第二章-臨床康復(fù)工程學(xué)基礎(chǔ)

第二章臨床康復(fù)工程學(xué)基礎(chǔ)姓名：王超單位：西安中醫(yī)腦病醫(yī)院第一節(jié)生物力學(xué)第二節(jié)人機工程學(xué)掌握肌骨系統(tǒng)的生物力學(xué)掌握人體運動的生物力學(xué)掌握與假肢矯形器設(shè)計有關(guān)的生物力學(xué)人-機界面、環(huán)境控制技術(shù)基本力學(xué)概念；與坐姿系統(tǒng)及設(shè)計有關(guān)的生物力學(xué)掌握：熟悉：了解：第一節(jié)生物力學(xué)第一節(jié)生物力學(xué)（一）力

定義物體間的相互作用，這種作用使物體的運動狀態(tài)發(fā)生變化或使物體產(chǎn)生形變。要素大小、方向、作用點。外力力的外部效應(yīng)是使物體產(chǎn)生運動或平衡，稱為外力或載荷，包括體積力和面力內(nèi)力力的內(nèi)部效應(yīng)是使物體產(chǎn)生變形，甚至使物體發(fā)生破壞，稱為內(nèi)力一、基本力學(xué)概念第一節(jié)生物力學(xué)（二）力矩、力偶、力偶矩

力矩=力*力臂力偶：非共線的、大小相等、方向相反的兩個力力偶矩：（=F1·d或F2·d）dF1F2第一節(jié)生物力學(xué)（三）材料力學(xué)相關(guān)概念

1.應(yīng)力（stress）單位面積上的負(fù)載，表示結(jié)構(gòu)內(nèi)某一平面對外部負(fù)荷的反應(yīng)，用單位面積上的力表示。應(yīng)力的大小用下述公式表示：應(yīng)力＝作用力/材料單位面積應(yīng)力的國際單位為N/m2

1N/m2=1Pa（帕斯卡）2.應(yīng)變(strain)

對于構(gòu)件任一點的變形，只有線變形和角變形兩種基本變形，分別由線應(yīng)變和角應(yīng)變來度量（1）線應(yīng)變即單位長度上的變形量，無量綱，其物理意義是構(gòu)件上一點沿某一方向變形量的大?。?）角應(yīng)變即一單元體兩棱角直角的改變量，無量綱第一節(jié)生物力學(xué)3.彈性模量

描述物質(zhì)彈性的物理量，材料在彈性變形階段，應(yīng)力和應(yīng)變的比值。彈性模量分為線彈性模量、剪切模量和體積模量。

第一節(jié)生物力學(xué)4.強度(strength)

外力作用下，保持自身的連續(xù)性和完整性，不發(fā)生中斷的能力。5.剛度(stiffness)

外力作用下，保持固有形狀和尺寸不發(fā)生改變的能力。構(gòu)件應(yīng)有足夠的抵抗變形的能力構(gòu)件應(yīng)有足夠的抵抗破壞的能力第一節(jié)生物力學(xué)6.穩(wěn)定性構(gòu)件應(yīng)有足夠的保持原有平衡形態(tài)的能力假肢、矯形器、骨固定器都需要有足夠的強度達(dá)到穩(wěn)定性7.承載能力指構(gòu)件在受到外力作用時不會發(fā)生破壞，要求構(gòu)件滿足一定的強度、剛度和穩(wěn)定性第一節(jié)生物力學(xué)8.應(yīng)力集中(stressconcentration)

受力構(gòu)件由于幾何形狀、外形尺寸發(fā)生突變而引起局部范圍內(nèi)應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象圖[a]示帶圓孔的板條，使其承受軸向拉伸。在圓孔附近的局部區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力急劇增大，而在離開這一區(qū)域稍遠(yuǎn)處，應(yīng)力迅速減小而趨于均勻（圖[b]）

第一節(jié)生物力學(xué)9.彈性變形材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，材料變形消失并能完全恢復(fù)原來形狀10.彈性極限應(yīng)力超過了一個特定的值，當(dāng)卸載時，樣本不能完全恢復(fù)它的大小和形狀11.塑性變形當(dāng)材料在超過彈性極限卸載后加載，將有一個永久變形第一節(jié)生物力學(xué)12.蠕變應(yīng)力保持一定，物體應(yīng)變隨時間增加而增大時間t應(yīng)變ε第一節(jié)生物力學(xué)13.應(yīng)力松弛應(yīng)變保持一定，應(yīng)力將隨時間增加而下降時間t應(yīng)力σ第一節(jié)生物力學(xué)骨是杠桿關(guān)節(jié)是樞紐肌肉是動力三者在神經(jīng)系統(tǒng)的支配和調(diào)節(jié)下，協(xié)同一致，共同準(zhǔn)確地完成各種動作。二、肌骨系統(tǒng)生物學(xué)第一節(jié)生物力學(xué)（一）骨生物力學(xué)

1.骨的生物力學(xué)特性了解骨材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可以區(qū)分骨的力學(xué)特征AB"C"

BC彈性范圍塑性范圍應(yīng)變應(yīng)力C′B′骨密質(zhì)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第一節(jié)生物力學(xué)2.骨的受力形式與特點拉伸(tension)：拉伸載荷是自骨的表面向外施加大小相等而方向相反的載荷特征：伸長同時變細(xì)臨床常見的拉伸載荷所致的骨折多見于骨松質(zhì)第一節(jié)生物力學(xué)壓縮(compression)：壓縮載荷為加于骨表面向內(nèi)施加的大小相等而方向相反的載荷。特征：縮短同時變粗。作用于髕骨的壓力可軟化和破壞髕骨下的軟骨，從而導(dǎo)致髕骨疼痛。第一節(jié)生物力學(xué)彎曲(bending)：垂直于軸線的橫向力或大小相等、方向相反、作用與包含軸線的縱向平面內(nèi)的一對力偶，使其沿軸線發(fā)生彎曲的載荷。特征：一側(cè)受到壓縮應(yīng)力，另一側(cè)受到拉伸應(yīng)力第一節(jié)生物力學(xué)剪切(shearing)：骨組織受大小相等、方向相反、垂直于軸線的很近的兩個相互平行的力引起的特征：發(fā)生相對錯動的載荷剪切骨折通常見于骨松質(zhì)例如：拳擊運動，運動員胸部或腰部由于受水平暴力沖撞，產(chǎn)生剪切應(yīng)力而致骨折第一節(jié)生物力學(xué)扭轉(zhuǎn)（torsion）：受大小相等、方向相反、作用面都垂直于桿軸的兩個力偶引起第一節(jié)生物力學(xué)復(fù)合載荷：兩種或兩種以上的載荷組合在活體，骨很少只受到一種負(fù)載形式的作用

(二)肌肉生物力學(xué)1.肌肉結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型第一節(jié)生物力學(xué)肌肉收縮元：代表肌節(jié)中的肌動蛋白微絲及肌球蛋白微絲。興奮時可產(chǎn)生張力，稱主動張力并聯(lián)彈性元：代表肌束膜及肌纖維膜等結(jié)締組織。當(dāng)被牽拉時產(chǎn)生彈力，稱被動張力串連彈性元：代表肌微絲、橫橋及閏盤的固有彈性。當(dāng)收縮元興奮后，使肌肉具有彈性向心收縮

肌力克服肢體重量，（即：肌力大于外部力。）引起關(guān)節(jié)運動。肌長度縮短；由肌肉所產(chǎn)生的肌力矩與關(guān)節(jié)角度是同一個方向離心收縮

如果有一個力作用到一塊受刺激的肌上，并且這個力大于這塊肌所能產(chǎn)生的最大力時，即：當(dāng)一塊肌肉不能產(chǎn)生足夠的拉力克服外部載荷，它將給拉長。那么，這塊肌肉事實上被拉長，這就是所謂的離心作用。目的：減小關(guān)節(jié)的運動第一節(jié)生物力學(xué)

2.肌肉收縮的類型等長收縮

肌作用產(chǎn)生力時其長度不變，此時肌肉力等于外部力肌肉能量不消失完全轉(zhuǎn)變?yōu)樽枇?。肌力隨著整個運動范圍內(nèi)力臂的變化而變化以上三種形式是肌肉的動力性運動：肌肉移動關(guān)節(jié)或控制關(guān)節(jié)的運動第一節(jié)生物力學(xué)3.肌肉結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性第一節(jié)生物力學(xué)(1)肌肉力—長度關(guān)系

肌肉收縮時的總張力是由收縮元產(chǎn)生的主動張力、并聯(lián)彈性元產(chǎn)生的被動張力疊加而成。(2)力—速度關(guān)系

描述肌肉最佳長度時力與肌肉收縮速度之間的關(guān)系(3)力—時間關(guān)系肌肉產(chǎn)生的力或張力與收縮時間成正比:收縮時間越長，力越強，直到達(dá)到最大張力。(4)影響因素預(yù)拉伸的影響溫度第一節(jié)生物力學(xué)(三)關(guān)節(jié)生物力學(xué)

1.關(guān)節(jié)運動的類型屈伸運動：環(huán)繞額狀軸（橫軸）在矢狀面內(nèi)收、外展運動：環(huán)繞矢狀軸在額狀面旋轉(zhuǎn)（旋內(nèi)、旋外）運動：環(huán)繞垂直軸（縱軸）在水平面第一節(jié)生物力學(xué)2.關(guān)節(jié)運動的自由度一個關(guān)節(jié)在兩維或三維空間中可能具有的運動數(shù)目二維空間，一個關(guān)節(jié)有三個自由度三維空間，一個自由關(guān)節(jié)有6個自由度普遍關(guān)節(jié)，有兩個自由度例如：髖關(guān)節(jié)可在三個方向上轉(zhuǎn)動：屈-伸，內(nèi)收-外展和內(nèi)旋-外旋第一節(jié)生物力學(xué)3.人體運動鏈(1)環(huán)節(jié)(segmentorlink)一個環(huán)節(jié)：相鄰二個關(guān)節(jié)中心之間的肢體部分，如大腿、小腿、上臂、前臂等遠(yuǎn)側(cè)最后環(huán)節(jié)定義為末端效應(yīng)器或末端環(huán)節(jié)，如頭、手、足等第一節(jié)生物力學(xué)(2)運動副(kinematicpairs)二個環(huán)節(jié)通過一個關(guān)節(jié)連接起來就組成了一個運動副在機械原理中，根據(jù)兩構(gòu)件連接面的形狀把運動副分成低副和高副以點或線接觸組成的運動副叫高副，在人體中，關(guān)節(jié)面形狀中沒有以點或線接觸的情況，因此，人體中沒有高副第一節(jié)生物力學(xué)(3)運動鏈(kinematicchain)三個或三個以上環(huán)節(jié)通過關(guān)節(jié)相連，組成運動鏈運動鏈?zhǔn)茄芯咳梭w運動的基礎(chǔ)一個運動副聯(lián)接到一個外部環(huán)境上稱為二環(huán)節(jié)運動鏈第一節(jié)生物力學(xué)(4)關(guān)節(jié)的活動度和穩(wěn)定性穩(wěn)定性大的關(guān)節(jié)，活動度?。荷现P(guān)節(jié)有較大活動度，下肢關(guān)節(jié)與脊柱有較大穩(wěn)定性影響關(guān)節(jié)活動度和穩(wěn)定性構(gòu)成關(guān)節(jié)兩個關(guān)節(jié)面的弧度之差關(guān)節(jié)囊的厚薄與松緊度關(guān)節(jié)韌帶的強弱與多少關(guān)節(jié)周圍肌群的強弱與伸展性骨骼和韌帶對關(guān)節(jié)的靜態(tài)穩(wěn)定起主要作用，而動態(tài)穩(wěn)定則主要由肌肉來承擔(dān)。第一節(jié)生物力學(xué)(5)關(guān)節(jié)運動力學(xué)分析關(guān)節(jié)所受到的力及其運動情況很多因素可導(dǎo)致關(guān)節(jié)疾病的形成，如關(guān)節(jié)畸形、超生理載荷以及環(huán)境影響。作為分析關(guān)節(jié)力學(xué)特性、疾病成因、治療和預(yù)防手段的關(guān)節(jié)生物力學(xué)，可為骨科醫(yī)療器械、假肢矯形器和人工關(guān)節(jié)設(shè)計等提供理論依據(jù)第一節(jié)生物力學(xué)（一）人體站立狀態(tài)的力學(xué)分析

人體姿勢、重力和力線影響著假肢或矯形器的正確功能三、人體運動的生物力學(xué)分析第一節(jié)生物力學(xué)1.姿勢姿勢是身體環(huán)節(jié)在空間的相對排列靜態(tài)的姿勢、動態(tài)的姿勢動態(tài)的姿勢指身體或環(huán)節(jié)移動時的姿勢在任何一種姿勢下，為了保持直立姿勢，身體必須抵抗重力或作用在其上的其它力的影響第一節(jié)生物力學(xué)2.重心重力的作用點由于身體姿勢的變化，重心位置也隨之變化直立人體的平衡和穩(wěn)定，取決于重心的位置及其與支撐面之間的關(guān)系第一節(jié)生物力學(xué)3.重力作用線簡稱力線，總是垂直指向地心重力作用線通過關(guān)節(jié)軸，重力的影響為壓力或拉力重力作用線通過關(guān)節(jié)軸時產(chǎn)生的線性力A．拉力B.壓力AB第一節(jié)生物力學(xué)重力作用線不通過關(guān)節(jié)軸，力矩產(chǎn)生，力矩的大小與關(guān)節(jié)軸到重心作用線的垂直距離成比例C重心的力矩A比B小，F(xiàn)R是轉(zhuǎn)動的分力，F(xiàn)L線性或平動的分力C表示最大力矩，重力都是轉(zhuǎn)動分力，沒有線性分力第一節(jié)生物力學(xué)身體直立和屈膝時的力線比較。直立時在髖、膝、踝的力臂比屈膝時小，隨著力臂的增加，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)屈曲程度增加，踝關(guān)節(jié)跖屈程度增加膝關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)屈膝姿勢下重力作用線和重力矩MA：表示力臂第一節(jié)生物力學(xué)（二）人體運動狀態(tài)的力學(xué)分析

1.人體運動分析常用的基本參數(shù)

(1)人體慣性參數(shù)：主要有人體各分體的質(zhì)量mi，各分體的質(zhì)心位置ci，各分體繞三個軸的轉(zhuǎn)動慣量（總稱為人體慣性張量）Jix、Jiy、Jiz

(2)動力學(xué)參數(shù)：主要包括外力、外力矩及人體各分體間的內(nèi)力與內(nèi)力矩

(3)運動學(xué)參數(shù)：主要包括人體各分體運動的位移、速度、加速度及角位移、角速度、角加速度、身體姿位和關(guān)節(jié)角度等第一節(jié)生物力學(xué)2.正常功能下的運動及作用力步態(tài)（gait）：指行走時的人體姿態(tài)步態(tài)受到人體解剖結(jié)構(gòu)、生理功能、運動控制能力及心理狀態(tài)等多種因素的影響對行走功能的測量、分析和評價方法稱為步態(tài)分析第一節(jié)生物力學(xué)1）步態(tài)周期（gaitcycle)行走過程中，從一側(cè)腳跟著地開始到該腳跟再次著地構(gòu)成一個步態(tài)周期（1）步態(tài)分析中的一些基本概念第一節(jié)生物力學(xué)首次觸地承重反應(yīng)站立中期站立末期邁步前期邁步初期邁步中期邁步末期第一節(jié)生物力學(xué)2）步長與跨步長行走時左右足跟（或趾尖）間的縱間距離稱為步長（steplength)同側(cè)足跟（或趾尖）兩次著地間的距離稱為跨步長（stridelength)，又稱步幅一個跨步長等于兩個步長第一節(jié)生物力學(xué)3）步態(tài)分析參數(shù)運動學(xué)參數(shù)動力學(xué)參數(shù)肌電活動參數(shù)能量參數(shù)第一節(jié)生物力學(xué)（2）行走時的受力站立：豎直向下的重力、地面通過雙足產(chǎn)生一個向上的力行走：豎直方向上的作用力、水平前后方向的作用力、水平左右方向的作用力外力系統(tǒng)：重力本身以及身體某些環(huán)節(jié)加速產(chǎn)生的外力組成的系統(tǒng)內(nèi)力系統(tǒng)：正常情況下，身體組織內(nèi)產(chǎn)生的作用力系統(tǒng)第一節(jié)生物力學(xué)3.內(nèi)力系統(tǒng)異常時的運動及作用力身體組織不能作為內(nèi)力系統(tǒng)起抵抗或控制的正常作用，將出現(xiàn)異常步態(tài)常見異常步態(tài)帕金森步態(tài)偏癱步態(tài)剪刀步態(tài)痙攣性截癱步態(tài)小腦共濟(jì)失調(diào)步態(tài)短腿步態(tài)臀大肌步態(tài)（髖伸肌步態(tài)）臀中肌步態(tài)股四頭肌步態(tài)跨越或垂足步態(tài)減痛步態(tài)四、與假肢矯形器設(shè)計有關(guān)的生物力學(xué)1.與假肢設(shè)計有關(guān)的生物力學(xué)

(1)上肢假肢設(shè)計的生物力學(xué)原理必須根據(jù)人體上肢解剖學(xué)的構(gòu)造和各部分的配合關(guān)系，通過對線來調(diào)整和確定假手、腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和接受腔之間的位置和角度關(guān)系，使之既符合人體的自然肢位，又便于假手在日常生活和工作中發(fā)揮操物的代償功能。第一節(jié)生物力學(xué)(2)與下肢假肢設(shè)計有關(guān)的生物力學(xué)地面反作用力：GRF重心：設(shè)計下肢假肢時要考慮重心的影響第一節(jié)生物力學(xué)2、與矯形器設(shè)計有關(guān)的生物力學(xué)人體關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動運動與穩(wěn)定人體關(guān)節(jié)的平移骨與關(guān)節(jié)的軸向力地面反作用力皮膚表面壓力的均勻分布第一節(jié)生物力學(xué)人體關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動運動與穩(wěn)定

三點力控制系統(tǒng)

第一節(jié)生物力學(xué)人體關(guān)節(jié)的平移

四點力系統(tǒng)矯形器第一節(jié)生物力學(xué)有制動膝關(guān)節(jié)的下肢矯形器冠狀面小腿假肢的力線A.將足置于接受腔的內(nèi)側(cè)B.將足置于接受腔的外側(cè)AB

第一節(jié)生物力學(xué)ABC矢狀面小腿假肢的力線A.正常力線；B.足置于遠(yuǎn)離接受腔的后部；C.足置于遠(yuǎn)離接受腔的前部第一節(jié)生物力學(xué)五、坐姿系統(tǒng)與坐墊有關(guān)的生物力學(xué)坐姿下的力坐姿與坐姿下的運動皮膚表面壓力的均勻分布第一節(jié)生物力學(xué)坐姿下的力重力：保持和重力作用點重合，必要時添加輔具支撐。壓強：增加受力面積分壓，避免應(yīng)力集中產(chǎn)生壓瘡。摩擦力：摩擦力越大身體運動越困難，克服阻力越大，同時還會加重壓瘡的產(chǎn)生，適當(dāng)?shù)哪Σ亮θ梭w穩(wěn)定的坐姿系統(tǒng)具有一定的幫助。第一節(jié)生物力學(xué)坐姿下的運動保持人體重心位于支撐底座正上方，這樣有利于維持平衡，并且重心越低，穩(wěn)定性越好，同時底座越大，身體的平穩(wěn)運動范圍越大坐位，重心越低，出現(xiàn)更多的支撐點第一節(jié)生物力學(xué)皮膚表面壓力的均勻分布盡量加大坐墊對肢體局部皮膚的加壓面積，并使壓力均勻分布，避免壓力過分集中，造成皮膚損傷坐墊的壓力部位，特別是骨的凸起部位，應(yīng)當(dāng)精密地進(jìn)行模塑，使用硅凝膠墊、塑料海綿墊等，使皮膚表面的壓力分布盡量均勻第一節(jié)生物力學(xué)第二節(jié)人機工程學(xué)一、人機界面是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分是指輔助技術(shù)裝置中與人進(jìn)行信息交互作用的界面第二節(jié)人機工程學(xué)（一）人-機交互的原理與方法人與機之間均存在一個相互作用的“面”人與機之間的信息交流和控制活動都發(fā)生在此“面”上人通過界面，控制輔助技術(shù)裝置，形成人→機信息的傳遞輔助技術(shù)裝置的各種顯示又“作用”于人，實現(xiàn)機→人傳遞人通過視覺和聽覺等感官接收來自機器的信息，經(jīng)過腦的加工和決策，然后做出反應(yīng)，再次實現(xiàn)人-機之間的信息傳遞第二節(jié)人機工程學(xué)（二）人-機界面的分析與設(shè)計人-機交互系統(tǒng)設(shè)計，界面設(shè)計很重要，關(guān)系到系統(tǒng)的功能人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷淖?地面接觸，影響著下肢關(guān)節(jié)的保健輪椅上的坐墊對保證使用者血液流通和避免褥瘡起著重要的作用訓(xùn)練器械與人體接觸部分不僅要考慮接觸壓力分布合理，還要考慮其對人體隨意動作的適應(yīng)性假肢接受腔與殘端的接觸界面直接影響殘端軟組織的壓力分布，不僅影響到使用者的舒適感，而且不合理的分布會造成二次