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人体中的“应力”与骨质疏松及应力性骨折

作者：Mary（高穆榕）

编辑：Laurie，子璇

福特纳斯国际小组出品

今天由Mary来为大家介绍人体运动学中应力对肌肉骨骼系统产生的作用。我上中学听物理课的时候，老师讲得最多的就是那位坐在苹果树下被苹果砸中脑袋，不仅没被砸傻还成为影响世界发展进程的伟大科学家——牛顿。因为几乎所有物理题或多或少都关系到牛顿，实际也是如此，机械运动的三大定律和万有引力定律组成的牛顿力学体系囊括了地球上乃至外太空一切宏观物体的运动规律，包括我们要研究的人体中产生的运动与力。复习一下中学物理知识点，首先：力是矢量，既有大小又有方向；其次，要知道牛顿三定律和胡克定律；最后，我们要能够区分什么是内力，什么是外力。

前面的铺垫结束了，那么我们进入今天的正题，什么是应力？

很多人对应力这个词听起来熟悉，但是具体解释起来会有些困难。物理学中应力的定义是，单位面积所承受的作用力。采用国际单位制，应力的单位是帕斯卡（Pa），等于1牛顿／平方米。应力的单位与压强的单位相同，两种物理量都是单位面积的作用力为度量。应力是在系统内部产生的力，通常是因为外部作用于系统内部（不仅是外力，温度，湿度等因素也会改变物体形态），而自身又不能发生位移，系统内部发生形变同时产生一个大小相等，相反方向的反作用力来维持系统本身的状态，我们把一个单位面积所承受的附加内力称为应力。它与结构的强度、刚度、稳定性密切相关。施力方向同截面垂直称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。

另外引入几个概念——

1.应变：物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度称应变。

2.弹性：应力作用后，可恢复到原来的形状的性质。

3.塑性：应力作用后，不能恢复到原来的形状，发生永久变形的性质。

对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材料来说，应力可能达到的这个限度，称为该种材料的极限应力。我们的人体也是一种材料，当某个组织的拉伸程度超过生理学范围，即人体的极限应力，在这一点上，增加的应变只能导致很小程度的应力增加。

被过分拉伸或压缩的组织的物理性状被称为可塑性。被过分拉伸的组织经历了可塑变形，这时，人体组织已经发生了细微的功能丧失，且该组织将长期保持变形状态。如下图所示，这个区域之下的曲线部分（浅蓝色表示）代表塑性变形能量。这与弹性变形能量不同，在使组织变形的力消失后，塑性变形能量不可恢复。当继续拉伸，组织最终会达到功能丧失点，造成组织损害。大多数健康的肌腱拉伸长度超过8%或13%时，生理功能会丧失。

骨质疏松

一方面，在运动过程中，外力（如重力和摩擦力）作用下，软组织和肌肉会产生应力。另一方面，肌肉收缩产生的骨骼应力也是决定骨骼强度的最重要因素，作用大于其他非机械因素(如激素、维生素、钙的补充等)。由此看来，骨骼的健康，更多的需要靠肌肉-骨骼的收缩运动去维护，有一定负重的力量锻炼就是很好的一种方式。运动中会不停地刺激骨组织，骨小梁结构会排列得比较合理，这样骨质疏松症就不容易发生。

因此我们可以利用以下运动的方法来预防骨质疏松：

全身大肌肉群的力量训练：

可以增强上下肢和脊柱的力量和骨骼的强度。中、青年人可以去健身房进行器械的力量训练，老年人可以在家使用哑铃、弹力带小器械锻炼，甚至可以无需器械，利用自身体重进行力量锻炼。

负重的有氧运动：

包括步行、跳绳、跳舞、爬楼梯以及园艺劳动等。这类运动可以锻炼下肢及脊柱下部的骨骼。游泳等水中有氧运动同样有益于身体健康，适合患有严重骨质疏松的患者及骨折恢复期的患者。

柔韧性训练：

它能增加关节活动度，有助于身体平衡并防止肌肉损伤，同时有助于保持体型。伸展运动应该在肌肉充分活动后缓慢、温和地进行。

应力性骨折

大家都应该听说过应力性骨折，这种骨折是由于过度使用造成的。当肌肉过度使用疲劳后，不能及时吸收反复碰撞所产生的震动，将应力传导至骨骼，引起小的骨裂或骨折，这就是应力性骨折。

人的骨骼与材料学上的玻璃丝类似，当超过应力限度，玻璃丝会折断，骨骼也是一样。非正常状态或者重复性的压力导致骨的应力达到极限，就会发生不完全骨折。骨骼本身有一定的适应能力，即自我修复与重建能力，通过时间的累积，骨能够不断地进行着生长、加强和内吸收，我们可以理解为骨的重建，但是长期、反复的损伤，再厉害的姚明也扛不住，得不到修复的损伤累积到一定程度，就会出现应力性骨折。

另外，肌肉疲劳在这一过程中也起了推波助澜的作用。骨骼和肌肉是人体运动时的“减震器”。可当肌肉疲劳时，会停止吸收运动所带来的冲击，让骨骼独自承受运动产生的冲击力，增加了骨折的风险。一些久不运动的人突然剧烈运动时也会发生应力性骨折，就是因为他们肌肉的耐受力根本适应不了突然而来的超强度运动，很快就会疲劳，就只剩骨骼默默承受超强度运动带来的冲击，也就容易发生应力性骨折。

在对人体足跖骨的断裂损伤病例的临床观察中，人们发现除了暴力致伤外,有相当一部分是非暴力所致。即使是正常足在长期平地行走中，也会发生所谓应力性骨折。分析其病理原因，除了退行性病变以外，行走中的足跖骨的受力和应力状态是一个重要因素。传统医学观点认为人体在平地行走时的足底受力为3点支撑状态(第一，第五跖骨和跟骨)。因此，负重的位置也是产生应力最大的位置，最容易产生应力性骨折。

应力性骨折的术后康复

尽早进行系统合理的功能锻炼，不仅能维持机体正常的生理功能水平、加快骨折愈合、防止毗邻末受伤关节的功能障碍，更重要的是可以防止因肌肉粘连、关节僵硬及肌肉萎缩所引起的受伤关节的永久的功能障碍，最大限度地恢复患者的肢体功能，预防肢体废用性萎缩及关节挛缩。

1关节活动度训练：

早期关节活动度训练以被动活动为主，并遵循循序渐进的原则，有条件可使用持续被动活动机（CPM）进行功能锻炼。术后3天可开始逐步加强的主动关节活动训练。康复训练要逐步加大并维持关节的最大活动度，切忌小范围快节奏活动。

2肌力训练：

人体上下肢的功能各有侧重，上肢侧重于精细动作，这些功能的恢复是功能锻炼的重点。锻炼时要注意手指屈伸都要达到最大限度，以防止手部关节僵硬粘连。下肢的主要功能是负重，但在下肢骨折愈合前如果过度负重会造成固定物松动、折断，所以下肢骨折的康复一定要遵循“早活动、晚负重”的原则。股四头肌是大腿前侧的一块重要肌肉，伤后和术后如果长时间不活动很容易萎缩，而且一旦萎缩很难恢复，直接影响功能康复结果，所以下肢应力性骨折的患者应及早开始股四头肌训练。

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