行离心收缩时，肌腱所承受的应力会更大。例如在很快地背屈踝关节时，小腿肌肉未及时发挥反射性松弛，所以便会增加跟腱的拉力。若负荷超过了跟腱的屈服点，便会导致这根跟腱断裂。

肌肉的收缩强度与其横切面积相关，因此较大肌肉能输出较大的收缩力，在连接它的肌腱之上产生较大的拉伸负荷。同样，粗大的肌腱也能承受较大负荷。虽然肌肉在断裂时的最高应力很难准确地算出，但从各种量度数据可知，正常肌腱的最高应力承受量是它所连接着的肌肉的2倍。

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