骨生物力学教学

1、，骨骼的生物力学，河南中医学院第一附属医院康复中心郭健，学习目标1。掌握骨骼的应力、应变、骨骼的载荷和变形。掌握骨骼功能适应性的原则。熟悉骨骼的生物力学特性。熟悉运动对骨骼形态结构和作用原理的影响。5.了解载荷与骨折的关系及骨折的生物力学原理。学习内容1、骨骼的承载能力2、骨骼的负荷和变形3、骨骼的应力和变形4、骨骼的生物力学特性5、骨折的生物力学6、骨骼的功能适应性7、骨骼的生物力学指标8、骨质疏松运动预防治疗、骨骼的生物力学1、骨骼的承载能力测定骨骼的承载能力3个茄子因素。也就是说，在指骨承受载荷的情况下抵抗破坏的能力。第二，骨头要有足够的刚度。手指骨头在外力作用下抵抗变形的能力。第三，骨

2、骼需要充分的稳定性。手指骨头保持原始平衡形态的能力。2，骨骼的负载及变形人体在日常生活和运动中对机体的每块骨骼产生复杂的力。也就是说，骨头可以承受来自多方面的各种形式的载荷。(a)骨骼的载荷是外力，一个物体作用于另一个物体的作用。人体在运动或劳动时，骨头要承受不同方式的负荷。如果力和力矩徐璐以其他方式应用于骨骼，则骨骼将承受拉伸a、压缩b、弯曲c、剪切d、扭曲e、复合f等载荷。1 .拉伸载荷(图A)受骨骼两端大小相同、沿相反方向沿轴作用的力的影响。如果骨骼受到力，骨骼内部会发生拉伸应力和变形，随着骨骼的增加，可能同时变细。例如，在做环运动时，上肢骨会增加。2 .压缩载荷(图B)是沿轴应用于大小

3、相同、方向相反的骨组织表面的两个载荷。负载在骨组织内产生压力应力和变形。就像举重运动员举起杠铃后上半身和下半身骨骼被压缩一样。3 .弯曲载荷(图C)是使骨骼沿轴弯曲的载荷。例如，脊椎向前弯曲或向后伸展时，脊椎的弯曲是弯曲载荷。特征：当骨架承受弯曲载荷时，中性轴两侧会发生拉伸应力和拉伸变形，另一侧会发生压缩应力和压缩变形，中性轴没有应力和变形。应力的大小与骨骼中性轴的距离成正比。也就是说，离中立轴线越远，应力越大。4。剪切载荷(图D)在骨骼表面大小相同，方向相反，并且受徐璐附近力的影响。骨头内部也发生剪切应力和变形。例如，车床切削断肢时的剪切载荷。5 .扭转负载(图e)加入至牙齿骨并沿轴线扭转的

4、负载是扭转负载。旋转身体的动作时下肢骨骼受到的扭转作用。在生理状态下，扭转负荷在前臂、脊椎的旋转和骨关节的旋转活动中很常见。当骨骼扭曲时，生成的剪切应力分布在整个骨骼结构中。6。复合载荷(图F)当人体移动时，由于骨骼的几何结构不规则，同时受到多种茄子不确定的载荷，因此经常使骨骼处于两种或多种载荷状态，即复合载荷。例如，当人体受伤骨折时，往往是几个茄子作用力的复合。这是像摔倒后发生的桡骨远端骨折一样，剪切力和压缩力等多种力的复合作用的结果。持续负载对骨骼也有一定的影响。也就是说，如果骨头在一定时间内负载低，则该组织会产生缓慢的变形或蠕虫。加载后的前几个小时(68小时)，蠕变现象最明显，后续蠕变速

5、度降低。通常，骨骼承受压力载荷的能力最大，其次是拉力、剪切力和扭力。骨骼接受的正常生理负荷是这种力量的综合。(2)骨骼的基本变形骨骼在承受各种载荷时可能会发生不同程度的变形。例如，腰脊椎前凸是力变形。根据骨骼载荷形式和载荷后变形形式，通常可以将该变形分为5茄子基本变形，例如拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭曲。，力和变形之间的关系反映了完整骨骼的结构行为。在中等剂量负荷下，当负荷骨变形和负荷移除时，骨骼的原始形状和几何结构会恢复。如果受到严重创伤，超过骨骼系统可以承受的负荷，就会发生严重的变形，骨头也会骨折。决定骨断裂阻力和变形特征的主要因素包括骨承受力的大小、力的方向和力的作用点、构成骨组织的材料特

6、性等。骨骼承受的力越大，骨骼变形越严重，骨骼更容易折断。骨骼在接受轴向力和接受弯曲力或扭转力之间有很大的区别。的作用是：“受力”(axialforce)和“受力”(torsionalforce)之间的作用是“受力”(torsional force)。大块骨头的抵抗力优于小块骨头。骨骼的几何结构对抵抗特殊方向的力有一定的特殊性。在决定骨骼的变形和破裂特性时，构成骨骼组织的物质特性也很重要。外力移除后，变形完全消失。这种变形称为弹性变形。如果外力移除后仍然存在剩馀变形，则这些特性称为弹性塑性。钢材等工程材料在一定的变形范围内可以看作弹性体，骨头是比较典型的弹塑性材料。3，骨骼的应力和变形性骨骼动力

7、学由两个茄子最基本的元素组成：应力和变形。(a)骨骼的应力概念：外力作用于骨骼时，骨骼通过变形产生内部阻抗，以对抗外力，即骨骼产生的应力。特征：应力的大小是作用于骨骼截面的外力与骨骼横截面面积的比率，即帕斯卡(pa=n/m2)，即牛顿/平方米。计算公式：类型：根据作用于骨骼的力，内部将分别生成压力应力、拉伸压力等相应的应力。作用：应力有调节骨骼的变化、生长和吸收的作用，应力不足导致骨骼萎缩，应力过大导致骨骼萎缩。因此，骨块具有最佳应力范围。(b)应变概念：骨骼的变形是外力作用下骨骼的局部变形。其大小等于骨头受力后长度的变化量与原始长度的比率，即形状变量与原始大小的比率。通常以百分比表示(如下所

8、示)。应力和变形的大小是根据压力、变形和范例的大小计算的。如果骨骼承受着沉重的力量，超过应力和变形的限制，那么甚至会发生骨骼损伤和骨折。(c)应力应变曲线表示应力和应变之间的关系。应力-变形曲线分为两个区域：弹性变形区域和塑性变形区域。弹性变形区域内的负载不会造成骨折等永久性变形。弹性区域端点或塑胶区域初始点称为降伏点。对应于牙齿点的应力是产生骨骼最大应力的弹性变形，也称为弹性极限。塑料区域：降伏点之后的区域。牙齿时发生了结构损伤和永久变形。如果载荷超过弹性极限，骨头断了就会骨折。造成骨折所需的应力称为骨骼的最大应力或极限强度。应力-变形曲线弹性区域的斜率称为杨氏模量或杨氏模量，表示材料防止变

9、形的能力。弹性系数通常是常数。弹性系数越大，产生特定变形所需的应力就越大。(4)骨变形能量概念：到达极限负载时，应力变形曲线下的面积表示引起骨折所需的能量。一般骨骼的生理负荷是使骨骼弹性变形，弹性区域内骨骼可以承受的应力大小。外力移除后，弹性区域的能量同时被骨骼释放，使骨骼恢复原状。但是骨头不断被外力反复作用，其应变能不能及时完全释放，积累后材料的结构可能受损，临床上表现为疲劳性骨折。4，骨骼的生物力学特性包括骨骼的材料力学特性和结构力学特性。骨骼的材质动力学特性：指骨骼组织本身的动力学性能，与骨骼的几何形状无关。骨骼的结构力学特性：指整个骨骼结构的力学特性，不仅受骨骼的材质力学特性影响，还受

10、骨骼的几何特性、形状、大小等影响。，(a)骨组织的基本生物力学特性1。各向异性骨骼的结构是中多孔介质的各向异性，其方向不同，其机械性能，即各向异性也不同。2.弹性和坚固性骨的有机成分形成网状结构，使骨骼有弹性，具有拉伸能力。骨骼的无机物填充了有机物的网状结构，使骨骼坚固，具有压缩能力。3 .压缩力，抗张力差骨头对纵向压缩的阻力最大。也就是说，在压力情况下不脆弱，在张力情况下容易受损。4.抗冲击力和持续力差骨头对冲击力的阻力较小。与其他材料相比，其耐久性和疲劳耐受力较差。5.应力强度的定向皮质骨与松质骨的结构不同，承受的力和两者的刚度也不同。皮质骨的刚度大于松质骨，变形程度较小。两者的各向异性对

11、应力的反应取决于方向。6。骨骼的强度和刚度1)骨骼的强度是指骨骼承受载荷时充分抵抗破坏的能力。在压缩载荷实验中，载荷变形曲线是反映结构强度的三个茄子参数在结构破坏之前可以承受的载荷。结构破坏前可承受的变形；结构破坏前可以储存的能量。2)骨骼的刚度是指骨具有抵抗变形的足够能力。在某些负载作用下，骨头不会折断，但变形太大，往往会影响骨骼结构和功能。骨骼结构的刚度显示为弹性范围内的曲线斜率。影响骨骼强度和刚度的因素包括.压力应力肌肉收缩时产生的压力应力可以防止拉伸骨折的发生。骨骼的大小和形状骨骼的截面大小、骨骼中心轴周围骨骼组织的分布、形状等都可能影响骨骼的强度和刚度。骨头试件压缩时刚度也变大。破坏

12、载荷和刚度的大小与横截面积成正比。7 .机械力对骨骼的影响机械应力和骨组织之间存在生理平衡。骨对生理应激刺激的反应处于动态平衡状态，应力越大，骨组织增殖和骨密度越厚，越明显。8.骨骼是人体理想的结构材料，骨骼具有强度大、质量轻的特点。(2)骨骼加载时的生物力学特性1。骨骼对压力的反应骨骼一般对生理应力刺激的反应是平衡的，应力越大，骨骼的增殖和密度越大，最终提高骨骼的生理应力能力。1)麦地骨对应力的反应：麦地骨强度高，压缩强度大于骨质，能承受较大的压缩应力。2)松质骨对应力的反应：松质疏松程度为3090，其应力应变特征与松质骨大不相同。松质骨屈服后，骨小梁性骨折，拉负荷迅速减少，低于应变水平。松

13、质骨在拉力负荷下能量吸收能力明显降低。2 .骨骼密度加载时的生物力学特性人类骨骼的80%是皮质骨。负载时，与骨松质相比，骨头断裂前的变异较少，其变异超过原长度2时折断，骨松质的变异超过7时折断，这与密度大的骨骼的疏松性和能量存储能力相对松弛的骨有关。3 .骨松质是受载荷时的生物力学特性，骨松质具有多孔结构，能量存储能力高。(1)骨松质的结构特征：骨松质徐璐被床榻或雕塑型小梁网缠在一起，形成网状结构。其显微结构分为四种茄子基本结构类型：针状不对称开放网格、片状不对称闭合网格、针状圆柱形开放网格和片状圆柱形闭合网格。2)。骨松质的结构特征与应力适应骨松质的网状形态和结构密度有密切关系。不同部位的骨

14、松质徐璐有不同类型的显微结构。骨松质的结构密度与所受应力的大小成正比，在密度较低的骨松质部位，主要表现为开放的针状结构。在密度较高的骨松质部位形成封闭的皮瓣结构。有中等密度时，结构由针状和片状网格混合而成。骨小梁阵列方向取决于作用在骨松质上的应力的大小、方向和力类型。3)骨松质的粘性性质和蠕变特性，在一定的应力下，其蠕虫随时间变化，蠕虫开始时速度加快，接着速度减慢，最后速度加快。5，断裂的生物力学骨的完整性或连续性中断时称为骨折。其常见原因包括直接暴力、间接暴力、肌力、累积性劳损、骨骼疾病。骨折经常与骨头接受的伸展、挤压、弯曲等负荷密切相关。(a)骨骼的载荷形式和骨折类型之间的关系，如上所述，

15、在日常生活和运动中，骨骼经常受到拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转载荷和复合载荷的影响，并产生各种变形。当骨骼负荷超过生理限制时，会发生多种类型的骨折。因此，典型的骨折类型与骨骼承受载荷的形式相关，通常包括拉伸、压缩、弯曲、旋转和压力耦合弯曲5茄子基本形式导致的骨折。这种类型的骨折与临床观察到的骨折类型一致，但临床常见的骨折是由多种茄子负荷引起的，骨折类型也更加复杂和多样化。特别是在高能负荷的作用下，变形率很快，会导致严重的粉碎性骨折。拉力、压力、旋转、弯曲和压力组合弯曲导致的骨折类型。5，断裂的生物力学骨的完整性或连续性中断时称为骨折。常见的原因包括直接暴力、间接暴力、肌力、累积性劳损、骨骼疾病。

16、(a)骨骼的载荷形式和骨折类型之间的关系典型的骨折类型与骨骼的载荷形式相关。一般包括伸展、压缩、弯曲、旋转和压力耦合弯曲5茄子基本形式导致的骨折。(2)骨折的生物力学原理1临床上因拉伸负载引起的骨折常见于骨松质，表现型大部分是撕裂骨折。跟腱附着点附近的跟骨骨折。2 .骨压缩载荷引起的骨折的机制主要是骨单元的斜线断裂。例如，运动员在单杠倾斜或降落伞着陆技术不准确时发生的胸椎骨折，大部分是从高处落下臀部时瞬间的冲击造成的。(威廉莎士比亚、温德夏、跳伞、跳伞、跳伞、跳伞)瞬间冲击力纵向挤压，造成椎体压缩骨折，椎体在高压缩载荷下变短变宽。压缩载荷引起的骨折在椎体中很常见。3 .骨头由于剪切载荷而发生的

17、骨折，在一对距离短、相反方向的力作用于骨头时，经常发生剪切骨折。骨折常见于股骨和胫骨平台骨折等骨质疏松症。4.当骨骼受弯曲载荷引起的骨折骨骼弯曲载荷超过极限外力的突然攻击时，拉伸应力大于压缩应力，导致骨组织弯曲骨折。5 .复合载荷引起的骨折骨是由于多种不确定载荷的作用而引起的骨折。临床上看到的骨折的形态也比较复杂。临床上可见的插入型、长斜、短斜、螺旋、粉碎性等骨折都属于复合加载状态下发生的骨折类型。6。骨松质细骨折显微镜下可见的骨小梁破裂称为骨松质细骨折。微骨折可能是正常生理活动的结果，在正常生理中，骨松质具有修复微骨折的能力。如果微骨折的程度超过生理水平，就会产生病理结果，从而提高骨折的危险性。7 .疲劳性骨折概念：指骨长期反复负荷(如长行军、运动)后发生细微损伤而逐渐形成的骨折。受伤的持续积累导致疲劳骨折或应力骨折，超出了身体的修复能力。特性：骨折和维修同时进行。(1)疲劳性骨折的好头部部位最常发生在下肢骨，其次是上半身骨和躯干骨。下肢骨骨折可能发生在股骨、胫骨、腓骨、胫骨、内踝、距骨、胫骨、跟骨等处，其中胫骨、腓骨、胫骨和胫骨等处，更多见。(2)疲劳性骨折的生物力学原理对疲劳性骨折的发生原因目前学者有不同的看法。概括起来