课件：二一节骨运动学.ppt

第二章 骨骼肌肉系统运动学,第一节 骨运动学,1.掌握 骨结构、长骨骨干密质骨的结构：骨内膜、骨外膜、骨板、骨单位、骨密质及骨松质。 骨的代谢。 骨塑形的概念；骨重建的概念和骨重建的过程；骨重建单位。 骨的应力、应变、应力-应变曲线、弹性变形区和塑性变形区。 骨的载荷；拉伸载荷、压缩载荷、剪切载荷、弯曲载荷和扭转载荷五种。骨的功能适应性原则。 骨形态结构的功能适应性和骨组织结构的功能适应性,2.熟悉 骨的血液供应；滋养动脉、骨端、骨骺和干骺端血管及骨膜血管。 骨的淋巴与神经。 骨的变形；拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转五种基本变形。 骨的生物力学特性；骨的材料力学特性和骨的结构力学特性；骨的强度和骨的密度；影响骨强度和骨的密度的因素。骨松质粘弹性性质和蠕变性质。骨密质、骨松质对应力的反应。,3.了解 骨的力学机能和骨的生理机能。 载荷与骨折的关系及骨折的生物力学原理。 常见的骨折类型与骨所受载荷形式的关系；拉伸骨折、压缩骨折、弯曲骨折、旋转骨折和压力联合弯曲5种基本形式的骨折。 骨松质的网格形式与其结构密度的关系。 疲劳性骨折的原理和最常发生的部位。 骨功能适应性与增龄及负荷减少的关系。 骨生物力学的常用指标。,一、骨的运动学基础,（一）骨的形状、结构与代谢 正常成人有206块骨， 分成躯干骨、 头颅骨、 四肢骨三部分。,1.骨的形状 根据骨的外部形状，一般将其分为 长骨、 短骨、 扁骨、 不规则骨四种。,（1）长骨 一般呈长管状，分布于四肢。 从力学角度上分析，长骨的中空性管状 结构体现出了机体的最佳工程设计，即可使 长骨在矢状面和额状面上能有效抗弯曲及在 骨的长轴上有效抗扭曲。,长骨的形态结构,长骨两端膨大为骨骺。 骨骺和骨干相连处，称干骺端。 幼年时期干骺端处的骺软骨，参与骨的增长。 成年后，骺软骨板骨化，骺与骨干相互愈合后遗留成骨骺线，骨的增长也随之停止。 骨骺损伤可导致骨骼生长障碍，影响幼儿的生长发育。骺板分离或骨折和骨软骨炎是儿童少年时期特有的骨损伤。 骺板分离大多由间接外力所致，最常见的外力是剪力、撕脱力、劈力和挤压力。,（2）短骨 常以多个短骨集群存在，当承受压力时，各骨紧密聚集，形成拱桥结构。因此，多分布于承受压力较大、运动形式较复杂而运动又灵活的的部位，如踝部和腕部。 （3）扁骨 多分布于头部、胸部及四肢带部。常围成体腔保护内部器官，如头颅骨围成颅腔等。 （4）不规则骨 其外形极不规则，典型者如椎骨。,2.骨的结构 骨结构包括 骨膜、 骨质、 骨髓、 关节面软骨及 血管、神经等。,骨的结构,（1） 骨膜 分骨外膜与骨内膜。 1）骨外膜：覆盖于除关节面外的骨外表面。 富有血管、神经及淋巴管，对骨的营养、新生及感觉有重要意义。 膜内有成骨细胞，其细胞在幼年期非常活跃， 进行分裂繁殖，可分化为成骨细胞直接参与骨的生成。 到成年期转为静止状态，但能终生保持分化能力。 当发生骨的损伤如骨折时，可重新分化为成骨细胞，形成骨痂，愈合折端。 因此，被剥离骨外膜后，骨易于坏死，且不易修复。,2）骨内膜：被覆于骨髓腔及松质骨表面。 除衬在长骨骨髓腔的骨内膜在幼年时通过破骨细胞参与骨的长粗外，骨内膜尚具有终生的生骨潜能。,（2）骨质 骨的主体成分，分为骨密质与骨松质。 骨密质结构复杂，由规则且紧密成层排列的骨板构成。 长骨的骨密质由外到内分别为外环骨板层、骨单位及环骨板层。 骨密质因结构致密，具有抗压、抗拉力强的特点，常分布于骨的表面及长骨的骨干。,1）外环骨板层 由靠表面的数层骨板绕骨干呈同心圆排列而成。外侧与骨膜紧密相连，中间有与骨干垂直并横行穿过骨板层的管道，称穿通管，是营养血管进入骨内的管道。 2）内环骨板层 由靠近骨髓腔面的数层骨板绕骨干呈同心圆排列而成。最内层与骨内膜相连，其中亦有穿通管出现。 3）骨单位 是骨密质的基本结构单位。位于骨内、外环骨板之间，是骨干骨密质的主体。 从骨单位的横断面可以看到同心分布的骨板，成为不同直径的、层套一层的封闭的圆柱，这种结构又被称为哈佛氏系统。,骨松质 由针状或片状的骨板构成，呈网状结构，形成骨小梁。骨小梁按压力及张力的方向排列，负责力学上的支撑机能。 骨松质的疏松结构及骨小梁的力学特性，大大地减轻了骨的重量，又使骨达到最大的力学性能。 由于骨松质结构疏松，常分布于长骨骨骺内部及其他骨的内部。,（3）骨髓 分红骨髓与黄骨髓。 红骨髓具有造血功能。 成人的短骨及扁平骨的松质骨网眼中的红骨髓伴随人的终生。 黄骨髓富含脂肪组织，不具有造血功能， 但在应急状态下黄骨髓可转化为红骨髓而再次具有造血功能，如恶性贫血或外伤大出血时。,（4）关节面软骨 由透明软骨组成，覆盖在骨关节面上。薄而光滑且具有弹性。在功能上主要起减少摩擦、缓冲震动的作用。,3. 骨的代谢 是通过成骨细胞和破骨细胞参与的骨形成与骨吸收来实现的， 其代谢活动是一个动态平衡过程。 在人的生长期，骨形成大于骨吸收，骨量呈线性增长，表现为骨皮质增厚，骨松质更密集，这一过程称为骨构建或称骨塑形。 在成人期，骨生长停止，但骨的形成和吸收仍在继续，处于一种平衡状态，称为骨重建（remodling）。 骨重建开始于骨吸收，随后是骨形成。 骨的吸收与形成连续进行，最终使骨能不断地自我修复和适应新的应力要求。,骨重建过程 分为5期,第一期：休止期或静止期。 此期既无骨吸收也无骨形成。 第二期：激活期。 破骨细胞的前驱细胞分化成破骨前细胞， 并附着在骨表面上。 第三期：吸收期。 破骨前细胞与暴露表面接触、融合、分化 成破骨细胞，进行骨吸收。 正常人约持续1个月，在吸收期骨表面形成 一个陷窝，称为吸收陷窝。,第四期：转换期。 吸收期结束，破骨细胞移向其他部位。 第五期：形成期。 成骨细胞在陷窝的表面上相继出现并分化、 增殖，形成类骨。随后，类骨成熟骨化成 骨。待陷窝接近填平时成骨细胞失去成骨 活性，成为表面上的衬托细胞，此期为形 成期。,一个骨重建周期约需3个月。 一个骨重建所形成的结构为一个骨重建单位（BRU）。 在骨重建过程中，先出现骨的吸收，然后再有骨的形成， 但吸收与形成的骨量大致相当。 骨重建可调节骨矿盐平衡、修复显微损伤及移除无承载 功能的骨组织，可维持或降低骨强度和骨量。,（二）骨的血液、淋巴与神经 1. 血管 成熟骨具有丰富的血管并形成精巧的血液供应管道系 统，为骨组织、骨膜提供血液来源。 以长骨为例，骨骼的血液供应来自三个不同的但又相 互关联的方面：,（1） 滋养动脉： 滋养动脉通过骨骼表面存在的滋养血管孔进入骨干。 每根骨所含滋养血管的数量不等。 在髓腔内每一支滋养血管分为升支和降支，并且进一步分支成更细小的动脉，然后直接进入骨内膜，为骨干区提供血液。,（2）骨端、骨骺和干骺端血管： 是长骨的第二套供血系统， 由关节周围的血管丛分支而进入薄层骨皮质供 应干骺端区。 当生长板闭合后，这些血管就与髓动脉及骺动 脉相互吻合。,（3）骨膜血管： 骨膜本身有一套完整的供血系统，是长骨的第三套血供系统。 在骨膜表面，纤维层和肌肉血管广泛吻合形成血管丛或骨膜血管网。 骨膜血管网再发出血管分支进入骨，供应有肌肉附着的密质骨的外层。,2. 骨的淋巴管 骨膜具有丰富的淋巴管。 3. 骨的神经 长骨的关节端、较大的扁骨、椎骨 及骨膜是骨的神经分布最丰富的部位。 骨的神经纤维分二类： 一类是骨内脏传出神经纤维，大多分布于血管壁及骨髓。 另一类是躯体传入神经纤维，主要分布于骨膜及关节软骨的深面。,（三）骨的功能 1. 力学功能 （1） 支撑功能 （2） 杠杆功能 （3） 保护功能 2. 生理学功能 （1）钙、磷贮存机能与物质代谢功能 （2）造血机能和免疫功能,二、骨的运动适应性,（一）骨的生物力学特性 1. 骨的承载能力 衡量骨承载能力的三要素： 第一，要求骨有足够的强度。 即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。 第二，要求骨有足够的刚度。 即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。 第三，要求骨有足够的稳定性。 即指骨保持原有平衡形态的能力。,2. 骨的载荷及变形 人体在日常生活与运动中都会对机体的每块骨产生复杂的力。即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。,（1）骨的载荷 人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的载荷。当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉伸a、压缩b、弯曲c、剪切d、扭转e和复合f等载荷。,1）拉伸载荷 在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿轴线的力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部产生拉应力和应变，使骨伸长并同时变细。 例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。,2）压缩载荷 是施加于骨组织表面的两个沿轴线的大小相等、方向相对的载荷。 该载荷在骨组织内部产生压应力和应变。 如举重运动员举起杠铃后上肢和下肢骨被压缩。,2019/8/30,37,可编辑,3）弯曲载荷 是使骨沿其轴线发生弯曲形变的载荷。 例如当脊柱前屈或后伸时脊柱的弯曲则为弯曲载荷。 特点：骨骼在弯曲载荷时，其中性轴两旁一侧产生拉应力和拉应变，另侧则产生压应力和压应变，在中性轴上则没有应力和应变。 应力的大小与至骨骼中性轴距离成正比，即距中性轴越远，其应力就越大。,4）剪切载荷 在骨的表面受到一对大小相等、方向相反且相距很近的力的作用。 在骨内部也会产生剪切应力和应变。 例如车床剪切断肢体时即为剪切载荷。,5）扭转载荷 加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转载荷。 如作转身动作时，下肢骨受到的扭转作用。 在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱的旋转与骨关节的旋转活动中。 当骨受到扭转时，所产生的剪切应力便分布在整个骨骼结构中。,6）复合载荷 人体在运动时，由于骨的几何结构不规则，同时又受到多种不定的载荷，往往使骨处于两种或多种载荷的状态，即为复合载荷。 如人体在受伤骨折时，往往是几种作用力的复合。 像跌倒后发生的桡骨远端骨折，便是既有剪切力又有压缩力等多种力综合作用的结果。,持续载荷对骨也会产生一定的影响。 即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织会产生缓慢变形或蠕变。 在加载后的最初数小时（68小时），其蠕变现象最显著，随后蠕变的速率则会降低。 一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次是拉力、剪切力和扭转力。 骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。,（2）骨的基本变形 骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的变形，如腰脊柱前凸即是受力变形。 根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般可将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等五种基本变形。,3.骨的应力与应变 骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。 （1）骨的应力 概念：当外力作用于骨时，骨以形变产生内部的阻抗以抗衡外力，即是骨产生的应力。 特点：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为Pascal(Pa=N/m2)，即牛顿/平方米。 计算公式：,种类：根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相应的应力，如压应力、拉压力等。 作用：应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用，应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。,（2）应变 概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形。 其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比，即形变量与原尺度之比。一般以百分比来表示。 由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小 当骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变的极限时，便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。,（3）应力-应变曲线 表示应力和应变之间的关系。 应力-应变曲线分成两个区：弹性变形区和塑性变形区。 在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如骨折）。 弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点。 该点对应的应力是产生骨最大应力的弹性形变，亦称为弹性极限。 塑性区：屈服点以后的区。此时已出现结构的损坏和永久变形。当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。,导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。 在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量（Youngs Modules），表示材料抗形变的能力。 一般而言，弹性模量是一个常数。 弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。,（4）骨应变能量 概念：达到极限负荷时的应力-应变曲线下面积,表示导致骨折所需要的能量。 一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨所能承受应力的大小。 当外力去除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，使骨恢复原状。 但当骨不断受到外力重复作用时，其应变能量不能被及时完全释放，经积累后可能会损坏材料的结构，临床上则表现为疲劳性骨折。,4.骨的生物力学特性 包括骨的材料力学特性和结构力学特性。 骨的材料力学特性： 是指骨组织本身的力学性能，与骨的几何形状无关。 骨的结构力学特性： 是指整个骨结构的力学性能，不但与骨的材料力学特性有关而且受骨的几何特性即形状、尺寸等的影响。,（1）骨组织的基本生物力学特性 1）各向异性 骨的结构为中间多孔介质的各向异性体，其不同方向的力学性质不同，即各向异性。 2）弹性和坚固性 骨的有机成分组成网状结构，使骨具有弹性，并具有抗张能力。 骨的无机物填充在有机物的网状结构中，使骨具有坚固性，具有抗压能力。,3）抗压力强、抗张力差 骨对纵向压缩的抵抗最强，即在压力情况下不易损坏，在张力情况下易损坏。 4）耐冲击力和持续力差 骨对冲击力的抵抗比较小。 同其他材料相比，其持续性能、耐疲劳性能较差。 5）应力强度的方向性 皮质骨与松质骨的结构不同，承受的力量及两者的刚度也不同。 皮质骨的刚度比松质骨大，变形程度则较之要小。 两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。,6）骨的强度和刚度 骨强度 是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗破坏的能力，以致不发生破坏。 在压缩载荷的试验中，载荷变形曲线能反映结构强度的三个参数是：a.结构在破坏前所能承受的载荷， b.结构在破坏前所能承受的变形， c.结构在破坏前所能贮存的能量。 骨的刚度 是指骨具有足够的抵抗变形的能力。 在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变形过大，往往会影响骨结构与功能。 骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。,影响骨强度与刚度的因素有： 压应力肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折的发生； 骨的大小和形状骨的横截面积的大小及骨组织在骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。 如骨试件在压缩时， 骨的横截面面积越大，强度和刚度也越大。 破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。,7）机械力对骨的影响 机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。 骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，应力越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。 8）骨是人体理想的结构材料 骨具有强度大质量轻的特点。,（2）骨受载时的生物力学特性 1）骨对应力的反应 骨对生理应力刺激的反应一般处于平衡状态，应力越大，骨的增生和密度越大，最终，又提高了骨的生理应力能力。 密质骨对应力的反应： 密质骨具有很高的强度，其抗压强度大于骨松质，可承受较大的压缩应力。,松质骨对应力的反应： 骨松质的疏松度为3090，其应力应变特征与密质骨有很大差异。 松质骨在屈服之后，骨小梁进行性断裂，使拉力负荷很快减低，低于应变水平。 松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。,2）骨密质在受载时的生物力学特性 人类骨骼80%是皮质骨。 在受载时与骨松质相比： 骨密质在断裂前应变较小，其应变超过原长的2时就发生断裂； 而骨松质的应变超过7时才断裂； 这与密质骨的疏松度及能量储存能力较松质骨小有关。,3）骨松质在受载时的生物力学特性 骨松质具有多孔结构而具有较高的能量储存能力。 骨松质的结构特点： 骨松质由针状或片状骨小梁相交织成网状结构。 其显微结构分为四种基本结构类型： 针状非对称形开放网格、 片状非对称形封闭网格、 针状圆柱体形开放网格、 片状圆柱体形封闭网格。,骨松质结构特征与应力适应性 骨松质的网格形式与其结构密度有密切关系。 不同部位骨松质具有着不同类型的显微结构。 骨松质的结构密度与其所受的应力大小成正比，在密度相对较低的骨松质部位，骨小梁主要表现为开放型的针状结构； 在密度相对较高的骨松质部位，形成封闭式的片状结构； 中等密度时，结构由针状和片状网格混合而成。 骨小梁的排列方向依赖于作用在骨松质上的应力的大小、方向和力的类型。,骨松质粘弹性性质与蠕变 骨松质具有粘弹性性质和蠕变性质，在一定应力作用下，其蠕变将随时间而变化，蠕变在开始时速度快，继之变慢，最后速度又变快。,5. 骨折的生物力学 骨的完整性或连续性中断时称骨折。 常见原因有 直接暴力、 间接暴力、 肌拉力、 积累劳损及骨骼疾病。,（1）骨的受载形式与骨折类型的关系 常见的骨折类型与骨所受载荷的形式有关， 一般包括有：拉伸、压缩、弯曲、 旋转和压力联合弯曲 5种基本形式所致的骨折。,（2）骨折的生物力学原理 1）骨受拉伸载荷所致的骨折 其断裂的机理主要为骨组织结合线的分离和骨单位的脱离。 临床上，拉伸载荷所致的骨折常见于骨松质，表现形式多为撕裂性骨折。 如跟腱附着点附近的跟骨骨折。,2）骨受压缩载荷所致的骨折 其机理主要是骨单位的斜行破裂。 如运动员在单杠失手或跳伞落地技术不正确时所导致的胸腰椎骨折，其原因大多是由高处落下臀部着地时受瞬间冲力引起。瞬间冲力沿纵向挤压，产生椎体的压缩骨折，椎体在高压缩载荷下发生缩短且变宽。 压缩载荷所致的骨折常见于椎体。,3）骨受剪切载荷所致的骨折 当一对相距很短、方向相反的力的作用于骨时，往 往会产生