运用生物力学浅析胫骨应力性骨折与暴力性骨折

摘要：胫骨骨折是常见现象，多发生在儿童和青壮年身上，多为直接暴力所致，应用材料力学的观点，结合胫骨的结构特点和承受负荷的应力，对胫骨骨折予以力学分析。表明“压缩弯曲负荷”和剪力“突变”是导致胫骨应力性骨折和暴力性骨折的主要原因，为预防胫骨骨折提供了理论依据。
　　关键词：暴力性骨折 应力性骨折 材料力学 预防措施
　　运动性骨折在专业运动员训练及比赛中较为常见，是运动员损伤中较为严重的急性骨折，其危害性较大，影响训练和健康。下肢胫骨骨折是体育教学、训练和比赛中较为常见的一种运动损伤，这种损伤较多发生在以跑跳、足球及冰雪运动为主的运动项目。本文结合有关文献，从生物力学角度对下肢胫骨骨折机理予以初步分析，为预防提供理论依据。  
　　一、骨折形式——应力性骨折与暴力性骨折
　　（一）应力性骨折
　　应力性骨折又称疲劳性骨折，是运动中比较常见的一种运动损伤。这种损伤的特点是运动训练中的疲劳与过度疲劳未得到恢复而产生的，多见于从事中长跑的运动员，其次为短跑、跳跃、球类等项目的集训阶段，初期无明显的症状和体征，仅感觉到局部轻痛（称为骨膜炎），以后逐渐加重，影响功能，若不及时治疗，可发生骨折移位，出现畸形改变。
　　（二）暴力性骨折
　　暴力性骨折可分为直接暴力和间接暴力两种。直接暴力是直接打击碰撞，可造成小腿胫骨的横型、粉碎性或多段骨折，多发于足球中的铲球、蹬踏动作中。间接暴力常见于生活和运动中，造成螺旋型、长斜性骨折，骨骼的扭转负荷，就属于间接暴力。
　　二、材料力学基础及骨的力学特性
　　力是人体产生的动力源泉，是构成人体应力性骨折和暴力性骨折的最基本因素。
　　（一）应力、应变的概念及相关知识
　　应力是指物体在外力作用下，其内部产生一种抵抗这种外力的力，这种力引起材料内部结构的改变，实际上是一种由外力引起的内力，在数值上是单位截面上内力的大小。当物体要承受压缩负荷时其内部产生的应力为“压应力”；受拉伸负荷为“拉应力”。
　　应变是物体在外力的作用下所产生的形变，在数值上是单位长度上的形变量。当物体承受压缩负荷时，表现为“压应变”；承受拉伸负荷时，表现为“拉应变”。材料的变形形式由所施载负荷来决定的，主要分为五种：压缩、拉伸、弯曲、剪切和扭转。
　　从应力→应变曲线可知：在一定范围内，应力与应变的关系是线性的。若继续加压或加载，出现屈服点，继而进入非弹性区，若继续加压或加载，就会出现断裂。此时的应力为“极限应力”或材料的“强度”。强度是用来衡量材料抵抗破坏的能力。刚度是衡量材料抵抗变形的能力。它们是衡量材料力学性能两个重要的力学指标。
　　（二）骨的力学特性
　　骨是由胶原纤维和羟化磷灰石晶体所组成的，前者是一种蛋白质，具有较强的抗拉性，使骨骼表现出一定的强度，具有抵抗破坏的能力，后者是由钙和磷酸盐所组成的一种无机盐，使骨骼呈现出一定强度，具有较高的抗压性能和抵抗变形的能力。人体长骨的中间是骨密质，两端为骨松质，这使整块骨骼的密度分布不均匀，从而表现出明显的“各项异性”的力学特性。因此，骨骼的强度与其所承受载荷的形式有关。骨的破坏性试验结果表明：骨承受压缩负荷的能力最强，承受扭转负荷力量最差。即压缩>拉伸>弯曲>剪切>扭转。
　　三、骨折机理
　　（一）应力性骨折机理
　　胫骨应力性骨折症状多在跑跳项目中发生。胫骨横型疲劳性骨折的发病机制是由于小腿后面肌肉收缩及身体活动中重力与地面的支撑反作用力造成的，但以后者为主。由于胫骨反复承受压缩负荷所引起，属于“压缩性”骨折。利用小腿侧面横型所进行的弹性实验结果表明：于胫骨中上■位内后侧是压缩应力最集中部位，从而进一步证明此类骨折与压缩负荷有关。双侧胫骨应力性骨折发病机制则由于反复超限的越野跑，引起肌肉疲劳，收缩能力减弱，骨腔内压力增大，胫骨应力集中，当骨的吸收大于骨的再生而引起骨折。
　　从生理解剖角度来看，胫骨具有向前稍弯曲的解剖形态学特征。从负荷方面来看，胫骨属于负重骨，承受着身体的重力和地面的支撑反作用力，若长时间大运动量训练，一方面引起肌肉疲劳，收缩力减弱，致使肌肉作用在骨上的应力分布发生改变，同时骨骼本身的疲劳使骨能承受的最大应力低于其强度权限。另一方面，由于胫骨的前曲，使自身的重力与地面的支撑反作用力相对骨的中轴稍有偏离，形成“压缩弯曲负荷”，使胫骨凸侧的拉应力或骨凹侧的压应力超越骨的强度极限，引发骨折。因此，在训练中应遵守循序渐进的原则，尽量减少和避免在较硬的跑道和地面上进行高强度、长时间的训练。
　　（二）暴力性骨折
　　在体育活动中，暴力性骨折的受载方式多见于集中力点负荷和集中力面积负荷。
　　1.集中力点负荷。集中力点负荷的受力剪力在集中力P的作用处（C处）是不连续的，C截面左侧的剪刀值为■，C截面右侧的剪力为-■，剪力在力的作用点C处发生了“突变”。突变的绝对值为+= P，即等于骨伤的集中力。由此可见，在集中力作用两侧剪力发生突变，是造成暴力性骨折的主要原因。
　　2.集中力小面积负荷。在实际训练中，集中力一般作用在胫骨的一小段，即C—D区域。在以C截面右侧为×P，在d截面右侧为-×P，在c-d区域截面剪力不发生突变，而是沿直线e-f逐渐由-×P过渡到×P。直线e-f的斜率表明在集中c-d区域内剪力的梯度。在外力一定的条件下，梯度的大小取决于集中力作用区域的大小，区域大则剪力梯度小，区域小则剪力梯度大，梯度大则容易导致骨折。由此可见，集中小面积负荷引发骨折的因素不仅仅由外力的大小来决定，还与外力的作用区域大小有关。
　　四、胫骨骨折的预防措施
　　（一）选择场地与改善装备，科学安排训练
　　控制训练强度，以利于应力性骨破坏和骨修复的平衡，改善装备以吸收震荡而减少应力损伤。
　　（二）提高训练技巧及应力分布
　　在训 练中不断改变骨的应力集中区，预防应力骨折，降低了胫骨应力骨折的发生率，使胫骨承重时的应力集中区不断变化，减少骨局部的破坏性。
　　（三）训练前的准备
　　做好训练前的准备活动和训练后的放松运动，避免在心理紧张和生理疲劳状态下运动和训练。强调带伤训练和疲劳状态下训练的有害性。此外，应重视运动与训练的医务监督，经常询问受训人员的自我感觉，定期检查应力骨折的好发部位以达到尽早发现早期损伤，及时防范应力骨折的发生。
　　五、结论  
　　胫骨发生应力性骨折，一方面是由于肌肉的疲劳改变肌力在骨上的分布，使骨自身的应力发生改变，骨的疲劳使胫骨能承受的最大应力低于其强度极限；另一方面是由于胫骨实际承受的负荷是“压缩弯曲负荷”，而不是单一的“压缩负荷”。集中力点负荷引发暴力性骨折是由于在用力的作用点两侧剪力发生“突变”。集中小面积负荷引发骨折是由于在力的作用区域剪力的梯度大。
　　参考文献：
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