1、第二章 假肢矫形器生物力学基础,,补充知识：人体运动生物力学,-2009年全国假肢矫形器制作师执业资格理论课,1、力学基础知识 2、骨杠杆 3、关节,力的基本概念,定义：一个物体对另一个物体的作用， 物体间力的作用是相互的。力的单位：牛顿，N 人体运动生物力学中的力主要是：人体与地面、器械、流体的相互作用。力的效应：力使物体的运动状态和形状发生改变的作用。内效应（形状发生改变）和外效应（运动状态改变）力的效应的描述：牛顿第一定律、第二定律和胡克定律为基础。,力学基础知识,力的三要素：大小、方向、作用点内力：在一个系统内部相互作用的力。 人体内部各部分相互作用的力，如肌肉力、组织粘滞力、韧带张力
2、、关节约束反作用力等称为人体内力。外力：外界作用于人体的力称为人体外力。 人体所受主要外力：重力、弹力、摩擦力、支撑反作用力、介质作用力等，矫形器的压力、扭力等。内力与外力的关系： 内力与外力的概念是相对的。确定某个力是外力或者是内力，取决于选取的研究对象。研究对象不同，同一个力既看作是内力也可看作是外力。,重力：物体本身受地球吸引而产生的力，方向指向地心。重力与质量不同：质量是物体所含物质的多少，是物体惯性的量度，标量，重力是物体产生重力加速度的原因，矢量。重心：重力的作用点是物体的重心。人体重心：人体各部分所受地球引力的矢量合成，使人体产生重力加速度的力。,几种常见力,骨杠杆定义：在肌肉拉
3、力作用下，骨骼能够围绕关节轴转动，并克服阻力做功，其功能与杠杆相同，称作骨杠杆。骨杠杆具有三个点：动力作用点、阻力作用点和支点。支点：是关节的瞬时中心；动力臂：是肌肉作用线到支点的垂直距离。阻力臂：是阻力作用线到支点的垂直距离。,骨杠杆原理杠杆原理：即杠杆平衡条件，作用在同一物体的两个力矩，大小相等，方向相反。 动力动力臂=阻力阻力臂代数式： F1*L1= F2*L2杠杆平衡条件反映：动力臂是阻力臂的几倍，动力就是阻力的几分之一。,关节定义关节：是骨与骨之间的可动连接；基本功能：传递力和保证身体各部分间灵活运动；特点：灵活性和稳定性；稳定性和灵活性：是关节功能同时存在的两个方面，关节灵活性以便
4、人体运动时适应各种运动，稳定性保证人体运动中维持动态平衡，处于合理的工作状态，免于损伤。,关节的分类,下肢运动的关节主要包括：髋关节、膝关节、踝关节；髋关节：是球关节，其股骨头和髋臼具有朝各个方向活动的能力；膝关节：属于多轴关节；踝关节的运动：包括跖屈、背屈、外旋、内旋； 肘关节：运动主要包括两种是屈曲和伸展。,概述,正常步态,异常步态,矫形器的生物力学,正常步态属于假肢的生物力学内容。1、对于下肢截肢者来说，安装假肢的目的，最主要的是代偿其步行功能，尽可能的像健康人那样，以正确的方式自由的行走和稳定站立。2、对于下肢假肢技术的种种研究和新产品的开发，也可以说都是以提高假肢的步行功能为目的的。
5、 因此，作为实现上述目的的基本点，必须首先了解人体正常步态的特征及其与假肢异常步态之间的联系。,为什么要学习正常步态分析？,步态分析的目的,1使假肢尽可能的像健康人的肢体那样，以正确的方式自由的行走和稳定站立,,自然步态的要点,(1) 合理的步长、步宽、步频。,(2) 上身姿势稳定。,(3) 最佳能量消耗。,概述,正常步态：人体在行走时的姿态，是步行运动状态的统称。 行走时并不需要思考，然而步行的控制十分复杂，正常步态有赖于中枢神经系统、周围神经系统以及骨骼肌肉系统的协调工作：1、中枢命令：皮层、脊髓、步行中枢2、身体平衡和协调控制3、足、踝、膝、髋、躯干、颈、肩、臂的肌肉和关节协同运动。任何
6、环节的失调都可能影响步态，而某些异常也有可能被代偿或掩盖。,,正常步态特征,稳定性以最小的能量消耗来取得最大的身体重心稳定周期性和节律性两侧下肢交替摆动，重复相同过程。方向性使躯干沿着一定的方向移动。协调性全身各关节、肌肉的参与，大脑对这些组织的控制个体差异后天经学习而获得，并随年龄、性别、职业的不同而有所差异,正常步态参数,步宽（stride width）：两侧足中心线之间的距离，正常大约510cm步幅长(step length)_：一侧足跟迈步后到对侧足跟之间的距离，正常大约5080cm跨步长(stride length)：一侧足跟到同侧足跟迈步后的距离，为步幅长的两倍，正常大约10016
7、0cm步角/足角（foot angle）:足的长轴和中心线之间的夹角,正常步态参数,重心移动行走时，身体重心随着骨盆的向前移动而上下移动大约5cm，侧方移动约5cm,骨盆旋转当摆动腿向前迈步时，骨盆向前及向对侧发生一定的旋转，正常约4,正常步态参数,步频（cadence）每分数迈出的步数步频步数/60（步/分）正常：95125步/min步速步行速度单位时间内行走的距离（正常成年人1.5米/秒）让测试对象以平常的速度步行10米的距离，测量所需的时间计算：步速（米秒）距离所需时间,正常步态,一、步行周期（gait cycle）,步行周期指行走过程中一侧足跟着地至该侧足跟再次着地时所经过的时间。 分
8、为：,1、支撑相（stancephase60）：又称站立相，为足底与地面接触的时期。 2、摆动相（swingphase40）：又称迈步相，指脚趾离地到脚后跟着地的时期。即：支持腿离开地面想起摆动的阶段。,,踵，即：脚后跟,一个步行周期,步态周期,3项功能（task）承受体重单腿站立向前迈步,站立相分期,首次着地足放平（负荷反应期，预负荷）站立中期足跟离地（站立相末期）足趾离地（迈步相前期）,首次着地（0%）,步行周期和站立相的起始点，指足跟或足底的其它部位第一次接触地面的瞬间。,足放平（010%GC）,整个足底着地的瞬间。即首次着地至支撑腿于站立相过程中膝关节达到最大屈曲角度的时期。,站立中期
9、 （1040%GC）,从对侧下肢离地到躯干位于支撑腿正上方。,足跟离地（4050%GC）,站立相中期过后，支撑腿足跟离地的瞬间。,足趾离地（5060%GC）,支撑腿足趾离地的瞬间，标志着站立相结束和迈步相开始。,迈步相分期,初期中期末期,迈步相初期（6070%GC）,从支撑腿离地到该腿膝关节达到最大屈曲时。,迈步相中期（7085%GC）,指下肢向前摆动的动作过程中，从膝关节最大屈曲摆动到小腿与地面垂直的时期。,迈步相末期（85100%GC）,从与地面垂直的小腿向前摆动到该侧足跟再次着地之前。此时小腿减速向前摆动。,我们为什么这样走路,站立时的生物力学,地面反应力从脚中间的地面开始延伸，穿过踝和
10、膝关节的前面及髋关节的后面髋关节的后伸力矩被髂股韧带抵抗膝关节的前伸力矩被膝后的关节囊和韧带相抵抗,站立时的生物力学,踝关节的背屈力矩被踝跖屈肌力矩相对抗安静时需不停活动的下肢肌肉是踝跖屈肌,双脚站立时，足底力的分布,步行是平滑、毫不费力的移动,正常人群，步行速度80米/分的正常舒适步行，能量消耗为基础代谢的4倍通过最大程度地减少行走过程中身体重心(COM)的位移而达到步行中，中心沿一条正弦曲线上下、左右移动，在单腿支撑期达到最高点、双腿支撑期达到最低点。,一、 正常步行周期的基本组成,（一） 双支撑期和单支撑期,,双支撑期：一侧足跟着地至对侧足趾离地前双腿与地面接触的时期。 每一个步行周期中
11、，有两个双支撑相，即负荷反应期和站立末期。,步态分析（Gait Analysis）,步态分析,定义利用力学概念和已掌握的人体解剖、生理学知识对人体行走功能状态进行客观的定性或定量分析内容描述步态模式和步态参数认识和描述步态的差异分析出现差异的原因，研究产生异常步态的机理确定步态异常者需要何种治疗或助行器,步态分析目的,总的目的分析肢体功能制定治疗方案评价步态训练效果评定假肢或支具的可行性对穿戴假肢或支具前后的步态进行评定，评定其作用程度作出必要的调整,步态分析对象,有步行障碍的病人神经系统中枢性和周围性神经损伤中风、头部外伤、脑性瘫痪、脑肿瘤、脊髓损伤、脊髓炎、尺、桡、胫、腓神经损伤等运动器官
12、骨骼、关节、韧带、肌肉、肌腱等障碍各种脊椎疾病、关节疾病、肌营养不良、截肢等神经系统和运动系统接合部障碍重症肌无力等,步态分析目的,步态分析系统评定肢体伤残的程度根据步态分析系统提供的信息对行走功能和致残的机制进行深入研究从生物力学的角度提供针对性的治疗方案,步态分析方法,临床分析观察法（observational gait analysis）测量法（measurement）步态分析实验室（gait laboratory）步态分析仪（dynamic analysis）,超声波步态分析系统,足底传感器步态分析系统,红外发射标志点步态分析系统,观察步态：定性,注意身体的某一节段或某一关节通过检查表
13、或简要描述的方式记录步态周期中存在的问题按习惯的行走方式来回步行从不同方向(正、背、侧面)观察全身姿势下肢各关节的活动各步态参数上肢摆动,观察步态：定性,让病人作变速行走慢速、快速、随意放松步行，分别观察有无异常在步行中，可以让病人停下，转身行走上下楼梯或斜坡、绕过障碍物坐下和站起，原地踏步或原地站立，闭眼站立用助行器行走的病人只要有可能，分别使用或不使用助行器行走,观察步态：定量,测定时间参数病人在规定距离的道路上行走，用秒表计时，实测行走距离不少于10米，两端应至少再加23米以便受试者起步加速和减速停下测定距离参数（足印法）用滑石粉或墨水使病人行走时能在规定走道上或地面铺的白纸上留下足印测
14、试距离至少6米，每侧足不少于3个连续足印，以便分析左右两侧各项数值,实验室步态分析,应用计算机技术获得病人在行走时关节运动的精确信息，同时可以获得行走时激发的肌肉活动和肌力参数。,足受力分析,左足,右足,1 2 3 4 5 6 Color Dark Gray Light Gray Cyan Yellow Magenta Red 黑色浅灰色 蓝绿色 黄色 品红色 红色,Pressure Level 1= lowest 6= highest,临床应用：足托,步态分析系统,体表肌电图,摄像机,测力板（台）,标记物（球）,步态实验室,58,步态分析系统,临床常见异常步态,肌痉挛步态肌无力步态关节强直步
15、态蹒跚步态慌张步态,肌痉挛步态:偏瘫步态,原因患足下垂内翻下肢外旋或内旋膝不能屈曲表现摆动腿向前迈步时患腿常经外侧回旋向前，故又称回旋步或划圈步上肢常出现屈曲内收，停止摆动,肌痉挛步态：截瘫步态,又称交叉步或剪刀步原因下肢内收肌痉挛表现步行时双侧髋内收双膝互相摩擦步态不稳也可见于脑瘫病人,肌无力步态：臀大肌无力,原因伸髋肌群无力表现行走时躯干用力后仰重力线通过髋关节后方以维持被动伸髋，并控制躯干的惯性向前形成仰胸凸肚的姿态,蹒跚步态小脑共济失调，步行摇晃不稳，不能走直线，状如醉汉，又称酩酊步慌张步态帕金森病或基底节病变时，步态短而快，并出现阵发性加速，不能随意停止或转向，上肢摆动缩小或停止，称
16、慌张步态或前冲步态,帕金森病,矫形器生物力学原理：三点力系统,任何一个矫形器都由一个或者几个三点力系统共同参与作用三点力系统提供一个额外的矫形力矩，以改善功能为目的举例：AFO矫形的三点力分别位于足底的前部，足背部位，小腿肚的后面,矫形器的生物力学原理,三点矫正原理：通过三点受力原理对畸形进行矫正固定原理：通过对躯干或肢体的包容限制其活动免荷原理：减轻肢体某节段骨骼或者关节的轴向负重补偿原理： 通过矫形器或外部装置对缩短的下肢进行高度补偿，达到双下肢等长。在一件矫形器中，往往有一个或几个原理同时作用,课程小结,1、步态人体在行走时的姿态；是通过髋、膝、踝、足趾的一系列连续活动，使身体沿着一定方
17、向移动的过程2、步态周期从足跟着地到同侧足跟再次着地所经历的时间，分为站立相和摆动相；功能为承受体重、单肢站立及向前迈步3、正常步态特征稳定性、周期性和节律性、方向性、协调性、个体差异,课程小结,4、步态分析目的 使假肢尽可能的像健康人的肢体那样，以正确的方式自由的行走和稳定站立；提高假肢的步行功能；比较不同种类的辅助具（假肢、矫形器）对步态的影响。 5、临床步态分析方法观察法测量法步态分析系统（步态实验室）,71,课程小结,6、临床常见异常步态的原因及表现肌痉挛肌无力蹒跚步态慌张步态,7、矫形器的生物力学原理：三点矫正原理,复习思考,学习正常步态的目的？描述正常步态的参数有哪些？一个正常步态周期是指？包括哪几个相？分析步态的方法有哪些？常见的异常步态有哪些？矫形器的的生物力学原理是？,THANK YOU!,
