骨科生物力学概述课件

生物力学 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 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 二 .生物力学的发展渊源 * 英国 Willian Harvey 1615年 血液循环 1小时心输出量： * Galileo 1638年 * Boreli 1680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 Von Helmboltz 眼底镜，神经传播速度 30m/s 1638 Galileo 发现加载与骨形态的关系 1834 Bell 骨可以使尽可能少的材料承担载荷 1838 Ward 增加压缩载荷，可增加骨形成 1852 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 1892 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 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 力的分量 肌肉力的稳固分量和转动分量 Fm W a G 力矩 力偶 Wh Fm J 3 1 第二节 静力平衡 1.颈椎关节 Wh Fm J 2.踝关节 Fm N N=WFm 5cm 7.5cm J 3.肩关节 Fm W a G G=10NW a=30N Fm 150 30cm30cm 3cm T 4.髋关节 Fm N W l N=W Fm W a= W 72010.8cm 3.2cm 7cm J N W l 74.230 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 300 F=W 600 900 屈膝 900 F=4W F=6W F=8W 6.夹板治疗骨折时受力 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 P1 P2 P3 P4 P5 m m I II P1 P2 P3 m m I P4 P5 II 内力 外力 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。 P4 P5 II P 截面中任一点 P的内力 -应力 -应力 应力 单位： Pa 2.形变与应变 ux v y 形变 : u、 v 应变： 正应变（线应变）： x y x y x 形变 : x 应变： 切应变（角应变）： 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 x P 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。 （ 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。 二、拉伸及压缩 PP1、横截面上的应力 m m PP f a ba b 平面假设 截面各处的应力相等 3、应变 4、应力集中概念 2、斜截面上的应力 P P P N 三、剪切形变 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。 x A A 截面上任一点，半径为 有切应变，且发生在垂直于半径的圆周面上。 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。 o1 o2 ba o1 o2 c d d y 第四节 骨的基本力学性质 第四节 骨的基本力学性质 一、 拉压力学性质 A E D CB 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 A 正比极限 A 弹性极限 B 屈服极限 C 强度极限 D 断裂极限 E 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 OA BE O A A 1 2 OA的斜率表刚度 O EEB BE的长度表示脆、韧性 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。 5.应力集中的影响 钻空 钻空并拧 上螺钉 8周 能量比 50 25 100 二 .剪切力学特性 三 .扭转力学特性 四 .弯曲力学特性 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15-19 50-5920-29 30-39 40-49 60-69 70-79 80-89 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： 骨的力学性质及各种因素的影响 压 缩 拉 伸 顺 剪 横 剪 1.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。 一 . 应力状态 第五节 不同载荷下的骨折类型 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： 二 . 轴向拉压时，斜面应力及骨折类型 PP P N 横断型 斜型 锯齿型 压缩 脆性 塑性 三 . 剪切骨折 四