骨科生物力学概述

关于骨科生物力学概述第一章概论第一节生物力学概貌一.生物力学概念及学习的重要性力学---研究力及物体机械运动与其应用的科学.生物学---研究生命结构、功能、发生、发展规律的科学.生物力学---力学、生物学、医学结合的一门边缘学科，是力学原理在生物学中的应用，以此来研究生物与力学有关的问题.人的整体各个器官生命的过程运动生物力学工程生物力学医学生物力学流体生物力学固体生物力学第2页,共45页，2024年2月25日，星期天重视：1.力学是其他科学的基础2.生物力学是力学发展的动力3.生物力学将自然界的启示应用于工程技术----仿生学空气动力学飞机生物力学生理学、诊断学、外科学、修复学鸟、响尾蛇、蝙蝠、海豚、鸭子、锯草……第3页,共45页，2024年2月25日，星期天二.生物力学的发展渊源*英国WillianHarvey1615年血液循环1小时心输出量：*Galileo1638年*Boreli1680年《论动物的运动》生物力学史上第一部专著*Poiseuille水银压强计*德国VonHelmboltz眼底镜，神经传播速度30m/s第4页,共45页，2024年2月25日，星期天Galileo发现加载与骨形态的关系1834Bell骨可以使尽可能少的材料承担载荷

Ward增加压缩载荷，可增加骨形成

Ludwig重力、肌力对维持骨质量的必要性1867瑞士学者骨的结构形态于承载大小、方向有关

Wollf《骨转化定律》在骨力学研究方面：1967第一届国际生物力学讨论会1978我国将生物力学纳入力学发展规划第5页,共45页，2024年2月25日，星期天第二节骨力学及其研究中的几个问题1.骨结构研究3.骨的应力适应性2.应力-应变研究4.骨折治疗研究5.脊柱生物力学6.关节生物力学7.骨骼肌力学8.颅脑损伤力学第6页,共45页，2024年2月25日，星期天第三节骨伤生物力学在我国的发展骨伤生物力学---根据人体构件的解剖特征和力学性质，用力学原理和方法研究骨折、脱位、矫形、移植及各种急慢性软组织损伤等病因、病理、治疗及愈合机理的科学。骨伤生物力学研究内容

骨的力学性质肌肉、肌腱、韧带、腱鞘、滑囊力学性质寻找环境效应对生物组织的影响骨折的病因、病理、治疗骨矫形、延长、移植的手术疗法骨重建的反馈机理及骨生长的人为控制伤筋与骨错缝的研究骨缺血坏死问题、骨性关节炎问题现行骨伤疗法的改进和完善第7页,共45页，2024年2月25日，星期天第四节力效应与骨伤科疾病的关系1.骨伤科疾病的发生是力作用的结果

外力内力

直接暴力

间接暴力

肌力

慢性劳损2.骨伤科疾病的病理变化也是力作用的表现

力的三要素

大小

方向

作用点

胸大肌

肱二头肌

三角肌第8页,共45页，2024年2月25日，星期天3.骨伤科疾病的治疗是力学原理的应用4.生物力学的发展促进骨伤科临床治疗的提高

石膏固定、夹板固定、手术内固定第9页,共45页，2024年2月25日，星期天第二章力学、材料力学基础知识骨力学性质刚体---运动规律---力的外效应----力学弹性体---形变规律---力的内效应----材料力学第一节力的概念力的性质常见力肌肉力生理横截面积第10页,共45页，2024年2月25日，星期天力的分量肌肉力的稳固分量和转动分量FmWaG力矩力偶第11页,共45页，2024年2月25日，星期天WhFmJ31第二节静力平衡1.颈椎关节WhFmJ第12页,共45页，2024年2月25日，星期天2.踝关节FmNN=WFm5cm7.5cmJ第13页,共45页，2024年2月25日，星期天3.肩关节FmWaGG=10NWa=30NFm15030cm30cm3cmT第14页,共45页，2024年2月25日，星期天4.髋关节FmNWlN=WFmWa=W72010.8cm3.2cm7cmJ第15页,共45页，2024年2月25日，星期天NWl74.230第16页,共45页，2024年2月25日，星期天5.髌骨受力髌韧带骨直肌骨中间肌骨内侧肌骨外侧肌屈膝300F=W600900屈膝>900F=4WF=6WF=8W第17页,共45页，2024年2月25日，星期天6.夹板治疗骨折时受力第18页,共45页，2024年2月25日，星期天第三节骨的载荷、内力和变形弹性体---形变规律---力的内效应----材料力学外力作用形变一、物体的应力和应变屈服断裂1.外力、内力、应力P1P2P3P4P5mmIIIP1P2P3mmIP4P5II内力外力第19页,共45页，2024年2月25日，星期天内力---外力作用物体使物体发生形变，其内部各部分之间因相对位置发生变化，而引起的相互作用力称附加内力，简称内力。P4P5IIP截面中任一点P的内力---应力---应力应力单位：Pa第20页,共45页，2024年2月25日，星期天2.形变与应变△ux△vy形变:△u、△v应变：正应变（线应变）：xyστxyτγ△x形变:△x应变：切应变（角应变）：第21页,共45页，2024年2月25日，星期天3.应力与应变关系弹性模量弹性模量4.杆件变形的基本形式（1）拉伸或压缩形变xP受大小相等、方向相反、作用线与轴线重合的一对力的作用而发生的形变，表现为长度拉伸或缩短。第22页,共45页，2024年2月25日，星期天（2）剪切形变受大小相等、方向相反、作用线垂直于轴线且相距很近的一对力的作用而发生的形变，表现为两个面发生错动。（3）扭转形变受大小相等、转动方向相反、作用面垂直于轴线的一对力偶的作用而发生的形变，表现为两个截面饶轴相对转动。（4）弯曲形变受垂直于轴的横向力作用而产生的形变，表现为杆件由直线变为曲线。第23页,共45页，2024年2月25日，星期天二、拉伸及压缩PP1、横截面上的应力mmPPfa'bab'平面假设截面各处的应力相等第24页,共45页，2024年2月25日，星期天3、应变4、应力集中概念2、斜截面上的应力PPαPαNστ第25页,共45页，2024年2月25日，星期天三、剪切形变

第26页,共45页，2024年2月25日，星期天四、扭转形变实验中看出：1.各圆周线大小、形状、间距不变，只是绕轴转过了不同角度。说明：横截面仍为平面（平面假设）。圆周线相距不变，无正应力；2.各纵线都倾斜了一角度，矩形变成平行四边形。

γxφAA'截面上任一点，半径为ρ有切应变，且发生在垂直于半径的圆周面上。

第27页,共45页，2024年2月25日，星期天五、弯曲形变实验中看出：1.横线仍为直线，只转过一角度，但仍垂直于纵线。说明：横截面仍为平面（平面假设）。2.纵线为曲线，靠近底部变长，靠近顶部变短。

根据变形连续性可知，中间必有一层中性层、中性轴。

靠近底部被拉伸，靠近顶部被压缩，同一高度处伸长或缩短相等。o1o2bao1o2cddθyρ第28页,共45页，2024年2月25日，星期天εσ第四节骨的基本力学性质第29页,共45页，2024年2月25日，星期天第四节骨的基本力学性质一、拉压力学性质AEDCBεσ两个范围弹性范围OB塑性范围BE五个阶段正比阶段OA弹性阶段OB屈服阶段BC强化阶段CD颈缩阶段DE五个极限σA正比极限σA弹性极限σB屈服极限σC强度极限σD断裂极限σE一块面积S表吸收能量OA的斜率表刚度BE的长度：延伸率截面收缩率两条直线OABE第30页,共45页，2024年2月25日，星期天εσOAAε1ε2OA的斜率表刚度εσOEEBBE的长度表示脆、韧性第31页,共45页，2024年2月25日，星期天骨的力学性质及各种因素的影响1.性别、年龄的影响2.骨的各向异性及解剖部位的差异3.骨干湿度的影响4.加载速率的影响加载速率----单位时间内载荷的增长量。应变速率----单位时间内应变的改变量。σε第32页,共45页，2024年2月25日，星期天5.应力集中的影响钻空钻空并拧上螺钉8周能量比5025100二.剪切力学特性三.扭转力学特性四.弯曲力学特性第33页,共45页，2024年2月25日，星期天设计实验：骨的力学性质及各种因素的影响1.骨的各向异性及解剖部位的差异2.性别、年龄的影响3.骨的脆性与年龄的关系延伸率年龄15-1950-5920-2930-3940-4960-6970-7980-89第34页,共45页，2024年2月25日，星期天作业：设计实验1.说明骨的力学性质是各向异性的2.药物对骨质疏松症的治疗作用3.推荐两套康复计划，试评价其效果取材：分组：方法：测量哪些物理量、怎么测量实验结果的表达：实验目的：第35页,共45页，2024年2月25日，星期天骨的力学性质及各种因素的影响压缩拉伸顺剪横剪σ1.骨骼为各向异性材料，载荷方向不同其力学性质不同；局部解剖部位不同其力学性质也存在差异。2.成熟的密质骨压缩强度最大，拉伸次之；松质骨强度远小于密质骨。3.应力集中使骨骼强度降低。4.加载速度增加，骨的强度、刚度也增加，且吸收更多能量。第36页,共45页，2024年2月25日，星期天一.应力状态第五节不同载荷下的骨折类型ττττσσσσσττ受力杆件内一点的所有截面上应力的集合，称该点的应力状态。剪应力互等定理：第37页,共45页，2024年2月25日，星期天二.轴向拉压时，斜面应力及骨折类型PPαPαNστ第38页,共45页，2024年2月25日，星期天横断型斜型锯齿型压缩脆性塑性第39页,共45页，2024年2月25日，星期天三.剪切骨折第40页,共45页，2024年2月25日，星期天四.扭转时斜面应力及螺旋骨折αττττnταxτττασα第41页,共45页，2024年2月25日，星期天