运动学课件骨软骨生物力学学习资料

运动生物力学

SportBiomechanics江苏省人民医院康复医学科卞荣康复治疗学精品课程系列之奥运会，刘翔为什么没能参加比赛骨折后钢板内固定后，钢板下的骨直径增加还是减少骨折后内固定，螺钉周围骨量增加还是减少外科手术中去除小片状骨，对于整块骨而言强度有多大影响拉伸、压缩、扭转，哪种应力方式会造成骨的损害，骨粗点好还是细点好，骨为什么是空心的。滑雪运动员易发生胫骨前端骨折，还是胫骨后端骨折新兵连的士兵为什么会出现骨折现象4/8/20252基本概念力（force）：是一种作用，它能改变受力物体的静止或运动状态。力学（Mechanics）：对力进行广泛综合研究的学科。生物力学（Biomechanics）：当力作用于人体和其他生物体上并加以研究的学科。实验研究，模型研究和应用研究。4/8/20253作用于人体的力外力主要有：重力（gravitationalforce）是地球对其附近物体吸引的力，是人体保持直立姿势及活动时必须克服的负荷。4/8/20254作用于人体运动器官各节段重力占体重的百分比为5%2%1%12%3%2%43%3%4/8/20255外力支撑反作用力静力支撑反作用力：在静止状态下，地面或器械通过支撑点作用于人体的对重力的反作用力，其大小与重力相同，方向相反。GN4/8/20256外力动力支撑反作用力：人体做加速度运动时所受的支撑反作用力，除上述力外还要加上与加速度运动力大小和方向相反的反作用力。4/8/20257外力摩擦力是指人体或肢体在地面或器械上滑动时所受到的摩擦阻力。其大小因人体或肢体重量及地面或器械表面质地而异，其方向与运动方向相反。4/8/20258外力流体作用力人体在流体中运动时所承受的流体阻力，称流体作用力。其大小与运动速度、流体密度成正比，故在水中运动所受到的阻力较空气中大。但因流体的浮力抵消了大部分重力，故人体在水中运动比较省力。4/8/20259外力器械的其他阻力肢体推动运动器械进行锻炼时，除要克服器械重力外，还需要克服器械的惯性力、摩擦力或弹力所产生的阻力，其大小与肢体推力相等，方向相反。4/8/202510外力各种外力经常被用来作为运动训练的负荷，这种负荷要求肢体运动的方向和力量与之相适应，从而选择投入工作的肌群及其收缩强度，这是肌力训练的方法学基础。4/8/202511作用于人体的力内力主要有：肌肉收缩时产生的力这种力通过骨的附着点，根据力偶（forcecouple）、力矩（forgue）、分力、合力等力学规律和杠杆原理产生相应的运动和/或维持人体姿势。4/8/202512内力各组织器官间的被动阻力各内脏器官间的摩擦力内脏器官和固定装置间的阻力如胃肠蠕动与腹膜、肠系膜、大血管间的阻力，食管蠕动与纵膈间的阻力等。血液淋巴液在管道内流动时产生的流体阻力，在分流时产生的湍流等。4/8/202513内力各种内力总是相互适应，以维持最佳活动，同时也不断和外力相抗衡以适应人体生活的需要。例如为克服重力对血液流动的影响，有时需要肌肉收缩来帮助血流循环。4/8/202514骨组织的生物力学骨骼系统的作用保护内脏器官提供运动系统的刚性支架和链接并为肌肉提供附着点4/8/202515骨的组成和结构骨组织是一种专门的结缔组织。骨由细胞和细胞产生的有机胞外纤维基质和无定形基质组成。骨的无机成分使骨组织具有硬度和刚性。骨的有机成分使骨具有弹性和柔韧性。4/8/202516骨的组成和结构骨的基本单位称为骨单位，即哈佛系统。无机成分为羟基磷灰石结晶（60-70%）无机质内嵌交织排列的蛋白胶原纤维、蛋白多糖（25-30%）水含量丰富（25%）4/8/202517骨的组成和结构宏观结构而言，骨包含两种骨组织类型：皮质骨或称密质骨，构成骨的外壳或皮质，它的结构致密类似象牙。松质骨或称网状骨，构成骨的内层，由骨小梁形成筛状结构，小梁之间的空隙充满红骨髓。4/8/202518骨对其承受的力具有适应能力持久运动后，承受最大应力的骨骼可产生相应的改变——骨皮质增厚，骨密度增加，骨粗隆增大等4/8/202519而肢体在废用后则可发现——骨皮质变薄、骨密度减少，骨粗隆减小。4/8/202520骨的力学性能从生物力学角度来讲，骨组织是一种双相复合材料，一相为无机物，另一相为胶原和无定形基质。当坚固的脆性材料嵌入另一种力度较弱但柔韧性强的材料中后，复合材料的性能比其中任何一种单纯材料更加坚韧。强度和刚度是骨的重要的力学性能，在做载荷试验时能够很好的了解这些性能。强度：是一个生物材料（如骨骼）抵抗破坏的能力。刚度：是一个生物材料（如骨骼）抵抗变形的能力。4/8/202521决定结构强度的三个参数结构断裂前所能承受的载荷；断裂前所能承受的变形；断裂前所储存的能量。4/8/202522骨的力学性能图示出某一塑性材料假定的加载荷的变形曲线。当在材料的弹性区内加载，并随之卸负时，结构恢复原来形状，即不产生永久变形；若继续加载，材料的最外层纤维就开始在某些点“屈服”。若继续加载，超过此屈服点(yieldpoint)，则进入该曲线的非弹性区，将出现永久变形。若在非弹性区再继续加载，则可以达到结构的极限断裂点。在曲线上，由载荷和变形显示的强度，用极限断裂点表示；由能量储存显示的强度，用整个曲线下面积大小来表示；结构的刚度用弹性区的曲线斜率来表示。4/8/202523应力应变曲线在标准情况下进行试验，可以确定单位面积所加载荷大小和以原长来表示的变形量，从而可以绘出一条曲线，称为应力应变曲线。曲线下方的面积代表强度的能量积累，面积越大，说明结构体在负载时积累的能量就越多。曲线弹性区的斜率代表了结构体的刚度，斜率越大，材料刚度越高。4/8/202524研究测试标准化骨标本把一个骨组织的标准试样装在试验卡具上，加载直至断裂，可以获得骨的应力和应变值，应力应变曲线可说明变形结果。应力应变曲线的分区与载荷变形曲线相似。应力（stress）：标本每个面积单位承受的载荷。应变（strain）：标本大小改变的百分率表示型变量。4/8/2025254/8/202526应力、应变应力是结构受到外来载荷时其表面单位面积所受到的力。（即力在截面上各点的分布情况和密集程度）表示骨试样应力测量的最常用单位是每平方米牛顿。应变是结构在载荷下某一点上发生的变形。两个基本的应变类型是线性应变和剪切应变，线性应变导致标本长度改变，剪切应变导致组织结构体角关系的改变。4/8/202527应力、应变应变有两种类型：线应变，它是长度的改变，是与以结构原长相除后的变形量（伸长或缩短），以百分比表示，如cm/cm。4/8/202528剪应变是某一结构在承受载荷下所发生的角改变，以弧度(rad)表示。4/8/202529弹性模量（杨氏模量）1807年因英国医生兼物理学家托马斯·杨(ThomasYoung,1773-1829)所得到的结果而命名。

材料的刚度以弹性区内的曲线斜率来表示，刚度值可以由弹性区内任何一点的应力除以此点的应变取得，亦即载荷变形曲线上弹性范围内任意一点的应力对应变的比值，此值称为弹性模量(modulusofelasticity)（也称杨氏模量，Young'smodulus）。能量储存显示的强度用整个曲线下面积表示。4/8/202530弹性模量4/8/202531骨的组织结构骨骼是由皮质骨和松质骨组成。这两种骨的类型可以看作是孔隙率大范围变化的一种材料。孔隙率指的是非矿物组织（非骨组织）所占骨容积的比率，以百分比表示。皮质骨的孔隙率为5~30%，而松质骨为30％~90%。皮质骨较松质骨坚硬，断裂前能承受较大的应力，而能承受的应变则较小。在体外承受的应变超过原长1.5-2%时，皮质骨断裂；而松质骨在应变超过50%时才断裂。这是由于松质骨的多孔性结构具有较高的能量储存量。4/8/2025324/8/202533三种材料应力-应变曲线示意图不同材料的特征脆性材料延性材料4/8/202534骨的各项异性骨的横向和纵向结构是有差异的，所以骨受不同方向载荷时会表现出不同的力学性能。4/8/202535不同加载形式下骨的性能不同加载形式下骨的性能以不同方向的力或力矩施加在结构上可以产生拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和联合载荷（图示）。下面将论述施加在平衡结构上的这些载荷形式。4/8/202536不同加载形式下骨的性能拉伸：在拉伸载荷下，在结构表面施加大小相等、方向相反的载荷，在结构内部产生拉应力和拉应变。拉伸载荷作用下，物体有延长和收窄的趋势。4/8/202537网球比赛中跟骨张力性骨折临床上，张力性骨折常见于松质骨比例较高的骨。比如第五跖骨腓骨短肌腱附着点、跟骨跟腱附着点的骨折。右图显示了跟骨张力性骨折，小腿三头肌强烈收缩导致跟骨受到的张力异常增高4/8/202538不同加载形式下骨的性能压缩：在压缩载荷下，在结构表面施加大小相等、方向相反的载荷，在结构内部产生压应力和压应变。在压缩载荷作用下，物体有缩短和增宽的趋势。4/8/202539腰椎压缩性骨折临床上，压缩性骨折常见于受到高强度压缩力的椎骨，在骨质疏松的老年人中最多见。图示椎骨受压后出现高度降低和宽度增加。4/8/202540不同加载形式下骨的性能剪切：在剪切载荷下，平行于结构表面施加载荷，在结构内部产生剪应力和剪应变。受剪切作用的物体内部会发生角变形，处于物体内部平面上的直角会转变为钝角或锐角。4/8/202541拉伸、压缩状态下发生了成角形变物体在不同载荷下发生角变形。物体受到拉伸或者压缩时，总会发生角变形。即出现了剪切应变。4/8/202542在压缩、拉伸和剪切负载下。成人皮质骨能承受的应力压缩应力：190MPa拉伸应力：130MPa剪切应力：70MPa松质骨弹性模量轴向：8MPa横向：50MPa剪切：0-0.4MPa4/8/202543不同加载形式下骨的性能弯曲：骨在弯曲下承载时，拉应力和拉应变作用在中心轴的一侧，而压应力和压应变作用在中心轴的另一侧。中心轴处则无应变和应力。应力强度与所在部位距中心轴距离呈正相关，即离中心轴越远，应力越高。4/8/202544弯曲可分为三点弯曲或四点弯曲。两种受力导致的弯曲形变都可见于临床，尤其是长骨骨折。三点弯曲发生于三个力作用于统一结构体并产生两个相同力矩，每个力矩等于作用于结构体一端的力乘以该力至旋转轴中力作用点的垂直距离。4/8/202545三点弯曲应力造成“靴顶”骨折典型的三点弯曲断裂类似于滑雪者靴顶部发生的骨折当滑雪者摔倒时有一个力矩作用于滑雪靴上方的胫骨近端，另一个同样的力矩由固定的靴子和滑雪板产生，作用于胫骨远端。当胫骨近端向前方弯曲，骨后方会产生张应力和应变，骨前方产生压缩应力和应变，这样在靴顶处就会发生胫腓骨骨折。因为成人骨抗张性能要差于抗压性能，所以骨折一般首先发生在张力侧。而不成熟骨具有很好的延展性，所有骨折一般首先发生于压力侧。4/8/202546股骨四点弯曲在骨折康复期对僵硬的膝进行推拿治疗，四点弯曲会导致股骨在最薄弱处发生骨折，即股骨原发骨折部位。4/8/202547不同加载形式下骨的性能扭转：载荷作用于物体造成结构体沿着轴线发生扭曲，在物体内部产生扭矩。当物体受到扭转负载时，整个物体就分布剪切应力。物体发生弯曲时，这些应力的强度与它们距中心轴的距离呈比例关系，应力离中心轴越远，强度就越大。4/8/202548扭转负载时最大的剪切应力分布在与中心轴平行和垂直的平面上最大的张应力和压应力分布在中心轴对角线平面上。4/8/202549犬股骨试验性扭转骨折平行于中心轴的短裂纹代表了剪切力造成的损伤，与中心轴呈30度角的骨折线代表最大张应力造成的损伤。4/8/202550不同加载形式下骨的性能联合载荷：在实际活动中，骨在体内所加的载荷通常是以上几种形式的综合，并且骨经常受到多个不确定的载荷。4/8/202551步行中胫骨前内侧受力足跟着地相发生压应力支撑相张应力足蹬离相压应力后阶段剪切应力相对高些。说明此时存在明显的扭转负荷。这种扭转负荷与足着地和蹬离过程中胫骨向外旋转有关。HS：足跟着地；FF：全足着地；HO：足跟离地；TO脚趾离地4/8/202552慢跑中胫骨前内侧受力慢跑过程中，应力方式有很大的不同。首先脚趾着地时压应力占优势，然后蹬地起步时转换成很高的张应力。整个过程中剪应力比较低，这意味着步态交替过程中轻度的胫骨内外旋产生的扭转负载是最低的。TS：脚趾着地；TO：脚趾离地4/8/202553肌肉活动对骨应力分布的影响骨在体内受到负荷时，附着于骨的肌肉会发生收缩，改变应力在骨内的分布。滑雪者向前摔倒时，胫骨后侧产生很高的张应力，胫骨前侧产生很高的压应力。小腿三头肌的收缩在胫骨的后侧产生了很强的压应力，这样抵消了胫骨后侧大量的张应力。避免了骨折。4/8/202554肌肉活动对骨应力分布的影响肌肉收缩在髋关节上产生相似的效应，走路时，弯曲力矩施加在股骨颈上，拉应力发生在上部骨皮质。臀中肌收缩产生的压应力抵消了拉应力，导致骨皮质上部既无压应力又无拉应力，故肌肉收缩使得股骨颈能承受更高负荷（见图）。臀中肌松弛时（上图），拉应力作用在上部的骨皮质上，压应力作用在下部的骨皮质上。臀中肌收缩（下图）使拉应力抵消4/8/202555反复加载引起的骨疲劳骨折可以由超过骨极限强度的单一载荷造成；也可以由较低能量载荷反复加载造成；还受到一定时间内载荷作用次数的影响。反复加载造成的骨折称为疲劳骨折（fatiguefracture）4/8/202556螺钉对骨的影响（应力集中源）手术中去除小片状骨或者螺钉拧入骨内，产生应力集中源。骨强度会下降，负载过程中产生的应力不能够均衡地分布到整个骨，反而集中在缺损部位。这种负载方式下，骨强度降低可达60%。8周后由于骨重建，螺钉或无螺钉的钉孔引起的应力集中源完全消失。4/8/202557扭转载荷下，开放和闭合截面的应力分布方式闭合截面中，所有的剪切应力都能抵抗外加扭矩。开放截面中，只有骨边缘的剪切应力抵抗外加扭矩。成人胫骨体外扭转实验中，开放节段性缺损最高能降低90%的骨折负荷和能量积累。4/8/202558骨的重建骨具有重建能力，通过改变其大小、形状和结构来适应外界的力学要求。这种能够随着应力的作用水平而获得或丢失松质骨和或皮质骨的现象称之为Wolff定律。说明机械应力能够影响和调节骨的重建活动。废用和活动减少对骨骼是有害的，卧床休息能造成每周丢失约1%的骨量。4/8/202559接骨板下骨吸收加压钢板的刚度约为骨的10倍，尺骨骨折后需使用加压钢板固定直到愈合。钢板下骨承受的负荷要较正常低，这些骨部分被吸收，萎缩的尺骨干显著细小。骨直径减小20%就会导致扭转强度下降60%。图示，应在大小和形状改变意味着在骨折愈合后不久、骨尺寸变小之前就该去除坚硬的接骨板。4/8/202560股骨颈骨折使用钉板固定后的平片内植物会造成其附着部位发生骨肥大螺钉周围发生骨肥大。股骨颈骨折后使用钉板固定，螺钉周围的骨会发生肥大以适应螺钉所在部位增加的负荷。4/8/202561关节软骨的生物力学关节是骨骼系统中相邻骨间的功能性联接。关节软骨实际上是一种孤立的组织，没有单独的血液和淋巴供应。它主要依赖软骨下骨组织提供软骨下部近1/3的血供，其余依赖滑膜周围毛细血管的渗入。4/8/202562关节软骨的细胞密度低于大多数其他组织，其主要功能是：①把施加于关节上的载荷扩散到较大的区域，以减少接触应力；②使对应的关节面以最小的摩擦和磨损进行相对运动。

4/8/202563关节软骨的组成成分胶原纤维15-22%蛋白多糖4-7%软骨细胞水分显微镜下的关节软骨4/8/202564胶原纤维是体内最丰富的蛋白。胶原为关节软骨提供一种纤维状超微结构，这种胶原网和多水的糖蛋白一起，共同抵抗关节的应力和应变。4/8/202565软骨胶原纤维网结构随深度排列的超微结构4/8/202566蛋白多糖是由分布不均匀的糖蛋白大分子及其聚合物组成。糖蛋白的基本结构单元是氨基多糖。糖蛋白有一特殊部分与胶原密切相连，并把胶原纤维结合到一起。4/8/202567软骨细胞和水分软骨细胞4/8/202568软骨各成分间结构上的相互作用蛋白多糖的基本结构单元是氨基多糖，氨基多糖具有吸引正电荷如钠离子、钙离子以中和固定负电荷的作用。相邻的氨基多糖链有固定的电荷相互排斥，使组织内保持一种挺而伸展的状态。氨基多糖和小离子的浓缩液，有通过渗透作用自我稀释的趋向。当软骨面受力时，可发生瞬间变形，这主要是糖蛋白区的形状改变所致，这种外加的应力使软骨基质中的内压超过了膨胀压，引起液体从组织中外流。4/8/202569一个糖蛋白聚合体的简图4/8/202570关节软骨的生物学性质渗透性蠕变反应润滑4/8/202571关节软骨的生物学性质渗透性表示液体流过多孔物质的固体基质时的摩擦阻力。渗透性越低，承载时液体流动阻力越大。与普通海绵的渗透性相比，健康软骨的渗透性是很小的。随着压力和变形的增加，健康关节软骨的渗透性大大降低。因此，关节软