第十四章基本的生物力学概念

绝大多数的推拿师和临床医生都在考虑脊柱推拿治疗时的力学作用机制到底是什么。造成这种现象的原因是因为只有在医科大学一年级时才学习相关的医用物理学（包括生物力学）课程，而后在大学二年级时并不讲授相关的医用物理学内容。脊柱推拿师需要有比正骨师掌握更多的力学和生物力学知识。推拿时，脊柱推拿师需要对人体的组织框架结构施加外力。在临床操作中，推拿师主要是根据人体的正常和异常体位姿势、正常和异常的运动大小来确定作用于患者身体上推拿力的大小、部位、方向、时机和力度以及操作时的技巧等实际问题。这与人体的力学和生物力学内容密切相关。人体力学的定义是：描述和预测在外力作用时，人体静态和动态力学结构变化的一门科学。力学本身是一门物理学，但将物理学应用于人体时，即称为生物力学。
脊柱的组织结构主要是由胶原构成。在外力作用时，脊柱的胶原结构可发生变形。然而这种变形较小，在测量体位姿势时，不会明显地影响人体的脊柱平衡状态。在一般情况下，将胶原的影响忽略不计。因此，在生物力学上将脊柱看成刚体。
与脊柱相关的力学概念有：空间、时间、质量和作用力，力学采用数学语言来描述。在力学中，刚体分为静态和动态两种，前者是指在静止状态下，后者是指在运动状态下。静态下的脊柱生物力学研究要比动态下的研究简单的多。同样，在二维平面上的运动远不及在三维立体空间中的运动复杂。为了研究脊柱的基本力学性质，需要介绍和了解一些基本的力学概念。

第一节一些基本的力学概念

一、刚体

刚体是指这样一种物体，就是它的大小和形状对所讨论的问题来说，不能忽略；但它受到力的作用时．大小和形状都保持不变，即不发生变形。

二、力

力是物体间的相互作用，这种作用使物体的运动状态或形状发生改变，力对物体的效应取决于力的大小、方向和作用点。

三、力矩

设有一作用于物体的力及一点，力与点至力的作用线的垂直距离的乘积称为力矩，即力对一点的矩。

四、笛卡儿坐标系
空间相互垂直的线交汇于一点，即原点，包括二维和三维坐标系。二维坐标系有X 和Y - 295 一

轴，三维坐标系有X 、Y 、Z 三条轴线。
五、平衡
作用在一个刚体上所有力的总和以及所有力矩的总和都等于零时，我们称刚体的这种状态为平衡。
六、平移
刚体运动时，如果其上任一直线始终与其初始位置平行，则这种运动称为平移。七、旋转
刚体围绕某一固定轴（直线）做角位移。轴线可位于刚体之内或刚体之外。八、自由度
是指该体系运动时，用来确定其位置所需独立坐标系的数目。即刚体沿着所有的轴做前后平移或绕着轴做旋转运动的总数。
九、瞬时旋转轴（至AR )
在某一瞬时，刚体在一平面上运动时，其内部有一条直线或此线的延长线固定不动，这条线被称为瞬时旋转轴。瞬时旋转轴与运动平面垂直。
十、螺旋轴
是用来完整地描述刚体在三维空间内某一轴线上做平移和旋转时的三维运动状态。这就需要了解8 个方面数字特征：点〔 X 、Y 、z ) ，螺旋轴的方向余弦（U 二，认，认）以及转角（0 ）和平移的距离（, ）。
十一、运动学
属于力学的一个分支，在不考虑引起任何运动作用力的前提下，研究刚体运动学的一门学科。
十二、有限旋转中心
本概念易与瞬时旋转轴相混淆。有限旋转中心是基于仅考虑刚体在所有轴线上的两点位置所确定的。
十三、绝对转角
位于链状刚体的两端，由可动关节连结的两个刚体之间的旋转角度，被称之为绝对转角。十四、相对转角
位于一个刚体相对邻近刚体之何的旋转角。
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笛卡儿坐标系中，每个矢量相对于其他轴线都存在一个夹角O ，即ex 、即、ez 。特定的矢量都可根据此三个角度的余弦值来确定矢量的方向。

第二节定义举例

要想很好地理解和掌握数学和物理学上的绝大多数定义，采用举例或图示来表述是最好的方法。前面介绍的许多定义和概念都可通过寰椎相对于每一轴线的图解运动来说明（图14 一l ）。本图是用来表达笛卡儿坐标系、自由度、旋转轴、绝对转角、相对转角和平移。寰椎的前弓和横韧带限制了寰椎在Z 轴上的平移（图14 一1 ）。寰推以枢稚的齿状突为其Y 轴进行旋转。由于寰椎的侧块与枢椎关节面的滑动倾斜，这种士e 上的旋转将伴有Y 轴上的平移。由于这种运动类似于螺钉旋转，因此，被称为绕螺旋轴转动。丧椎在枢椎上只有三个自由度：( l ) 定轴转动（士oy ) ; ( 2 ）屈伸运动（士。x ) ; ( 3 ）垂直移动（土匆）。在寰椎和枢椎之间的侧屈度为O ，在Z 轴和X 轴上平移距离也为O 。
在图［4 一1 中已经讨论了各种笛卡儿坐标系和自由度，然而，这些概念可以用图（14 一2 ) 来更好地表示一个脊柱功能单位的运动。典型的颈椎、胸椎和腰椎可以绕三个轴做旋转运动：定轴转动、屈伸和侧弯运动。也可以沿着这三个轴做平移运动：前后、上下和左右的平移运动（图14 一2 ）。
在描述工程力学各要素时，单一的平移或旋转是最简单的运动形式。然而在刚体内这些简单运动的合成，则使数学计算变得复杂起来（图14 一3 ）。

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圈14 一1 班椎旋转时以齿状突为级旋轴

在图A 中，显示了在侧位片斑椎绕着枢稚的齿状突做旋转运动时的情况（沿着X 轴观察，取Z 一Y 平面）。由于枢稚的上关节面近似椭圆形，因此．做左右旋转时，裹稚必须向下移动《平移）S 距离。用螺丝刀将一枚螺钉拧入木板时，姗钉将穿人或穿出木板．食椎的旋转运动与其类似。由于横韧带与寰椎的前弓绕着齿状突形成个环圈，因此齿状突的旋转轴位于其中。在图B 中，垂直的Cl 、Q 和已示图表示了相对转角和绝对转角的概念。相对转角位于邻近推体之间．即Cl 一以以及C2 一臼。举· 个绝对转角的例子：Cl 相对c3 转动的度数。衰椎绕着齿状突的旋转就是绕着Y 轴发生的，故称为伪。在图C 中显示了Cl 、C2 和臼之间的屈曲情况。屈曲是绕着X 轴的旋转，称之为叙。衰推在枢椎上的屈由度即为相时转角，Cl 相对口的屈曲度为绝对转角。C1 在巴上可能发生的运动有：定轴转动（士即）、屈伸运动（士饭）和内下方的平移（s ）。因此，沿着笛卡儿坐标系的这些轴可以产生3 种定轴转动和3 种平移运动。女稚相对枢椎可以有3 个自由度，而其他由椎间盘连接的脊推则有6 个自由度
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图14 一2 笛卡儿坐标系中的6 个自由度
，个标准的脊椎可以沿着笛卡几坐标系中的每一条轴（X 一Y 一Z ）做旋转运动．即定轴转动、屈伸和侧屈。也可以在坐标系中沿着任意一条轴做平移运动＜X 一Y 一z ) , 即前后、上下和左右。这就是脊推的6 个自由度。在数学上日常用来表示角度．，用来表示距离。在第二章．右手螺旋法则被用来确定运动的正负方向

图14 一3 旋转和平移的简单复合运动在图A <