骨骼的生物力學

1、整理整理ppt1侯文軒 41111109 資源1104整理整理ppt2整理整理ppt3骨的結(jié)構(gòu)整理整理ppt4*前臂和手的生物力學模型*舉物時腰部生物力學模型整理整理ppt5*身體各部舒適姿勢的調(diào)節(jié)范圍整理整理ppt6*一、骨的承載能力一、骨的承載能力衡量骨承載能力的三要素：衡量骨承載能力的三要素：第一，要求骨有足夠的強度。第一，要求骨有足夠的強度。即指骨在承載負荷的情況下即指骨在承載負荷的情況下抵抗破壞的能力。抵抗破壞的能力。第二，要求骨有足夠的剛度。第二，要求骨有足夠的剛度。即指骨在外力作用下抵抗變即指骨在外力作用下抵抗變形的能力。形的能力。第三，要求骨有足夠的穩(wěn)定性。第三，要求骨有足夠的

2、穩(wěn)定性。即指骨保持原有平衡形態(tài)的即指骨保持原有平衡形態(tài)的能力。能力。整理整理ppt7*骨的載荷*（一）骨的載荷*載荷即為外力，是一物體對另一物體的作用。* 人體在運動或勞動時，骨要承受不同方式的載荷。*當力和力矩以不同方式施加于骨時，骨將受到拉伸a、*壓縮b、彎曲c、剪切d、扭轉(zhuǎn)e和復(fù)合f等載荷。整理整理ppt8*持續(xù)載荷對骨也會產(chǎn)生一定的影響。*即骨受到持續(xù)低載荷作用一段時間后，其組織會產(chǎn)生緩慢變形或蠕變。*在加載后的最初數(shù)小時（68小時），其蠕變現(xiàn)象最顯著，隨后蠕變的速率則會降低。*一般而言，骨承受壓力負荷的能力最大，其次是拉力、剪切力和扭轉(zhuǎn)力。*骨所受的正常生理負荷是這些力的綜合。整理整

3、理ppt9*力和變形之間的關(guān)系，反映了完整骨的結(jié)構(gòu)行為。*在中等量負荷時，負荷骨會出現(xiàn)變形，當負荷去除時，*骨的原有形狀和幾何學結(jié)構(gòu)便恢復(fù)。*如果骨骼系統(tǒng)遭受嚴重創(chuàng)傷，超過了其所能承受的負*荷，則會引起嚴重變形，并可能發(fā)生骨斷裂。*決定骨斷裂抵抗力和變形特征的主要因素是骨所承受力*的大小、力的方向和力的作用點，及組成骨組織的材*料特性等。*骨所承受的力越大，引起骨的變形就越嚴重，而且易引* 起骨的斷裂。骨在承受軸向力(axialforce)與承受彎曲* (bending)或扭轉(zhuǎn)力(torsionalforce)方面存在有很大* 差異。*大骨抵抗力的能力優(yōu)于小骨*。整理整理ppt10*三、骨的應(yīng)

4、力與應(yīng)變* 骨力學包含二個最基本的元素，即應(yīng)力和應(yīng)變。*（一）骨的應(yīng)力*概念：當外力作用于骨時，*骨以形變產(chǎn)生內(nèi)部的阻抗*以抗衡外力，即是骨產(chǎn)生的應(yīng)力。*特點：應(yīng)力的大小等于作用于骨截面上的外力與骨橫斷面面積之比，單位為Pascal(Pa=N/m2)，即牛頓/平方米。*計算公式：*種類：根據(jù)作用于骨的力不同，其內(nèi)部分別會產(chǎn)生相*應(yīng)的應(yīng)力，如壓應(yīng)力、拉壓力等。*作用：應(yīng)力對骨的改變、生長和吸收起著調(diào)節(jié)作用，*應(yīng)力不足會使骨萎縮，應(yīng)力過大也會使骨萎縮。* 因此，對于骨來說，存在一個最佳的應(yīng)力范圍。整理整理ppt11*（二）應(yīng)變*概念：骨的應(yīng)變是指骨在外力作用下的局部變形。*其大小等于骨受力后長度的

5、變化量與原長度之比，即形變量與原尺度之比。一般以百分比來表示(下圖)。*由壓力、形變和樣本的大小計算出應(yīng)力和應(yīng)變的大小*當骨承受了很重的力并超出其耐受應(yīng)力與應(yīng)變的極限時，便可造成骨骼損傷甚至發(fā)生骨折。整理整理ppt12*（三）應(yīng)力-應(yīng)變曲線* 表示應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系。* 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分成兩個區(qū)：彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)。* 在彈性變形區(qū)內(nèi)的載荷不會造成永久性形變（如骨折）。* 彈性區(qū)末端點或塑性區(qū)初始點稱屈服點。* 該點對應(yīng)的應(yīng)力是產(chǎn)生骨最大應(yīng)力的*彈性形變，亦稱為彈性極限。* 塑性區(qū)：屈服點以后的區(qū)。* 此時已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損壞和永久變形。* 當載荷超過彈性極限后，骨發(fā)生斷裂即骨折。*導(dǎo)致骨折

6、所需的應(yīng)力叫骨的最大應(yīng)力或極限強度。*在應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性區(qū)的斜率叫彈性模量或楊氏模量(Youngs Modules)，表示材料抗形變的能力。*一般而言，彈性模量是一個常數(shù)。*彈性模量越大，產(chǎn)生一定應(yīng)變所需的應(yīng)力越大。整理整理ppt13*四、骨的生物力學特性*包括骨的材料力學特性和結(jié)構(gòu)力學特性。*骨的材料力學特性：*是指骨組織本身的力學性能，與骨的幾何形狀無關(guān)。*骨的結(jié)構(gòu)力學特性：*是指整個骨結(jié)構(gòu)的力學性能，不但與骨的材料力學特性有關(guān)，而且受骨的幾何特性即形狀、尺寸等的影響。*（一）骨組織的基本生物力學特性* 1.各向異性*骨的結(jié)構(gòu)為中間多孔介質(zhì)的各向異性體，其不同方向的力學性質(zhì)不同，即各向異

7、性。* 2.彈性和堅固性*骨的有機成分組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使骨具有彈性，并具有抗張能力。*骨的無機物填充在有機物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使骨具有堅固性，具有抗壓能力。整理整理ppt14*3.抗壓力強、抗張力差*骨對縱向壓縮的抵抗最強，即在壓力情況下不易損*壞，在張力情況下易損壞。* 4.耐沖擊力和持續(xù)力差*骨對沖擊力的抵抗比較小。同其他材料相比，其持續(xù)性能、耐疲勞性能較差。*5.應(yīng)力強度的方向性*皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)不同，承受的力量及兩者的剛*度也不同。*皮質(zhì)骨的剛度比松質(zhì)骨大，變形程度則較之要小。*兩者的各向異性對應(yīng)力的反應(yīng)在不同方向各不相同。整理整理ppt15*6.骨的強度和剛度*1）骨強度是指骨在承受載

8、荷時所具有的足夠的抵抗破壞的能力，以致不發(fā)生破壞。*在壓縮載荷的試驗中，載荷變形曲線能反映結(jié)構(gòu)強度的三個參數(shù)是：結(jié)構(gòu)在破壞前所能承受的載荷;結(jié)構(gòu)在破壞前所能承受的變形;結(jié)構(gòu)在破壞前所能貯存的能量。*2）骨的剛度是指骨具有足夠的抵抗變形的能力。*在某種載荷作用下，骨雖不發(fā)生斷裂，但如果變形過大，往往會影響骨結(jié)構(gòu)與功能。*骨結(jié)構(gòu)的剛度由彈性范圍內(nèi)的曲線斜率表示*影響骨強度與剛度的因素有：*.壓應(yīng)力肌收縮時所產(chǎn)生的壓應(yīng)力能防止拉伸骨折的發(fā)生；*.骨的大小和形狀骨的橫截面積的大小及骨組織在骨中軸周圍的分布、形狀等均可影響骨強度和剛度。*如骨試件在壓縮時，和剛度也越大。*破壞載荷及剛度的大小與橫截面積成

9、正比。整理整理ppt16*（二）骨受載時的生物力學特性*1.骨對應(yīng)力的反應(yīng)*骨對生理應(yīng)力刺激的反應(yīng)一般處于平衡狀態(tài)，*應(yīng)力越大，骨的增生和密度越大，最終，又提*高了骨的生理應(yīng)力能力。*1）密質(zhì)骨對應(yīng)力的反應(yīng)：*密質(zhì)骨具有很高的強度，其抗壓強度大于骨松質(zhì)，可承受較大的壓縮應(yīng)力。*2）松質(zhì)骨對應(yīng)力的反應(yīng)：*骨松質(zhì)的疏松度為3090，*其應(yīng)力應(yīng)變特征與密質(zhì)骨有很大差異。*松質(zhì)骨在屈服之后，骨小梁進行性斷裂，使拉力負荷很快減低，低于應(yīng)變水平。*松質(zhì)骨在拉力負荷下的能量吸收能力明顯降低整理整理ppt17*五、骨折的生物力學*骨的完整性或連續(xù)性中斷時稱骨折。* 常見原因有：*直接暴力、*間接暴力、*肌拉力、*積累勞損及骨骼疾病。*（一）骨折的生物力學原理*1.骨受拉伸載荷所致的骨折*其斷裂的機理主要為骨組織結(jié)合線的分離和骨單位的脫離。*臨床上，拉伸載荷所致的骨折常見于骨松質(zhì)，表現(xiàn)形式多為撕裂性骨折。如跟腱附著點附近的跟骨骨折。*2.骨受壓縮載荷所致的骨折* 其機制主要是骨單位的斜行破裂。* 如運動員在單杠失手或跳傘落地技術(shù)不正確時所導(dǎo)致的胸腰椎骨折，其原因大多是由高處落下臀部著地時受瞬間沖力引起。瞬間沖力沿縱向擠壓，產(chǎn)生椎體的壓縮骨折，椎體在高壓縮載荷下發(fā)生縮短且變寬。*