游泳运动中肩关节受力分析 郭智慧 1 张志财 2 清华大学工程物理系, 北京 100084 摘要本文主要分析四种泳姿中肱骨近端及与其直接相关的关节和肌肉的受力, 主要研究游泳过程中 :(1) 肱骨受的外力 内力 失效分析 ;(2) 附在肱骨上的肌肉的受力及损伤分析 ;(3) 与肱骨直接相关的盂肱关节的受力分析 关节脱落分析 关键词 游泳, 肱骨, 肩部肌肉, 盂肱关节 1 引言 对于游泳运动中非常常见的肩关节损伤问题, 现有的文献大多数阐述如何在运动治疗与预防, 而详细的对肩关节重要部位的受力分析则比较少见 由于肩关节对于游泳运动的极其重要的特殊地位, 研究其受力不仅有利于更好地指导如何预防肩关节损伤, 更有可能对如何充分合理利用肩关节附近肌肉的力量更好地发挥游泳水平起到一定的指导作用 本文利用的简单的刚体静力学和弹性力学知识, 结合肩关节部位的解剖学结构, 加上一定的简化, 计算给出了肩关节损伤起决定性作用的爬泳手臂向后划水这一动作过程中肩关节的各个部位的受力情况, 进而给出极限情况下肱骨头的失效分析 关节和肌肉的损伤分析以及关节的脱落分析等 2 肩关节的生物力学模型 2.1 肱骨头及相关关节 肌肉的生物模型选取与力学模型简化 肩关节的核心是肱骨 锁骨和肩胛骨, 连接这三者的关节以及相关肌肉决定了肩关节的活动范围及运动和受力特征, 这也是本文讨论的基础 [1] 图 1 是肩关节的三块主要骨头及四个主要关节的示意图, 四个关节包括连接肱骨 肩胛骨的盂肱关节, 连接肩胛骨的肩峰和锁骨的肩峰的肩锁关节, 连接锁骨和胸骨的胸锁关节, 连接肩胛骨和胸骨的肩胸关节 由于本文的主要研究的是肱骨的受力, 因而主要关心的是与肱骨直接相关的球窝状的盂肱关节, 该关节可抽象为球形铰支座, 对肱骨施加约束力 肱骨头所受的约束除了来自盂肱关节外, 另外一类非常重要的约束就是来自附着在骨头上的肌肉的约束, 图 2 是连接肱骨头与除手臂以外的其他相邻骨头的主要肌肉示意图 在进行肌肉力计算时, 肌肉一般可作为柔索处理, 对肱骨头施加约束力 1 学号 2011011628, 工物 11,gstxy12321@sina.com( 邮箱 ),18810673526( 手机号 ) 2 学号 2011011624, 工物 11,zhangzc11@163.com( 邮箱 ),18811713963( 手机号 )
图 1. 肩关节的三块主要骨头及四个主要关节 图 2. 肱骨附近的主要肌肉 ( 图中画出的皆为右臂 ) 2.2 坐标系的选取
由于研究对象肱骨受力比较复杂, 仅是图 2 列出的主要肌肉就有 10 块, 而手臂在水中划水时又受到较为复杂的水施加的分布力作用, 须借助计算机进行模拟才能较为方便地得出结果, 为此必须选定一个统一的坐标系, 并给出不同游泳动作下的肱骨头的形状和位置参数 各肌肉的肌肉力的作用点和作用线的坐标值 给人体上肢建立坐标系的比较常见的做法是建立绝对坐标系, 即以头顶作为坐标原点 [2] ; 但由于本文研究的对象只有肱骨头及其附近的关节和肌肉, 因而选取局部坐标系较为方便 : 如图 3 图 3. 肱骨局部坐标系 ( 右臂后视图 ) 所示为右臂上半部分的后视图, 以肱骨头顶端的中心作为坐标原点, 沿肱骨轴线作为 x 轴, 上臂在自然下垂状态下内旋和外展所围绕的轴作为 z 轴, 上臂在自然下垂状态下伸直和屈曲所围绕的轴作为 y 轴 2.3 模型的进一步简化以及待研究动作下各形状位置参数的确定 为了简化计算, 将手臂抽象为圆柱型直杆, 由于本文只研究肩关节, 上下臂之间的以何种连接方式传力对肩关节的受力并没有影响, 因为无论下臂以何种方式将力传给上臂, 下臂的平衡是绝对的, 上臂受到的下臂的作用力的总的效果是不随连接方式的改变而变化的, 为了简化计算, 本文中将上下臂之间的连接看成是钢架之间的固定式连接 手掌则抽象为一块薄板, 且手掌与下臂之间也为固定式连接 上下臂的长度 直径以及手掌的尺寸参阅参考文献 3 给出 如图 4 所示为抽象后的手臂 手掌图 ( 单位 :mm, 图中的角度 10 为任意假设值 ) 四种泳姿中最容易损伤肩关节的是爬泳, 分析一个爬泳划水周期过程可以发现, 在手臂向后划水的过程中, 不仅手臂收到来自水的向前的很大的阻力, 而且手臂本身又有接近 90 的内旋 ( 通过 solidworks 画三维图旋转时可发现这一规律 ), 这时候主要为伸直提供拉力的背阔肌 大圆肌 三角肌以及负责内旋的肩胛下肌产生很大拉力, 同时由于大角度的内旋负责为外展提供力偶矩的冈下肌和小圆肌被拉紧 根据参考文献 3 提供的数据, 可绘出在爬泳向后划水瞬间肱骨头受到的来自盂肱关节 背阔肌 大圆肌 三角肌以及其他提供力偶矩的肌群的约束力的方向, 这些约束力的大小还有待于外载即水的阻力的分布来求解确定 图中, F, F 分别为三角肌 背阔肌 + 大圆肌施加的约束力 ; F, F, F 分别为盂肱关节对肱骨 A B Rx Ry Rz 头施加的约束力在 x,y,z 轴上的投影 ; M 为除三角肌 背阔肌 大圆肌以外的其他肌肉对肱 x 骨头的约束力的总和 等效为一个力偶矩, 之所以可以这样等效是因为对比图 4 和图 5 可知图 5 中的肱骨头相比图 4 中的肱骨头几乎围绕 x 轴内旋了 90, 因而其他一些主要缠绕在肱骨头顶部的圆周上的肌群对肱骨头的约束效果可看作一个阻碍肱骨头内旋的一个力偶矩
图 4. 手臂模型及尺寸参数图 图 5. 爬泳手臂向后划水时肱骨头所受约束力的作用点和方向
3 水对手臂的作用力建模 为简化计算, 对游泳时手臂的受力建模过程做如下讨论 : 3.1 运动状态与受力模型假设为简化计算, 假设图 5 状态下 (x 轴与竖直面夹角 45 ) 人体匀速游进 ( 因此也可近似假设 x 轴与竖直面夹角 0 时人加速游进,90 时减速游进等 ); 人在水中会受到很多种力, 其中值得注意的有人自身的重力, 水对人的浮力, 体表摩擦 阻力, 外形姿态阻力, 波浪阻力, 水对人的反作用力 1) 由于人体密度与水相近, 因而可同时忽略重力和水的浮力的作用 ; 2) 考虑匀速直线运动时, 对于 z 方向的力予以忽略 ; 3) 忽略流体层之间的粘滞阻力 ; 4) 根据平衡条件, 人体受到的水的阻力应当等于由于手臂的划水手对水的向后的推进 力 ( 不考虑腿的打水的作用, 此外再假设任意时刻只有一只手在划水, 另一只手在空 中 ), 参考文献 4 给出了爬泳时人体受到的水的阻力的测量值, 本文取其测量结果的 平均值约 70N, 根据水平方向平衡知手臂受到水的反向推进力的总和为 70N 99N cos 45 3.2 载荷分布假设 1) 考虑手臂上各点的载荷分布情况, 由于手对水的推进力等于被手推向后方的水对手 的反作用力, 而由动量定理知这个水对手臂的作用力正比于排开水的质量和水的速 度的乘积 ; 2) 沿手臂上各点排开水的质量可假设为正比于图 5 中手臂在 xz 平面内的截面的面积 ; 3) 对于排开水的速度, 假设手臂以图 5 中的坐标原点做转动, 则手臂上各点处排开水 的速度可假设正比于该点与原点 O 的距离, 由于图中上臂 下臂 手掌三者的轴线 近似在一条直线 ( 即图中 x 轴 ) 上, 因此可简化为某点排开水的速度正比与该点到原点 的 路线 长 l( 路线长 l 的计算方法为该点对应的横截面上的形心沿着上臂 下臂 手 掌三者的轴线到达原点所走过的路程长 ) 4) 假定载荷方向沿 y 轴正方向 ; 5) 由于载荷处处相互平行且均垂直于上臂 下臂 手掌三者的轴线且关于轴线对称, 因而面载荷可简化为作用在轴线上的线载荷 ; 3.3 载荷分布图 : 根据以上假设, 可计算出轴线上各点的载荷分布为 ( 式中 l 的定义由 6 给出, 单位为 mm): 受力载荷图如图 6 所示 : -4 q 2.5810 l,0 l 554, 单位 [N/ mm] (1) 5.16 10-4 l,554 l 733
图 6. 手臂受到的来自水的载荷图 4 肱骨头内力分析 4.1 力系的简化及约束力的求出以坐标原点为简化中心, 将手臂受到的载荷 约束力向简化中心简化, 代入力系的平衡 方程 ( F 为载荷 ): P 0 F F F F F x Rx Ax Bx Px 0 F F F F F y Ry Ay By Py 0 F F F F F z Rz Az Bz Pz A B P A B P B P 0 M M M F M F M F x x x x x 0 M M F M F M F y y y y 0 M M F M F M F z z A z z (2) 上述方程组共包含 6 个方程, 共 6 个未知数 ( FRx, FRy, FRz, FA, FB, M x ), 因而该方程有唯一 解 为求解上述方程, 首先应求出水施加的载荷 F, F, F,,,, 由 (1) 式易得 : Rx Ry Rz M F M F M F x R y R z R F P 简化到原点 O 的结果
FPx FPz 0, FPy 99N MyFP 0 3 252 2 4 2 2 x M xfp 2.58 10 302 0 x dx 3 3 3 3 3 252 179 2 2 4 2 2 x 5.16 10 302 x dx 12.2N m 3 252 2 3 3 3 302 4 M zfp 2.5810 xxdx 0 3 252 2 4 2 2 2.58 10 302 x 302 x dx 0 3 3 3 3 252 179 2 2 4 2 2 5.1610 302 x 3 302 x dx 49.85N m 252 2 3 3 (3) 其次, 再将 F, F 简化到原点 O: A B FAx 0.9848 FA, FAy 0.1736 FA, FAz 0 M x FA 0.004341 FA, M y FA 0.02462 FA, M z FA 0.02605F A FBx 0, FBy 0.9848 FB, FBz 0.1736 FB M F 0.004341 F, M F 0.007814 F, M F 0.04432 F x B B y B B z B B (4) 将 (3) (4) 两式代入 (2) 可得 : 0 1 0 0 0.9848 0 0 FRx 99 0 1 0 0.1736 0.9848 0 F Ry 0 0 0 1 0 0.1736 0 FRz 12.2 0 0 0 0.004341 0.004341 1 FA 0 0 0 0 0.02462 0.007814 0 F B 49.85 0 0 0 0.02605 0.04432 0 M x (5) 解得 4.2 肱骨头内力图 FRx 296.32N F Ry 886.86N F Rz 164.62N F 300.89N A F 948.02N B M -17.62N m x (6)
为了下一步分析肱骨头的应力状态, 此处计算给出肱骨头 ( 即 0<x<302 段 ) 横截面是横 截面上的内力 计算结果如下图 7 所示 : 图 7. 肱骨头内力图 5 肱骨头失效分析 5.1 肱骨头材料力学参数从参考文献 5 中获取肱骨头的材料力学参数如下表 1 所示 : 5.2 失效分析
由内力图可确定危险面为 B, 忽略剪力带来的切应力, 可知截面 B 上危险点应位于横截 面圆周上, 且位于垂直于弯矩 My和 Mz的矢量和的直径上, 危险点处的切应力和正应力可 分别求得如下 : M x 17.62 3 Wp 0.05 0.72MPa (7) 16 2 2 2 2 F My M Nx z 296.32 39.91 7.41 3.26MPa (8) 2 3 A W 0.05 0.05 4 32 以上结果对比表 1 的肱骨头的强度可知, 在正常游泳情况下肱骨头的强度失效可以不用考虑, 一般肱骨头的骨折都是在暴力情况下才发生的 6 肌肉受力及损伤分析 计算结果如下 : FA 300.89N F B 948.02N (9) 三角肌受力为 300.89N, 背阔肌和大圆肌受力为 948.02N 三角肌体积硕大, 占肩关节周围肌肉容量的 20% 其起于锁骨外侧端 1/3, 至于肱骨三角肌粗隆, 与肩关节外展 肩关节屈并旋前 ( 前部肌肉收缩 ) 肩关节伸并旋后( 后部肌肉收缩 ) 有关, 主要在动态过程中对肩关节进行保护, 形状参见图 2 静态分析来看, 肌肉在这些力的作用下不会发生损伤 但如果动态分析的话, 瞬间给肌肉加上如上载荷, 肌肉的拉力要增加五六倍甚至十几倍, 这时候肌肉就有可能发生拉伤 如果以如此大的动态载荷连续刺激肌肉, 会发生肌肉充血 7 盂肱关节的受力及关节损伤 脱落分析 盂肱关节是人体内活动范围最大的关节, 也是最不稳定 最常发生脱落的关节之一, 约 占所有关节脱位的 45% 盂肱关节脱位分为前方脱位和后方脱位, 其中前方脱位占绝大部分 7.1 盂肱关节受力 : 以上计算结果可以看到盂肱关节的受力如下 : FRx 296.32N F Ry 886.86N F 164.62N Rz M -17.62N m x 参考文献 6 提到了盂肱关节的构造 肩关节中, 凸面的肱骨头与凹面的肩盂构成盂肱关 节, 这种压迫机制提供了关节的内在稳定性 肩盂的关节面积约 5cm 2, 肱骨头关节面积约占 (10)
15cm 2 关节面的差异导致肩盂缺乏骨性限制, 这既是使肩关节具有很大活动范围的原因, 同 时也构成了肩关节不稳定的解剖学基础 从下图 8 中, 我们可以很清晰地看出关节面积的差 距 7.2 损伤与脱位 : 根据计算结果, 肱骨头对肩盂的正压力为 296.32N, 假设肩盂的面积为 5cm 2, 则肩盂收到 的平均压强为 0.59MPa, 也即是 5.9kg/cm 2 一般来说, 人体的骨头承受能力都在 100kg/cm 2 以 上, 非常坚硬 不同于膝关节和股骨头, 盂肱关节不是主要承受压力的关节 除了举重等活 动, 一般对盂肱关节的损伤分析主要是关节脱位 为了研究盂肱关节的稳定性, 我们引入稳定比率这一指标 稳定比率是指肱骨头向肩盂 的压迫力和它能防止某一方向脱位的最大剪切力之间的比值 在本文的模型中,x 方向的压迫力大小为 296.32N,y-z 平面的剪切力最大值为 902N, 该 最大剪切力与 y 轴夹角为 79 o 通过计算得知, 本模型的盂肱关节稳定比率为 0.328 参考文献 6 同时也给出了一般人盂肱关节的稳定比率参考值为 0.35 由于计算结果低于参考值, 关节部位的剪切力过大, 对于一般人而言盂肱关节会出现关 节脱位的情况 图 8 肩关节 X 光片 图 9 肩关节脱位但是, 本报告在建模过程中选取的标准是专业运动员的平均水平 对于专业运动员而言, 由于长期训练, 会增加身体各项机能 而游泳运动员长期训练均要用到肩关节, 所以在这样的背景下, 稳定比率的参考值可以认为低于 0.35 冈上肌 冈下肌 小圆肌和肩胛下肌从肩关节上方 后方和前方跨过肩关节, 并与关节
囊紧贴, 与他们的腱共同形成 肩袖, 对肩关节起加固和保护作用 在如上所建模型中, 这些肌肉群对肱骨头的内旋提供的扭矩为 M x= -17.62N m, 在高频率的反复转动下, 会造成肩袖劳损, 肌肉缺血, 引起炎症 8 结论 1) 肩关节是人体最复杂 最灵活和也是最脆弱的关节之一, 其牵涉到的肌肉非常之多 不同的肌肉之间相互配合与协调, 使肩关节能进行屈伸 内旋等运动 其中, 肩胛骨和肱骨头构成的盂肱关节, 对游泳训练至关重要 2) 由分析可知, 在游泳划臂过程中, 三角肌 背阔肌 韧带群 肩胛骨 肱骨头均受到不同程度的力学作用 本论文在简化建模之后, 计算了它们的受力 其中, 对三角肌 背阔肌受力的分析不仅要注意力的大小, 更要以动态的角度, 考虑肌肉受到的冲击 ; 对韧带群的分析中, 发现在一定频率下韧带会由于摩擦而受损 ; 对肩盂和肱骨头的分析中, 也讨论了关节脱位的可能性 3) 游泳运动中, 运动员的肩关节会受到以上部位受损可能性的威胁 所以很多专业运动员在长期训练后会形成 游泳肩, 这为他们的游泳生涯带来很多痛苦 4) 通过一番力学分析, 我们注意到游泳运动员在日常训练前肩部热身的重要性 肩关节是脆弱的, 对于游泳爱好者, 一定要注意游泳的速度 力度和姿势 参考文献 1 刘恒兴. 全彩人体解剖学图谱 [ 电子资源 ]. 北京 : 军事医学科学出版社, 2007.08 此外图 1 和图 2 部分内容还来自网络图片搜索结果的拼接 2 Maurel W,Thalmann D.A case study on human upper limb modelling for dynamic simulation[j].meth Biomech and Biomech Eng,1999,1:1-17. 3 刘俊先, 张兴和. 中国正常人体测量值. 中国医药科技出版社. 1994 年 05 月. 4 Huub M.Toussaint, et al. The determination of drag in front crawl swimming. Journal of Biomechanics: 2004,37,1655-1663 5 何仿, 苟三怀等. 人体肩关节不同功能位置上肱骨干应力 - 应变关系的试验生物力学研究. 临床骨科杂志. 2006 Feb, 9(1): 57. 6 蒋雷生, 戴力扬. 盂肱关节的稳定机制. 中国矫形外科杂志. 2003 年 5 月第 11 卷第 10 期 :697-700.