有限元分析-运动对骨的力学性能的影响
运动对骨的力学性能的影响
1、适宜应力原则
骨骼对体育运动的生物力学适应性本质上是骨骼系统对机械力信号（应力）的应变。有利的运动负荷及强度导致的骨应变会诱导骨量增加和骨的结构改善；应变过大则造成骨组织微损伤和出现疲劳性骨折，应变过小或出现废用则导致骨质流失过快。因此对骨存在一个最佳的合适应力范围。
(1) 研究揭示，力学信号激活骨细胞网络通路而成骨。尤其在达到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形态结构。在分子水平上，借助对力学易感基因的调控，调节细胞与基质局部力学生物学通路，经基因转录、翻译与翻译后修饰—力学转导信号网络，诱导成骨细胞的分化和成骨。
(2)力学信号（人体从出生后骨骼所受的外力）可概括为内源性肌肉收缩力与外源性反作用力。这些力对骨生长发育的调控主要通过调节软骨内生长与骨化、关节软骨的发育以及软骨周缘、骨膜的骨化和软骨内成骨。
(3)儿童少年时期的骨新陈代谢旺盛。这个时期进行合理的体育锻炼，更能促进骨的生长。相反，锻炼不足或长时间的错误姿势会使骨朝不正常的方向发展。而且研究表明，骨骼废用使骨密度下降和骨结构受损的速度远比体育锻炼对骨的有益影响快得多，而且恢复时间长且困难。
(4)骨对运动（特定环境下力的变化）的功能适应性的表现除了外部形态之外，还有截面形状、材料沿各方向的分布规律、内部结构等。（例如硬气功）
2、体育锻炼对骨的力学性能的良好影响：
（1）体育运动可促进儿童少年峰值骨量的增加，使成年人骨骼的骨量增加或保持骨量，降低老年人骨量的丢失速度。
（2）长期坚持体育锻炼，使骨的血液循环得到改善，使骨密质部分增厚，骨变粗，骨面肌肉附着处突起明显。
（3）骨小梁的排列根据拉应力和压应力的方向排列更加整齐密集。使骨的坚固性增强，抗弯曲、抗压缩和抗扭转载荷的能力均有提高。
◆注意：当体育锻炼停止后，骨所获得的变化就会慢慢消失。因此，体育锻炼应经常化，锻炼的项目要多样化。专项训练与全面训练相结合。
（4)不同运动项目对骨的力学性能具有不同的影响
不同运动项目对骨的力学性能的影响表现在对人体不同部位骨的影响不同和不同运动形式对同一块骨的力学性质的影响不同。
例如①经常从事下肢活动的跑、跳项目的运动员，对下肢骨影响较大，对上肢骨影响较小。而经常练习举重的运动员，对上肢和下肢的影响都较大。
②负重和冲击性体育运动项目（如跑、跳、投、田径项目、网球和垒球等球类项目）均有助于增加峰值骨量。
③网球运动员击球臂骨的结构与密度的改善与提高，跳远运动员踏跳脚的第二跖骨直径增大；拳击运动员桡骨骨密质部分明显增厚等。
◆关于应力对成人骨和生长发育中骨的影响：外加机械力改变骨结构中的应力。而应力通常与骨组织之间存在着一种生理平衡。
①对成人骨而言，骨组织的量与应力值成正比。②对生长发育中的骨，应力增加（外伤和过度训练)会引起骺软骨过早愈合，骨化提前。
（二）骨的运动损伤：
1、骨折的断裂形式及载荷方式
如果作用于骨骼上的载荷超过骨所能承受的强度极限，就会引起骨折。实际情况中的骨折绝大部分是由复合载荷引起的。
（1)拉伸载荷引起的骨折常见于跟骨。第五跖骨基底靠近腓骨短肌附着处的骨折以及跟腱靠近附着处的跟骨骨折都是由于拉力产生的骨折。
(2)压缩载荷引起的骨折常见于椎体。有时由于肌肉异常强烈的收缩，也可产生关节内压缩型骨折。
（3）弯曲载荷常见的是侧力弯曲载荷（纯弯曲载荷造成的骨折不多见），如三点弯曲。从侧面和后面对小腿胖骨击打极易造成这种骨折。因此，足球比赛规则严禁从侧面和后面铲击小腿。
（4)剪切载荷引起的骨折常见于跟骨、股骨跟与胫骨平台的剪切破坏，变形后产生相对位置变动。
（5）纯扭转载荷引起的骨折比较少见，一般是和其他的载荷形式组合在一起而引起的。如投掷标枪。
2、疲劳骨折（骨疲劳）
（1）骨疲劳的概念：反复作用的循环载荷超过某一生理限度时会使骨组织受到损伤，称为骨疲劳。
周期性超强度运动训练可能导致骨微细结构的破坏。这些骨的微损伤随时间不断累积（常见于军事野营训练军人和长跑运动员），如得不到改建修复可导致骨强度下降，甚至发生疲劳性骨折。
（2）骨疲劳的特征：
①疲劳性骨折或永久性弯曲。
②周期性载荷引起的骨折，开始于应力集中点，形成蚌壳式裂纹。
③重复载荷的骨疲劳，引起的骨折往往是低载荷的情况。
④疲劳寿命随载荷增加而减小，随温度升高而减小，随密度的增加而增加。
⑤骨的疲劳极限为3.45KN/cm2。
疲劳骨折是一种在运动中常见的低应力性骨折。例如行军骨折。当骨受低重复载荷作用时，常可观察到疲劳细微骨折。疲劳骨折的产生不仅与载荷的大小和循环次数有关，而且还与载荷的频率有关。因为骨具有一定的修复重建功能（功能适应性），所以只有当疲劳断裂过程超过骨重建过程时疲劳骨折才会发生。
◆肌肉疲劳是下肢骨疲劳的一个原因（如图）。
一般，持续性的运动或活动先是引起肌肉疲劳。当肌肉疲劳后，肌肉收缩力降低，从而改变了骨的应力分布，使高载荷出现，随着循环次数的增加，可导致疲劳骨折。骨折既可能出现在受拉侧，也可能出现在受压侧，或者两侧都出现。拉力侧骨折产生横向裂缝，且很快扩展为完全骨折；压力侧骨折发生比较缓慢，骨重建过程不太容易被疲劳过程超过，而且可能不扩展为完全骨折。肌肉收缩能克服一部分作用于骨骼上的应力，起到保护骨骼的作用。
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