（甘肅省張掖市甘州區(qū)甘浚鎮(zhèn)中心學(xué)校734019）

運(yùn)用生物力學(xué)淺析脛骨應(yīng)力性骨折與暴力性骨折機(jī)理

張學(xué)軍（甘肅省張掖市甘州區(qū)甘浚鎮(zhèn)中心學(xué)校734019）

脛骨骨折是常見現(xiàn)象，多發(fā)生在兒童和青壯年身上，多為直接暴力所致，應(yīng)用材料力學(xué)的觀點(diǎn)，結(jié)合脛骨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和承受負(fù)荷的應(yīng)力，對(duì)脛骨骨折予以力學(xué)分析。表明“壓縮彎曲負(fù)荷”和剪力“突變”是導(dǎo)致脛骨應(yīng)力性骨折和暴力性骨折的主要原因，為預(yù)防脛骨骨折提供了理論依據(jù)。

暴力性骨折應(yīng)力性骨折材料力學(xué)預(yù)防措施

運(yùn)動(dòng)性骨折在專業(yè)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練及比賽中較為常見，是運(yùn)動(dòng)員損傷中較為嚴(yán)重的急性骨折，其危害性較大，影響訓(xùn)練和健康。下肢脛骨骨折是體育教學(xué)、訓(xùn)練和比賽中較為常見的一種運(yùn)動(dòng)損傷，這種損傷較多發(fā)生在以跑跳、足球及冰雪運(yùn)動(dòng)為主的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。本文結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)，從生物力學(xué)角度對(duì)下肢脛骨骨折機(jī)理予以初步分析，為預(yù)防提供理論依據(jù)。

一、骨折形式——應(yīng)力性骨折與暴力性骨折

（一）應(yīng)力性骨折

應(yīng)力性骨折又稱疲勞性骨折，是運(yùn)動(dòng)中比較常見的一種運(yùn)動(dòng)損傷。這種損傷的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的疲勞與過度疲勞未得到恢復(fù)而產(chǎn)生的，多見于從事中長(zhǎng)跑的運(yùn)動(dòng)員，其次為短跑、跳躍、球類等項(xiàng)目的集訓(xùn)階段，初期無明顯的癥狀和體征，僅感覺到局部輕痛（稱為骨膜炎），以后逐漸加重，影響功能，若不及時(shí)治療，可發(fā)生骨折移位，出現(xiàn)畸形改變。

（二）暴力性骨折

暴力性骨折可分為直接暴力和間接暴力兩種。直接暴力是直接打擊碰撞，可造成小腿脛骨的橫型、粉碎性或多段骨折，多發(fā)于足球中的鏟球、蹬踏動(dòng)作中。間接暴力常見于生活和運(yùn)動(dòng)中，造成螺旋型、長(zhǎng)斜性骨折，骨骼的扭轉(zhuǎn)負(fù)荷，就屬于間接暴力。

二、材料力學(xué)基礎(chǔ)及骨的力學(xué)特性

力是人體產(chǎn)生的動(dòng)力源泉，是構(gòu)成人體應(yīng)力性骨折和暴力性骨折的最基本因素。

（一）應(yīng)力、應(yīng)變的概念及相關(guān)知識(shí)

應(yīng)力是指物體在外力作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生一種抵抗這種外力的力，這種力引起材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，實(shí)際上是一種由外力引起的內(nèi)力，在數(shù)值上是單位截面上內(nèi)力的大小。當(dāng)物體要承受壓縮負(fù)荷時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力為“壓應(yīng)力”；受拉伸負(fù)荷為“拉應(yīng)力”。

應(yīng)變是物體在外力的作用下所產(chǎn)生的形變，在數(shù)值上是單位長(zhǎng)度上的形變量。當(dāng)物體承受壓縮負(fù)荷時(shí)，表現(xiàn)為“壓應(yīng)變”；承受拉伸負(fù)荷時(shí)，表現(xiàn)為“拉應(yīng)變”。材料的變形形式由所施載負(fù)荷來決定的，主要分為五種：壓縮、拉伸、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)。

從應(yīng)力→應(yīng)變曲線可知：在一定范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系是線性的。若繼續(xù)加壓或加載，出現(xiàn)屈服點(diǎn)，繼而進(jìn)入非彈性區(qū)，若繼續(xù)加壓或加載，就會(huì)出現(xiàn)斷裂。此時(shí)的應(yīng)力為“極限應(yīng)力”或材料的“強(qiáng)度”。強(qiáng)度是用來衡量材料抵抗破壞的能力。剛度是衡量材料抵抗變形的能力。它們是衡量材料力學(xué)性能兩個(gè)重要的力學(xué)指標(biāo)。

（二）骨的力學(xué)特性

骨是由膠原纖維和羥化磷灰石晶體所組成的，前者是一種蛋白質(zhì)，具有較強(qiáng)的抗拉性，使骨骼表現(xiàn)出一定的強(qiáng)度，具有抵抗破壞的能力，后者是由鈣和磷酸鹽所組成的一種無機(jī)鹽，使骨骼呈現(xiàn)出一定強(qiáng)度，具有較高的抗壓性能和抵抗變形的能力。人體長(zhǎng)骨的中間是骨密質(zhì)，兩端為骨松質(zhì)，這使整塊骨骼的密度分布不均勻，從而表現(xiàn)出明顯的“各項(xiàng)異性”的力學(xué)特性。因此，骨骼的強(qiáng)度與其所承受載荷的形式有關(guān)。骨的破壞性試驗(yàn)結(jié)果表明：骨承受壓縮負(fù)荷的能力最強(qiáng)，承受扭轉(zhuǎn)負(fù)荷力量最差。即壓縮＞拉伸＞彎曲＞剪切＞扭轉(zhuǎn)。

三、骨折機(jī)理

（一）應(yīng)力性骨折機(jī)理

脛骨應(yīng)力性骨折癥狀多在跑跳項(xiàng)目中發(fā)生。脛骨橫型疲勞性骨折的發(fā)病機(jī)制是由于小腿后面肌肉收縮及身體活動(dòng)中重力與地面的支撐反作用力造成的，但以后者為主。由于脛骨反復(fù)承受壓縮負(fù)荷所引起，屬于“壓縮性”骨折。利用小腿側(cè)面橫型所進(jìn)行的彈性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：于脛骨中上位內(nèi)后側(cè)是壓縮應(yīng)力最集中部位，從而進(jìn)一步證明此類骨折與壓縮負(fù)荷有關(guān)。雙側(cè)脛骨應(yīng)力性骨折發(fā)病機(jī)制則由于反復(fù)超限的越野跑，引起肌肉疲勞，收縮能力減弱，骨腔內(nèi)壓力增大，脛骨應(yīng)力集中，當(dāng)骨的吸收大于骨的再生而引起骨折。

從生理解剖角度來看，脛骨具有向前稍彎曲的解剖形態(tài)學(xué)特征。從負(fù)荷方面來看，脛骨屬于負(fù)重骨，承受著身體的重力和地面的支撐反作用力，若長(zhǎng)時(shí)間大運(yùn)動(dòng)量訓(xùn)練，一方面引起肌肉疲勞，收縮力減弱，致使肌肉作用在骨上的應(yīng)力分布發(fā)生改變，同時(shí)骨骼本身的疲勞使骨能承受的最大應(yīng)力低于其強(qiáng)度權(quán)限。另一方面，由于脛骨的前曲，使自身的重力與地面的支撐反作用力相對(duì)骨的中軸稍有偏離，形成“壓縮彎曲負(fù)荷”，使脛骨凸側(cè)的拉應(yīng)力或骨凹側(cè)的壓應(yīng)力超越骨的強(qiáng)度極限，引發(fā)骨折。因此，在訓(xùn)練中應(yīng)遵守循序漸進(jìn)的原則，盡量減少和避免在較硬的跑道和地面上進(jìn)行高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練。

（二）暴力性骨折

在體育活動(dòng)中，暴力性骨折的受載方式多見于集中力點(diǎn)負(fù)荷和集中力面積負(fù)荷。

1.集中力點(diǎn)負(fù)荷。集中力點(diǎn)負(fù)荷的受力剪力在集中力P的作用處（C處）是不連續(xù)的，C截面左側(cè)的剪刀值為截面右側(cè)的剪力為，剪力在力的作用點(diǎn)C處發(fā)生了“突變”。突變的絕對(duì)值為即等于骨傷的集中力。由此可見，在集中力作用兩側(cè)剪力發(fā)生突變，是造成暴力性骨折的主要原因。

2.集中力小面積負(fù)荷。在實(shí)際訓(xùn)練中，集中力一般作用在脛骨的一小段，即C—D區(qū)域。在以C截面右側(cè)為，在d截面右側(cè)為在c－d區(qū)域截面剪力不發(fā)生突變，而是沿直線e－f逐漸由－過渡到直線e－f的斜率表明在集中c－d區(qū)域內(nèi)剪力的梯度。在外力一定的條件下，梯度的大小取決于集中力作用區(qū)域的大小，區(qū)域大則剪力梯度小，區(qū)域小則剪力梯度大，梯度大則容易導(dǎo)致骨折。由此可見，集中小面積負(fù)荷引發(fā)骨折的因素不僅僅由外力的大小來決定，還與外力的作用區(qū)域大小有關(guān)。

四、脛骨骨折的預(yù)防措施

（一）選擇場(chǎng)地與改善裝備，科學(xué)安排訓(xùn)練

控制訓(xùn)練強(qiáng)度，以利于應(yīng)力性骨破壞和骨修復(fù)的平衡，改善裝備以吸收震蕩而減少應(yīng)力損傷。

（二）提高訓(xùn)練技巧及應(yīng)力分布

在訓(xùn)練中不斷改變骨的應(yīng)力集中區(qū)，預(yù)防應(yīng)力骨折，降低了脛骨應(yīng)力骨折的發(fā)生率，使脛骨承重時(shí)的應(yīng)力集中區(qū)不斷變化，減少骨局部的破壞性。

（三）訓(xùn)練前的準(zhǔn)備

做好訓(xùn)練前的準(zhǔn)備活動(dòng)和訓(xùn)練后的放松運(yùn)動(dòng)，避免在心理緊張和生理疲勞狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)和訓(xùn)練。強(qiáng)調(diào)帶傷訓(xùn)練和疲勞狀態(tài)下訓(xùn)練的有害性。此外，應(yīng)重視運(yùn)動(dòng)與訓(xùn)練的醫(yī)務(wù)監(jiān)督，經(jīng)常詢問受訓(xùn)人員的自我感覺，定期檢查應(yīng)力骨折的好發(fā)部位以達(dá)到盡早發(fā)現(xiàn)早期損傷，及時(shí)防范應(yīng)力骨折的發(fā)生。

五、結(jié)論

脛骨發(fā)生應(yīng)力性骨折，一方面是由于肌肉的疲勞改變肌力在骨上的分布，使骨自身的應(yīng)力發(fā)生改變，骨的疲勞使脛骨能承受的最大應(yīng)力低于其強(qiáng)度極限；另一方面是由于脛骨實(shí)際承受的負(fù)荷是“壓縮彎曲負(fù)荷”，而不是單一的“壓縮負(fù)荷”。集中力點(diǎn)負(fù)荷引發(fā)暴力性骨折是由于在用力的作用點(diǎn)兩側(cè)剪力發(fā)生“突變”。集中小面積負(fù)荷引發(fā)骨折是由于在力的作用區(qū)域剪力的梯度大。

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[3]姜春巖.AO/ASIF原則與方法的變遷.創(chuàng)傷骨科學(xué)報(bào)[J]，1996（25).

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（責(zé)編 金東）