骨科人体生物力学与施力特征分析
脊柱及椎间盘的生物力学分析
脊柱及椎间盘的生物力学分析近年来，脊柱以及椎间盘的损伤与疾病已经成为临床骨科领域的常见病和多发病，也是临床骨科医师在日常门诊工作中所面临的主要问题。
为了更好地理解，诊断，治疗脊柱与椎间盘系统的疾病，骨科医师就应采用力学的事实，概念，原理和数学，来解释人体正常及异常的解剖生理现象。
因此，生物力学也就成为现代骨科医师必须具备的理论基础。
鉴于此，笔者仅对脊柱及椎间盘的生物力学问题作一浅析，与同道们共同探讨和借鉴。
脊柱系由椎骨，韧带及椎间盘等连结构成的人体中枢支柱。
其结构复杂，且功能较多，又同时具有静力学特点和动力学特点。
正常人的脊柱有7个颈椎，12个胸椎，5个腰椎，五个相互融合的骶椎和3-5个微动的尾椎构成。
除环椎与枢椎的的结构特殊外，其它各椎的形态则大同小异，但在不同部位，其形态和大小也有不同。
腰椎支持整个躯干的重量，所以较为粗大，在成人其横径为 4.5-5厘米，矢径约为3-3.5厘米，厚约2.2-2.5厘米。
胸椎较小，横径约为3-3.5厘米，矢径约为2.5厘米，厚约为2-2.2厘米。
颈椎仅支持头部的重量，所以更为细小，通常横径约为2.5厘米，矢径约为1.5-1.7厘米，厚约为1.5厘米。
椎体主要由松质骨构成，外包以薄层硬质骨，上下边缘有隆起的骨环，称为骺环，椎间盘的软骨板就位于其中，除骶尾椎以外，各椎骨之间均以椎间盘相连。
椎体两侧的椎弓根与椎板相连，椎弓与椎体之间的孔隙形成椎孔，上下椎孔相连形成椎管。
关节突在椎弓根和椎板的移行部，向上下个伸出一对关节突，上关节突起于椎根，下关节突起于椎板。
椎间孔的上下壁是椎根的切迹，其前壁为椎间盘，后方为小关节的关节囊及部分黄韧带。
横突在椎弓的上下关节突发出部的中间，骶骨和尾骨没有横突，第三腰椎横突最长，所受腰肌牵拉最多，常导致腰肌筋膜附着点发生劳损，在临床上成为常见腰痛原因之一。
棘突在椎弓后方正中，上面附着丰厚的背伸肌，形成系列杠杆。
椎间关节：除环枢关节和骶椎外，其余椎体间均以椎间盘相连，椎间盘总数为23个，构成脊柱全长的四分之一。
《人机工程学》第五讲 人体力学特征与施力
二、人的运动输出
二、人的运动输出
• 二、反应时间 • 1、定义和特征 • 又叫反映潜伏期，是从刺激到反应的时间 间距 • 人的反应过程: 刺激—感觉器官反应—神 经—大脑（加工）—神经—肌肉动作—操作 （输出） • tz—反应感知时间，td—动作时间 •
Rt tz td
二、人的运动输出
• 反应的差别—简单反应—只有一个刺激， 刺激出现时作出特定的反应－快 • 选择反应 多个刺 激，对刺激一一作出反应 • 简单反应 快 • 选择反应—慢 • 》》其他影响
二、人的运动输出
• 2、不同的感觉器官和不同的刺激 • 》》不同器官，对刺激的反应时间不同
二、人的运动输出
• 》》表3-11讨论：不同的信号，反应时间有较 大差异 • 相同的器官，对不同的刺激，也有所不同， • 如味觉》 对咸反应时间短（308ms),甜酸 次之，苦最长（1082ms) • 》》触觉：和部位有关，手脸反应快，小腿慢 • 》》反应时间与运动器官的关系：
1
2
3 水平方 向的操 纵动作 ，前后 运动速 度比左 右运动 速度快 ，旋转 运动比 直线运 动更灵 活。
4
5
6 向身体 方向的 运动比 离开身 体方向 的运动， 速度更 快，但 后者的 准确性 高。
人体躯 干和肢 体在水 平面的 运动比 在垂直 面的运 动速度 快。
垂直方 向的操 纵动作 ，从上 往下的 运动速 度比从 下往上 的运动 速度快 。
表3-12 可选择的刺激数目对反应时间的影响
刺激选择数 目反应时间 （ms） 1 187 2 316 3 364 4 434 5 485 6 532 7 570 8 603 9 619 10 622
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B 刺激的辨别难度对反应时间的影响
骨折的生物力学原理
骨折的生物力学原理骨折是指骨骼的完整性受到破坏，通常由于外力作用而导致。
在人体中，骨骼是一个重要的支撑系统，能够承受和分散身体的压力和力量。
因此，了解骨折的生物力学原理对于骨折的治疗和康复至关重要。
骨骼的生物力学特性骨骼是由钙盐和胶原纤维组成的复杂结构。
它具有一定的韧性和强度，能够承受外力的作用。
骨骼的生物力学特性取决于其微观结构和组织排列方式。
骨折的力学原理在应用力的作用下，骨折通常发生在骨骼受力最弱的部位。
骨骼受到外力作用时，会出现压力、拉力和剪力。
这些力的作用会导致骨骼发生形变，当力的大小超过骨骼能承受的极限时，骨骼就会发生骨折。
骨折的类型根据骨折发生的方式和骨骼断裂的形态，骨折可以分为多种类型。
常见的骨折类型包括：完全骨折、不完全骨折、开放性骨折和闭合性骨折。
完全骨折是指骨骼完全断裂成两段，不完全骨折则是指骨骼只有部分断裂。
开放性骨折是指骨骼断裂后露出皮肤，而闭合性骨折则是指骨骼断裂后未露出皮肤。
骨折的治疗原则骨折的治疗旨在恢复骨骼的完整性和功能。
根据骨折的类型和位置，治疗方法可以包括保守治疗和手术治疗。
保守治疗主要包括骨折复位、固定和康复训练，手术治疗则是通过手术操作来恢复骨骼的完整性。
骨折的固定方法骨折的固定是指将骨骼断裂的两段牢固地连接在一起，以促进骨折的愈合。
常用的固定方法包括外固定和内固定。
外固定是通过外部装置将骨骼断裂的两段固定在一起，而内固定则是通过内部装置（如钢板、钢钉等）将骨骼断裂的两段固定在一起。
骨折的愈合过程骨折的愈合是一个复杂的生物力学过程。
在骨折发生后，通过骨骼周围的软组织形成血肉瘢痕，这是骨折愈合的第一阶段。
随后，骨骼周围的软骨组织逐渐转变为硬骨组织，形成初生骨，这是骨折愈合的第二阶段。
最后，初生骨逐渐重塑为成熟的骨组织，完成骨折的愈合。
骨折的康复训练骨折的康复训练是恢复骨骼功能和加速骨折愈合的关键。
康复训练包括功能锻炼、肌肉力量训练和平衡训练等。
通过逐渐增加运动强度和范围，可以促进骨折部位的血液循环和新陈代谢，加速骨折的愈合。
骨伤科生物力学
骨伤科生物力学骨伤科生物力学是研究人体骨骼系统在生理和病理状态下的力学特性和运动机制的学科。
它结合了生物学、物理学和工程学的原理，通过对骨骼系统的结构和功能进行分析，来研究骨骼系统的生物力学特性，为骨伤科的临床诊断和治疗提供科学依据。
骨伤科生物力学研究的重点之一是骨骼系统的力学特性。
骨骼是人体最重要的支撑结构之一，具有一定的强度和刚性。
通过研究骨骼的力学特性，可以了解骨骼的负荷分布、应力分布和变形情况，进而为骨伤科的手术设计和康复训练提供指导。
例如，骨折的治疗常常需要通过外固定或内固定的方式来恢复骨骼的正常结构和功能，而骨伤科生物力学的研究可以帮助医生选择合适的治疗方法和手术方案，以提高治疗效果和降低并发症的风险。
另一个重要的研究方向是骨骼系统的运动机制。
骨骼系统是人体运动的基础，它通过肌肉的收缩和关节的活动来实现身体的各种动作。
通过研究骨骼系统的运动机制，可以了解人体各个关节的运动范围、力学特性和稳定性，进而为骨伤科的关节置换和运动康复提供指导。
例如，在关节置换手术中，医生需要选择合适的人工关节来替代受损的关节，而骨伤科生物力学的研究可以帮助医生评估不同人工关节的运动特性，从而选择最适合患者的人工关节。
除了骨骼系统的力学特性和运动机制，骨伤科生物力学还涉及到一些其他的研究内容。
例如，骨骼系统的生长和发育是一个复杂的过程，它受到遗传和环境等多种因素的影响。
通过研究骨骼系统的生长和发育，可以了解骨骼的形态变化和力学特性的发展规律，为儿童骨科的诊断和治疗提供科学依据。
此外，骨骼系统还受到各种外界因素的影响，例如运动、药物和营养等。
通过研究这些因素对骨骼系统的影响，可以了解骨骼系统的适应性和可塑性，从而为骨伤科的预防和康复提供指导。
骨伤科生物力学是一个综合性的学科，它研究人体骨骼系统在生理和病理状态下的力学特性和运动机制，为骨伤科的临床诊断和治疗提供科学依据。
骨伤科生物力学的研究内容包括骨骼系统的力学特性、运动机制、生长发育和外界因素的影响等。
6人体生物力学与施力特征
主要内容：人体生物力学与施力特征
目的：1.了解骨杠杆；
2.熟悉人体肢体的出力范围与不同姿势的施力范围；
3.掌握合理施力的设计思路。
讲授
课件演示
倾听
5分钟
讲授内容
（1）介绍人体运动与骨杠杆：包括人体运动系统、骨的功能与骨杠杆。
讲授
课件演示
倾听
10分钟
（2）介绍人体生物力学模型：包括人体生物力学建模原理、前臂和手的生物力学模型、举物时腰部生物力学模型。
能力训练任务及案例
训练任务：
合理施力的设计思路
案例：
如何避免静态肌肉施力、避免弯腰提起重物。
参考资料
《人机工程学》（第四版）丁玉兰主编北京理工大学出版社
《产品造型材料与工艺》程能林主编北京理工大学出版社
《工业设计史》何人可主编北京理工大学出版社
二、教学设计
步骤
教学内容
教学方法
教学手段
学生活动
时间分配
根据教学情况进行归纳总结
5分钟
讲授
课件演示
倾听
10分钟
（3）介绍人体的施力特征：包括主要关节的活动范围、肢体的出力范围பைடு நூலகம்人体不同姿势的施力。
讲授
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30分钟
（4）介绍合理施力的设计思路：包括避免静态肌肉施力、避免弯腰提起重物、设计合理的工作台。
讲授
课件演示
倾听
回答问题
30分钟
总结与作业
①总结这节课内容
②课后复习所讲内容并预习下节课内容
《人机工程学》课程单元教学设计
——人体生物力学与施力特征
一、教案头
本次课标题：人体生物力学与施力特征
骨科生物力学暨力学生物学
骨科生物力学暨力学生物学
骨科生物力学和力学生物学是现代医学领域的研究热点。
这两个
学科，一个主要关注生物组织与生物力学之间的相互作用，另一个则
更注重对生物系统本身力学特点的研究。
它们的应用范围非常广泛，
涉及人体的各个方面，对人体健康的保护和恢复起着重要的指导作用。
从骨科生物力学的角度来看，我们可以深入了解骨骼系统受力特
点及其适应能力。
骨骼系统是人体最基本的支撑系统，保持人体的整
体结构稳定和姿势平衡。
我们常说“骨质越多越好”，但实际上，骨
骼系统的生物力学适应能力是更加关键的因素。
利用生物力学的分析
方法，我们可以了解到骨骼在受压、拉伸等不同载荷作用下的应变变
化和本质反应，从而为治疗骨质疏松、骨折等骨科疾病提供更加科学
合理的指导。
而力学生物学更着重于研究生物系统的本质力学特点。
人体是一
个高度复杂的生物系统，其内部的力学变化和相互作用十分复杂，深
入了解其特征对于判断人体的生理状况具有重大的作用。
对于人体内
部器官、细胞、分子等微观生物系统的力学特点的研究，可以更好地
了解人体生物系统的内部机理，为良好的生理状态和治疗疾病提供有
力的基础。
骨科生物力学和力学生物学的应用范围非常广泛，不仅可以被广
泛应用于医学领域，也涉及到工业、物理学、材料学等多个领域，对
于整个人类社会的科学发展都发挥了至关重要的作用。
在未来，这两
个学科的发展将更加深入和全面，为人类社会的各项事业带来积极的有益影响。
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。
人体生物力学分析人体骨骼肌肉系统的运动特性
人體生物力學分析人體骨骼肌肉系統的運動特性人体生物力学分析人体骨骼肌肉系统的运动特性人体生物力学是一门研究人体结构与功能之间相互关系的学科，它通过运用物理学和工程学原理，分析和评估人体在各种运动状态下的运动特性。
在人体运动过程中，骨骼和肌肉系统起着重要的作用，其结构和功能对于人体的运动表现具有重要影响。
本文将以人体生物力学的视角，对人体骨骼肌肉系统的运动特性进行深入分析。
一、骨骼系统骨骼系统是人体结构的基础，由骨骼和关节组成。
骨骼具有支撑和保护内脏器官的功能，同时也为肌肉运动提供支撑和固定点。
运动过程中，骨骼通过关节的活动，使身体的各个部位能够协调运动。
二、肌肉系统肌肉系统由肌肉和肌腱组成，是人体力量和动作的主要来源。
肌肉通过肌腱与骨骼相连接，通过收缩和放松来实现骨骼的运动。
肌肉的主要功能包括产生力量、维持身体姿势、稳定关节和调节身体的运动。
三、人体运动特性的测量方法为了分析人体骨骼肌肉系统的运动特性，研究者们采用了多种测量方法。
其中包括：1.运动学：通过测量身体不同部位的位置和角度的变化，来研究运动的过程和特性。
运动学可以提供运动的轨迹、速度和加速度等信息。
2.动力学：通过测量外界施加在身体上的力和人体做出的反作用力，来研究运动的动力学特性。
动力学可以提供力和力矩等信息，用于分析运动过程中的力学变化。
3.电生理学：通过测量神经和肌肉的电活动，来研究肌肉收缩和神经控制的特性。
电生理学可以提供肌肉的激活和疲劳状态等信息。
四、人体骨骼肌肉系统的运动特性1.力学特性：人体骨骼肌肉系统的运动特性受到肌肉的力量和韧性的影响。
肌肉产生的力量决定了人体的运动能力，而肌肉的韧性则决定了人体的柔韧性和弹性。
力学特性的测量可以通过力平台和力传感器实现。
2.运动的稳定性：人体运动过程中，骨骼肌肉系统需要保持稳定性以避免受伤。
稳定性的测量可以通过加速度计和陀螺仪等设备实现。
3.动作的协调性：人体运动需要各个部位的协调配合才能完成复杂的动作。
人体生物力学与施力特征
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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：
生物力学与人体运动分析
生物力学与人体运动分析生物力学是研究生物体运动和力学性质的学科，通过运用力学原理和方法，对人体运动进行深入分析。
在医学、运动科学、康复治疗等领域中，生物力学的应用非常广泛，可以帮助我们更好地理解人体运动的机理和特点，从而为运动训练、康复治疗等提供科学依据。
一、生物力学的基本原理生物力学的研究对象主要是人体骨骼系统和肌肉系统。
在人体运动过程中，骨骼系统提供支撑和保护，肌肉系统则负责产生力量和控制运动。
通过运用牛顿力学的基本原理，生物力学可以分析人体运动的力量、速度、加速度等参数，并研究骨骼关节的力学特性。
二、人体运动的力学分析1. 步态分析：步态是人体行走过程中的一种运动模式，通过对步态的力学分析，可以了解人体行走的步幅、步频、步态稳定性等参数。
这对于康复治疗、运动训练等具有重要意义。
2. 动作分析：生物力学可以帮助我们分析人体各种动作的力学特点。
例如，通过运用生物力学方法，可以研究运动员在进行跳高、跳远等项目时的起跳力量、着地冲击力等参数，从而为运动员提供科学的训练指导。
3. 姿势分析：生物力学可以帮助我们分析人体在不同姿势下的力学特点。
例如，通过运用生物力学方法，可以研究人体在坐姿、站姿、躺姿等不同姿势下的脊柱压力分布、关节力量分布等参数，从而为人体工程学设计提供科学依据。
三、生物力学在康复治疗中的应用生物力学在康复治疗中发挥着重要作用。
通过对患者运动过程的力学分析，可以帮助康复医生了解患者的运动能力和运动障碍，从而制定出科学的康复治疗方案。
例如，在关节置换手术后的康复治疗中，通过生物力学分析，可以确定患者在康复过程中的运动范围、负荷等参数，从而帮助患者尽早恢复正常功能。
四、生物力学在运动训练中的应用生物力学在运动训练中也有重要应用。
通过对运动员运动过程的力学分析，可以帮助教练员了解运动员的力量、速度等参数，从而制定出科学的训练计划。
例如，在田径运动中，通过生物力学分析，可以帮助教练员优化运动员的起跳力量、着地技术等，提高运动员的竞技水平。
骨科研究中的生物力学原理
骨科研究中的生物力学原理在医学领域中，骨科学是关于骨骼疾病的研究。
骨科研究中的生物力学原理是非常重要的。
生物力学是力学的一个分支，其研究的对象是生物体的结构和运动。
骨科研究中的生物力学原理，指的是以生物体为对象，运用力学原理研究生物体力学、运动学特性及其与环境的相互作用。
这一领域对于骨科学研究的深入理解和治疗方案的制定都有至关重要的影响。
1. 骨骼的结构从生物力学角度来看，骨骼是由组成的复杂的结构。
在结构上，骨骼主要含有两种物质，一种是钙质，一种是胶原蛋白。
钙质使骨骼硬度高，胶原蛋白则使骨骼具有韧性。
骨骼的结构对于其机械性能有着很大的影响。
骨骼的耐受能力主要来源于骨皮质和骨髓腔。
骨皮质是骨骼的外部部分，主要负责承受外部的负荷，而骨髓腔则是骨髓的储存处。
这些结构的组合形成了骨骼的复杂的力学性能。
2. 在生物体内的应力分布生物组织内的应力分布是一重要的话题，对于治疗和预防骨骼疾病非常有用。
通过生物力学的原理，我们可以了解生物体内各个部位的应力情况，从而更好地理解疾病的成因。
骨骼的应力分布主要是受到力的大小、方向和时间的影响。
比如在行走的时候，足底会受到来自地面的反作用力，同时，体重也会在膝盖、髋关节和脊柱等部位造成应力，这些应力对于骨骼的稳定和维护有很大的作用。
3. 骨骼受力的特点骨骼处于永久受压和拉伸的状态下，如何保持其稳定性是骨科研究中十分重要的话题之一。
实际上，在生物体内，骨骼受力的过程与其他技术领域的运动学和动力学密不可分。
以骨折为例，我们需要将生物力学的分析用于骨骼治疗。
在骨折的治疗中，我们需要对骨骼受力状态进行分析，并要根据特定条件来设计治疗方案。
生物力学的原理为骨科学的研究带来了极大的提升，其应用可能包括对生物体内某些部位的应力分布，以及对应力测量工具的开发。
此外，在骨折治疗和骨骼改造等方面，共同研究生物力学角度下的骨折发展可能会提供更多的可行性治疗方法。
结语生物力学与骨科研究的结合，使我们对于骨骼疾病有了更深入的理解和治疗方法。
骨伤科生物力学
骨伤科生物力学骨伤科生物力学是研究人体骨骼系统在运动中的力学特性和力学变化规律的学科。
它结合了生物学和力学的原理，通过研究骨骼系统的力学行为，可以帮助医生更好地理解和治疗骨伤疾病。
一、骨骼系统的力学特性骨骼系统是人体的支撑结构，能够承受来自外部的力和负载。
骨骼系统的力学特性包括骨骼的刚度、强度和韧性。
1. 刚度：骨骼的刚度是指骨骼对外部力的抵抗能力。
刚度越大，骨骼对外力的变形程度越小。
骨骼的刚度主要由骨组织的弹性模量决定，不同骨骼部位的刚度也不同。
2. 强度：骨骼的强度是指骨骼能够承受的最大力。
强度与骨骼的结构和组织密切相关，骨骼中的骨小梁和骨小片是承受压力和拉力的主要部位，它们的数量和分布对骨骼的强度起着重要作用。
3. 韧性：骨骼的韧性是指骨骼对外部冲击或震动的抵抗能力。
韧性主要由骨骼的韧带和骨骼间负责缓冲和吸收冲击力的软骨组织共同作用。
二、生物力学在骨伤科中的应用生物力学研究的目标是通过分析骨骼系统的力学行为，为骨伤科的临床实践提供理论依据和技术支持。
1. 骨折修复：生物力学可以帮助医生了解骨折过程中骨骼的应力和应变变化，通过设计适当的外固定装置或内固定器材来促进骨折的愈合。
此外，生物力学还可以评估不同修复方法的效果，并优化治疗方案。
2. 关节置换：生物力学可以评估关节置换术的效果和潜在的机械问题，为手术方案的选择和术后康复提供指导。
通过模拟和分析关节的力学行为，可以预测人工关节的寿命和功能，进一步优化关节置换手术的效果。
3. 运动损伤预防：生物力学可以分析运动时骨骼系统的负荷分布和运动方式，帮助预防运动损伤的发生。
通过评估运动员的运动技术和姿势，可以提出相应的建议和指导，减少运动伤害的风险。
4. 功能评估和康复训练：生物力学可以通过运动分析和力学测量来评估患者的骨骼功能，并设计个性化的康复训练方案。
通过监测康复过程中的力学变化，可以及时调整康复计划，提高康复效果。
三、发展趋势和挑战随着科技的进步和研究的深入，骨伤科生物力学面临着新的机遇和挑战。
生物力学在骨科治疗中的应用
生物力学在骨科治疗中的应用骨科治疗一直是医学领域中的重要分支之一，它涉及到骨骼系统的各种问题的治疗，包括但不限于骨纹理分析、骨折愈合、植入物设计、人工关节置换等。
而生物力学的应用在骨科医学中已有着广泛的应用。
生物力学是一门科学研究单位运动、保持平衡、受力及其变形、摩擦等方面的学科，从而对生命体进行运动学和功能模拟等的研究。
通过生物力学分析骨骼系统的各种参数，医生可以更好地评估患者的病情，为治疗提供更好的方式和手段。
生物力学分析骨骼系统在骨科治疗中，生物力学可以用来分析骨骼系统在受力和运动方面的参数。
通过对这些参数的检测、分析和评估，骨科医生可以更透彻地了解病人的病情，从而有针对性地应用治疗手段。
首先，生物力学可以测量骨骼系统中的压力和强度等参数。
通过骨骼系统的压力分析，医生可以了解骨骼是否处于合适的重力状态下，以及骨骼受力情况是否过大，进而判断骨骼系统的健康状况。
另外，生物力学还可以测量骨骼系统中的强度参数，评估骨骼的承受能力和负荷承受极限，从而更好地做出治疗决策。
其次，生物力学还可以分析骨折愈合的过程。
骨折后经过固定以及一定时间的恢复，骨折部位的骨头需要恢复正常的强度和功能。
生物力学可以通过检测骨折部位的变形、拐弯等变化，帮助医生判断骨折是否恢复，并在治疗中给出更好的建议。
最后，生物力学还可以用于植入物的设计和应用。
人工植入物常用于骨科医学中，如人工髋关节、人工脊柱椎体等。
医生们可以利用生物力学将设计出的人工植入物应用到合适的位置，以达到恢复患者正常身体功能的目的。
生物力学的应用案例生物力学在骨科治疗中的应用已有很多成功案例。
以下仅列举其中的几个。
首先，生物力学可以通过评估骨骼的压力分布来判断骨骼系统的健康情况。
近年来，越来越多的医生开始采用计算机模拟技术辅助骨科医学的研究，生物力学是其中重要的组成部分。
研究表明，生物力学分析在对骨折类型和愈合情况判断、植入物设计和优化以及关节置换等方面都具有一定的应用价值。
生物力学研究在骨科医学中的应用
生物力学研究在骨科医学中的应用骨科医学是以治疗各种骨骼和肌肉疾病为主的医学专业，近年来随着生物力学研究的发展，骨科医学开始引入生物力学技术对疾病进行治疗和诊断。
本文将就生物力学技术在骨科医学中的应用进行探讨。
I. 生物力学技术在骨科医学中的意义生物力学是研究机体运动和受力机制的学科，其发展进程在很大程度上推动了现代骨科医学的发展。
生物力学技术可以解释和模拟骨骼和肌肉的力学行为，并针对不同的疾病制定相应的治疗方案和手术操作。
生物力学技术的应用可以协助医生了解受损骨骼和肌肉的结构和功能，并对治疗和康复过程进行跟踪和评估。
通过生物力学技术，医生可以获得更多准确的数据，更好地进行手术规划和治疗决策，提高治疗的有效性和安全性。
II. 生物力学技术在骨科手术中的应用1. 骨折修复生物力学技术在骨折修复中的应用是最为普遍的。
医生可以通过生物力学技术对受损的骨骼进行力学分析，确定骨折的类型和程度，制定相应的治疗方案。
在手术中，医生可以利用生物力学技术设计和选择合适的手术器械，进行手术操作。
生物力学技术可以帮助医生精确地确定骨折部位的内部和外部受力情况，避免手术时对骨折部位造成过多的伤害。
同时，生物力学技术还可以检测手术效果，评估骨骼的生理状态，为手术后的恢复提供科学依据。
2. 人工关节置换人工关节置换是治疗关节损伤和骨质疏松症的标准手术，其效果直接关系到患者的生活质量。
生物力学技术在人工关节置换中的应用有以下几个方面：（1）设计和选择合适的人工关节类型和尺寸通过生物力学技术，医生可以了解患者关节的力学分布情况和运动要求，为患者选择合适的人工关节类型和尺寸，确保患者手术后的生活质量和关节稳定性。
（2）手术操作规划和辅助生物力学技术可以辅助医生进行手术操作规划，确定关节置换的位置和角度，并配合手术器械完成手术操作。
生物力学技术可以监视手术过程中的力学变化，避免手术对周围组织和肌肉造成损伤。
（3）术后恢复检测和辅助治疗生物力学技术可以监测患者关节的力学变化和运动情况，及时调整治疗方案，进行术后恢复指导，加快患者恢复进程。
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
康复医学中的生物力学和姿势控制
康复医学中的生物力学和姿势控制康复医学是一门综合性的学科，旨在通过应用理论和技术，帮助受伤或患病的人恢复功能。
其中涉及的一项重要技术就是生物力学和姿势控制。
本文将探讨康复医学中的生物力学和姿势控制的相关概念、应用和挑战。
一、生物力学在康复医学中的应用生物力学是研究生物体运动和力的学科，它提供了康复医学领域所需的定量分析和评估工具。
在康复医学中，生物力学的应用范围广泛，例如运动分析、步态分析、力学评估等。
通过运用生物力学原理，康复医学专业人员能够获得关于患者运动能力和身体机能的客观数据，从而制定针对性的康复方案。
1. 运动分析运动分析是运用生物力学原理对人体运动进行定量评估和分析的过程。
在康复医疗中，通过使用运动分析系统，如摄像机和传感器，专业人员可以测量和记录患者的运动数据，包括关节角度、肌肉力量、运动速度等。
这些数据有助于评估患者的运动能力和功能缺陷，并制定个性化的治疗计划。
2. 步态分析步态分析用于评估人体行走过程中的动作和力学参数。
通过分析步态数据，康复医学专业人员可以确定患者是否存在异常步态模式，如踝关节不稳定、步态异常等，并针对性地设计治疗方案，以改善患者的行走能力。
3. 力学评估力学评估是通过测量患者的力量、压力和稳定性来评估其肌肉和骨骼系统的功能和健康状况。
通过使用力平台、压力传感器等设备，康复专业人员可以测量患者在不同姿势和动作下的力学变化，并评估其运动控制和平衡能力。
这对于制定康复计划和监测康复进展非常重要。
二、姿势控制在康复医学中的重要性姿势控制是康复医学中的一个关键概念，它指的是通过调整身体姿势，改善患者的功能和舒适度。
姿势控制在康复中发挥着重要作用，尤其对于一些特殊人群，如运动受限的瘫痪患者、脊髓损伤患者等。
1. 静态姿势控制静态姿势控制是指在不涉及运动的情况下，通过调整身体姿势，以保持患者的稳定性和舒适度。
在康复中，静态姿势控制可应用于床位上、坐位和站位等多种情境。
通过使用座位和床位调整装置，康复专业人员可以帮助患者改善体位，减少压力溃疡和肌肉不适，提高患者的日常生活质量。
骨骼的生物力学
*
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
*
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.骨受压缩载荷所致的骨折
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。
*★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
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2.刺激信号的性质和强度 人对各种不同性质刺激的反应时间是不同的， 见表3-2。 对于同一种性质的刺激来说，一般情况是对弱 刺激的反应时间较长，刺激增加到中等强度与极强 时，反应时间短。刺激方式影响反应时间。参阅表 3-3。
“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。
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；
5.3.3 人体不同姿势的施力
肌力的大小因人而异，男性的力量比女性平均大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
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表3-3
不同强度刺激的反应时间
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表3-4 光刺激时间对反应时间的影响
光刺激持续 时间 反 应 时 间 3 191 6 189 12 187 24 184 48 184
表3-5 可选择的刺激数目对反应时间的影响
刺激选择数 目反应时间 （ms） 1 187 2 316 3 364 4 434 5 485 6 532 7 570 8 603 9 619 10 622
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.
图5-8 人体在不同姿势下的实力状态 （a）操作姿态
图5-8（b）为常见的活动姿态，其对应的
实力大小见表5-6，施力时相应的移动距离已标
注在该图中。
图5-8 人体在不同姿势下的实力状态 （b）活动姿态
补充材料
1：影响人体能的因素
图5-3 举物时腰部的生物力学静止平面模型
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。
一般人 的手操 纵动作 ，右手 比左手 快，而 右手的 动作， 向右运 动比向 左运动 快。
其 他 功 能
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表3-6 人体各部位动作一次的最少平均时间
动作部位 抓取 手 旋转 脚 腿 躯干 直 线 的 克服阻力的 直 线 的 脚 向侧 面 弯 倾 曲 斜 动作特点 最少平均时间/s
直线的 曲线的
图T5 影响人体能的因素
2： 肢体的动作速度与频率 2.１、动作速度 (1)肢体肌肉收缩的速度：不同的肌肉，肌力、 阻力； (2)动作方向和动作轨迹等特征(动作特征） 2.２、动作频率 取决于动作部位和动作方式。参阅表B-1。 2.3、人体动作的灵活性：是指操作时动作速度和频率，由人体
的生物力学特性所决定。人体重量轻的部位比重的部位、短的部位比长的 部位、肢体末端比主干部位的动作更灵活。因此，设计机器及其操纵装置 时，应当充分考虑人体动作灵活性的特点。参阅表B-5
4
5
6 向身体 方向的 运动比 离开身 体方向 的运动， 速度更 快，但 后者的 准确性 高。
人体躯 干和肢 体在水 平面的 运动比 在垂直 面的运 动速度 快。
垂直方 向的操 纵动作 ，从上 往下的 运动速 度比从 下往上 的运动 速度快 。
顺时针 方向的 操作动 作比逆 时针方 向的操 作动作 ，速度 更快， 更加习 惯 。
要辨别 的刺激
1 0 和 1 2 mm 线段
1 0 和 11 . 5 mm 线段
1 0 和 1 1 mm 线段
1 0 和 10.5mm 线段
相 差 16Hz 纯 音
相 差 12Hz 纯 音
相 差 8 Hz 纯 音
相 差 4 Hz 纯 音
平均反 应时间 （ms）
305
313
324
345
290
299
311
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—运动的动力
三者在 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 动作。
5.1.2 骨的功能和骨杠杆 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。
成。 即 RT=tz+td
简单反应时间、选择反应时间、析取反应时间
影响反应时间的主要因素
1.不同的感觉器官（不同性质的刺激）
（1）不同的感觉器官简单反应的时间不同；
以触觉与听觉最优，视觉次之。参阅表3-1。
（2）同一感觉器官接受的刺激不同，反应时间不同；
（3）相同感觉器官接受相同的刺激，不同部位反应时 间不同。
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。
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B—1 人体各部位动作速度与频率限度
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表B-2 人体各部分的最大运动频率
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3：人的运动输出
人的信息输出方式：语言输出、运动输出。 运动输出的质量指标：反应时间、运动速度和准确性。
3.1 反应时间
反应时间（ RT）:又称为反应潜伏期，它是指刺激和反应
的时间间隔。它由反应知觉时间（tz）和动作时间（td）组
关部位（手、脚、躯干等）所施出的一定大小的力。
决定因素：肌力、施力的姿势、部位、方式和方向。 只有在这些综合条件下的肌肉出力的能力和限度才是 操纵力设计的依据。
表5—2
身体主要部位肌肉所产生的力（单位：N，20～30岁）
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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B 刺激的辨别难度对反应时间的影响
红和橙 （ 加 25%红） 红和橙 （ 加 50%红） 红和橙 （ 加 75%红） 1 0 和 1 3 mm 线段 1 0 和 12.5mm 线段
要辨别 的刺激
白和黑
红和绿
红和黄
红和橙
平均反 应时间 （ms）
197
208
217
246
252
260
271
296
298
克服阻力 不克服阻力
0.07 0.22
0.72 0.22 0.36 0.72 0.36 0.72～1.46 0.72～1.62 1.26 返回
反应动作距离与动作时间
出手距离（cm） 平均反应时间 （ms） 标准差（ms） 20 525 50 40 596 71
图5-1 人体骨杠杆
（a）平衡杠杆（b）省力杠杆（c）速度杠杆
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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。
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范围两者是相 矛盾的，在设计操纵动作时，必须考虑弯臂时，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. 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）
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。
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。 返回
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。
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