(医学课件)骨科人体生物力学与施力特征分析ppt演示课件
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骨组织的生物力学ppt课件
老年人的骨其无机质的含量相对较多，其骨脆 性大，容易骨折，且骨折后不易愈合。
因此，在日常生活及体育运动中应充分注意其 年龄特征，以避免骨变形或骨折的发生。
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23
四、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。
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14
1.骨细胞
在成年人骨骼中90%以上的骨组织细胞是骨细 胞，几乎所有骨基质表面都被骨细胞体和质突覆盖。
骨细胞的大面积覆盖和复杂的网状结构可以很 敏感地感觉作用于骨上的各种应力，具有控制离子 进出骨基质的作用。
此外，骨细胞和成骨细胞等所形成的细胞网络 关系可以很好地感觉和处理骨骼变形，调节骨吸收 和形成，调节矿物质离子在骨基质和细胞外液之间 的流动和交换。
编辑版ppt
19
骨非胶原蛋白 包括骨钙素、骨结合素、骨涎蛋白、骨磷蛋白和少量
粘蛋白。 骨非胶原蛋白可影响基质结构、骨钙化和骨细胞的功
能。 其他：
骨基质中还含可能影响骨细胞功能的生长因子如 β-转化生长因子簇(FGFs-β)、胰岛素样生长因子Ⅰ和 Ⅱ(IGF-Ⅰ和 IGF-Ⅱ)、骨形成蛋白(BMP)、血小板源性生 长因子(PDGF)、白介素-1和6(IL-1和IL-6)和集落刺激因子 (CSF)等。
★每年在骨表面上出现的BRU数量称为BRU的激活率，激活 率越高，骨表面BRU数量则越多，更新的骨量也就越多，一 般将其称为高转换，反之则称之为低转换。
编辑版ppt
28
★1年中全身骨的95％参与骨重建过程。 ★影响骨重建的因素： 即促进骨吸收和促进骨形成的因素。 ★影响骨吸收的因素：
因此，在日常生活及体育运动中应充分注意其 年龄特征，以避免骨变形或骨折的发生。
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23
四、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。
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14
1.骨细胞
在成年人骨骼中90%以上的骨组织细胞是骨细 胞，几乎所有骨基质表面都被骨细胞体和质突覆盖。
骨细胞的大面积覆盖和复杂的网状结构可以很 敏感地感觉作用于骨上的各种应力，具有控制离子 进出骨基质的作用。
此外，骨细胞和成骨细胞等所形成的细胞网络 关系可以很好地感觉和处理骨骼变形，调节骨吸收 和形成，调节矿物质离子在骨基质和细胞外液之间 的流动和交换。
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19
骨非胶原蛋白 包括骨钙素、骨结合素、骨涎蛋白、骨磷蛋白和少量
粘蛋白。 骨非胶原蛋白可影响基质结构、骨钙化和骨细胞的功
能。 其他：
骨基质中还含可能影响骨细胞功能的生长因子如 β-转化生长因子簇(FGFs-β)、胰岛素样生长因子Ⅰ和 Ⅱ(IGF-Ⅰ和 IGF-Ⅱ)、骨形成蛋白(BMP)、血小板源性生 长因子(PDGF)、白介素-1和6(IL-1和IL-6)和集落刺激因子 (CSF)等。
★每年在骨表面上出现的BRU数量称为BRU的激活率，激活 率越高，骨表面BRU数量则越多，更新的骨量也就越多，一 般将其称为高转换，反之则称之为低转换。
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★1年中全身骨的95％参与骨重建过程。 ★影响骨重建的因素： 即促进骨吸收和促进骨形成的因素。 ★影响骨吸收的因素：
骨的生物力学特性及应用(原创PPT课件
1
骨的构成 骨的基本生物力学特性 骨折的生物力学特性 骨的功能适应性
2
新鲜骨的构造 骨组织 骨膜 骨髓 关节软骨 血管 神经 淋巴（？）
3
骨组织 骨细胞 骨基质 骨单位
4
骨组织 骨细胞 骨基质 骨单位
成分 有机பைடு நூலகம்（35%）
无机质（65%）
种类（含量） 骨胶原纤维（95%） 无定形基质（5%） 羟基磷灰石（85%） 碳酸钙（9%） 其它（6%）
触锁定加压接骨 板LC—LCP
松质骨螺钉和皮 质骨螺钉
3．5毫米锁定 加压重建接骨板
可吸收骨螺钉
带锁髓内钉
10
11
12
13
14
图2 典型的应力松弛曲线
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
作用 使骨具有一定的弹性和韧性
使骨具有一定的硬度和坚固性
5
骨组织 骨细胞 骨基质 骨单位
6
强度和刚度 各向异性 黏弹性 蠕变和应力松弛 应力集中 压电效应
7
强度：应力-应变曲线下方的面积(抵抗破坏的能力)。 刚度：应力-应变曲线弹性区的斜率（抵抗变形的能力）。
8
9
3．5毫米有限接
31
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
It'S An Honor To Walk With You All The Way
讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
32
骨的构成 骨的基本生物力学特性 骨折的生物力学特性 骨的功能适应性
2
新鲜骨的构造 骨组织 骨膜 骨髓 关节软骨 血管 神经 淋巴（？）
3
骨组织 骨细胞 骨基质 骨单位
4
骨组织 骨细胞 骨基质 骨单位
成分 有机பைடு நூலகம்（35%）
无机质（65%）
种类（含量） 骨胶原纤维（95%） 无定形基质（5%） 羟基磷灰石（85%） 碳酸钙（9%） 其它（6%）
触锁定加压接骨 板LC—LCP
松质骨螺钉和皮 质骨螺钉
3．5毫米锁定 加压重建接骨板
可吸收骨螺钉
带锁髓内钉
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图2 典型的应力松弛曲线
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写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
作用 使骨具有一定的弹性和韧性
使骨具有一定的硬度和坚固性
5
骨组织 骨细胞 骨基质 骨单位
6
强度和刚度 各向异性 黏弹性 蠕变和应力松弛 应力集中 压电效应
7
强度：应力-应变曲线下方的面积(抵抗破坏的能力)。 刚度：应力-应变曲线弹性区的斜率（抵抗变形的能力）。
8
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3．5毫米有限接
31
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
It'S An Honor To Walk With You All The Way
讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
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(医学课件)骨科人体生物力学与施力特征分析ppt演示课件
. 26 返回
5.3.3 人体不同姿势的施 肌力的大小因人而异，男性的力量比女性平均大 力
30% ~35%。年龄是影响肌力的显著因素，男性的 力量在20岁之前是不断增长的，20岁左右达到顶 峰，这种状态大约可以保持10~15年，随后开始 下降。 此外，人体所处的姿势是影响施力的重要因素， 作业姿势设计时，必须考虑这一要素。图5-8表 示人体在不同姿势下的施力状态，图中（a）为 常见的操作姿态，其对应的施力数值见表5-4， 施力时对应的移动距离见表5-5.
. 10
表5-1 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
10.下摆、上摆
.
体各部舒适姿势的调节范围
.
12
人体各部分的活动 范围
.
13
人 体 上 部 及 上 肢 固 定 姿 势 活 动 角 度 范 围
.
14
主要关节活动范围在设计中的应用实例 开渠机挖沟作业中操作手柄和座椅的设置
. 23
表5—3 手臂在坐姿下对不同角度和方向的操纵力（单位：N）
结论：左手弱于右手；向下用力大于向上用力；向内用力 大于向外用力。
.
返回
24
最大蹬力 一般在膝部 屈曲160°时 产生。
下肢向外 偏转约10° 时的蹬力最 大。
图5-7 不同体位下的蹬力
.
返回
25
图T3 图T4
结论：由最大值衰减到1/4，只需要４min，操作力＜＝最大肌力的20％， 不容易疲劳,操作力＝最大肌力的15％,操作可无限持续。
9
5.3 人体的施力特征 5.3.1 主要关节的活动范围 骨与骨之间除了由关节相连外，还由肌肉和 韧带联接在一起。因韧带除了有联接两骨、增 加关节的稳固性的作用外，还有限制关节运动 的作用。因此，人体各关节的活动有一定的限 度，超过限度，将会造成损伤。 另外，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒
5.3.3 人体不同姿势的施 肌力的大小因人而异，男性的力量比女性平均大 力
30% ~35%。年龄是影响肌力的显著因素，男性的 力量在20岁之前是不断增长的，20岁左右达到顶 峰，这种状态大约可以保持10~15年，随后开始 下降。 此外，人体所处的姿势是影响施力的重要因素， 作业姿势设计时，必须考虑这一要素。图5-8表 示人体在不同姿势下的施力状态，图中（a）为 常见的操作姿态，其对应的施力数值见表5-4， 施力时对应的移动距离见表5-5.
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表5-1 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
10.下摆、上摆
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体各部舒适姿势的调节范围
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人体各部分的活动 范围
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人 体 上 部 及 上 肢 固 定 姿 势 活 动 角 度 范 围
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主要关节活动范围在设计中的应用实例 开渠机挖沟作业中操作手柄和座椅的设置
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表5—3 手臂在坐姿下对不同角度和方向的操纵力（单位：N）
结论：左手弱于右手；向下用力大于向上用力；向内用力 大于向外用力。
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最大蹬力 一般在膝部 屈曲160°时 产生。
下肢向外 偏转约10° 时的蹬力最 大。
图5-7 不同体位下的蹬力
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25
图T3 图T4
结论：由最大值衰减到1/4，只需要４min，操作力＜＝最大肌力的20％， 不容易疲劳,操作力＝最大肌力的15％,操作可无限持续。
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5.3 人体的施力特征 5.3.1 主要关节的活动范围 骨与骨之间除了由关节相连外，还由肌肉和 韧带联接在一起。因韧带除了有联接两骨、增 加关节的稳固性的作用外，还有限制关节运动 的作用。因此，人体各关节的活动有一定的限 度，超过限度，将会造成损伤。 另外，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒
第五章-人体生物力学与施力特征
“不可减的最少限”：反应时间不再减少的刺激强 度增量的上限值。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征 3.刺激的清晰度和可辩性（环境影响） （1）信号与背景的亮度、颜色、信噪比及频率 的对比程度越强，反应时间越短； （2）刺激信号的刺激时间；参阅表3-4 （3）刺激的数目、颜色；表3-5 B （4）显示器及操纵器的设计。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
生物力学模型的基本原理建立在牛顿的三大定律上： （1）物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或
静止状态； （2）物体的加速度跟所受的合外力大小成正比； （3）两个物体之间的作用力和反作用力总是大小
相等，方向相反，作用在一条直线上。
人机工程学 Ergonomics
图5-3 举物时腰部的生物力学静止平面模型
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
5.3 人体的施力特征 5.3.1 主要关节的活动范围
骨与骨之间除了由关节相连外，还由肌肉和韧带 联接在一起。因韧带除了有联接两骨、增加关节的稳 固性的作用外，还有限制关节运动的作用。因此，人 体各关节的活动有一定的限度，超过限度，将会造成 损伤。
（1）操作手柄的布 置要使人在操作时 的各个关节在舒适 的调节范围内。
（2）在机器的纵向 布置上，要方便操作 者观察。减少颈部和 腰部的疲劳。
（c）开挖沟渠作业时操作人员的姿势
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
5.3.2 肢体的出力范围
1、肌力：肌肉的力量来自肌肉收缩，肌肉收缩时产生 的力称为肌肉力。人的一条肌纤维所发挥的力量约为 0.01～0.02N，肌力是多条肌纤维的收缩力总和。人体 肌肉的生理特征。见表5-2
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征 3.刺激的清晰度和可辩性（环境影响） （1）信号与背景的亮度、颜色、信噪比及频率 的对比程度越强，反应时间越短； （2）刺激信号的刺激时间；参阅表3-4 （3）刺激的数目、颜色；表3-5 B （4）显示器及操纵器的设计。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
生物力学模型的基本原理建立在牛顿的三大定律上： （1）物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或
静止状态； （2）物体的加速度跟所受的合外力大小成正比； （3）两个物体之间的作用力和反作用力总是大小
相等，方向相反，作用在一条直线上。
人机工程学 Ergonomics
图5-3 举物时腰部的生物力学静止平面模型
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
5.3 人体的施力特征 5.3.1 主要关节的活动范围
骨与骨之间除了由关节相连外，还由肌肉和韧带 联接在一起。因韧带除了有联接两骨、增加关节的稳 固性的作用外，还有限制关节运动的作用。因此，人 体各关节的活动有一定的限度，超过限度，将会造成 损伤。
（1）操作手柄的布 置要使人在操作时 的各个关节在舒适 的调节范围内。
（2）在机器的纵向 布置上，要方便操作 者观察。减少颈部和 腰部的疲劳。
（c）开挖沟渠作业时操作人员的姿势
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
5.3.2 肢体的出力范围
1、肌力：肌肉的力量来自肌肉收缩，肌肉收缩时产生 的力称为肌肉力。人的一条肌纤维所发挥的力量约为 0.01～0.02N，肌力是多条肌纤维的收缩力总和。人体 肌肉的生理特征。见表5-2
第5章 人体生物力学与施力特征
椎间盘及前、后纵韧带
（2）椎弓间的连结：
韧带和关节突关节
（3）寰椎与枕骨及枢椎的 关节
2. 脊柱的整体观及其 运动
避 免 静 态 肌 肉 施 力 的 设 计 要 点
①避免弯腰或其他不自然的身体姿势。 ②避免长时间地抬手作业。 ③坐着工作比立着工作省力。 ④双手同时操作时，手的运动方向应相反或者对称运 动，单手作业本身就造成背部静态肌肉施力。另外， 双手对称运动有利于神经控制。 ⑤作业位置高度应按工作者的眼睛和观察时所需的距 离来设计。
第5章 人体生物力学与施力特征
5.1人体运动与骨杠杆
主Байду номын сангаас要 讲 授 内 容
5.2 人体生物力学模型 5.3 人体的施力特征 5.4 合理施力的设计思路
主要关节的 活动范围
人 体 各 部 分 活 动 示 意 图
人 体 不 同 姿 势 的 施 力
(一）脊
柱
1. 椎骨间的连结：
（1）椎体间的连结：
避 免 静 态 肌 肉 施 力 的 设 计 要 点
•⑥常用工具，如钳子、手柄、工具和其他零部件、 材料等，都应按其使用的频率或操作频率安放在人的 附近。 •⑦当手不得不在较高位置作业时，应使用支撑物托 住肘关节、前臂或者手。 •⑧利用重力原则。
避 免 弯 腰 提 起 重 物
图2 -25人体侧面数学模型的构成
（2）椎弓间的连结：
韧带和关节突关节
（3）寰椎与枕骨及枢椎的 关节
2. 脊柱的整体观及其 运动
避 免 静 态 肌 肉 施 力 的 设 计 要 点
①避免弯腰或其他不自然的身体姿势。 ②避免长时间地抬手作业。 ③坐着工作比立着工作省力。 ④双手同时操作时，手的运动方向应相反或者对称运 动，单手作业本身就造成背部静态肌肉施力。另外， 双手对称运动有利于神经控制。 ⑤作业位置高度应按工作者的眼睛和观察时所需的距 离来设计。
第5章 人体生物力学与施力特征
5.1人体运动与骨杠杆
主Байду номын сангаас要 讲 授 内 容
5.2 人体生物力学模型 5.3 人体的施力特征 5.4 合理施力的设计思路
主要关节的 活动范围
人 体 各 部 分 活 动 示 意 图
人 体 不 同 姿 势 的 施 力
(一）脊
柱
1. 椎骨间的连结：
（1）椎体间的连结：
避 免 静 态 肌 肉 施 力 的 设 计 要 点
•⑥常用工具，如钳子、手柄、工具和其他零部件、 材料等，都应按其使用的频率或操作频率安放在人的 附近。 •⑦当手不得不在较高位置作业时，应使用支撑物托 住肘关节、前臂或者手。 •⑧利用重力原则。
避 免 弯 腰 提 起 重 物
图2 -25人体侧面数学模型的构成
人体生物力学与施力特征
• 单一部位的静止平面模型（又称为二维模型），通常指的是在一个平 面上分析身体的受力情况。静止模型认为身体或身体的各个部分如果 没有运动就处于静止状态。单一物体的静止平面模型是最基础的模型 ，它体现了生物力学模型最基本的研究方法。复杂的三维模型和全身 模型都建立在这个基本模型上。
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５.２ 人体生物力学模型
• 引起腰部疼痛的主要原因是用手进行的一些操作，如抬起重物、折弯 物体、拧转物体等，这些动作造成的疾病也是最严重的。除此之外， 长时间保持一个静止的姿势也是引起腰部问题的主要原因。因此，生 物力学模型应该详细分析这两个问题的原因。
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５.３ 人体的施力特征
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 每块肌纤维还可以更进一步地细分成更小的肌原纤维，直到最后的提 供收缩机制的蛋白质丝。这些蛋白质丝可以分为两类，一种是有分子 头的粗长蛋白质丝，称为肌球蛋白；一种是有球状蛋白质的细长丝， 称为肌动蛋白。
• ５.１.２骨杠杆
• 人体有２０６块骨头，它们组成坚实的骨骼框架，从而可以支撑和保 护肌体。骨骼系统的组成使得它可以容纳人体的其他组成部分并将其 连接在一起。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• （１）平衡杠杆 • 支点位于重点与力点之间，类似天平秤的原理，例如通过寰枕关节调
节头的姿势的运动，见图５-２（ａ）。 • （２）省力杠杆 • 重点位于力点与支点之间，类似撬棒撬重物的原理，例如支撑腿起步
抬足跟时踝关节的运动，见图５-２（ｂ）。 • （３）速度杠杆 • 力点在重点和支点之间，阻力臂大于力臂，例如手执重物时肘部的运
• 肌肉的收缩是运动的基础，但是，单有肌肉的收缩并不能产生运动， 必须借助于骨杠杆的作用，方能产生运动。人体骨杠杆的原理和参数 与机械杠杆完全一样。在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是动力源，肌 肉与骨的附着点称为力点，而作用于骨上的阻力（如自重、操纵力等 ）的作用点称为重点（阻力点）。人体的活动，主要有下述三种骨杠 杆的形式：
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５.２ 人体生物力学模型
• 引起腰部疼痛的主要原因是用手进行的一些操作，如抬起重物、折弯 物体、拧转物体等，这些动作造成的疾病也是最严重的。除此之外， 长时间保持一个静止的姿势也是引起腰部问题的主要原因。因此，生 物力学模型应该详细分析这两个问题的原因。
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５.３ 人体的施力特征
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 每块肌纤维还可以更进一步地细分成更小的肌原纤维，直到最后的提 供收缩机制的蛋白质丝。这些蛋白质丝可以分为两类，一种是有分子 头的粗长蛋白质丝，称为肌球蛋白；一种是有球状蛋白质的细长丝， 称为肌动蛋白。
• ５.１.２骨杠杆
• 人体有２０６块骨头，它们组成坚实的骨骼框架，从而可以支撑和保 护肌体。骨骼系统的组成使得它可以容纳人体的其他组成部分并将其 连接在一起。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• （１）平衡杠杆 • 支点位于重点与力点之间，类似天平秤的原理，例如通过寰枕关节调
节头的姿势的运动，见图５-２（ａ）。 • （２）省力杠杆 • 重点位于力点与支点之间，类似撬棒撬重物的原理，例如支撑腿起步
抬足跟时踝关节的运动，见图５-２（ｂ）。 • （３）速度杠杆 • 力点在重点和支点之间，阻力臂大于力臂，例如手执重物时肘部的运
• 肌肉的收缩是运动的基础，但是，单有肌肉的收缩并不能产生运动， 必须借助于骨杠杆的作用，方能产生运动。人体骨杠杆的原理和参数 与机械杠杆完全一样。在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是动力源，肌 肉与骨的附着点称为力点，而作用于骨上的阻力（如自重、操纵力等 ）的作用点称为重点（阻力点）。人体的活动，主要有下述三种骨杠 杆的形式：
最新骨伤科生物力学概论幻灯片课件
都反映了我国当时的生产技术水平和经验知识水 平。
宋应星（1587～1644（？））的《天工开物》是 明代农业和手工业生产技术的百科全书，在卷十 五《佳兵篇》中记述了测试弓弦弹力大小的方法： “凡试弓力，以足踏弦就地，秤钩搭挂弓腰，弦 满之时，推移秤锤所压，则知多少”，方法十分 巧妙。
该书在我国失传300年，于1926年才由日本找回 翻印本。
存、摄像速率可调
CODA Mtion捕获系统无论 是性能评估、仪器设计或 防止和治疗运动损伤，用 作运动分析的运动主要包 括高度动态的运动。 CODA Motion可对许多变 量进行精确的测量，包括 位置、加速度、速度、反 应时间、跳跃高度和长度、 臀部和肩部旋转、角度置 换和分割和全身的质心。 当与肌电图系统和测力台 配合使用时，实际上可测 到任何物理和生理参数。
应力与应变是描述骨骼受 力后的内部效应，当外力 作用于骨时，骨以形变来 产生内部的阻抗来抗衡外 力，即是骨产生的应力， 应力的大小是作用于骨横 截面上的外力与骨横截面 面积之比，单位为 Pascal(Pa=N/m2)，即牛 顿/平方米。
压缩 当外力将一个物体朝两个
相同的方向在推时 压力将分子推向其它的分
生物力学的历史（中国古代举例）
传为齐人著的《考工记》，是记录我国古代农具、 兵器、乐器、炊具、酒具、水利、建筑等古代手 工艺规范的专著。
其中惯性现象的记述[“马力既竭，輈（zhōu，指 车辕）犹能一取焉”］
车轮大小与拉力的关系（轮太低，马总是像上坡 一样费劲）
箭羽影响箭飞行速度的关系（“后弱则翔，中强 则扬，羽丰则迟”）
应力-应变曲线中，弹性区的直线斜率代表的就是 弹性模量，即刚度。
外力作了功，特体将能量转变为形变势能储存在 内部，物体在被破坏前所储存的能量可以用应力应变关系曲线下面的面积来表示。
宋应星（1587～1644（？））的《天工开物》是 明代农业和手工业生产技术的百科全书，在卷十 五《佳兵篇》中记述了测试弓弦弹力大小的方法： “凡试弓力，以足踏弦就地，秤钩搭挂弓腰，弦 满之时，推移秤锤所压，则知多少”，方法十分 巧妙。
该书在我国失传300年，于1926年才由日本找回 翻印本。
存、摄像速率可调
CODA Mtion捕获系统无论 是性能评估、仪器设计或 防止和治疗运动损伤，用 作运动分析的运动主要包 括高度动态的运动。 CODA Motion可对许多变 量进行精确的测量，包括 位置、加速度、速度、反 应时间、跳跃高度和长度、 臀部和肩部旋转、角度置 换和分割和全身的质心。 当与肌电图系统和测力台 配合使用时，实际上可测 到任何物理和生理参数。
应力与应变是描述骨骼受 力后的内部效应，当外力 作用于骨时，骨以形变来 产生内部的阻抗来抗衡外 力，即是骨产生的应力， 应力的大小是作用于骨横 截面上的外力与骨横截面 面积之比，单位为 Pascal(Pa=N/m2)，即牛 顿/平方米。
压缩 当外力将一个物体朝两个
相同的方向在推时 压力将分子推向其它的分
生物力学的历史（中国古代举例）
传为齐人著的《考工记》，是记录我国古代农具、 兵器、乐器、炊具、酒具、水利、建筑等古代手 工艺规范的专著。
其中惯性现象的记述[“马力既竭，輈（zhōu，指 车辕）犹能一取焉”］
车轮大小与拉力的关系（轮太低，马总是像上坡 一样费劲）
箭羽影响箭飞行速度的关系（“后弱则翔，中强 则扬，羽丰则迟”）
应力-应变曲线中，弹性区的直线斜率代表的就是 弹性模量，即刚度。
外力作了功，特体将能量转变为形变势能储存在 内部，物体在被破坏前所储存的能量可以用应力应变关系曲线下面的面积来表示。
人体生物力学与施力特征讲解
骨杠杆
肌肉完成运动需要借助骨杠杆的作用才能 完成。在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是动 力源，肌肉与骨的附着点为力点。骨杠杆主 要包括三种形式：平衡杠杆、省力杠杆和速 度杠杆。
人体生物力学模型
人体生物力学建模原理 生物力学模型是用数学表达式表示人体机械 组成部分之间的关系。肌肉骨骼系统被看做 机械系统中的联结，骨骼与肌肉是一系列功 能不同的杠杆。 生物力学模型原理基于的牛顿定律： 1.物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或 静止状态。 2.物体的加速度跟所受的合外力大小成正比。 3.两个物体之间的作用力和反作用力总是大小 相等，方向相反，作用在一条直线上。
合理施力的设计思路
5.作业位置高度应按工作者的眼睛和观察时所 需的距离来设计。 6.常用工具放在人的附近。 7.当手不得不在较高的位置作业时，应使用支 撑物来托住肘关节、前臂或手。 8.利用重力作用，采用自由下落的方法。如图 5-11所示。
合理施力的设计思路
避免弯腰提起重物
人的脊柱为“S”曲线形，脊柱承受的重量负 荷由上至下逐渐增加，在提起重物时加载腰 椎的负荷与人体本身负荷共同作用，使腰椎 承受极大的负担，引起腰椎疾病的发生。 改变弯腰姿势能减小腰椎承受的负荷，如图512所示，直腰弯膝提起重物所承受的负荷较 小，而弯腰直膝所承受的负荷较大。
人体的206块骨头构成人体的骨架。
骨的功能与骨杠杆
骨是体内坚硬而有生命的器官，总数约206块， 分为躯干骨、上肢骨、下肢骨和颅骨。 骨的功能： 1.支持人体的软组织和支撑全身重量。 2.骨腔保护内脏器官并协助内脏器官进行活动， 如呼吸、排泄等。 3.骨骼中的骨髓具有造血功能，并储存钙和磷。 4.肌肉牵动骨骼绕关节运动，使人体完成各种 活动。
举物时腰部生物力学模型
骨科生物力学的发展及应用PPT课件
关节的生物力学特性包括关 节的稳定性、灵活性和耐久 性等。这些特性对于假体设 计、固定技术和材料的选择 具有重要的指导意义。
假体的设计需要充分考虑关 节的生理功能和生物力学特 性，以达到最佳的置换效果 。同时，假体的固定技术和 材料也需要满足相应的生物 力学要求，以保证假体的长 期稳定性和耐久性。
术后康复也是人工关节置换 的重要组成部分。适当的康 复计划可以促进患者的康复 进程，提高置换关节的功能 和耐久性。
详细描述
骨折治疗的生物力学研究主要涉及骨折愈合过程中的生物力学变化、骨折固定技术和材料的选择、以及骨折治疗 后的康复训练等方面的研究。通过对骨折部位的生物力学分析，可以确定最佳的治疗方案，如手术或非手术治疗， 以及选择合适的固定材料和康复训练方法，以促进骨折的愈合和患者的康复。
案例二：人工关节置换的生物力学研究
总结词
人工关节置换的生物力学研究是骨科生 物力学的重要应用之一，通过对人工关 节的生物力学分析，可以更好地了解人 工关节的磨损和失效机制，提高人工关 节置换的成功率和使用寿命。
VS
详细描述
人工关节置换的生物力学研究主要涉及人 工关节的材料选择、设计优化、植入技术 和术后康复等方面的研究。通过对人工关 节的生物力学分析，可以优化人工关节的 设计和材料选择，提高人工关节的耐磨性 和稳定性，同时也可以指导术后康复训练 ，减少人工关节的磨损和失效的风险。
通过机器人辅助手术，可以更好 地控制手术中的力、角度、位置 等信息，实现更加精准的手术操
作。
机器人辅助手术还可以减轻医生 的疲劳程度，提高手术的安全性
和可靠性。
个性化医疗在骨科生物力学中的应用
随着个性化医疗的发展，骨科生物力 学在个体化治疗中的应用越来越广泛。
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. 10
表5-1 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
10.下摆、上摆
.
11
表5-1（续） 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
.
12
人体各部分的活动 范围
.
13
人 体 上 部 及 上 肢 固 定 姿 势 活 动 角 度 范 围
.
14
主要关节活动范围在设计中的应用实例 开渠机挖沟作业中操作手柄和座椅的设置
. 23
表5—3 手臂在坐姿下对不同角度和方向的操纵力（单位：N）
结论：左手弱于右手；向下用力大于向上用力；向内用力 大于向外用力。
.
返回
24
最大蹬力 一般在膝部 屈曲160°时 产生。
下肢向外 偏转约10° 时的蹬力最 大。
图5-7 不同体位下的蹬力
.
返回
25
图T3 图T4
结论：由最大值衰减到1/4，只需要４min，操作力＜＝最大肌力的20％， 不容易疲劳,操作力＝最大肌力的15％,操作可无限持续。
单一物体的静止平面模型是最基础的模型，它 体现了生物力学模型最基本的研究方法。复杂的三 维模型和全身模型都建立在这个基本模型上。
. 7
5.2.2 前臂和手的生物力学模型
∑（肘部受力）=0 （5-3） ∑（肘部总力矩）=0 （5-4）
图5-2 抓捏物体时前臂和手的 生物力学简化模型
.
8
5.2.3 举物时腰部生物力学模型
. 26 返回
5.3.3 人体不同姿势的施 肌力的大小因人而异，男性的力量比女性平均大 力
9
5.3 人体的施力特征 5.3.1 主要关节的活动范围 骨与骨之间除了由关节相连外，还由肌肉和 韧带联接在一起。因韧带除了有联接两骨、增 加关节的稳固性的作用外，还有限制关节运动 的作用。因此，人体各关节的活动有一定的限 度，超过限度，将会造成损伤。 另外，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒
适调节范围内。表5-1为人体重要活动范围和身体各 部姿势调节范围，表中的身体部位及关节名称可参考 相应的示意图5-4。
5.1 人体运动与骨杠杆
5.1.1 人体运 动系统
骨—运动的杠杆
关节—运动的枢 纽 肌肉—运动的动 三者在 力 神经系统的
支配和调节 下协调一致 ，随着人的 意志，共同 准确地完成 杆 1.骨的功能
（1）支撑人体 （2）保护内脏 （3）运动的杠杆 （4）造血 （5）储备矿物盐：主要 是磷 和钙等。
结论：女性的肌力比男性低20%～30%，右手比左手强 10%，而习惯有左手的人，其左手的肌力比右手强 6%～7%。
返回
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（１）在直立姿势下弯臂时，不同角度时的 力量分布；如图5-5。 （２）在直立姿势下臂伸直时，不同角度位 置上拉力和推力的分布；如图5-6。 （３）在坐姿下手臂在不同角度和方向上的 推力和拉力；如图T1，如表5-3。 （４）坐姿时，下肢不同位置上的蹬力大小。 如图5—7(a)和5-7(b）。 注:肢体所施力量的大小，与持续时间有关. 20 如图T3和图T4 .
∑（L5/S1腰骶间盘力矩）=0 （5-7）
∑（L5/S1腰骶间盘受力）=0 （5-8）
图5-3 力学静止平面模型
.
解得腰骶间盘所受的压 主要因素：货物的重力和货 力达到5458N，大多数工 物的位置到脊柱重心的距离。 其它因素还有：躯体扭转的角 人的腰骶间盘都无法承受 度、货物的大小和形状、货物 这个压力水平。 移动的距离等。 举物时腰部的生物
. 2
2. 骨杠杆
根据支点，力点（动力点）、重点（阻力 点） 三者不同的位置分布，分为：见图5-1 （1）平衡杠杆 （2）省力杠杆 （3）速度杠杆：用力大，但运动速度快 由等功原理，得之于力则失之于幅度， 反之亦然。因此，最大的力量与最大的运动 . 3 范围两者是相矛盾的，在设计操纵动作时，
（a）平衡杠杆（b）省 力杠杆（c）速度杠杆
缩时产生的力称为肌肉力。人的一条肌纤维所
发挥的力量约为0.01～0.02N，肌力是多条肌
纤维的收缩力总和。人体肌肉的生理特征。见
表5-2
2、操作力：在作业中，为了达到操作效果， 操作者有关部位（手、脚、躯干等）所施出的 一定大小的力。
. 18 决定因素：肌力、施力的姿势、部位、方式和
表5—2
身体主要部位肌肉所产生的力（单位：N，20～30岁）
.
图5-1 人体骨杠杆
返回
4
5.2人体生物力学模型 5.2.1 人体生物力学建模原理 生物力学模型是用数学表达式表示人体机械组 成各部分之间的关系。在这个模型中，肌肉骨骼系 统被看做机械系统中的联接，骨骼和肌肉是一系列 功能不同的杠杆。生物力学模型可以采用物理学和 人体工程学的方法来计算人体肌肉和骨骼所受的力 ，通过这样的分析就能帮助设计者在设计时清楚工 作环境中的危险并尽量避免这些危险。
（a）挖沟作业示意图
. 15
（b）开渠机驾驶舱（正视图）
. 16
（1）操作手柄的布 置要使人在操作时 的各个关节在舒适 的调节范围内。 （2）在机器的纵向 布置上，要方便操作 者观察。减少颈部和 腰部的疲劳。
（c）开挖沟渠作业时操作人员的姿势
. 17
5.3.2 肢体的出力范 1、肌力：肌肉的力量来自肌肉收缩，肌肉收 围
可知大约在70°处 可达最大值，即产生相 当于体重的力量。这正 是许多操纵机构（例如 方向盘）至于人体正前 上方的原因所在。
180°
图5-5 立姿弯臂时的力量分布
.
返回
21
拉力
推力
最大拉力产生在180°位置上 最大推力产生在0°位置上 。 。 返回 图5-6 立姿直臂时拉力和推力分布
. 22
图T1 坐姿时手臂的操纵力的测试方位 返回
.
5
生物力学模型的基本原理建立在牛顿的三大定 律上：
（1）物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或 静止状态； （2）物体的加速度跟所受的合外力大小成正比； （3）两个物体之间的作用力和反作用力总是大小 相等，方向相反，作用在一条直线上。
.
6
当身体及身体的各个部位没有运动时，可认为 它们处于静止状态。必须满足以下条件：作用在这 个物体上的外力大小之和为零；作用在该物体上的 外力的力矩之和为零。 单一部位的静止平面模型（又称为二维模型） ，通常指的是在一个平面上分析身体的受力情况。 静止模型认为身体或身体的各个部分如果没有运动 就处于静止状态。
表5-1 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
10.下摆、上摆
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表5-1（续） 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
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人体各部分的活动 范围
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人 体 上 部 及 上 肢 固 定 姿 势 活 动 角 度 范 围
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主要关节活动范围在设计中的应用实例 开渠机挖沟作业中操作手柄和座椅的设置
. 23
表5—3 手臂在坐姿下对不同角度和方向的操纵力（单位：N）
结论：左手弱于右手；向下用力大于向上用力；向内用力 大于向外用力。
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最大蹬力 一般在膝部 屈曲160°时 产生。
下肢向外 偏转约10° 时的蹬力最 大。
图5-7 不同体位下的蹬力
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图T3 图T4
结论：由最大值衰减到1/4，只需要４min，操作力＜＝最大肌力的20％， 不容易疲劳,操作力＝最大肌力的15％,操作可无限持续。
单一物体的静止平面模型是最基础的模型，它 体现了生物力学模型最基本的研究方法。复杂的三 维模型和全身模型都建立在这个基本模型上。
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5.2.2 前臂和手的生物力学模型
∑（肘部受力）=0 （5-3） ∑（肘部总力矩）=0 （5-4）
图5-2 抓捏物体时前臂和手的 生物力学简化模型
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5.2.3 举物时腰部生物力学模型
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5.3.3 人体不同姿势的施 肌力的大小因人而异，男性的力量比女性平均大 力
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5.3 人体的施力特征 5.3.1 主要关节的活动范围 骨与骨之间除了由关节相连外，还由肌肉和 韧带联接在一起。因韧带除了有联接两骨、增 加关节的稳固性的作用外，还有限制关节运动 的作用。因此，人体各关节的活动有一定的限 度，超过限度，将会造成损伤。 另外，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒
适调节范围内。表5-1为人体重要活动范围和身体各 部姿势调节范围，表中的身体部位及关节名称可参考 相应的示意图5-4。
5.1 人体运动与骨杠杆
5.1.1 人体运 动系统
骨—运动的杠杆
关节—运动的枢 纽 肌肉—运动的动 三者在 力 神经系统的
支配和调节 下协调一致 ，随着人的 意志，共同 准确地完成 杆 1.骨的功能
（1）支撑人体 （2）保护内脏 （3）运动的杠杆 （4）造血 （5）储备矿物盐：主要 是磷 和钙等。
结论：女性的肌力比男性低20%～30%，右手比左手强 10%，而习惯有左手的人，其左手的肌力比右手强 6%～7%。
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（１）在直立姿势下弯臂时，不同角度时的 力量分布；如图5-5。 （２）在直立姿势下臂伸直时，不同角度位 置上拉力和推力的分布；如图5-6。 （３）在坐姿下手臂在不同角度和方向上的 推力和拉力；如图T1，如表5-3。 （４）坐姿时，下肢不同位置上的蹬力大小。 如图5—7(a)和5-7(b）。 注:肢体所施力量的大小，与持续时间有关. 20 如图T3和图T4 .
∑（L5/S1腰骶间盘力矩）=0 （5-7）
∑（L5/S1腰骶间盘受力）=0 （5-8）
图5-3 力学静止平面模型
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解得腰骶间盘所受的压 主要因素：货物的重力和货 力达到5458N，大多数工 物的位置到脊柱重心的距离。 其它因素还有：躯体扭转的角 人的腰骶间盘都无法承受 度、货物的大小和形状、货物 这个压力水平。 移动的距离等。 举物时腰部的生物
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2. 骨杠杆
根据支点，力点（动力点）、重点（阻力 点） 三者不同的位置分布，分为：见图5-1 （1）平衡杠杆 （2）省力杠杆 （3）速度杠杆：用力大，但运动速度快 由等功原理，得之于力则失之于幅度， 反之亦然。因此，最大的力量与最大的运动 . 3 范围两者是相矛盾的，在设计操纵动作时，
（a）平衡杠杆（b）省 力杠杆（c）速度杠杆
缩时产生的力称为肌肉力。人的一条肌纤维所
发挥的力量约为0.01～0.02N，肌力是多条肌
纤维的收缩力总和。人体肌肉的生理特征。见
表5-2
2、操作力：在作业中，为了达到操作效果， 操作者有关部位（手、脚、躯干等）所施出的 一定大小的力。
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表5—2
身体主要部位肌肉所产生的力（单位：N，20～30岁）
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图5-1 人体骨杠杆
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5.2人体生物力学模型 5.2.1 人体生物力学建模原理 生物力学模型是用数学表达式表示人体机械组 成各部分之间的关系。在这个模型中，肌肉骨骼系 统被看做机械系统中的联接，骨骼和肌肉是一系列 功能不同的杠杆。生物力学模型可以采用物理学和 人体工程学的方法来计算人体肌肉和骨骼所受的力 ，通过这样的分析就能帮助设计者在设计时清楚工 作环境中的危险并尽量避免这些危险。
（a）挖沟作业示意图
. 15
（b）开渠机驾驶舱（正视图）
. 16
（1）操作手柄的布 置要使人在操作时 的各个关节在舒适 的调节范围内。 （2）在机器的纵向 布置上，要方便操作 者观察。减少颈部和 腰部的疲劳。
（c）开挖沟渠作业时操作人员的姿势
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5.3.2 肢体的出力范 1、肌力：肌肉的力量来自肌肉收缩，肌肉收 围
可知大约在70°处 可达最大值，即产生相 当于体重的力量。这正 是许多操纵机构（例如 方向盘）至于人体正前 上方的原因所在。
180°
图5-5 立姿弯臂时的力量分布
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拉力
推力
最大拉力产生在180°位置上 最大推力产生在0°位置上 。 。 返回 图5-6 立姿直臂时拉力和推力分布
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图T1 坐姿时手臂的操纵力的测试方位 返回
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生物力学模型的基本原理建立在牛顿的三大定 律上：
（1）物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或 静止状态； （2）物体的加速度跟所受的合外力大小成正比； （3）两个物体之间的作用力和反作用力总是大小 相等，方向相反，作用在一条直线上。
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当身体及身体的各个部位没有运动时，可认为 它们处于静止状态。必须满足以下条件：作用在这 个物体上的外力大小之和为零；作用在该物体上的 外力的力矩之和为零。 单一部位的静止平面模型（又称为二维模型） ，通常指的是在一个平面上分析身体的受力情况。 静止模型认为身体或身体的各个部分如果没有运动 就处于静止状态。