骨生物力学

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骨骼生物力学

骨骼生物力学

骨骼生物力学骨骼生物力学是研究人体骨骼、肌肉和关节的力学特性和生物学特性的学科。

骨骼生物力学的研究目的是深入了解人体各部位的受力和运动方式,为设计和改进医疗器械、康复措施以及体育装备等提供科学依据。

骨骼生物力学研究的主要内容分为以下几个方面:一、关节力学关节是人体各种运动的关键部位。

骨骼生物力学研究关节的力学特性,为临床治疗和日常运动提供科学依据。

例如,对于人工关节置换手术,研究关节的力学特性可以帮助选型、设计和植入适当的骨头和关节假体,提高手术成功的概率。

二、运动生理学骨骼生物力学研究人体运动的生理学效应,例如运动对肌肉和骨骼的适应性变化,对身体的代谢和血液循环的影响等。

这方面的研究可以帮助设计合理的锻炼方案,探究运动与应激、免疫系统等方面的关系。

三、肌肉生理学肌肉是人体最重要的组织之一。

骨骼生物力学研究肌肉的力学特性和生理学特性,可以揭示肌肉对力量、速度、反应时间等方面的影响,可以更好地帮助设计锻炼方案和康复措施,探究肌肉对心血管、内分泌、神经等各个系统的影响。

四、骨骼生长和再生骨骼生长和再生是人体生长、发育和修复过程中的一个重要环节。

骨骼生物力学研究骨骼的生长和再生机制,为解决各种骨质疾病和骨创伤提供一种可能的治疗途径。

例如,通过认识骨骼生长的机制,可以研发促进骨生长的药物或疗法;通过骨骼再生的研究,可以进一步开发出更为安全和有效的骨质修复材料和方法。

总之,骨骼生物力学的研究范围广泛,有着重要的临床和科研价值。

通过对人体骨骼、肌肉和关节力学和生理学的认识和研究,能够更好地理解人体的运动和生理过程,为健康保健和医疗治疗提供更好的科学依据。

骨生物力学(4学时)

骨生物力学(4学时)
功能。它在日常生活(daily life) 、工作
( occupation )、健康保健( health maintenance )
和医生对病人治疗(medical patient care)方面的应
用被很好的认识并且有高度的有效性和实用性。
骨骼生物力学是生物力学的重要分支,尽管骨力学的 研究已有上百年的历史,但至今仍有许多问题处于 有待深入研究的状态。
绪论绪论骨力学与骨伤科疾病的关系骨力学与骨伤科疾病的关系骨材料的力学特性骨材料的力学特性及其实验研究方法及其实验研究方法骨质疏松症骨质疏松症骨折治疗与临床应用骨折治疗与临床应用绪论绪论骨力学与骨伤科疾病的关系骨力学与骨伤科疾病的关系骨材料的力学特性骨材料的力学特性及其实验研究方法及其实验研究方法骨质疏松症骨质疏松症骨折治疗与临床应用骨折治疗与临床应用骨骼生物力学的临床应用举例第一节绪论第一节绪论一一
de Vinci, Vesalius Galileo, Borelli Newton, Harvey Marey, Stenonivs, Bell, Duchenne, etc.
(3)分析时期(Analysis Period)
从1850年到1930年,这是一个用理论和实验方法对人类和动物骨骼肌肉 系统进行广范分析的时期。俄国、德国和法国各专业学派均致力于这方 面的研究,他们主要是从基础科学的观点结合有限的医学应用进行研究。 由德国的Wolff和Roux、美国的Koch和几个其他的研究者建立了各种有 关于骨骼结构与其负力功能之间的相关性理论。丹麦的Stenonis进行了 类似骨骼而与肌肉相关的研究。Bernstein在1926年出版了他的有关 “生物力学”的论文,文中对长骨、下肢及颞下颌关节负荷力及人类步 态分析进行了大量研究。尽管这些以肌肉骨骼生物力学为主题的理论研 究是非常重要而具革命性,但这些研究在这个时期面临各种困难,主要 是因为欧美各国正面临如火如荼的工业革命期间,它吸引了众多科学和 工程方面的人才并用尽了所有的研究发展投资的基金。医疗和生物研究 与应用也受到同样的影响,因为大多数的医师随着无菌技术的进展和麻

骨骼的生物力学

骨骼的生物力学
骨骼模型的应用
骨骼模型在人体工程学、康复医学、假肢设计等领域有广泛应用, 为相关研究和产品设计提供依据。
骨骼模型的验证与优化
通过实验数据验证模型的准确性和可靠性,并根据实际需求对模型 进行优化和改进。
假肢设计的生物力学基础
假肢设计的需求分析
01
了解截肢者的功能需求和身体状况,为个性化假肢设计提供依
高精度测量技术
研发高精度、非侵入性的测量 技术,用于实时监测骨骼的力
学状态和变化。
创新实验方法
发展新型实验方法,模拟人体 骨骼在不同生理和病理状态下 的力学行为。
数据处理与分析
建立高效的数据处理和分析方 法,处理大规模的生物力学数 据,挖掘其中有价值的规律和 信息。
伦理与法律问题
关注骨骼生物力学研究中的伦 理和法律问题,确保研究的合
据。
假肢的生物力学特性
02Байду номын сангаас
研究假肢与人体骨骼、肌肉和神经系统的相互作用机制,确保
假肢能够实现自然、舒适和高效的运动。
假肢材料与工艺
03
选择合适的材料和工艺制作假肢,确保其耐用性和功能性,同
时考虑成本和美观因素。
05
骨骼生物力学的未来发展
骨骼生物力学的跨学科研究
生物学与医学
深入研究骨骼生物力学与生物学、 医学的交叉领域,探索骨骼生长、
分类
根据部位可分为颅骨、躯干骨和四肢 骨。
结构
骨骼由骨皮质和骨松质组成,内部有 骨髓腔和血管、神经等通道。
骨骼的生长与发育
生长
骨骼通过骨细胞不断增生和骨化,使骨骼逐渐增粗和变硬。
发育
骨骼的发育与生长激素、甲状腺激素等激素有关,同时受到 遗传因素的影响。

骨科生物力学

骨科生物力学
脊柱失稳
脊柱失稳是指脊柱在承受外力时发生异常位移或变形,可能导致疼痛 和功能障碍等症状。
脊柱疾病生物力学研究及治疗策略
脊柱疾病的生物力学研究
通过对脊柱疾病的生物力学研究,可以深入了解疾病的发生机制和发展过程,为制定有效 的治疗策略提供依据。
脊柱疾病的治疗策略
根据脊柱疾病的类型和严重程度,可以采取保守治疗、药物治疗、物理治疗、手术治疗等 多种治疗策略。
骨骼为人体提供支持和保护,维持身体姿势 和稳定。
造血和免疫
红骨髓具有造血功能,黄骨髓则具有免疫作 用。
运动功能
骨骼与肌肉、关节等协同作用,实现人体的 运动功能。
储存矿物质
骨骼是体内重要的矿物质储存库,尤其是钙 和磷。
骨骼损伤与修复机制
骨骼损伤类型
损伤修复过程
骨折、骨裂、骨挫伤等 是常见的骨骼损伤类型。
生物力学在治疗骨折、关节置 换、脊柱矫形等骨科手术中发 挥着重要作用,手术方案的设 计和实施需要考虑生物力学因 素,以确保手术效果和患者康 复。
在康复医学中,生物力学评估 和治疗手段可以帮助患者恢复 骨骼、肌肉和关节的正常功能 ,提高患者的生活质量。
通过对人群的生物力学指标进 行监测和评估,可以为骨科疾 病的预防提供科学依据。
纤维关节
骨性关节
由骨组织连接,如颅骨的骨连接,几 乎无活动性。
由纤维结缔组织连接,如韧带关节和 缝合关节,运动范围较小。
关节运动学与动力学分析
运动学分析
01
研究关节在三维空间中的运动轨迹、速度和加速度等,揭示关
节运动规律。
动力学分析
02
研究关节在运动过程中的力学特性和相互作用,包括力矩、功
率和能量等。
肌肉-骨骼系统分析

骨的生物力学

骨的生物力学

骨的生物力学01骨对外力作用的反应02骨结构的生物力学特征03运动对骨力学性能的影响04骨的运动损伤及防治目录| Contents3骨的生物力学人体运动的“硬件”是以骨骼为杠杆关节为枢纽,肌肉收缩为动力的运动系统运动系统受神经中枢“软件”的控制通过内力和外力的相互作用完成目标动作和适应外界环境变化4骨对外力作用的反应拉伸压缩弯曲剪切扭转复合载荷根据外力外力作用的不同,人体骨骼的受力可分为以下几种形式5应力作用于作用于骨的力不同其内部分别会产生相应的应力,如压应力、拉压力等应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用对于骨来说,存在一个最佳的应力范围6应变初始长度L 0力F形变应变=形变初始长度骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比的7应变-应变曲线8骨结构的生物力学特征特征一即其力学性能对成分和结构的具有较强的依赖性特征二壳形(管形)结构(以长骨为例)特征三均匀强度分布下肢骨应力分布曲线,与骨小梁的排列十分相近9骨结构的生物力学特征10运动对骨的力学性能的影响•适宜应力对骨的力学性能的良好影响•1、体育锻炼对骨的力学性能的良好影响•2、不同运动项目对骨的力学性能的影响•3、适宜应力原则骨折的断裂形式及载荷方式骨折受拉伸载荷所致骨折受压缩载荷所致骨折受弯曲载荷所致骨折受剪切载荷所致实际情况下的骨折绝大部分是由复合载荷引起的13骨折治疗的生物力学原理充分利用生理功能状态下的力学状态去控制骨重建在治疗的过程中应遵循一条生物力学原则而不要干扰或尽量减少干扰骨应承受的力学状态常见运动性骨损伤生物力学分析剧烈运动存储能量的能力的丧失步态改变载荷失常改变应力分布加强压力复合斜行裂缝斜行骨折骨骼分离横行裂缝加强张力横行骨折疲劳骨折谢谢欣赏。

骨骼的生物力学

骨骼的生物力学

*骨的载荷 *(一)骨的载荷 * 载荷即为外力,是一物体对另一物体的作用。 * 人体在运动或劳动时,骨要承受不同方式的
载荷。
*当力和力矩以不同方式施加于骨时,骨将受到拉
伸a、
*压缩b、弯曲c、剪切d、扭转e和复合f等载荷。
* 持续载荷对骨也会产生一定的影响。 * 即骨受到持续低载荷作用一段时间后,其组织会
*
其机制主要是骨单位的斜行破裂。
*
如运动员在单杠失手或跳伞落地技术不正确时所导致的胸腰椎骨折,其原因大多是由高处落下臀部
着地时受瞬间冲力引起。瞬间冲力沿纵向挤压,产生椎体的压缩骨折,椎体在高压缩载荷下发生缩短且
变宽。
* 压缩载荷所致的骨折常见于椎体
* 3.骨受剪切载荷所致的骨折
* 当一对相距很短、方向相反的力的作用于骨时
* 种类:根据作用于骨的力不同,其内部分别会产生相
*
应的应力,如压应力、拉压力等。
*
* 作用:应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用,
*
应力不足会使骨萎缩,应力过大也会使骨萎缩。
*
因此,对于骨来说,存在一个最佳的应力范围。
*(二)应变 * 概念:骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形。 * 其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比,即形变量与原
坚固性,具有抗压能力。
* 3.抗压力强、抗张力差
* 骨对纵向压缩的抵抗最强,即在压力情况下不易损
* 坏,在张力情况下易损坏。
*
4.耐冲击力和持续力差
* 骨对冲击力的抵抗比较小。同其他材料相比,其持续性能、
耐疲劳性能较差。
* 5.应力强度的方向性
* 皮质骨与松质骨的结构不同,承受的力量及两者的刚
* 度也不同。

骨的生物力学名词解释

骨的生物力学名词解释

骨的生物力学名词解释骨骼系统是人类身体中最为重要的组成部分之一,它提供了机械支持和保护内脏器官的功能。

而骨的生物力学则是研究骨骼系统在生理和力学条件下的结构和功能特性的科学领域。

本文将对一些与骨生物力学相关的名词进行解释和论述。

1. 力学负荷力学负荷是指施加在骨骼系统上的外部力量,可以分为静态负荷和动态负荷。

静态负荷是指持续施加在骨上的力,如身体的自身重力;而动态负荷则是施加在骨上的周期性力,如行走、奔跑等活动中的冲击力。

了解和研究力学负荷对骨骼系统的影响,有助于预防和治疗与骨相关的疾病,例如骨质疏松症和骨折。

2. 骨强度与韧度骨强度是指骨骼对负荷的抵抗能力,也是衡量骨质的稳定性和健康状况的重要指标。

骨骼强度受多种因素影响,包括骨量、骨窗口和骨质量的分布。

骨韧度则是指骨骼对应力和应变抵抗的能力,即骨骼恢复原始形状的能力。

骨强度和韧度的平衡对骨的健康至关重要,过度强度可能导致骨折,而过度韧度可能导致变形。

3. 组织力学组织力学是研究骨骼系统组织结构与功能之间关系的分支学科。

它涵盖了骨骼系统的多层级结构,包括骨骼单位、骨皮质和骨中质等。

通过研究材料力学和结构功能之间的关联,组织力学揭示了骨组织的力学性能以及其适应性调节的机制。

这项研究有助于我们更好地理解骨折恢复和骨质疏松症等骨骼疾病的形成机制。

4. 生物力学模型生物力学模型是描述骨骼系统行为的数学和计算模型,它使用物理原理和数学方程来模拟骨骼在不同力学负荷下的响应。

这些模型可以提供关于骨骼加载的定量分析,从而对骨骼系统的结构和功能进行研究。

生物力学模型的开发和应用有助于提高对骨骼损伤和疾病的诊断、治疗和康复的效果。

5. 力位移曲线力位移曲线是研究骨骼在受到力学负荷时如何变形的重要工具。

它可以描述骨骼的弹性、塑性和断裂等力学行为。

通过对力位移曲线的分析,可以评估骨骼组织的力学性质,如骨折治愈过程中的骨组织再生和骨移植的成功程度等。

6. 剪切力与压力剪切力是指施加在骨骼上的垂直于骨轴向的外部力,而压力则是指与骨轴向平行的外部力。

骨生物力学测试实验流程和步骤报告

骨生物力学测试实验流程和步骤报告

骨生物力学测试实验流程和步骤报告骨生物力学测试实验报告一、测试项目骨的力学性质实验:弯曲与压缩二、实验流程首先的是骨的弯曲试验,骨在与轴垂直方向上受力会产生弯曲变形,骨的弯曲实验比轴向拉伸或压缩以及剪切实验困难,因为在弯曲时的应力有拉应力、压应力和剪应力,而且它们都是非均匀分布的。

骨的弯曲实验分为整骨(长骨)和试样两种。

通过实验可测定骨承受弯曲时各横截面上的正应力分布、弯曲强度和挠度。

对于长骨的整骨弯曲实验,将骨简化为等厚的椭圆环行横截面的直杆。

实际上任何长骨都木是直的,且横截面的变化都很大,也不等厚;而且在弯曲实验时,将伴随着扭转,实验中一般用骨水泥固定骨的两端(边界夹持),可以减少扭转效应。

由于骨是由密质骨、松质骨、血液、骨髓等物质组成,因此,整骨弯曲实验只能反映整骨的抗弯力学性能。

骨弯曲实验的标准试样的横截面多为矩形,试样长和截面的高和宽的尺寸选取不一,长度10~80mm,宽度2.5~3.6mm,高1.2~2.5mm。

实验条件和方法对测得的弯曲强度极限、最大挠度和弹性模量等有着不同程度的影响。

用整骨实验和骨试样实验测得的弯曲强度极限不同,例如对肱骨,整骨实验的弯曲强度极限为143.6MPa,而用试样的实验结果为195MPa。

标准试样选自同一骨的不同部位,测得的弯曲强度也不同。

试样的方向性对弯曲强度也有较大的影响,平行于骨轴方向的试样其弯曲强度显著大于垂直于骨轴的试样。

整骨实验测得人体湿骨的弯曲力学性质,实验结果表明,弯曲破坏载荷以股骨最高,而且破坏发生在弯曲拉应力一侧;弯曲强度以尺、桡骨最高;弹性模量以股骨最高;最大挠度为胖骨,而在本实验中,所用材料为猪的肋骨。

三点弯曲实验是材料性能测试中常采用的一种方法,通过该方法可以方便的获得材料的弯曲强度和弯曲模量。

压缩实验的骨试样较小,例如,长方体试样长为5mm,横截面为1mm x1.3mm。

若是新鲜或湿骨试样置于生理盐水中,进行拉伸或压缩实验。

压缩力在骨内产生压应力和压应变,骨受压缩后缩短。

骨科生物力学

骨科生物力学

抗张性
骨骼能够抵抗拉伸和扭曲 力,保持身体的完整性和 运动能力。
弹性
骨骼具有一定的弹性,能 够在一定程度上吸收和分 散外力,减少损伤。
骨骼的生物力学模型
有限元分析
通过将骨骼划分为有限个元素,并分 析这些元素在各种外力作用下的反应, 可以预测骨骼在各种情况下的行为。
生物力学实验
数值模拟
利用计算机技术模拟骨骼在各种外力 作用下的行为,可以预测骨骼在不同 情况下的响应,为骨科疾病的诊断和 治疗提供依据。
通过实验方法测量骨骼在不同外力作 用下的响应,可以了解骨骼的实际生 物力学特性。
03
关节的生物力学特性
关节的结构与功能
总结词
关节的结构与功能是相互关联的,其结构决定了其功能,而功能的需求又会影 响其结构的发展。
详细描述
关节的结构复杂,包括骨骼、软骨、韧带、肌肉等组织,这些组织协同工作, 使关节能够进行各种运动。关节的功能主要包括运动、支撑和缓冲等。
运动医学
骨科生物力学在运动医学领域的应用主要涉及运动损伤的 预防和治疗,如肌肉拉伤、韧带撕裂、骨折等。
康复工程
在康复工程中,骨科生物力学可以帮助设计康复训练设备 ,制定康复治疗方案,提高康复效果。
骨关节炎治疗
骨科生物力学可以帮助理解骨关节炎的发病机制,为骨关 节炎的治疗提供理论支持和实践指导。
骨科生物力学的发展历程
位。
应力分散
内固定物应能够分散骨折部位的应 力,降低局部应力集中,减少骨折 端的活动。
材料选择
内固定物的材料应具备足够的强度 和耐久性,能够承受骨折愈合过程 中的生理应力。
外固定物的生物力学原理
稳定性
外固定物应提供足够的稳定性, 保持骨折部位的固定和位置。

第三章《骨肌肉力学特性 及人体基本活动形式》

第三章《骨肌肉力学特性 及人体基本活动形式》
13
二、在体肌收缩生物力学
▪ (一)肌肉的激活状态:肌肉兴奋时其收缩成分力学状态的变 化。
▪ 肌肉进入激活状态后,收缩元兴奋产生张力,起初被串联弹 性元的形变所缓冲。当串联弹性元的形变和张力进一步发展, 整块肌肉的张力达到一定程度后,收缩元主动张力才能直接对 肌肉起止点施力,表现出肌肉收缩力。
2
载荷——变形曲线显示出确定结构强度的三个参数:
①结构在破坏前所能承受载荷; ②结构在破坏时发生的变形; ③结构在破坏前所储存的能量
由载荷与形变所表达的强度, 用极限断裂点来表示。由能量 贮存所表达的强度,则一整个 曲线下方的面积大小来表示。 此外结构的刚度,则用弹性范 围的曲线斜率来表示。
载荷——变形曲线可以用于测定大小不同、形状和性质不同 物体的强度和刚度。(但必须是试件和试验条件标准化。)
▪ (2)多个模型并联而成的肌肉:各个模型受外力 之和等于肌肉外力,而肌肉的变形与模型变形相等。 因此,肌肉生理横断面的增加,导致收缩力的增加, 但不影响其收缩速度。
12
▪ (二)肌肉结构力学模型的性质 ▪ 1、肌肉张力 —— 长度特性 ▪ A→肌肉被动张力为零时,肌肉所
能达到的最大长度称为肌肉的平 衡长度。 ▪ B→收缩元的张力随长度变化,表 现最大张力时的长度称肌肉的静 息长度,约为平衡长度的125%。 ▪ 2、Hill方程(肌肉收缩力—速度 曲线) ▪ V=b(T0-T)/(T+a); ▪ T=a(V0-V)/(V+b)
弹性。
当收缩元兴奋后,使肌肉具有弹性。
▪ 总张力=主动张力+被动张力
11
▪ 2、模型的串联构成肌肉的长度;
并联构成肌肉的厚度。
▪ (1)多个模型串联而成的肌肉:每个模型受外力

骨骼肌肉生物力学一般知识

骨骼肌肉生物力学一般知识

骨骼肌肉系统生物力学一般知识一、骨骼生物力学(一)一般知识骨骼系统是人体重要的力学支柱,不仅承受着各种载荷,还为肌肉提供可靠的动力联系和附着点。

骨组织主要由骨细胞、有机纤维、粘蛋白、无机结晶体和水组成。

其生物活性来源于骨细胞。

胶原纤维借助粘蛋白的结合形成网状支架,微小的羟磷灰石晶粒充填于网状支架并牢固的附着与纤维表面,这种结构具有较好的弹性和韧性,还具有较大的强度和刚度,胶原平行有序排列并与基质结成片状骨板,是形成密质骨的单元。

胶原与基质粘附交错无序则形成棒状骨小梁,是形成疏质骨的单元。

其力学性质受人的年龄、性别、部位等因素影响。

骨的变形以弯曲和扭转最为常见,弯曲是沿特定方向上连续变化的线应变的分布,扭转是沿特定方向上的角应变的连续变化。

骨骼的层状结构充分发挥了其力学性能。

(二)应力对骨生长的作用应力刺激对骨的强度和功能的维持有积极的意义,骨是再生和修复的生物活性材料,有机体内的骨处于增值和再吸收两种相反过程中,此过程受很多因素的影响,如应力、年龄、性别以及某些激素水平,但应力是比较重要的因素。

研究表明,骨胳都有其适宜的应力范围,应力过高或过低都会使其吸收加快。

一般认为,机械应力对骨组织是有效地刺激。

骨的力学特性是由其物质组成、骨量、和几何结构1决定的,当面临机械应力刺激时,常常出现适应性的变化,否则将会发生骨折。

负重对维持骨小梁的连续性、提高交叉区面积起积极作用施加于骨组织上的机械应力可引起骨骼的变形,这种变形导致成骨细胞活性增加,破骨细胞活性抑制。

如瘫痪的患者,骨胳长期缺乏肌肉运动的应力作用,使骨吸收加快,产生骨质疏松。

另外,失重也可造成骨钙丢失。

骨的重建是骨对应力的适应,骨在需要应力的部位生长,在不需要的部位吸收。

制动或活动减少时,骨缺乏应力刺激而出现骨膜下骨质吸收,骨的强度降低。

相反,反复承受高应力的作用,可引起骨膜下的骨质增生。

二、肌肉的生物力学(一)肌肉的分型骨骼肌按其在运动中的作用不同,分为原动肌、拮抗肌、固定肌和协同肌。

骨骼生物力学

骨骼生物力学

1.AO原则 (Arbeit Fuer Osteoosynthese )
• a.骨折的复位与重建 • b.(牢固)---稳定的固定和骨折块间的加压 • c.无创或微创手术,尽可能保留骨折端的血
液供应 • d.早期功能锻炼
• AO派的理论对骨折内固定技术的发展起到 了一定的推动作用,改变了过去使用夹板、 钢丝、普通钢板等的非坚固内固定方法, 动力加压钢板等坚固内固定技术被越来越 多的采用
b.点状接触钢板(Pc-Fix)
• 钢板与固定骨仅以点状接触。
c.非接触钢板(NCP)
• 置于骨旁,皮下或皮外,螺钉近似于螺杆 呈正方形平台,而无螺帽。
d.桥接钢板(bridging platie)
• 严重粉碎的骨干骨折或确有缺损者,用桥 接钢板固定,主要是维持其长度和对线。
e.锁定钢板
• 锁钉钢板临床常用于: 1.干骺端骨折 2.骨质疏松骨折 3.微创技术 临床上又根据锁定板的特点提出了:长钢 板,少螺钉的固定理念。
3.软骨特性
• (1)负荷变形, • (2)张力 • (3)磨损:易疲劳性材料
骨折治疗的生物力学
• 接骨术必须符合生物学和力学原则:(1) 血供;(2)维持骨的生理和力学环境
• 理想的骨折固定方法应符合弹性固定原则, 使骨折间隙具有一定主动或被动的可操作 性,从而有利于重复初始骨痂反应。
• 一定的活动量和骨折愈合并不矛盾。
• 体现了BO新概念。
(3)外固定支架
(4)髓内钉固定 intra medullary rod medullary nail
(5)微创内固定系统
• (Less Invasive Stabilization System,LISS) • 是AO基于微创外科的原则,吸取交锁髓内

17.骨与骨骼肌的生物力学特性

17.骨与骨骼肌的生物力学特性


复合载荷:人体髋关节的股骨颈断裂时,它是压、弯、剪
切力3种载荷的复合。又如,人体胫骨在步行状态时,在
胫骨上的载荷往往也是在变的,它也是几种载荷的复合。

骨受冲击载荷的特点:损伤的程度一方面取决于冲击载荷 具有的能量大小,另一方面还取决于冲击载荷的作用时间。 发现头颅骨耐冲击能力要比长骨高40%左右,其原因一方
一、离体肌肉的生物力学基础

肌肉的组织结构和生物学性质决定了肌肉的机能,肌肉 机能的变化亦会对其结构产生影响。因此,对肌肉组织 结构和生物学的研究是对肌肉生物力学特性的基础研究
之一,为反映肌肉的生物力学特性,建立用于描述肌肉
力学特性的模型。
肌肉的组织结构

肌肉的组织结构和生物 学性质决定了肌肉的机 能,肌肉机能的变化亦 会对其结构产生影响。 因此,对肌肉组织结构 和生物学的研究是对肌 肉生物力学特性的基础 研究之一,为反映肌肉 的生物力学特性,建立 用于描述肌肉力学特性 的模型。
图3-3肌节长度与等长张力 关系(Gordon 1966)
并联弹性元(PEC)力——长度曲线 肌肉总张力——长度曲线 (A为平衡长度;B为净息长度)
2.肌肉力(F)—速(V)关系

1938年Hill的经典工作奠定 了肌肉力学基础,他按照热 力学定律建立了反映肌肉收 缩力-速度特性的方程:
( F a) (V b) ( F0 a) b

该曲线说明:在一定的范围内,肌肉收缩产生的张力 和速度大致呈反比关系;当后负荷增加到某一数值时,
张力可达到最大,但收缩速度为零,肌肉只能作等长
收缩;当后负荷为零时,张力在理论上为零,肌肉收 缩速度达到最大。肌肉收缩的张力-速度关系提示,要 获得收缩的较大速度,负荷必须相应减少;要克服较 大阻力,即产生较大的张力,收缩速度必须缓慢。

骨、关节、肌肉的生物力学

骨、关节、肌肉的生物力学

骨、关节、肌肉的生物力学第一节骨的生物力学人体共有206块骨,其功能是对人体起支持、运动和保护的作用。

骨的外部形态和内部结构不论是从解剖学还是生物力学的角度来看,都是十分复杂的。

这种复杂性是由骨的功能适应性所决定的。

骨的功能适应性,是指对所担负工作的适应能力。

从力学观点来看,骨是理想的等强度优化结构。

它不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷(力)的优越性,而且在外力条件发生变化时,能通过内部调整,以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。

一、骨的生物力学特征(一)骨对外力作用的反应1.骨对简单(单纯)外力作用的反应(1)拉伸:拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷,在骨内部产生拉应力和拉应变。

例,单杠悬垂时上肢骨的受力。

(2)压缩:压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷,在骨内部产生压应力和压应变。

例,举重举起后上肢和下肢骨的受力。

(3)弯曲:使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。

在弯曲负荷下,骨骼内不同时产生拉应力(凸侧)和压应力(凹侧)。

在最外侧,拉应力和压应力最大,向内逐渐减小,在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“。

例,负重弯举(杠铃)时前臂的受力。

(4)剪切:标准的剪切载荷是一对大小相等,方向相反,作用线相距很近的力的作用,有使骨发生错动(剪切)的趋势(图3-1),在骨骼内部的剪切面产生剪应力。

例,人体运动小腿制动时,股骨髁在胫骨平台上的滑动产生剪应力。

(5)扭转:骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷,在骨的内部产生剪应力。

例,掷铁饼出手时支撑腿的受力。

2.骨对复合(实际)外力作用的反应在人体运动中,受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见,大量出现的是复合载荷。

复合载荷即是同时受到上述两个或两个以上的载荷作用(分别以人行走和小跑时成人胫骨前内侧面的应力为例)。

(二)骨结构的生物力学特征骨的结构被广泛认为通过进化过程得到了最优化的设计:即在特定的载荷环境下得到重量最轻的结构。

骨组织的生物力学

骨组织的生物力学

至骨胶原间隙区域内形成的鳌合物。
(二)影响骨钙化的因素 影响骨钙化的主要因素有: 1.胶原 骨胶原含有丝氨酸和甘氨酸,大量的丝氨酸以 磷酸丝氨酸盐的形式存在,在胶原基质的纤维上、纤维内与钙 离子结合或与磷离子结合,形成羟磷灰石结晶。 2.粘多糖类 粘多糖是大分子的蛋白多糖类物质,这种 蛋白多糖复合物和钙化作用有关。酸性蛋白多糖的游离阴离子 可选择性结合钙离子,减少羟磷灰石结晶的形成,从而抑制钙 化作用。当蛋白多糖被酶分解后,即可解除该抑制作用。 3.基质小泡 是由成骨细胞向类骨质中所释放的小泡, 泡内含钙、小的骨盐结晶和钙结合蛋白。 基质小泡是使类骨质钙化的重要结构。基质小泡出现时, 可增加磷酸钙的沉淀。基质小泡中所含的各种酶可通过多种途 径促进软骨钙化。
(二)骨的形状 根据骨的外部形状,一般将其分为 长骨、 短骨、 扁骨、 不规则骨四种。
二、骨的结构 (一)器官水平的骨结构
在器官水平的基础上可将骨分为 骨膜、 骨质、 关节面软骨、 骨髓及血管、神经等。
骨的结构
1.骨膜 分骨外膜与骨内膜。 1)骨外膜:覆盖于除关节面外的骨外表面。
富有血管、神经及淋巴管,对骨的营养、新生及感觉有 重要意义。膜内有成骨细胞,其细胞在幼年期非常活跃,进 行分裂繁殖,可分化为成骨细胞直接参与骨的生成。到成年 期转为静止状态,但能终生保持分化能力。当发生骨的
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。
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★力和变形之间的关系,反映了完整骨的结构行为。 在中等量负荷时,负荷骨会出现变形,当负荷去除时, 骨的原有形状和几何学结构便恢复。 如果骨骼系统遭受严重创伤,超过了其所能承受的负 荷,则会引起严重变形,并可能发生骨断裂。 ★决定骨断裂抵抗力和变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点,及组成骨组织的材 料特性等。 骨所承受的力越大,引起骨的变形就越严重,而且易引 起骨的断裂。骨在承受轴向力(axialforce)与承受弯曲 (bending)或扭转力(torsionalforce)方面存在有很大 差异。 ★大骨抵抗力的能力优于小骨。
3.抗压力强、抗张力差 骨对纵向压缩的抵抗最强,即在压力情况下不易损 坏,在张力情况下易损坏。 4.耐冲击力和持续力差 骨对冲击力的抵抗比较小。同其他材料相比,其持续性 能、耐疲劳性能较差。 5.应力强度的方向性 皮质骨与松质骨的结构不同,承受的力量及两者的刚 度也不同。 皮质骨的刚度比松质骨大,变形程度则较之要小。 两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。
当骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变 的极限时,便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。
(三)应力-应变曲线 表示应力和应变之间的关系。 应力-应变曲线分成两个区:弹性变形区和塑性变 形区。 在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变(如 骨折)。 弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点。 该点对应的应力是产生骨最大应力的 弹性形变,亦称为弹性极限。 塑性区:屈服点以后的区。 此时已出现结构的损坏和永久变形。 当载荷超过弹性极限后,骨发生断裂即骨折。
★导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。
★在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模 量(Young‘s Modules),表示材料抗形变的能力。 一般而言,弹性模量是一个常数。 弹性模量越大,产生一定应变所需的应力越大。
(四)骨应变能量
概念:达到极限负荷时的应力-应变曲线下面的 面积表示导致骨折所需要的能量。 一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形,是弹性 区内骨所能承受应力的大小。 当外力去除后,弹性区内的能量能同时被骨释 放,使骨恢复原状。 但当骨不断受到外力重复作用时,其应变能量 不能被及时完全释放,经积累后可能会损坏材料 的结构,临床上则表现为疲劳性骨折。
2.骨密质在受载时的生物力学特性 人类骨骼80%是皮质骨。 在受载时与骨松质相比,骨密质在断裂前应变较 小,其应变超过原长的2%时就发生断裂,而骨松质 的应变超过7%时才断裂,这与密质骨的疏松度及能 量储存能力较松质骨小有关。
3.骨松质在受载时的生物力学特性
骨松质具有多孔结构而具有较高的能量储存能力。 (1)骨松质的结构特点: 骨松质由针状或片状骨小梁相交织成网状结构。 其显微结构分为四种基本结构类型: 针状非对称形开放网格、 片状非对称形封闭网格、 针状圆柱体形开放网格、 片状圆柱体形封闭网格。
即骨受到持续低载荷作用一段时间后,其组织 会产生缓慢变形或蠕变。 在加载后的最初数小时(6~8小时),其蠕变 现象最显著,随后蠕变的速率则会降低。 一般而言,骨承受压力负荷的能力最大,其次 是拉力、剪切力和扭转力。 骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。
(二)骨的基本变形
骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的 变形,如腰脊柱前凸即是受力变形。 根据骨骼受载形式及受载后的变形形式,一般 可将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等 五种基本变形。
(二)骨受载时的生物力学特性
1.骨对应力的反应 骨对生理应力刺激的反应一般处于平衡状态, 应力越大,骨的增生和密度越大,最终,又提 高了骨的生理应力能力。 1)密质骨对应力的反应: 密质骨具有很高的强度,其抗压强度大于骨松质, 可承受较大的压缩应力。
2)松质骨对应力的反应: 骨松质的疏松度为30%~90%, 其应力—应变特征与密质骨有很大差异。 松质骨在屈服之后,骨小梁进行性断裂,使拉力 负荷很快减低,低于应变水平。 松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。
骨的生物力学
一、骨的承载能力
衡量骨承载能力的三要素: 第一,要求骨有足够的强度。 即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。 第二,要求骨有足够的刚度。 即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。 第三,要求骨有足够的稳定性。 即指骨保持原有平衡形态的能力。
二、骨的载荷及变形
人体在日常生活与运动中都会对机体的每块骨 产生复杂的力。 即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。3)骨松质粘弹性 Nhomakorabea质与蠕变
骨松质具有粘弹性性质和蠕变性质,在一定应力作 用下,其蠕变将随时间而变化,蠕变在开始时速度快, 继之变慢,最后速度又变快。
五、骨折的生物力学 骨的完整性或连续性中断时称骨折。 其常见原因有直接暴力、间接暴力、肌拉 力、积累劳损及骨骼疾病。骨折往往与骨 所受的拉伸、挤压、弯曲等载荷密切相关。
2.骨受压缩载荷所致的骨折
其机制主要是骨单位的斜行破裂。 如运动员在单杠失手或跳伞落地技术不正确时 所导致的胸腰椎骨折,其原因大多是由高处落下臀 部着地时受瞬间冲力引起。瞬间冲力沿纵向挤压, 产生椎体的压缩骨折,椎体在高压缩载荷下发生缩 短且变宽。 压缩载荷所致的骨折常见于椎体。
骨的生物力学
河南中医学院第一附属医院 康复中心 郭健
学习目标
1.掌握骨的应力、应变、骨的载荷和变形; 2.掌握骨的功能适应性原则; 3.熟悉骨的生物力学特征; 4.熟悉运动对骨形态结构的影响及作用原理; 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
一、骨的承载能力
二、骨的载荷与变形 三、骨的应力与应变 四、骨的生物力学特性 五、骨折的生物力学 六、骨的功能适应性 七、骨生物力学指标 八、骨质疏松症运动防治
★骨的几何结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特 殊性。 ★在决定骨的变形和断裂特性中,组成骨组织的物 质特性也很重要。 ★当外力撤除后,变形完全消失,这种形变称弹性 形变。 ★如果外力撤除后仍有剩余形变,这种性质则称为 弹塑性。 ★钢材等工程材料在一定形变范围内可近似视作弹 性体,而骨则是比较典型的弹塑性体。
6.复合载荷(图f)
人体在运动时,由于骨的几何结构不规则, 同时又受到多种不定的载荷, 往往使骨处于两种或多种载荷的状态,即为复 合载荷。 如人体在受伤骨折时,往往是几种作用力的复 合。 像跌倒后发生的桡骨远端骨折,便是既有剪切 力又有压缩力等多种力综合作用的结果。
持续载荷对骨也会产生一定的影响。
作用:应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用, 应力不足会使骨萎缩,应力过大也会使骨萎缩。 因此,对于骨来说,存在一个最佳的应力范围。
(二)应变
概念:骨的应变是指骨在外力作用下的局部变 形。 其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比, 即形变量与原尺度之比。一般以百分比来表示 (下图)。
由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小
五、骨折的生物力学
骨的完整性或连续性中断时称骨折。 常见原因有: 直接暴力、 间接暴力、 肌拉力、 积累劳损及骨骼疾病。
(一) 骨的受载形式与骨折类型的关系 常见的骨折类型与骨所受载荷的形式有关, 一般包括有:拉伸、压缩、弯曲、 旋转和压力联合弯曲 5种基本形式所致的骨折。
(二)骨折的生物力学原理 1.骨受拉伸载荷所致的骨折 其断裂的机理主要为骨组织结合线的分 离和骨单位的脱离。 临床上,拉伸载荷所致的骨折常见于骨 松质,表现形式多为撕裂性骨折。如跟腱附 着点附近的跟骨骨折。
2.压缩载荷(图b)
是施加于骨组织表面的两个沿轴线的大小相等、 方向相对的载荷。 该载荷在骨组织内部产生压应力和应变。
如举重运动员举起杠铃后上肢和下肢骨被压缩。
3.弯曲载荷 (图c)
是使骨沿其轴线发生弯曲形变的载荷。 例如当脊柱前屈或后伸时脊柱的弯曲则为弯曲 载荷。 特点:骨骼在弯曲载荷时,其中性轴两旁一侧产生 拉应力和拉应变,另一侧则产生压应力和压应变, 在中性轴上则没有应力和应变。 应力的大小与至骨骼中性轴距离成正比,即距 中性轴越远,其应力就越大。
(一) 骨的受载形式与骨折类型的关系 如前所述,在日常生活及运动中骨常受到拉伸、压缩、弯 曲、剪切、扭转载荷和复合载荷,并产生各种变形。当骨的载 荷超过了其生理承受极限时便会产生各种相应类型的骨折。因 此,常见的骨折类型与骨所受载荷的形式有关,一般包括有: 拉伸、压缩、弯曲、旋转和压力联合弯曲5种基本形式所致的骨 折。这些类型的骨折与临床上所观察到的骨折类型相一致,只 不过临床上常见的骨折往往是由多种负荷所致,其骨折类型也 更为复杂多样,尤其在高能量负荷的作用下,由于应变率很快, 则有可能引起严重的粉碎性骨折。 由拉力、压力、旋转、弯曲和压力联合弯曲造成的骨折类 型。
三、骨的应力与应变
骨力学包含二个最基本的元素,即应力和应变。
(一)骨的应力 概念:当外力作用于骨时, 骨以形变产生内部的阻抗 以抗衡外力,即是骨产生的应力。 特点:应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比, 单位为Pascal(Pa=N/m2),即牛顿/平方米。 计算公式:
种类:根据作用于骨的力不同,其内部分别会产生相 应的应力,如压应力、拉压力等。
4.剪切载荷(图d) 在骨的表面受到一对大小相等、 方向相反且相距很近的力的作用。 在骨内部也会产生剪切应力和应变。 例如车床剪切断肢体时即为剪切载荷。
5.扭转载荷 (图e) 加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转 载荷。 如作转身动作时,下肢骨受到的扭转作用。 在生理状态下,扭转载荷常见于前臂、脊柱的旋转 与骨关节的旋转活动中。 当骨受到扭转时,所产生的剪切应力便分布在整 个骨骼结构中。
四、骨的生物力学特性
包括骨的材料力学特性和结构力学特性。 骨的材料力学特性: 是指骨组织本身的力学性能,与骨的几何形状无 关。 骨的结构力学特性: 是指整个骨结构的力学性能,不但与骨的材料力 学特性有关,而且受骨的几何特性即形状、尺寸等的 影响。
(一)骨组织的基本生物力学特性
1.各向异性 骨的结构为中间多孔介质的各向异性体,其不 同方向的力学性质不同,即各向异性。 2.弹性和坚固性 骨的有机成分组成网状结构,使骨具有弹性, 并具有抗张能力。 骨的无机物填充在有机物的网状结构中,使骨 具有坚固性,具有抗压能力。
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