第一章绪论 大学、附属医院和专门机构中对生物力学在基础理论和实际应用领域都进行了 广泛的研究。它们重视学科间的渗透，注意医学与工程学科的结合，并重视应 用、基础理论与实验研究并举。 生物力学的国际学术交流日益频繁，从1967年瑞士苏黎士第1届国际生 物力学大会开始，此后每两年举行一次，到2006年共召开了20届国际生物力 学大会。在1973年第4届国际生物力学大会上正式成立了国际生物力学学会 (International Society of Biomechanics),简称lSB。它的城员包括解剖、生理、 医学、力学、仪器制造和运动生物力学等许多方面的专家。由于大多数人对运 动生物力学发生浓厚兴趣，为了扩大学术交流，1982年又成立了国际运动生 物力学学会(International Society for Biomechanics in Sport,.简称ISBS) 1983年在美国召开了第1届SBS学术会议，此后每年召开一次，到2006年 共召开了24届学术大会，其中第23届国际运动生物力学大会是2005年在北 京召开的，这是我国举办的第二个国际运动生物力学会议（其中第18届学术 会议在中国香港举行)。目前，世界上有40多个国家积极参加生物力学学术交 流活动。美国、俄罗斯、德国等体育强国长期以来各项运动成绩大幅度提高 是与其重视生物力学研究分不开的。1980年12月我国成立了中国体育科学学 会，同时成立了中国运动生物力学学会。1984年和1985年中国运动生物力学 学会分别以集体会员的名义加入了SB和SS,使我国的生物力学工作者与 国际学术组织建立了经常性的联系和学术交流。目前，运动生物力学规定为体 育院、系学生必修的专业基础理论课程，大多数体育科学研究所都非常重视运 动生物力学研究室的建设，引进和研制了不少现代化的仪器设备，具有相当水 平的研究能力。 20世纪后期，许多生物力学专家把生物力学的知识点应用到竞技体育和 临床医疗领城，特别是骨伤、整形等领城的研究，逐步形成运动生物力学、医 用生物力学、骨伤科生物力学等生物力学的分支学科，这些学科的不断发展， 为运动康复生物力学类定了一定的理论基础。 随着社会经济快速发展，生活条件的不断改善，人们对待疾病的态度也发 生了变化，为了追求更高的生活质量，许多患者已经不满足于仅仅针对疾病的 治疗，而越来越重视疾病以后的康复，希望能够恢复正常人的生活。我国从 90年代以来，社会对康复的需求越来越旺盛，各大医院纷纷筹建康复科，不 断扩大康复床位数，许多高校开设了康复专业。运动是康复的主要手段。运动 处方是康复治疗的重要组成部分，因面，我国各体育学院纷纷开设了运动康 复专业，1997年教育部把这个专业统一归并到运动人体科学学科中，到目前
运动素复生物力学 为止，我国13所独立体育院校都设有运动人体科学专业，培养运动康复专门 人才。 社会对康复的需求，使得一些生物力学工作者开始关注临床康复过程中的 力学问题，特别是运动负荷对患者骨酪、肌肉、关节等生物材料和结构的影 响，步态、假肢、支具、轮椅等项目的研究，促进了运动康复生物力学这一新 分支学科的形成。我们从1999年开始，收集这方面的研究成果，整理出相关 的理论体系，初步确定了该理论体系的应用范围，提出了运动康复生物力学这 一新分支学科的理念。 第三节运动康复生物力学的任务 运动康复生物力学具体研究人体运动时在竞技、健身以及疾病的预防、治 疗、康复过程中的生物力学原理和规律，是理论性和实践性较强的一门应用性 学科。随着近年来康复事业的快速发展，这方面的研究越来越多，越来越深 人。在对大量现有研究资料调查的基础上，通过对生物力学在健身指导、康复 临床研究和应用现状及前景的分析，结合运动康复实际的需要，归纳总结出以 下主要任务： 一、提出人体机械运动的基本力学原理 运动康复生物力学所研究的人体运动，包括日常生活活动、健身运动、康 复最炼和体育竞赛等人体的机械运动。 人体运动是自然界中最复杂的现象之一，它包括简单的机械运动和复杂的 高级运动形式一思维活动。人体自身完成的一切动作，都是通过大脑的活动 使肌肉收缩引起的外部表现形式，是一种有目的、有意识的运动行为。所以在 研究人体的动作时，必须以力学和生物学的观点去探索运动的规律性，才能取 得理想的效果。 人体的机械运动表现为两种形式，一是人体自身发生的形变，即人体各环 节之间相对的位移运动：二是相对于其周围环境而发生的位移运动。牛顿力学 定律适用于刚体运动，而生物体运动时会发生明显的形变（环节相对位置的改 变和环节本身的形变)。因此，研究活体系统的运动时，必须注意各种力对生 物体所做的功，既消耗于整体的位移又消耗于形变，所以总是有能量的损失和 6
第一章绪论 耗散。因此，研究生物体的运动要有整体的和相互联系及相互制约的观点，不 能孤立地去评价某项生物力学参数。在生物力学的研究中，应始终抱持生物必 须与环境相统一，整体必须与部分相协调，结构必须与机能相一致，个体必须 与系统相依存的观点。 生物体虽然有其本身特殊的运动规律，但我们所研究的人体运动是属于宏 观低速的位移运动，如在康复运动中的翻身、坐起、站立，以及各种竞技运动 中的走、跑、跳等都是相对于地球做低速运动的人体运动。我们完全可以用牛 顿力学定律，结合生物学原理来研究人体的机械运动规律，确定动作技术原理 和最佳运动技术。 动作技术原理是指完成某项动作技术的基本规律。最佳运动技术则是因人 而异，即某运动员能获得最佳成绩的技术，以及某病人能达到正常人状态的动 作技术。 二、探索骨组织在运动负荷作用下的力学特性和变化规律 为了确定骨受力后的情况，首先需要知道它的基本力学性质，其次是骨在 受到拉伸、压缩、剪切等外力作用下的极限强度、极限应变、杨氏模量、泊松 比、松弛现象和蠕变性质等。上述内容所得实验数据和函数关系受许多因素影 响，如试件形状、尺寸、年龄、性别、职业、含水量、遗传和营养状况，即使 同一人的不同部位骨的力学性质也不同，甚至差别很大，所以，只能给出统计 结果。每个不同个体的相同部位骨的力学性质，只是它的一个近似。 与骨有关的运动康复生物力学原理是建立在已有的骨力学基础之上，以骨 酪为研究对象，研究骨组织在运动负荷作用下的力学特性和变化规律，它的最 终目的是剖析骨和骨酪系统的力学性质，揭示骨酪生长、发育、吸收和改建与 负荷之间的相互关系，给出生命科学中这类力学问随的精确定量分析，为预刷 骨损伤、诊断治疗骨科疾患，进行骨矫形、骨移植等提供理论依据。骨力学的 研究内容，主要是骨的力学特性、骨的微规结构与宏观力学效应的关系、骨的 生长与断裂的力学问题及骨酪生长的控制论等。 目前，研究骨力学问题，仍然依照连续体力学的传统理论和方法，即在深 人研究骨组织结构的基础上，把骨抽象为一种模型化了的工程材料，把它看做 理想弹性体，或看做粘弹性体等力学模型。它可以是各向同性、正交各向异 性、两相或多相复杂形式的复合材料。在某种特定情况下选好力学模型，是研 究骨力学的首要问题，进而确定其本构关系，最终得到其近似规律
运动康复生物力坐 三、寻找运动与脊柱结构、功能变化的生物力学规律 脊柱是人体运动中的主要受力结构，它的损伤和许多疾患都与其受力情况 相关联，如椎间盘突出和纤维环断裂与脊柱受的压力及弯矩有关。椎骨骨折 脊柱侧凸等能用力学的观点加以说明，并指导治疗。对脊柱的其他病变的防治 和有关脊柱的各种辅疗装置的研制都需应用运动康复生物力学知识。 由于脊柱结构较复杂，因此目前的研究水平还难以将全部元件力学特性都 考虑进去，但对椎骨、椎间盘、韧带等脊柱元件的研究，已得出具有理论意义 和临床价值的成果。椎骨力学特性和脊柱疾患的研究在我国也已开展。 四、研究关节与运动之间的关系 研究内容包括关节面、关节软骨，关节囊及关节腔等。各关节的结构、功 能虽然不完全一样，但都有着共同的特性，即摩擦系数小，运动灵活，有一定 的强度、刚度和稳定性。 形成关节疾病的原因是由于关节畸形、超出生理状态的载荷和环境影响， 这些属运动康复生物力学研究的范畴。所以，运动康复生物力学可为分析关节 疾病成因、提出治疗方案和预防措随提供有效手段，也为设计骨科医疗器械 假肢和人工关节及矫形外科用各种支具等提供理论依据。 五、建立运动状态下的骨略肌本构方程 骨酪肌的力学特性与骨和其他软组织的不同之处在于，骨修肌能使化学 能在体温状态下做机械功，它通过自身的主动收缩使人体进行机械运动，而 骨与其他软组织是被动的，不具有上述特性。骨酪肌力学研究的任务是了解 骨酪肌的构成及原理，以及其收缩过程的力学规律，建立兴奋状态下骨酪肌 的本构关系 六、确定运动康复生物力学常规测试手段和实验方法 运动康复生物力学研究涉及多学科的理论和方法，如物理学、生物学、影 像学的先进测试手段和电脑技术已经广泛应用于人体运动参数的采集、分析和 8
一第一章绪论 研究中。随着现代科学技术的进步，这些实验方法不断完著，并且不断精细 化、专门化，逐步形成了该分支学科测量和实验体系。其测量和实验方法既有 常规的运动学和动力学测试手段，如影像解析、三维测力、肌电测量、肌肉力 量测试等，也有专门的步态分析，足底压力分布，轮椅、支具测量分析，以及 生物材料实验方法等。 第四节运动康复生物力学研究与教学的主要内容 学科的任务是要通过不断地探索研究来实现和完成的，根据学科任务和目 前国内外在运动康复生物力学研究领城发展现状，可以概括出该学科领域的主 要研究内容和课程体系的主要教学内容。 一、竟技体育动作研究 运动损伤的预防、治疗和恢复是运动康复生物力学研究的重要方面，加强 竞技体育动作技术的研究，对探讨损伤发生机理，改进动作技术，预防损伤和 再损伤，帮助运动员恢复训练都有重要意义。 二、康复步态的研究 步行是人类活动的基础，车祸、疾病、意外伤害等各种因素都会造成患者 步行能力受损，甚至丧失。通过生物力学的研究，分析不同因素（特别是疾 病)造成典型步态的特点，寻找最有效的手术方案和训练手段，帮助患者恢复 步行能力。 三、临床动作分析 包括健身、日常动作和患者动作分析，为健身最炼和运动功能膝碍患者恢 复运动功能提供生物力学参数。临床上主要对中枢神经疾病的运动障碍患者进 行翻身、坐起、站立等起居基本动作（甚至包括喝水、进食、穿衣等日常动 作)，以及部分肢体运动障碍患者进行动作分析，确定帮助他们恢复常人动作 的有效途径。 9