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

（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)動性骨折在專業(yè)運(yùn)動員訓(xùn)練及比賽中較為常見，是運(yùn)動員損傷中較為嚴(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)動損傷，這種損傷較多發(fā)生在以跑跳、足球及冰雪運(yùn)動為主的運(yùn)動項目。本文結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)，從生物力學(xué)角度對下肢脛骨骨折機(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)動中比較常見的一種運(yùn)動損傷。這種損傷的特點(diǎn)是運(yùn)動訓(xùn)練中的疲勞與過度疲勞未得到恢復(fù)而產(chǎn)生的，多見于從事中長跑的運(yùn)動員，其次為短跑、跳躍、球類等項目的集訓(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、蹬踏動作中。間接暴力常見于生活和運(yùn)動中，造成螺旋型、長斜性骨折，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

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)值上是單位長度上的形變量。當(dāng)物體承受壓縮負(fù)荷時，表現(xiàn)為“壓應(yīng)變”；承受拉伸負(fù)荷時，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，就會出現(xiàn)斷裂。此時的應(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)行的彈性實驗結(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，若長時間大運(yùn)動量訓(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、長時間的訓(xùn)練。

（二）暴力性骨折

在體育活動中，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)備活動和訓(xùn)練后的放松運(yùn)動，避免在心理緊張和生理疲勞狀態(tài)下運(yùn)動和訓(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。

[1]王小勇.治療股骨干骨折的生物力學(xué)初探.成都體育學(xué)院學(xué)報，1989（3）.

[2]曲綿域.實用運(yùn)動醫(yī)學(xué).人民體育出版社，1982.

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

[4]邵禮武，龔維成.帶鎖髓內(nèi)釘固定治療脛骨骨折[J].實用骨科雜志，2001（7）.

（責(zé)編 金東）