第1章
功能和损伤生物力学

亚当·高特林（Adam Gotlin），BS，MS

人体是由骨骼、肌肉、韧带、肌腱、软骨和其他结缔组织组成的系统，这些组成部分共同工作，使身体能够完成各种动作。这个人体系统使我们能够完成大量多种形式的运动任务，包括从日常行走到复杂的扭转和体操动作。从这个角度来看，人体是自然界中功能最全面、最强大、最稳定的机械装置之一。专业运动员和业余运动员在参加体育运动时，往往会最大限度地利用这种机械功能，但不幸的是，这很可能给身体带来损伤。

简言之，损伤是阻碍人体正常功能和运动的损害或功能障碍。在运动过程中，运动员试图通过控制自己或周围环境中的其他物体（例如一个球，甚至是其他人）来实现某一特定目标。当超出功能极限时，身体就会发生故障，也就是会受伤。

功能和损伤生物力学是力学、材料科学和生物学这三个主要学科的交叉学科。本章将探讨如何使用跨学科的方法来检查、分析和了解人体力学，以预防和治疗运动损伤。我们将从更高层次来介绍生物力学的每一个核心学科。关于此处所涉及主题的更详细的介绍，请参阅本书第344页的引用和参考文献。本章是后续各章的基础，后续各章会更深入地探讨按身体部位细分的各种损伤。

下面先简要介绍一下力学、材料科学和生物学领域的一些关键概念，并将这些概念与身体功能和损伤联系起来（见图1.1）。

力学与人体

力学是一个广泛的研究领域，研究物理对象如何弯曲、拉伸、扭曲、推拉、平移和旋转。在力学研究中，物体和对象这两个术语可以互换使用。就我们的目的而言，一个物体或一个对象都代表了空间中物质的集合，例如一个球、一根骨头或者整个人体。

在整个人类历史上，力学一直是重大创新的核心。它是了解几乎所有机械的功能的核心学科，这些机械包括从飞机到起重机再到机器人，当然还有人体。在这一节中，我们将从运动学（物体如何运动）和作用力（什么使物体运动）的角度来探讨力学。

运动学

我们将参考和分析与生物的形态和功能相关的各种力学量。也就是说，我们将讨论力、力矩、加速度、速度和位置，所有这些力学量都是矢量。因此，我们需要确保使用的术语是一致的，并从矢量开始回顾。那么，什么是矢量呢？简单来说，矢量是一个既有大小又有方向的量。出于我们的目的，也应该将作用点作为矢量的属性包含在内。我们在生物力学中使用的3个主要运动学矢量如下。

· 位置： 一个物体相对于某个参考点的位移。

· 速度： 物体位置随时间的变化率。

· 加速度： 物体速度随时间的变化率。

位置是用长度单位（例如米）来测量的，速度的计量是长度随时间的变化，加速度的计量是长度随时间的二次方的变化。如果你熟悉微积分就会发现，速度只是位置的导数，加速度是速度对于时间的导数。表1.1展示了用于描述本章所讨论的力学量的常用单位。

运动学是关于物体的位置、速度、加速度和方向的运动空间几何学的研究。在任何特定的时间点，我们的四肢都处于某个位置。此外，每个肢体都有自己的速度（可能大小为0）和加速度。为了进行运动，运动员必须使四肢加速以改变它们的速度，并产生位移。在这种情况下，加速度从何而来？正如艾萨克·牛顿（Isaac Newton）描述的那样，加速度是力的作用结果（Newton, 1687）。

力

力加速了质量。质量，也称为惯性质量，描述了一个物体由多少“东西”组成。令人惊讶的是，确实没有比这更科学的解释了！我们也可以认为质量是一种属性，它描述了物体抵抗加速度的程度。一个物体的质量越大，它在给定力的作用下产生的加速度就越小。对质量和力之间的关系的经典阐述，最初是由艾萨克·牛顿提出的，他将其概括为3个运动基本定律，即牛顿三大运动定律。

根据我们的目的，对牛顿三大运动定律进行如下解释。

1.物体的速度将保持不变，除非受到外力的作用。

2.力和质量之间的关系可用公式 = m · 表示，其中 、 m 和 分别表示力、质量和加速度。

3.当一个物体对另一个物体施加作用力时，受力物体也对施力物体施加一个大小相等、方向相反的反作用力。

牛顿第一定律指出，一个物体需要力来改变它的速度。如果物体没有移动（速度的大小为0米/秒），那么它将继续保持静止，直到受到力的作用。处于这种状态的物体被描述为一个静态系统。例如，一个稳稳站立的人可能会被认为是静止的。在此系统中存在力，但所有力是相互抵消的，对系统的合力为0牛。因此，如果不存在加速度，物体将保持静止。相反，如果一个物体正在（以2米/秒的速度朝着目标球门）移动，该物体将无限期地保持运动，除非受到外力的作用（例如撞击墙壁、另一个球员的棍击或冰面上的摩擦力）。大多数损伤都发生在合力不为0的动态情况下。

牛顿第二定律引入了公式 = m · ，这通常是高中物理课上教的第一个公式，这样做有充分的理由。在这个公式中， 表示作用在物体上的力， m 表示物体的质量， 表示物体的加速度。这个公式从数学角度描述了宇宙中的所有力是如何与物质相互作用的。（在某些情况下，例如在量子力学中， = m · 公式会失效。然而，这一机制与运动损伤生物力学无关。）无论这个力是来自磁铁、地球引力，还是来自某人的手推力，其起作用的主导公式都是 = m · 。一些读者可能不熟悉 和 上面的箭头符号。在力学中，通常用箭头来表示给定的量是一个矢量（具有大小和方向）。与之相对的，质量是一个标量，即一个有大小但没有方向的量。因此，作用在质量上的合力的方向，与该质量的合力加速度的方向完全一致。例如，在图1.2中，我们看到一名篮球运动员对球施加了一个力来传球。如果篮球运动员向右侧水平方向对一个5千克重的球施加100牛的力，在施加力之后，球就会沿水平方向以20米/秒 ² 的初始加速度向前运动［100（牛）=5（千克）×20（米/秒 ² ）］。

牛顿第三定律指出，力是成对出现的，它们的大小相同，方向相反。在英式橄榄球比赛中，当一名后卫推一名持球队员去抢球时，持球队员会在与后卫接触时对其施加方向相反、大小相等的力。能否完成抢球取决于每个球员的身体质量，以及球员在抢球前的初始速度。

人体力学中的常见力

现在，我们对力以及它们与质量和运动的关系有了更全面的了解，下面将重点介绍一些在运动和运动损伤中常见的力的来源。我们在这里将要遇到和讨论的最常见的力是来自引力和接触力的外力，以及来自肌肉、骨骼、肌腱、韧带和关节组织的内力。力也是一种矢量，完整的生物力学分析应该考虑每个力的大小、方向和它作用于人体的位置。我们将使用图1.3来完成对力的介绍。

引力

从字面上来看，引力是将所有东西聚集在一起的力。物体往往会吸引其他物体，我们将两个物体之间的吸引力称为引力。引力是一个距离力，无须物体互相接触就会存在。当我们分析运动损伤时，来自地球的巨大引力会将其他物体拉向地心。事实上，“垂直向下”这个方向概念是用引力的方向来定义的。引力无处不在，因此在任何人体力学分析中，引力都是一种至关重要的力。

在生物力学中，由于地球对物体存在引力，物体的重量就等于引力。在图1.3中，我们将手臂的重量表示为位于手臂质心的垂直向下（朝向地球）的力。质心是一个物体中所有物质的平均位置点（从技术上讲，手臂上的每个细胞都受到引力的作用，但是，我们一般用位于手臂质心的一个累积重量矢量来替代每个细胞上的所有微小重量矢量）。同样，哑铃也受到引力的作用，从而被推到运动员的手上。那么，为什么哑铃不会直接从运动员的手上落到地面上呢？答案是接触。

接触力

当与力有关的物体的表面发生碰撞（即接触）时，就会产生接触力（Mitiguy, 2017）。接触力在体育运动中极为常见，因为运动员、墙壁、抛射物和地面都在不断地相互挤压。像所有其他力一样，接触力严格遵循牛顿三大运动定律。在接触点上，每个物体以大小相等且方向相反的力推动另一个物体。这些物体的合成运动将遵从牛顿第二定律的公式。

在图1.3中，手和哑铃之间的接触力阻止哑铃穿过手落下来。在哑铃被稳定地举着的情况下，应用牛顿第三定律可以得出这样的结论：手对哑铃施加的力必然恰好与哑铃的重量相抵消。一个看似微不足道的结果是，手对哑铃施加了一个大小与哑铃的重量相等的向上的接触力。一个更微妙的后续结果是，同样的接触力导致哑铃对手施加了一个向下的反作用力。因为举重运动员正在将哑铃向上推，所以他能感觉到哑铃在他的手中。当肌肉收缩以保持重量稳定（即没有加速度）时，系统的合力为0，这被称为等长收缩。

地面反作用力

地面反作用力是存在于人与地面之间的一种特殊的接触力。这种力是运动损伤生物力学的核心，因为地面接触几乎总是涉及创伤性损伤和过度使用性损伤。当地面对运动员的肢体（通常是脚）施加接触力时，这种力通过下肢和上肢的关节进行传导。当其与前面讨论过的其他接触力相结合时，肌肉骨骼系统可能处于一种妥协状态，在这种状态下，肌肉、肌腱和骨骼到达故障点。从这个意义上说，力是运动损伤的罪魁祸首。

地面反作用力是地面对物体产生的力，它与物体对地面施加的力大小相等、方向相反。为了行走、奔跑，或者只是简单地在空间中移动，我们必须先向与移动方向相反的方向推动地面，然后由地面向相反方向推动我们，产生朝向我们所期望移动的方向的合力。如果你在人们走路时仔细观察，就会发现，他们的脚在与他们试图移动的方向相反的方向上推动地面。在走路的后期动作中，脚先向下压向地面，然后向后移动。这个动作产生的地面反作用力指向上方和前方，会导致身体向上和向前移动。本章后续的运动案例研究将更详细地解释这种交互作用。

肌肉产生的力

内力是人体内部产生的力。运动员产生的最明显的内力是主动肌肉力。当大脑向肌肉发出收缩的信号时，肌肉就会产生力。当肌肉收缩时，它试图通过拉近两端来缩短距离，如图1.3所示。肌肉直接附着在骨头上，或者更常见的是通过一种称为肌腱的结缔组织与骨头相连。肌肉和肌腱一起构成了肌腱单元。请注意，收缩会使肌肉在两个连接点产生一种力，并沿着作用线把骨头拉在一起。同样有趣的是，肌肉只能拉动骨头，而不能推动骨头。肌肉将关节周围的骨头拉近的动作称为屈曲。为了使骨头彼此分离，必须有肌肉在关节的另一侧工作。当这些相对的肌肉使骨头彼此远离时，就会发生伸展。骨头在关节周围移动是指骨头在关节处形成一定的角度。当关节处形成的角度减小时，骨头会靠得更近，关节就会处于屈曲状态。增大角度、拉直关节，关节会处于伸展状态。两块肌肉可以屈曲和伸展同一关节，形成一对拮抗肌。在肘关节处，如图1.3所示，肱二头肌屈曲手臂，而拮抗肌肱三头肌（未显示）则伸展手臂。当肌肉收缩时，骨头就会移动。

韧带和肌腱产生的力

其他主要的内力包括由肌腱、韧带甚至肌肉产生的张力。结缔组织在被拉伸时就会产生被动力。结缔组织就像一根被拉长的橡皮筋，通过产生一种被动力来阻止拉伸。与主动肌肉力类似，被动力倾向于将结缔组织的附着点拉得更近。肌腱是连接肌肉和骨骼的纽带，当肌肉被激活或整个肌腱单元被拉伸到超出其自然长度时（例如运动员在热身时的拉伸），肌腱就会被拉伸。韧带将骨头与其他骨头连接起来，当其他力试图将这些骨头拉开时，韧带就会被拉伸。结缔组织中的被动力对维持关节的稳定性至关重要，而过度拉伸或拉伸过快导致的结缔组织损伤是主要的运动损伤类型。

关节接触力

人体的骨骼系统由数百块骨头组成，这些骨头在关节处相互接触。关节接触力是由于外力和内力作用于关节而产生的反作用力。这种关键内力的存在能够确保身体各个部分如我们预期的那样运动。例如，在图1.3中，肘关节是前臂（桡骨和尺骨）围绕上臂（肱骨）旋转的枢轴点。与我们对哑铃和手的分析类似，在运动过程中，运动员必须对前臂和上臂之间的接触面施加力，以确保桡骨和尺骨不会穿过肱骨。我们看到，由肱二头肌产生的前臂肌肉力使前臂沿着力的方向向上弯向肱骨。为了防止前臂向这个方向移动，上臂和前臂相交的关节处产生了接触力。关节接触力通常作用于软骨表面，有时也直接作用于关节中心附近的骨头。

其他内力

除了肌腱、韧带和肌肉产生的主动力和被动力之外，还有许多其他内力在运动损伤生物力学中发挥作用。关节软骨在关节处的骨头之间提供缓冲，并承受前面讨论过的许多关节反作用力的负荷。甚至皮肤、血管系统和其他软组织，在技术上也能提供阻力和产生内力。然而，大多数人体模型（例如用于分析的数学表示）的注意力都集中在肌肉、骨骼、韧带和肌腱上。这些结构产生了大部分的内力，也是运动损伤的主要来源。

力矩

虽然这一节的大部分内容都集中在力上，但肌肉在身体中更精确的作用是让四肢围绕关节中心进行旋转。虽然肌肉的作用是拉近骨骼和软组织之间的距离（即通过屈曲或伸展进行平移），但在功能上，肌肉会使肢体周围的关节旋转从而达到移动身体各个部位的目的。一个肢体相对于另一个肢体的旋转可以定义为角位移，或两个肢体相对方向的变化。在图1.3所示的简单的肘关节二维结构中，我们可以将前臂的方向想象成一条从肘关节指向手的直线，而上臂的方向是一条从肘关节指向肩膀的直线。在这种情况下，前臂与上臂成90度角。如果举重运动员进一步屈曲他的肱二头肌，前臂和哑铃就会围绕肘关节进行旋转，以缩小上臂和前臂之间的角度。另一方面，伸展（由肱三头肌完成）会增大肘关节连接处的角度。肘关节的中心称为枢轴点，穿过前臂的枢轴点的线称为旋转轴。

肘关节是前臂绕上臂旋转的枢轴点。由于这种旋转主要是在一个平面内完成的，因此肘关节被认为是一个铰链关节。而髋关节是一个球窝关节，可以进行多轴旋转。了解关节的结构和功能将有助于运动员对运动项目的安全性进行判断。

力使物体绕一点旋转的趋势是力矩（力的旋转分量也称为扭矩）。围绕关节的力矩会产生围绕旋转点的角加速度。围绕某个点的力产生的力矩的大小与力的大小乘以力臂成正比。力臂是力的作用线与枢轴点之间的最小距离。为了更好地说明这些术语并强调力臂的重要性，我们来分析一下图1.4中的两种不同姿势。在图1.4a和图1.4b中，位于头部质心的引力都指向下方。然而，在图1.4b中，围绕枢轴点（C5椎骨）的力臂要大得多。因此，图1.4b中的头部重量产生的力矩要大得多。为了保持头部不动，颈后的肌肉必须更努力地提供顺时针方向的力矩，以抵消由头部重量产生的逆时针方向的力矩。

人们需要小心协调主动肌肉力，使四肢互相协调旋转。在这样做的过程中，运动员会平衡内力和外力，以产生所需的动作来完成运动任务，例如跳跃、投掷或跑步。

稳定性

在运动损伤生物力学中，稳定性可被定义为“关节在其整个运动范围内保持适当功能位置的能力”（Burstein and Wright, 1994, 63）。损伤往往是缺乏稳定性造成的，而且，受伤的组织会导致该结构出现其他不稳定。稳定的机械系统倾向于使用力来恢复正常的功能位置，而不是使用力使系统分离。为了更好地理解这个概念，请参考图1.5。在图1.5中，我们可以看到两个稳定的机械系统和两个不稳定的机械系统。上面一组图展示的是一个球停在山谷里（稳定），另一个球停在山顶上（不稳定）。如果球在山谷中发生轻微移动，重力会引导球回到原来的位置，那么系统是稳定的。而山顶的球稍微移动一下，就会从山上滚落下来。同样的概念也适用于人的膝关节。股骨位于膝关节的胫骨平台上。在稳定的情况下，股骨的轻微旋转或移位，往往会被交叉韧带和侧副韧带施加的内部恢复力纠正。但想象一下，如果这些韧带不存在（或者它们可能由于运动损伤而撕裂或破裂），膝关节就会变得不那么稳定，股骨的轻微移位就会使整个系统失去平衡，这对运动员来说会带来灾难性的后果。

人体关节可以通过被动元素来提供稳定性，例如图1.5中的交叉韧带和侧副韧带，但也可以通过动态神经肌肉主动控制。穿过关节的肌肉可能会被激活，帮助保持关节处于有利位置。此外，相对的肌肉群（例如腘绳肌和股四头肌群）的共同收缩可以将关节两侧的骨头拉得更紧，从而大大增强稳定性。正如你可能已经注意到的，使用协同收缩来保持稳定性的一个主要缺点是，它往往会增强关节接触力。

人体系统的材料属性

人体系统是由多种材料和元素组成的复杂系统。其主要结构由骨骼（硬组织）组成，通过肌腱、韧带和筋膜（结缔组织）连接，并与神经、血液和肌肉（软组织）交织在一起。每种材料都有自己的一套属性，这些属性决定了它如何响应特定的负荷。对于我们来说，负荷是作用在表面或物体上的一组外力。当经常出现损伤时，材料的属性也决定了身体组织的断裂点。本节将通过介绍材料科学的一些关键概念，并将它们与运动和其他活动中的力联系起来，帮助读者进一步了解人体组织发生故障的原因和过程。

负荷-变形机制

如前所述，我们体内的组织会产生内力，使我们保持直立，并使四肢活动。这些力量的产生是有代价的，当组织产生一种力来抵消外部负荷时，相应的材料就会承受机械应力。应力是通过横截面上的作用力来定义的。当存在较大的力，而承受这些力的材料的横截面面积很小时，应力会特别大。人体内的每一种材料都有一个应力临界值，超过这个临界值，人体就会出现故障。材料受到的应力很大程度上取决于负荷的性质和方向。因此，根据负荷的方向，材料有不同的断裂点，而且某些材料承受某些负荷的能力往往比承受其他负荷的能力更强。

当材料承受应力时，它会经历应变。应变是对材料在外加负荷作用下产生的相对变形的一种度量。例如，假设有一个橡胶圆筒和一个具有相同截面厚度的钢棒。当橡胶圆筒被沿其长轴拉开（即受到张力）时，它会承受很大的拉伸力并明显变长。然而，在钢棒上施加相同的拉伸力会产生较小的变形。在这两种情况下，假设横截面面积保持不变，那么应力也是相同的，因为应力被定义为横截面上的作用力。我们将看到，大多数结缔组织，例如肌腱，更像一个有弹性的圆柱形橡皮筋；而硬组织，例如骨头，更像一个硬棒。材料的应力与应变之比称为弹性模量，它描述了材料在给定应力下的变形程度。弹性模量是决定材料故障点的主要因素。

结构特性

人体材料不断地被拉伸、压缩、扭曲和弯曲。当组织对身体施加内力时，这很可能是由某种外部负荷导致的。承受负荷时材料会发生变形，这适用于所有的物体。当网球拍击打网球时，球拍的线在接触球时会发生轻微变形，这一点很明显。不太明显的是，当棒球杆与棒球相撞或保龄球与球道相撞时，棒球杆与保龄球也会发生变形。由于弹性材料能够抵抗外部负荷，它们产生的内力对人体运动和保持稳定至关重要。表1.2总结了常见的负荷类型和相关运动损伤。

实际上，联合负荷（多种负荷同时发生）是肌肉骨骼系统中最常见的负荷类型。由于物体形状不规则，而且多个力量作用于不同位置，人体中很少出现单一负荷。这些负荷会对组织产生应力，在超过一定阈值后，组织就无法再承受这些负荷。

硬组织和软组织会抵抗负荷，直到最终失效。当物体所承受的应力大小超过材料的应力临界值时，就会出现失效（或者生物组织中出现损伤）。这意味着组织的横截面面积不够大，承受不了所施加的力量。材料的强度被定义为材料在失效前所能承受的力（或应力）的大小。不幸的是，材料承受的应力很少是均匀分布的。因此，了解局部应力对分析运动损伤机制至关重要。由于应力等于单位横截面积上的受力，在材料的横截面面积较小的区域，即使是瞬间，也有可能产生高度集中的局部应力。例如，当肌腱包裹着骨骼标志物时，该标志物可能会受到挤压。由于短时间内横截面面积减小，挤压区的应力可能会更大。轻微的撕裂或其他形状异常会进一步使应力局部化。材料的强度取决于它最薄弱的环节，而损伤和失效往往发生在最薄弱的纤维或组织最脆弱的部位。

人体组织的失效往往比橡胶或钢铁等非生命物质的失效更为复杂。图1.7展示了一个韧带样本的应力-应变曲线。当一种材料持续承受负荷和被拉伸时，应力会不断变大，直到超过极限并最终导致材料失效。由于受到局部压力，轻微的撕裂（有时被称为微失效）可能在临界点之前发生。而超过临界点的诱导应力会导致宏观失效（即肉眼可见的撕裂或破裂）。

人体组织的材料特性决定了它何时会失效，但是，是什么决定了组织的材料特性呢？这些特性会随时间变化而变化吗？它们在不同的个体中是不同的吗？要回答这些问题，我们需要使用生物科学：生物学。

生物学

力学可以让我们计算出人体经历的力和力矩。材料科学将这些力与硬组织和软组织所感受到的应力联系起来。而生物学揭示了体内物质元素的属性，它们对机械应力的反应，以及它们如何随着年龄、性别、营养和锻炼的变化而变化。生物学在应用负荷和组织损伤之间架起了桥梁。

肌肉骨骼系统的特殊生物材料

从本质上说，生物组织只是履行特定功能的细胞和物质的集合。人体组织趋向于高度专门化。在生命早期，甚至在成年期，未分化的干细胞在体内处于休眠状态，直到它们被激活，形成特定的细胞类型。这些特殊的细胞是人体各种组织的组成部分，分化后它们拥有不同的机械特性。因此，某些组织比其他组织更擅长承受某些负荷。

骨骼

骨骼由胶原纤维、非胶原纤维和矿物质（例如钙盐和磷酸盐）组成。骨组织有两种主要类型，分别为皮质骨（骨密质）和松质骨（骨小梁）。皮质骨是坚硬、致密和强壮的，而松质骨是多孔、海绵状的。在这两种类型的骨组织中，纤维通常沿典型的外部负荷的主要方向纵向排列。从这个意义上讲，骨骼是一种动态组织，其力学性能是根据对正常负荷模式的响应而建立的。骨骼不是橡胶、混凝土或金属，而是一种有生命的物质。从功能上讲，骨骼是传递肌肉力量的杠杆，同时也为重要器官提供保护。因此，骨骼可以承受较大的弯曲和压缩负荷。在结构上，致密的皮质骨通常分布在骨骼表面，而海绵状的松质骨则构成了骨骼内部。皮质骨提供了额外的结构完整性，而松质骨提供了进行其他生物学任务的场所，例如制造血细胞。图1.8展示了人类股骨的横截面。

从机械角度来看我们可能会想，为什么骨骼不是全由皮质骨构成，以便产生最健壮的机械骨骼。部分人认为这是优先排序的结果。身体不需要多余的皮质骨来承受典型的负荷，而需要优先为骨髓、血液和松质骨留出空间。此外，松质骨的密度较低，使得骨骼重量较轻。回顾与力相关的公式我们可以看到，质量较小的物质可以更容易地通过肌肉移动和旋转来进行运动。因此，骨骼经过优化，具有质量轻、能抵抗主应力且维持生物功能的特点。

肌腱

肌腱是连接肌肉和骨骼的纤维组织。肌腱的作用是传递肌肉在骨骼上产生的力，从而产生运动。肌腱由胶原纤维组成，胶原纤维是结缔组织的组成部分，它们被平行地捆绑在一起，以承受高强度的拉伸负荷。肌腱相对来说比较坚硬。肌腱被拉伸时，它可以储存大量的弹性能量。例如，当运动员准备跳跃时，他们通常会做一个反向动作来拉伸跟腱。如果时机正确，运动员会向上跳跃，就像肌腱试图回到原位（即回到原来的长度）一样。这就产生了一个连锁反应：跟腱使脚部绕着脚踝旋转落向地面，脚部推动地面，最后地面产生额外的向上力，使运动员跳得更高。

韧带

韧带的作用是将骨头连接在一起，并提供跨关节运动的稳定性。像肌腱一样，韧带主要由胶原纤维组成，纤维成束堆叠，通常平行排列，从一个附着点指向另一个附着点。这种结构使韧带特别能够抵抗拉伸负荷。某些韧带，例如膝关节的交叉韧带，有一种螺旋状的纤维结构，可以提供额外的支撑，以抵抗扭转或扭曲的负荷。与骨骼一样，韧带的强度高度取决于外部负荷的方向。内厄姆和梅尔文（Nahum ＆ Melvin,2002, 15）表示，根据拉伸负荷的方向，韧带的强度会有50%~100%的变化。下一节中的前交叉韧带撕裂案例研究将会更详细地介绍这种特殊韧带的特性。前交叉韧带撕裂通常是由于过度的拉伸和扭转负荷造成的（Koga, 2010）。

肌肉

肌肉产生力，从而产生运动。骨骼肌负责进行人体的自主控制和协调，因此是功能和损伤的生物力学基础（人类也有心肌和平滑肌，它们用于执行无意识的运动。这些肌肉让我们的心脏跳动，并让我们的胃部发生蠕动）。图1.9展示了肌肉纤维如何组成分层结构。肌肉区别于前面所讨论的其他组织的主要特征是具有自主收缩的能力。来自大脑的信号使肌肉纤维收缩，从而产生力，使肌腱和骨头两端靠得更近。肌肉纤维收缩的机制如图1.10所示。可以想象，这种收缩机制使肌肉的材料特性变得相当复杂。

有3种主要的骨骼肌纤维类型：Ⅰ型（慢性氧化型）、Ⅱa型（快速氧化糖酵解型）和Ⅱb型（快速糖酵解型）。快速收缩肌纤维能够快速产生高强度的肌力，但是由于不能长时间维持高强度的肌力，所以它们是疲劳纤维。慢速收缩纤维的收缩速度更慢，相对来说具有抗疲劳的能力。体内快速收缩肌纤维与慢速收缩肌纤维的比例很大程度上决定了运动员完成各项任务的能力。例如，优秀的短跑运动员体内快速收缩肌纤维的比例比平均水平要高得多，这也是他们在比赛开始时能快速加速的原因。纤维类型的比例很大程度上是由遗传决定的，尽管一些研究表明，训练可能会对这一比例产生影响（Hall, 2010）。

软骨

软骨通常分布在骨骼末端的表面，专门用于直接承受负荷，由胶原纤维组成。胶原纤维的方向随软骨的深度变化。纤维位于软骨表面正下方的薄层中，平行于表面，但在组织的更深处，纤维是随机分布的，甚至可能垂直于表面。因此，软骨的不同部位可能受到一个给定接触力的拉伸、剪切或压缩负荷。不同于我们讨论过的专门用于处理特定方向的负荷的其他组织，软骨可以承受各种类型的负荷。关节软骨存在于关节内，并伴有润滑关节组织的滑液。表面的润滑使关节软骨可以轻松地滑过彼此，从而大大降低了剪切负荷。润滑性关节软骨损伤也称为骨关节炎，是一种会导致疼痛和残疾的常见损伤。不幸的是，软骨的血液供应能力很差，这使得受损软骨的愈合过程很长。

人体由具有特定功能的特殊组织组成，这些组织使人体能够平稳运行。经过数百万年的进化，人类进化出了特殊的生物材料，可以承受环境或自身带来的特定负荷。然而，人体系统真正的奇迹在于组织除了具有静态材料特性之外，还有动态的生物材料特性，其不仅坚固耐用，而且具有自我适应、愈合和修复的能力。

适应、愈合和修复

当生物体改变自身，使自己更适合在特定环境中生存时，就产生了适应性。人体系统不断地通过改变结构来承受新的力和负荷。愈合是一种反应性适应，其特征是由于损伤或故障而产生特定变化。当一个组织遭到破坏时，身体就会努力加固受损的结构，以恢复形态和履行必要的功能。如果没有这种愈合和修复过程，身体组织就会随着时间的推移而慢慢磨损，并危及整个肌肉骨骼系统。过度的压力会导致人体出现故障、损伤和残疾，而愈合能力可以帮助我们恢复力量、继续前进。

大多数愈合过程的第一步可能都是痛苦的。急性损伤会引起炎症反应，血液会淤积在受伤部位，导致受伤部位出现特征性的红肿。在某种程度上，炎症反应是身体在向大脑发出信号，让它放松受伤部位，炎症可以提醒大脑，身体在那个部位有损伤。多余的血液和白细胞（血液中携带的免疫系统细胞）会涌向受伤部位，帮助保护受伤组织免受毒素感染，并为组织修复提供必要的蛋白质组成部分。人体具有先进的修复机制，它组成了组织重建的复杂化学过程。

骨骼对骨折的反应是尽快形成新的骨组织。发生创伤性骨折后，骨骼会迅速生成胶原纤维组织来改善机械支撑，并形成编织骨。编织骨形成的速度越快，组织的牺牲就越大。编织骨中的胶原纤维是无组织的，并不遵循周围骨骼特定的最佳方向（如前所述，纤维通常沿着正常负荷的主轴方向生长，以提供沿着该方向的力）。特别是在愈合的早期阶段，编织骨在额外负荷的作用下很容易发生骨折。尽管如此，我们的身体还是会优先考虑将这个过程作为恢复的起点，然后再将编织骨转换为原始骨类型。

对于日常负荷造成的微观骨折，骨骼将以未来能够承受类似负荷的方式进行修复。根据沃尔夫定律，骨骼可以适应机械刺激。该定律指出，骨骼会调整其重量、纤维排列方式和组成成分，以适应既定环境。运动员通过训练来利用这一点，其骨骼会在负荷训练的基础上变得更强壮，这为运动员将来（例如在比赛期间）应对类似负荷做好了准备。编织骨最终会遵循沃尔夫定律进行自我重塑，但这可能需要很长时间。如果骨骼在两次较轻微的骨折之间没有足够的时间进行重塑，就可能会导致持续骨折，这通常称为应力性骨折。一些运动员非常清楚，康复是一个缓慢而渐进的过程。

像骨骼一样，其他身体组织，包括肌肉、肌腱和韧带，也有在受伤后自我修复的能力。这些结缔组织共有的一个优势是它们的纤维结构很独特。肌肉、肌腱和韧带是由束状纤维组成的分层结构（见图1.9和图1.10）。这种结构的主要优点是，单个纤维撕裂时可以不损害整个组织。我们将这种肌腱单元损伤称为拉伤（这是我们对材料变形的总称）。当韧带发生撕裂时，我们将这种损伤称为扭伤。发生拉伤或扭伤后，健康的纤维会承受负荷，而其他纤维会经历类似于如前所述的炎症和愈合过程。请注意，在此期间，宏观结构的横截面面积会减小（即肌束中完整的纤维减少）。由于应力被定义为单位横截面积上的力，此时组织面临承受更大应力的危险，这可能撕裂其他的纤维（见图1.11）。在愈合期间，当结构的其他部分正在得到加强时，减轻受伤组织的负荷尤其重要。而破裂是一种灾难性的撕裂，它会一次性破坏所有的纤维。发生严重的撕裂或破裂后，身体无法完全自我修复，可能需要手术治疗。

在某些运动中，肌肉纤维有时会出现轻微的撕裂。事实上，为了变得更强壮，这些轻微的撕裂是必要的。在修复这些轻微的撕裂的过程中，身体会优先构建额外的纤维来增强肌肉力量，以便将来能够承受更大的力。这些轻微的撕裂的愈合是增强肌肉力量的基础。为了变得更强壮，人体确实需要建造更多的肌肉。

并非所有的负荷都对肌肉骨骼系统有害。事实上，研究表明，长期大幅减少负荷和过度承受负荷一样有害。例如，菲茨杰拉德（Fitzgerald, 2017）描述了长时间过高的负荷会导致膝关节发生骨关节炎；然而，短时间内过低的负荷（例如，宇航员在国际空间站连续工作几天或几周）也会使膝关节发生骨关节炎。身体似乎在向相反的方向调整，以最合适的负荷适应新的环境。

受伤后，人们通常会改变步态模式和运动策略，以避免受伤区域出现疼痛。运动员采用了一种肌肉协调策略，该策略可以改变地面反作用力和随后的内力和力矩，从而减少受伤组织上的负荷。采用这个机制的目的是使受伤的部位有愈合的时间。然而，炎症反应有些混乱和不完善，减少疼痛的运动可能不是最利于愈合的运动。此外，通过改变一个人的正常步态来减轻受伤部位的负荷会给身体的其他部位带来额外的力，这可能导致其他部位受伤。受伤后的过度补偿也可能导致对人不利的机械适应，例如根据沃尔夫定律，骨纤维会重新排列。这些适应会在愈合过程结束后继续存在，这强调了在训练和康复过程中采用正确形式和技术的必要性。医生和治疗师必须继续研究帮助受伤运动员康复的最佳方法。这包括步态适应和肌肉补充策略的改变，还包括矫正器、护具和辅助设备等工具的使用。

“人类”机器

如果不考虑整本书的核心—运动员，只是笼统地介绍功能和损伤生物力学，那就是不负责任的。具体来说，运动员的年龄、性别、营养摄入和训练都对生物力学有重大影响。更进一步说，遗传、疾病和受伤史，都会影响运动员的运动方式、创造的力，以及其身体对负荷的反应。如前所述，当负荷超过给定组织的承受能力时，身体就会出现损伤。现在，我们来讨论一下影响个人健康和受伤风险的因素。

年龄

随着年龄的增长，人类的肌肉骨骼系统经历了许多巨大的结构变化。在儿童时期和20岁出头的时候，人体组织通常会发育得更大、更强壮。在成年后期，人体组织开始退化，这是因为磨损、撕裂、毒素和残留物的积累超过了身体的愈合能力。随着年龄的增长，组织的承重能力发生了明显变化。吴（Woo）和他的同事测试了年轻人（22~35岁）和老年人（60~97岁）尸体的前交叉韧带的拉伸强度。年轻人的韧带在撕裂前可以承受大约2160牛的拉力，而老年人的平均峰值拉力为658牛（Woo et al., 1991）。这就是外科医生通常用同种异体移植物，或供体韧带组织修复前交叉韧带撕裂的主要原因之一。对于老年人，用自体移植物；对于年轻人，用病人身体其他部位的组织移植。除了力量上的变化之外，人们在研究损伤生物力学时，还必须考虑到青少年运动员的不同身体结构。生长板是长骨的软骨区域，是骨骼生长的场所。生长板损伤会导致额外的并发症。发生在生长板周围的骨折会导致生长板与正常骨骼错位或过早闭合，而骨骼的几何形状异常会导致力量分配不理想，从而导致应力集中和将来出现损伤。

性别

有许多因素导致了男性和女性具有典型的生物力学差异。性别对结构解剖学、肌肉质量和骨骼几何学有很大的影响，所有这些都极大地影响着外力传递到全身的方式。此外，激素、社会因素和活动模式可能决定了为什么一种性别的人比另一种性别的人更容易受伤。在制订训练和营养计划时，人们应该考虑到这一点，同时还要评估研究中的建议是否适用于一种性别或两种性别。例如，在类似的运动中，女性前交叉韧带撕裂的可能性大约是男性的5倍。造成这种情况的原因似乎是男性与女性在解剖学上的差异，以及女性在执行落地动作的过程中，其股四头肌在膝关节周围的肌肉收缩中占主导地位（Ford et al., 2011）。由此可见，性别不仅影响运动员的骨骼大小，还影响运动员的协调机制。

营养

我们会吸收我们摄入的食物。食物对身体内的元素和矿物质有直接影响，而这些元素和矿物质会对肌肉骨骼系统的正常功能产生重要的影响。骨骼依靠钙来改善其强度和结构刚度，而钙是人体自身无法产生的一种无机化合物。由于钙是全天活动所需要的，所以人们需要充足的钙来维持机械强度。女性在30岁左右就不会再增加骨量，因此，对于她们而言尤为重要的是，应该尽量多地摄入钙质，以避免骨质减少或骨质疏松症（以骨骼脆弱为特征的一种疾病）的发生。此外，适应和愈合过程的核心内容都是补充受伤部位缺乏的化学物质和矿物质。在经过高强度的训练后，运动员应食用富含蛋白质和碳水化合物的食物，以促进肌肉的重建。运动员体内必须有适当水平的关键蛋白质、脂肪和其他营养素，以促进组织的修复和愈合。

训练

正如前面所讨论的，体育活动和正常负荷会导致人体组织的自然生长和重塑。骨骼通过增加骨量和重塑来应对日常负荷以及未来的类似负荷。通过运动产生的正常负荷也会导致肌腱和韧带变得更大或更密集，以提高它们的刚度和机械强度。肌肉通过调整纤维结构和材料组成，直接对训练和锻炼产生反应。抗阻力量训练会串行增加肌肉纤维，从而增强肌肉整体的收缩力量；拉伸会并行增加肌肉纤维，降低肌肉僵硬度和被动力。

其他因素

遗传、疾病和药物也对肌肉骨骼系统的机械和材料特性有重大影响。如前所述，人体中快速收缩肌纤维和慢速收缩肌纤维的比例很大程度上是由遗传决定的。此外，特定的基因与体内的肌肉质量调节有直接关系（Lee, 2004）。而各种疾病可以通过阻碍肌肉骨骼系统的正常功能来影响人们运动的生物力学。例如，类风湿关节炎是一种因身体错误地攻击自身关节软骨而造成的疾病，可导致关节软骨疼痛，进而影响步态和负重模式。药物也可以对个人的生物力学产生极大的正面或负面影响。有时，人们使用药物是为了调节生物力学（例如布洛芬，用以减轻炎症反应引起的疼痛），而其他时候，药物会产生副作用（例如，服用氟喹诺酮类抗生素会增加肌腱撕裂的风险）。

超越肌肉骨骼系统

本章主要关注的是人体肌肉骨骼系统的力学和材料特性。然而，我们不应忽视人体运动的其他重要部分，这些部分对人们参与体育运动和娱乐活动至关重要。循环系统通过将血液泵入全身来输送氧气和营养物质，而血液循环对机械组织的愈合和修复至关重要。消化系统从我们摄入的食物中吸收并加工矿物质和营养素，以产生必要的能量来驱动我们的肌肉并产生运动。神经系统负责控制肌肉骨骼系统，如果没有这个交流系统，人体的感觉和运动过程将严重受阻。事实上，许多现代生物力学研究都将重点放在加强我们对神经系统在不同情况下如何调节肌肉的理解上，例如如何改变步态以适应假肢或外骨骼（Collins, 2017），或者建立新的神经网络以在中风后进行功能恢复（Li, 2017）。这些系统协同工作，创造出了伟大的人体系统，它可以行走、说话、呼吸，寿命远超大多数机械设备。在评估损伤的严重程度时，生物学也起着重要的作用。到目前为止，我们的重点是肌肉骨骼系统的损伤，但生物力学原理也可以用来分析其他器官的损伤。

神经实质上是可以在整个身体内传递信息的绳索状器官，无论是疼痛感还是屈曲肱二头肌的命令，它都可以传递。神经组织的力学特性（例如失效前的极限应力）也很有用，但从病理学的角度来看，神经组织传递信息的特性比机械特性更重要。和肌腱或韧带一样，神经也会受到压迫、挤压、撕裂和破裂。例如，腕管综合征是一种普遍存在、使人衰弱的疾病，会影响手和手腕的神经肌肉控制能力。重复性或创伤性的压迫力会导致通过手腕的正中神经周围出现肿胀和发炎，从而会损害手腕的运动功能并导致该部位出现疼痛（见p.165）。

损伤生物力学：案例研究

肌肉骨骼系统能产生力和力矩，使人体处于运动状态。如果以某种特殊的方式运用肌肉骨骼系统，就会产生很大的力和压力，从而导致骨骼、肌肉、肌腱、韧带和软骨达到功能极限而失效。这些材料的失效会导致人体出现损伤。现在，我们已经充分回顾了功能和损伤生物力学的一些关键概念，让我们将这些知识应用到3个简短的案例研究中。这些案例研究包括3种类型的损伤：急性外伤性损伤、过度使用损伤和非机械性损伤。在这里，我们关注的是损伤过程中的生物力学原理。关于诊断、症状和治疗损伤的完整分析，请参考本书后文的内容。

急性外伤性损伤：前交叉韧带撕裂

前交叉韧带撕裂（见p.272）是近几十年来人们研究最多的损伤之一。之所以对它进行如此彻底的研究，很大程度上是因为它具有普遍性和严重性。据估计，每年每1000人中就有0.68个人患有前交叉韧带撕裂（Sanders et al., 2016）。

这种损伤的恢复往往需要通过手术重建和康复来实现，可能需要数月或数年的时间。随着运动员年龄的增长，这种损伤可能还会对运动员未来几十年的生物力学产生负面影响，包括增加出现骨关节炎和半月板撕裂的风险。了解导致前交叉韧带损伤的生物力学原理，有助于我们预防、诊断和治疗这种常见的损伤。

为了理解前交叉韧带撕裂，让我们看一下图1.12中的解剖结构。前交叉韧带连接胫骨平台的前内侧表面和股骨的后外侧表面。前交叉韧带绷紧时，它对胫骨向前平移起主要的约束作用，它通过防止胫骨向前移动超过股骨来保持膝关节的稳定。

当前交叉韧带撕裂时，较大的地面反作用力产生的高加速度通过肌肉骨骼系统进行传递，导致前交叉韧带承受高应力。前交叉韧带损伤往往是联合负荷所致。古贺（Koga）和他的同事在2010年提出了一种特殊的机制，如图1.13所示。为了理解这幅图，我们可以用组织的应变来表示韧带应力，组织拉伸得越长，应力就越大。考虑到这一点，古贺和他的同事认为外翻负荷（膝外翻）加上胫骨内旋转会导致前交叉韧带伸展超过其极限并产生撕裂。根据对公式 = m · 的了解，以及加速度是速度随时间的变化率，我们可以推断，一次快速而有力的脚部运动（例如旋转或跳跃落地）会产生足够的高峰力，从而产生危险的负荷。此处提出的机制并不需要向膝关节施加额外的外力，即可在前交叉韧带处产生较大的应力。因此，前交叉韧带撕裂往往是非接触性损伤。跳跃、落地或急转方向过程中的地面反作用力是导致前交叉韧带撕裂的主要原因。

请注意，这里描述的机制并不是使应力和应变超出前交叉韧带的承受极限而导致损伤的唯一原因。另一种情况是膝关节过度拉伸并伴有胫骨内侧旋转。此外，一些研究表明，过度使用也会导致韧带先缓慢、然后迅速退化（轻微的撕裂不断累积，直到出现一定程度的宏观损伤）。

过度使用损伤：肌腱炎

肌腱炎是一个概括性的术语，指的是肌腱的炎症和疼痛。肌腱炎通常发生在肩关节（见p.122）、肘关节（见p.129）和膝关节（见p.278），以及高度重复负荷的运动中。此外，产生肌腱炎的部位往往与具体运动有关，例如网球肘（见图1.14a）和髌腱炎（见图1.14b）。

当承受负荷的频率超过组织的恢复速度时，组织就会发生过度训练和过度使用性损伤。如前所述，我们展示了在整个结构崩溃之前，纤维组织中轻微的撕裂是如何发生的。然后，身体通过向受损的肌腱输送血液和营养物质来自行愈合，这就是所谓的炎症。在修复断裂的纤维时，肌腱中的其他纤维承担了额外的负荷。随着该部位持续反复负重，更多的纤维被撕裂，炎症会继续试图愈合这些额外的纤维。恢复的速度不够快，炎症将继续恶化。最终，肌腱会发炎，给运动员带来不舒服的疼痛感。

非机械性损伤：足癣

运动损伤的最后一个案例与运动中的机械磨损无关。相反，这种损伤通常是在参加运动之前或之后发生的。足癣，也称为“运动员脚”，是一种真菌感染疾病，常见于足部及脚趾皮肤（见p.322）。它通常在更衣室和浴室等场所传播，这些场所为真菌的滋生创造了一个潮湿、温和的环境。

足癣与功能和损伤生物力学只有间接关系，但由于其普遍存在，所以不容忽视。这种真菌感染也会引起不适和发炎，可能会影响运动员的运动表现。此外，与扭伤或拉伤后的炎症引起的步态适应类似，如果处理不当，足癣也有可能对运动员造成进一步的伤害。为了缓解瘙痒和不适感，运动员可能采用不同的步态模式和协调策略来完成运动任务。这些变化通常是指对鞋子进行改良，或者有意识地避免以某种方式走路、跑步或跳跃，以免不舒服。这些新的动作引入了新的负荷模式。改变脚的放置位置和姿势会产生不同的地面反作用力，从而让运动员的非典型肌肉和组织承受负荷。如果处理不当，惹人讨厌的脚部真菌会由于负荷的改变而导致其他机械损伤。 qe/EEHPPlNnFhtro2ylrqjpu8MvtPirypGI4W8B4ELIGyxUoOzPcmfjhAjtK8qhB