目录	回到目录	第2章

英文 musculoskeletal system 可直译为“肌骨系统”，本书按人体“以骨为干，附之以肌”的理念，将该系统定名为骨肌系统，将涉及该系统的生物力学定名为骨肌生物力学 (musculoskeletal system biomechanics)，简称骨肌力学。

1.1 人体骨肌系统

人体骨肌系统由骨 (bone)、关节 (joint)、肌肉 (muscle)、肌腱 (tendon) 与韧带 (ligament)、软骨 (cartilage) 等组织共同组成，它们具有不同的组织构造、力学性质和功能。

1.1.1 人体骨骼系统

骨骼系统是骨肌系统的主干。下图为人体的全身骨骼系统，由 206 块骨组成。

按骨所在人体部位归纳为四类，即颅骨、躯干骨、上肢骨和下肢骨。

按骨的几何形态分为四类，即长骨（如肱骨、股骨）、扁骨（如颅骨、肩胛骨）、粒状骨（如髌骨）、不规则骨（如椎骨）。

1. 骨骼的功能

骨骼具有如下四个主要功能：

1. 为人体塑形，为人体组织和器官提供支持和保护，是外力的主要承受者。
2. 与肌肉等组织结合，在大脑与神经系统支配下，行成人体行为运动，产生人体对外界的作用力。
3. 在某些骨骼的红骨髓内生成不同类型的血细胞，是人体内部的造血机构。
4. 是人体钙、磷等矿物质的储存点，在人体缺少这些元素时，骨骼将及时予以释放补充，但长期过多的消耗将导致人体缺钙和磷，引发[骨质疏松]，必须通过外界补充加以恢复。

2. 骨骼的构造

骨骼 (skeleton) 由骨膜 (periosteum)、骨质 (bone tissue) 和骨髓 (bone marrow) 三部分构成。

1. 骨膜。覆盖在骨的表面，内含血管和神经，有骨外膜和骨内膜之分。骨膜具有成骨的功能，对骨的营养、生长和再生有重要作用，是骨疼痛感的感生部位。
2. 骨质。是骨的基本组织，形成骨骼本体，有骨密质和骨松质两种。骨密质形成所有骨骼表层坚硬外壳和长骨的骨干，构成皮质骨。骨松质存在于皮质骨构成的空间中，骨组织长成一根根小梁骨，构成空间网格结构，网孔中充满红骨髓，构成松质骨。皮质骨和松质骨共同组成骨骼既轻又有承载功能的力学构造。
3. 骨髓。分黄骨髓和红骨髓，使人体最大的造血器官。红骨髓分布在松质骨中，造血功能活跃。黄骨髓处于骨髓腔内，仅有少量血细胞保持造血的潜能，当肌体需要时随时可以转变为红骨髓进行造血。

3. 骨组织的构成

皮质骨、松质骨中的小梁骨都由骨组织构成。骨组织由骨细胞、成骨细胞、破骨细胞、骨原细胞等细胞和细胞外骨基质组成。细胞构成骨的生命活性，细胞外骨基质构成骨的结构形态和力学性能。成熟骨组织的基本构造为骨基质组成的骨板和生长在其中的骨细胞。只有骨细胞存在于骨板内或骨板的夹层中，其他三种细胞均位于骨板的边缘。

1. 骨细胞与骨基质

骨细胞是维持成熟骨新陈代谢的主要细胞，胞体较小，呈扁椭圆形，向外伸出许多细长突起，与相邻的骨细胞突起相连，共同存在于细胞外骨基质构成的环境中。骨基质由有机成分和无机成分两部分组成。

2. 成骨细胞

成骨细胞是具有细小突起的细胞，其突起常伸入骨质表层的骨小管内，与表层骨细胞的突起形成连接。

3. 破骨细胞

主要分布在骨组织表面，数量较少。破骨细胞是一种多核大细胞，直径为 100 $\mu m$，含有 2~50 个核。

4. 骨原细胞

骨原细胞又称骨祖细胞，是骨组织中的干细胞，位于骨外膜及骨内膜贴近骨侧。当骨组织生长或改建时，骨原细胞能分裂，分化成骨细胞。

4. 皮质骨与松质骨的构造

1. 皮质骨

皮质骨以长骨为典型。骨干的外层和内层分别是多层骨板组成的外周骨板和内周骨板。

2. 松质骨

松质骨的基本结构单元是针状或片状小梁骨，其可视为是骨皮质的延伸部分，构成多孔网架结构。

1.1.2 关节与骨连接

人体各块骨骼通过连接构成完整的骨骼系统。在解剖学中，把骨与骨之间的连接部位统称关节，它们进一步可分为运动关节、局部活动关节、微动关节与固定关节四类。

1. 运动关节

运动关节的活动度大，通过关节的运动可构成人体某一部位的行为运动。
由两块骨配副组成的运动关节称为单关节，由两块以上骨骼、多个关节副组成的运动关节称为复合关节。人体共有 84 个运动关节副，分布在如下图三个部分中。

2. 局部活动关节

骨与骨之间还形成一些只作小范围活动的关节，它们主要位于人体躯干部位。

脊柱是由脊椎骨相连组成的贯穿背部的骨骼链，包括 7 块颈椎、12 块胸椎、5 块腰椎、5 块骶椎和 4 块尾椎。其中，5 块骶椎和 4 块尾椎通过骨性结合融为一体，之间没有运动，构成骶骨和尾骨。颈椎、胸椎、腰椎是人体躯干活动的主要部分，公有 24 块可活动椎骨，它们之间依靠 23 块椎间盘隔离，每一椎间盘都和上、下两块椎骨表面的软骨层形成关节面，躯干的活动正是由椎间盘的变形和这些关节面的局部运动共同实现。脊柱背部有椎突间小关节，分成左右对称两列，每列包括腰骶骨在内共 24 对，它们在脊柱的活动过程中发生少量滑移，并承担 20%的脊柱载荷。

胸锁关节和肩锁关节是锁骨与胸骨、肩胛骨直接形成的具有小活动能力的关节面，它们在人体肩部上下运动中起到重要作用，同时也是人体上肢运动的综合组成部分。

3. 微动关节与固定关节

12 对肋骨后方与 12 个胸椎连接，前方通过软骨统一连接在一根胸骨上，构成胸廓。在与胸骨连接部位存在着胸肋关节，在与胸椎连接部位存在着肋头关节和横肋突关节，都是一种微动关节，借助它们之间的运动形成胸部的扩张和收缩呼吸运动。

在手腕部有 8 块粒状骨，它们与 5 根掌骨通过韧带连为一体，形成手掌；

足部有 7 块粒状骨，它们与 5 根跖骨通过韧带连为一体，形成脚掌。

除拇指腕掌关节外，这些骨连接体各关节面虽然不能做大运动，但通过骨与骨之间平面关节的微动形成手掌和脚掌的韧性。5 块骶椎和 4 块尾椎则通过固定关节连接成为整体骶骨和尾骨。

1.1.3 肌肉

骨肌系统依靠肌肉的约束力保持稳定，依靠肌肉的驱动力形成行为运动。

1. 肌肉的分类

人体肌肉占人体体重的 40%~45%，分为骨骼肌、平滑肌和心肌三种类型。

骨骼肌在人体中共约 75 对，分布在人体左右，在人的意识控制下驱动骨肌系统运动，或是形成人体对外的作用力，因此又称随意肌。

平滑肌构成人体空腔脏器（如肠、胃、肺等）内壁，能做呼吸、蠕动等缓慢运动，可不受意识控制，称为不随意肌。

心肌构成心脏，是一块伴随人的一生不停舒张和收缩的肌肉。

人体生物力学中关注的骨骼肌。在驱动骨骼运动时，骨骼肌各肌肉可以按协作肌和对抗肌两种状态组合。下图中，上肢的肱二头肌与肱三头肌即为对抗肌组合。肱二头肌收缩使肘关节屈曲，此时肱三头肌松弛；肱三头肌收缩使肘关节伸展，肱二头肌松弛，两者始终保持平衡。

2. 骨骼肌的构成

骨骼肌由肌腹和肌腱组成。肌腹使骨骼肌的主体部分，是肌肉收缩力的动力源。肌腹通过两端的肌腱与骨连接，有些肌腱很短，以至肌肉几乎直接附于骨上。

肌纤维是骨骼肌的基本结构单位，其直径为 10~100 $\mu m$，长度为 1~30 $cm$，它与肌肉的长轴呈平行或以不同的翼角附在肌腱上，形成各种肌肉几何形态。

每根肌纤维都是一个肌肉细胞，具有数百个细胞核、数百乃至数千根沿纵向排列的肌原纤维，以及外层的细胞膜（肌膜），并由肌内膜包裹保护。

1.1.4 肌腱与韧带

肌腱是肌肉与骨的连接要素，韧带是骨与骨之间的连接要素，两者在组织结构上有共同之处。

肌腱与韧带由少量成纤维细胞和细胞外基质组成的结缔组织，基质中含有大量的、平行紧密排列的胶原纤维束，以及少量的弹力蛋白。在四肢的肌腱中，胶原可达 99%干重。

肌腱和韧带与骨的附着区称为附丽部，有直接和间接两种附丽方式。直接方式为由韧带分 4 层过渡至骨，即韧带区、纤维软骨区、钙化纤维软骨区、骨区。间接附丽方式形态比较复杂，韧带与肌腱的表层纤维与骨膜相连，深层纤维直接与骨相连。附丽区将来自肌腱和韧带的拉力分散传递到骨上，降低骨区的应力。

肌腱传递拉力于骨，带动关节运动或保持人体的姿态。韧带主要位于关节周围，关节囊内外。它们或是独立的组织，或是肌腱的延伸，也可能是关节囊的局部增厚部分。韧带维持关节的稳定，引导关节面之间的相对运动，防止关节过度屈伸。肌肉与韧带的协同作用使关节既运动又时刻保持稳定。任何外力或病理性引发的破坏都将引起关节异常运动或周边组织的继发损伤和病变，甚至关节的脱位。

下图为膝关节的韧带结构，膝关节为全身最大最复杂的关节，其韧带的构成和作用亦远较其他关节复杂。其中，前交叉韧带限制胫骨的前移，后交叉韧带限制胫骨的后移；胫、腓侧副韧带具有维持膝关节在额状面平衡的功能。交叉韧带与半月板之间、内外侧半月板相互之间同样也有韧带紧密相连，形成膝关节韧带与关节囊整体系统，共同维持膝关节在三个基准面的运动稳定，既限制其超越生理范围的活动，又引导膝关节依照一定的规律进行运动。韧带的限制作用是协同的，既有韧带组合之间相互协同，又有与肌肉的协同。韧带内部的神经纤维将运动时韧带受到的张力感觉传入大脑，反射性地引起相应肌肉的收缩，以限制膝关节的活动，协同保持关节的稳定，称为韧带肌肉反射。如果肌肉控制失效，关节将只存在韧带的机械性限制作用。

1.1.5 关节软骨

组成活动关节的两个表面通过软骨层相互接触。关节软骨表面光滑，能减少相邻两骨的摩擦，缓冲运动时产生的冲击震动。

1. 软骨的分类

软骨是软骨细胞和细胞外基质组成的结缔组织。根据细胞外基质的不同，软骨分为弹性软骨、纤维软骨和透明软骨。

弹性软骨中有弹性纤维，是会厌、耳郭等部位的软骨组织。

纤维软骨中含有大量粗大、分层排列的胶原纤维，外观粗糙，是膝关节半月板和脊柱椎间盘中纤维环处的软骨组织。

透明软骨是最常见的软骨，因含水量较高呈半透明状，表面光滑。关节表面的软骨即属于透明软骨。由于存在基质分子结构方面的差异，三种软骨具有不同的生物力学特性。

2. 关节软骨的组织结构

人体不同部位关节软骨厚度不一，为 2~7 $mm$。

软骨由软骨细胞和细胞外基质组成。基质中的胶原纤维构成拱形框架，其根部紧附于软骨下骨，使软骨层紧紧与下骨结合。软骨细胞维持关节软骨的正常代谢，软骨内没有血管和神经组织，细胞的代谢作用通过软骨中的滑液实现。

软骨最表层附着有表面活性的磷脂及蛋白脂，由关节滑膜细胞分泌。磷脂在蛋白脂的帮助下易于铺展并牢固吸附在软骨表面上，在关节面发生摩擦时通过自身的水合作用形成水合层，扮演着边界润滑剂的角色。

3. 关节软骨的双相性

关节软骨内部没有血管，其营养成分从关节液中取得，代谢废物也通过关节液排出，这种营养代谢行为必须通过关节运动实现，所以，关节运动对于维持关节软骨的健康结构具有重要的作用。

长期以来，将软骨视为弹性体或黏弹性体进行研究。20 世纪 80 年代，Mow 等将关节软骨视为液体与固体两部分组成的两相多孔材料，提出两相模型理论，从根本上解释软骨中出现的各种现象。

1.1.6 人体骨肌系统

人体骨肌系统是上述各组成要素的有机合成。人体依靠该系统承受外力，实现各种行为运动，对外施力和做功，是人体生物力学的重要研究领域，形成人体骨肌生物力学专门学科。

1.2 人体骨肌生物力学基本概念与科学问题

人体骨肌生物力学是生物力学的一个分支，其源自生物力学，又在人体、骨肌系统这两个限定条件下形成自身的特殊性，具有自身的基本概念和科学问题。

1.2.1 人体骨肌生物力学基本概念

1. 生物力学

生物力学是应用力学的原理和方法研究生物体中力学现象的学科，生物体可以是植物、动物和人。生物力学是力学、动物学、植物学、解剖学、生理学、物理学、应用数学、计算机科学、工程学等学科交叉、融合而产生的新兴边缘学科。

2. 人体生物力学

人体生物力学研究人体中的力学现象，目前主要集中于两大研究方向：人体骨肌系统生物力学，以固体力学为主；人体心血管系统生物力学，以流体力学为主。但在人体骨肌系统生物力学研究中也存在流体力学问题，如研究人体关节软骨中的两相流动，研究人体关节中的弹性流体动力润滑机理。在人体心血管系统生物力学研究中，同样存在固体力学问题，如研究血液脉冲流动时涉及血管的弹性变形和应力。

3. 人体骨肌生物力学

研究人体“骨骼-肌肉-韧带-软骨”组成的力学系统中的各种力学现象，包括宏观的力学现象和细观、微观的力学现象。

宏观力学问题如人体运动学和动力学、骨骼的应力与应变、关节摩擦学等。

细观力学问题包括基于微 CT 建模的松质骨生物力学、基于多相流理论的软骨生物力学。

微观生物力学包括骨组织的细胞生物力学、分子马达与肌肉动力学、微重与失重状态骨组织的重建力学等。

与各专业领域结合的应用研究是该领域又一研究重点，包括与医学结合的骨组织外科生物力学、运动与康复力学、口腔生物力学等，在体育与艺术中的力学机制研究，在工程与军事中的人体工程学研究，在航空、航天科学中的骨肌生物力学研究，在古人类学领域关于人体骨肌系统进化力学研究等。

1.2.2 人体骨肌生物力学研究内容

无论在任何应用领域，人们都希望定性或定量掌握发生在骨肌系统中的力学现象，以此为基础，指导本领域的专业研究。

人体骨肌生物力学主要研究人体中的如下力学问题：

1. 人体姿态与静力学问题

包括人体姿态与骨肌系统相关静力学参数，姿态平衡的力学、控制学机理，姿态保持与体能消耗等。

2. 人体行为与运动学问题

包括人体各部位典型行为运动，相关的运动学参数，如位移、速度、加速度、关节角位移、角速度、角加速度，运动的可视化，运动分析与优化等。

3. 人体运动中的动力学问题

包括各种行为运动中外部作用力、冲击力的测量，足底力的测量，人体各肢段质量、惯性与惯性矩的确定，关节力与关节力矩的计算，肌肉的激活状态与肌肉力计算，行为运动中的功与体能，人体各部位在运动中的协调与平衡等。

4. 骨的受力、损伤与功能重建中的力学问题。

包括骨的应力与应变，骨组织损伤与修复的力学机理，骨吸收、塑型与重建的宏观、细观与微观生物力学机理等。

5. 软组织的受力、损伤与功能重建中的力学问题。

包括韧带与肌腱的物理、生理特性与受力，肌肉力学功能的发生机理，肌肉等软组织损伤的力学机理与后果，软组织重建中的力学问题等。

6. 运动关节受力、损伤与功能重建中的力学问题。

包括关节的力学功能解剖学，各种行为运动中关节内部的接触力、接触应力与相对位移，关节软骨中的摩擦学问题，关节损伤与修复的力学机理等。

7. 骨肌系统的综合力学问题。

包括不同性别、年龄、人种的骨肌系统特点与统计学差异，骨肌系统与人体各系统的功能耦合，人体在体的骨肌组织物理性能测试方法与手段等。

8. 骨肌系统植入物中的力学问题。

包括植入物的强度、刚度及其与人体组织的力学匹配，植入物的固定与微动、松动机理，应力遮挡问题的设计处理，人体环境下植入物材料的力学与摩擦、磨损性能，在体环境下植入物工作状态与摩擦学性能的测试技术等。

9. 基础性研究。

包括应力与骨细胞生长关系，微重与失重状态下骨肌系统的生理学与力学性能变化，肌肉力计算方法的进一步研究与直接测量技术，力学生物学试验理论与方法等。

1.3 人体骨肌生物力学研究方法

仿真计算与试验研究是人体骨肌生物力学两大研究手段。试验研究由于关系到人体，受到多方面因素的约束，难度很高。因此，仿真建模分析成为目前使用最多的研究手段。但所有仿真分析结果都离不开相关参数的试验测试和科学实验的最终考证。

1.3.1 人体骨肌力学仿真建模与计算分析

1. 人体骨肌系统仿真建模

人体骨肌力学仿真研究的基础是建立一个科学的骨肌系统生物力学仿真模型，这种模型按功能和深度可以分为如下几种类型。
1）人体全身或局部骨骼系统模型
2）人体棍棒模型
3）人体骨肌系统生物力学仿真模型

2. 运动学仿真分析

运动学仿真分析的前提是通过运动捕捉系统获得贴附在人体身上标记点的运动轨迹，以其为基本参数开展如下理论分析工作。
1）运动仿真
2）运动学分析

3. 动力学分析

1）关节力与关节力矩计算
2）肌肉力计算

4. 有限元计算分析

有限元分析的目的是计算骨骼或软组织中的应力或应变，为此必须建立有限元分析模型，其有如下三种类型。
1）单块骨有限元计算模型
2）“骨-植入物”系统有限元计算模型
3）“骨-软组织”系统有限元计算模型

1.3.2 人体骨肌生物力学试验研究

通过实验和试验开展人体生物力学研究是一个重要的途径。实验研究的目的通常是验证理论结果的正确性，如有关肌肉力的各种理论计算方法

1. 动物试验

2. 尸体实验或试验

3. 人体无伤害实验或试验

4. 人体微伤害实验或试验

5. 人体有伤害实验或试验

1.3.3 骨肌系统力学生物学试验研究

力学因素影响人体机体、器官、组织、细胞和分子各层次的生物学过程。20 世纪 90 年代以来，该领域的研究以深入到细胞水平，逐渐形成一个新兴的交叉学科——力学生物学。

力学生物学是从分子和细胞层面研究力学环境（刺激）对生物体健康、疾病或损伤的影响，研究生物体的力学信号感受和响应机制，阐明机体的力学生物学过程，如生长、重建、适应性变化和修复等之间的相互关系，从而发展有疗效的或有诊断意义的新技术。

从目前来看，力学生物学的研究内容主要有三部分：力学刺激信号、信号传导通路和细胞受力后的反应。

1. 力学刺激信号

2. 信号传导通道（即细胞对力学刺激的响应机理）

3. 细胞受力后的反应

1.4 中国骨肌力学虚拟人

本书提出“力学虚拟人”概念，它是用于研究人体生物力学的仿真分析模型和相关计算软件，可在计算机虚拟环境中实现仿真结果的可视化。完整的“力学虚拟人”应该是典型人体完整的生物力学仿真模型，包括肌骨系统、心血管系统、呼吸系统、淋巴系统、泌尿系统等力学相关的器官系统，而且应该按典型男性和女性、儿童和老人区分，形成一个模型组群。

1.5 人体骨肌生物力学的应用

人体骨肌生物力学在众多科学技术领域受到广泛应用，这些应用性研究通常成为该领域的重要理论基础，形成专业性很强的生物力学分支。

1.5.1 硬组织外科临床生物力学

1.5.2 硬组织外科植入物生物力学

1.5.3 骨肌康复生物力学

1.5.4 人机工程生物力学

1.5.5 人体冲击损伤生物力学

1.5.6 体育与艺术生物力学

1.5.7 航空与航天生物力学

1.5.8 外骨骼机器人生物力学

1.5.9 古人类与骨肌进化生物力学