骨骼的生物力學(xué)

侯文軒41111109資源1104骨骼的生物力學(xué)2021/10/101讓我們來看看幾張生物骨骼的圖片2021/10/102骨的結(jié)構(gòu)2021/10/103前臂和手的生物力學(xué)模型舉物時(shí)腰部生物力學(xué)模型2021/10/104身體各部舒適姿勢(shì)的調(diào)節(jié)范圍2021/10/105一、骨的承載能力

衡量骨承載能力的三要素：

第一，要求骨有足夠的強(qiáng)度。

即指骨在承載負(fù)荷的情況下抵抗破壞的能力。

第二，要求骨有足夠的剛度。

即指骨在外力作用下抵抗變形的能力。

第三，要求骨有足夠的穩(wěn)定性。

即指骨保持原有平衡形態(tài)的能力。

2021/10/106骨的載荷（一）骨的載荷載荷即為外力，是一物體對(duì)另一物體的作用。人體在運(yùn)動(dòng)或勞動(dòng)時(shí)，骨要承受不同方式的載荷。當(dāng)力和力矩以不同方式施加于骨時(shí)，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。2021/10/107持續(xù)載荷對(duì)骨也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。即骨受到持續(xù)低載荷作用一段時(shí)間后，其組織會(huì)產(chǎn)生緩慢變形或蠕變。在加載后的最初數(shù)小時(shí)（6～8小時(shí)），其蠕變現(xiàn)象最顯著，隨后蠕變的速率則會(huì)降低。一般而言，骨承受壓力負(fù)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(fù)荷是這些力的綜合。2021/10/108★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(fù)荷時(shí)，負(fù)荷骨會(huì)出現(xiàn)變形，當(dāng)負(fù)荷去除時(shí)，骨的原有形狀和幾何學(xué)結(jié)構(gòu)便恢復(fù)。如果骨骼系統(tǒng)遭受嚴(yán)重創(chuàng)傷，超過了其所能承受的負(fù)荷，則會(huì)引起嚴(yán)重變形，并可能發(fā)生骨斷裂?！餂Q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(diǎn)，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(yán)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。2021/10/109三、骨的應(yīng)力與應(yīng)變骨力學(xué)包含二個(gè)最基本的元素，即應(yīng)力和應(yīng)變。（一）骨的應(yīng)力概念：當(dāng)外力作用于骨時(shí)，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(diǎn)：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(jì)算公式：種類：根據(jù)作用于骨的力不同，其內(nèi)部分別會(huì)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(duì)骨的改變、生長(zhǎng)和吸收起著調(diào)節(jié)作用，應(yīng)力不足會(huì)使骨萎縮，應(yīng)力過大也會(huì)使骨萎縮。因此，對(duì)于骨來說，存在一個(gè)最佳的應(yīng)力范圍。2021/10/1010（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(zhǎng)度的變化量與原長(zhǎng)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(jì)算出應(yīng)力和應(yīng)變的大小當(dāng)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(shí)，便可造成骨骼損傷甚至發(fā)生骨折。2021/10/1011（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(gè)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(huì)造成永久性形變（如骨折）。彈性區(qū)末端點(diǎn)或塑性區(qū)初始點(diǎn)稱屈服點(diǎn)。該點(diǎn)對(duì)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(diǎn)以后的區(qū)。此時(shí)已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損壞和永久變形。當(dāng)載荷超過彈性極限后，骨發(fā)生斷裂即骨折。★導(dǎo)致骨折所需的應(yīng)力叫骨的最大應(yīng)力或極限強(qiáng)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(Young‘sModules)，表示材料抗形變的能力。一般而言，彈性模量是一個(gè)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。2021/10/1012四、骨的生物力學(xué)特性包括骨的材料力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。骨的材料力學(xué)特性：是指骨組織本身的力學(xué)性能，與骨的幾何形狀無關(guān)。骨的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性：是指整個(gè)骨結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，不但與骨的材料力學(xué)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(xué)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(xué)性質(zhì)不同，即各向異性。

2.彈性和堅(jiān)固性

骨的有機(jī)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(jī)物填充在有機(jī)物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使骨具有堅(jiān)固性，具有抗壓能力。2021/10/10133.抗壓力強(qiáng)、抗張力差骨對(duì)縱向壓縮的抵抗最強(qiáng)，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(duì)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(qiáng)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(duì)應(yīng)力的反應(yīng)在不同方向各不相同。2021/10/10146.骨的強(qiáng)度和剛度

1）骨強(qiáng)度是指骨在承受載荷時(shí)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(yàn)中，載荷－變形曲線能反映結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的三個(gè)參數(shù)是：①結(jié)構(gòu)在破壞前所能承受的載荷;②結(jié)構(gòu)在破壞前所能承受的變形;③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(huì)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(qiáng)度與剛度的因素有：①.壓應(yīng)力――肌收縮時(shí)所產(chǎn)生的壓應(yīng)力能防止拉伸骨折的發(fā)生；②.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(qiáng)度和剛度。如骨試件在壓縮時(shí)，和剛度也越大。破壞載荷及剛度的大小與橫截面積成正比。2021/10/1015（二）骨受載時(shí)的生物力學(xué)特性

1.骨對(duì)應(yīng)力的反應(yīng)骨對(duì)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(duì)應(yīng)力的反應(yīng)：密質(zhì)骨具有很高的強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度大于骨松質(zhì)，可承受較大的壓縮應(yīng)力。2）松質(zhì)骨對(duì)應(yīng)力的反應(yīng)：骨松質(zhì)的疏松度為30％～90％，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(jìn)行性斷裂，使拉力負(fù)荷很快減低，低于應(yīng)變水平。松質(zhì)骨在拉力負(fù)荷下的能量吸收能力明顯降低2021/10/1016五、骨折的生物力學(xué)骨的完整性或連續(xù)性中斷時(shí)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(xué)原理

1.骨受拉伸載荷所致的骨折其斷裂的機(jī)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(diǎn)附近的跟骨骨折。2.骨受壓縮載荷所致的骨折其機(jī)制主要是骨單位的斜行破裂。如運(yùn)動(dòng)員在單杠失手或跳傘落地技術(shù)不正確時(shí)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(shí)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。壓縮載荷所致的骨折常見于椎體

3.骨受剪切載