肌肉力学

认识肌肉收缩的力学规律的学科

肌肉的力学特性不同于其他软组织，传统上把肌肉作为单独的一类进行研究。人体肌肉分骨肌，心肌和平滑肌三类。它们不但能承载，还能兴奋而产生力。肌肉力学的任务就是要认识肌肉收缩的力学规律，建立兴奋状态肌肉的本构关系。

概述

人体肌肉分骨肌、心肌和平滑肌三种。它们不但能承载，还能兴奋而产生力。肌肉力学的主要任务就是要认识肌肉收缩的力学规律，建立兴奋状态肌肉的本构关系。研究得最早的是骨肌。1938年，英国学者A.V.希尔根据他所做的蛙缝匠肌的大量实验，提出了肌肉收缩的力学模型（希尔模型），建立了著名的希尔方程，为整个肌肉力学奠定了基础。由于微结构研究的深入，H.E.赫克斯利于1957年提出关于肌肉收缩的纤维滑移假说。近年来，不少学者由此出发，把肌肉的力学性能当作肌浆球蛋白纤维和肌动蛋白纤维之间关系的动力学问题来研究。近年来，不少学者把肌肉的力学性能当做肌浆球蛋白纤维与肌动蛋白纤维之间关系的动力学问题来研究。

就力学性能而言，心肌和骨肌的不同之处有二：一是静休状态下骨肌的应力与兴奋态下相比可以忽略，心肌则不能忽略；二是心肌不能挛缩。

平滑肌的研究最为困难。从现有的有限实验结果看，平滑肌力学性能具有以下特点：①静休状态下，平滑肌的张力可等于或大于兴奋态主动张力；②静休状态平滑肌的力学性能与它的兴奋状态有关；③有些平滑肌在机械刺激或有利环境下会自发地、节律地收缩。

总之，肌肉力学研究中最大的困难在于不易得到适宜的肌肉试样和实验方法，以保证试样的活性。目前关于骨肌收缩特性的知识，几乎完全来自蛙缝匠肌实验结果；对心肌的认识，则来自猫、兔等小动物的乳突肌实验；而平滑肌的实验仅限于输尿管和带状结肠肌等少数几种。

希尔方程

描述骨肌力学性质的著名方程。希尔以蛙缝匠肌为试样，保持长度为L0，加电刺激使其挛缩产生张力T0，然后将试样一端松开，肌纤维以速率v缩短，张力T也随之降低。根据测量，希尔得出如下经验关系：（a+T）（v+b）=b（T0+a）。这就是著名的希尔方程。式中a、b、T为独立参数；T0强烈地依赖于L0、

希尔模型

肌肉收缩的力学模型。假设静休状态下的张力与兴奋状态相比可忽略不计，则肌肉收缩过程可以用图a所示的力学模型表征。它由收缩元和串联弹性元构成。收缩元满足张力—速度关系，从等长挛缩状态下快速释放时，服从希尔方程；串联弹性元则表征肌肉收缩过程中的张力—长度关系。两者均通过实验确定。

当静休状态下肌肉张力不可忽略时，若谩静休状态张力与兴奋状态无关，则可将肌肉的张力分解为主动张力和被动张力，后者用一并联弹性元表示，它和收缩元，串联弹性元组成三元素模型(图b)。并联弹性元服从静休肌肉的应力－应变关系；收缩元用希尔方程和表示兴奋程度的活化因子表示，串联弹性元的性质则通过快速释放实验。等长收缩—等张收缩过渡实验而确定。希尔三元素模型的根本弱点是：各元素之间，力和应变的分配是任意的，由实验确定的各元素的性质依赖于所取模型的形式，不是肌肉的固有性质，因而不是唯一的。实践证明，如果静休状态应力可以忽略，希尔二元素模型能获得良好近似；如果静休状态应力不可忽略，希尔三元素模型不能满足要求。

参考书目

1. 冯元桢著：《生物力学》，科学出版社，北京，1983。

2 Y. C. Fang, Biomechanics，Mechanical Properties of Living Tissues, Springer-Verlag, New York,1991.

3. Y.C Fung. N. Perrone and M.Anliker, Biomechanics, Its Foundations and Objectives，Prentice-Hall, Englewood Cliffs，New Jersey, 1972.

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