最新 骨的生物力学
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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。
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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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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
疲劳性骨折
• 好发部位 • 发生原因
骨由于长期承受反复负荷后 发生微损伤而逐渐形成的骨折 又称为行军骨折 81% 下肢>上肢>躯干 1.肌肉疲劳 2肌肉牵拉 3骨钙质减少、骨强度降低 避免长时间高频率的单一负重跑跳训练
• 预防方法
｛
正确选用运动场地
充分的准备活动 早期发现、早期处理 饮食调理
人体脊椎骨的椎体在高压载 • 骨折的生物力学原理
–1.拉伸 –2.压缩 –3.剪切 –4.弯曲 成人骨骼：破裂开始于拉伸侧 –5.联合载荷 未成年人：首先自压缩侧破裂 –6.骨松质的微细骨折 骨松质的微细骨折与修复之间存在动态平衡 当微细骨折的程度超出生理水平就会产生病 理结果，使骨折危险性增加
荷下可发生压缩性骨折 剪切骨折常见于骨松质 如运动员单杠失手或跳伞落 例如股骨髁和胫骨平台骨折 地技术不正确 拳击、橄榄球等运动
骨的生物力学特性
• 各向异性
应 力
L
T
应变
运动对骨的力学性能的影响
• 体育锻炼对骨的力学性能的良好影响
–体育锻炼对骨的力学性能的良好影响 应力增加-成骨细胞活性增强 应力降低-破过细胞活性增强 –不同运动项目对骨的力学性能的影响
负重部位骨密度增加 无负重部位骨密度无影响 –适应力原则
骨的运动损伤及防治
• 骨的受载形式与骨折类型
骨折是由应 力和功能分 布不均所致 骨折多发生 在长骨
A.线状（纵行）骨折 B. 横行骨折 C. 斜行骨折 D.螺旋骨折 E.青枝骨折 F.“T” 形骨折 G.嵌入骨折 H. 粉碎性骨折
骨折的生物力学
临床上多见于骨 松质，如跟腱止 点的跟骨撕脱性 主要是骨单位的斜形劈 骨折 裂
骨的生物力学
骨骼的生物力学PPT课件
实验研究具有直接性和可靠性，但可能受到样本大小、实验条件等因素的限制。
实验研究
有限元分析具有灵活性、无损性和可重复性等优点，但需要准确的模型和参数，以及高性能计算机资源。
有限元分析是一种计算方法，用于模拟和分析复杂的结构和系统的力学行为。
通过将骨骼划分为一系列小的单元（或“有限元”），可以预测其在不同载荷下的响应，如变形、应力分布和破坏模式等。
骨骼的生长与发育
02
CHAPTER
骨骼的生物力学特性
骨骼的弹性模量决定了骨骼的刚度和变形程度，不同部位的骨骼具有不同的弹性模量，以适应不同的生理需求。
骨骼的疲劳性能也很重要，它决定了骨骼在反复受力后的性能退化。
骨骼具有很高的抗压强度和抗拉强度，能够承受身体重量和肌肉收缩产生的力量。
骨骼的力学性能
骨质疏松症
通过科学的运动和饮食，可以预防骨质疏基因组学和蛋白质组学的发展，未来可以根据患者的基因和蛋白质表达情况，制定个性化的治疗方案。
骨骼疾病的个性化治疗
未来骨骼生物力学将与多个学科进行交叉融合，如生物学、医学、物理学等，为骨骼疾病的研究和治疗提供更广阔的思路和方法。
骨骼的生长与发育是一个复杂的过程，受到多种激素和生长因子的影响。
总结词
骨骼的生长与发育主要分为三个阶段：婴幼儿期、儿童期和青春期。在婴幼儿期，骨骼主要由软骨组成，随着年龄的增长，软骨逐渐被骨组织替代。在儿童期，骨骼继续生长并逐渐变得致密坚硬。在青春期，骨骼的生长速度达到峰值，最终完成骨骼的发育。
详细描述
手术治疗需要在专业医生的指导下进行，以确保手术安全有效。
手术治疗
06
CHAPTER
骨骼生物力学的前景与展望
人工智能
人工智能在骨骼生物力学领域的应用，可以帮助医生进行更精确的诊断和治疗方案制定，提高治疗效果。
实验研究
有限元分析具有灵活性、无损性和可重复性等优点，但需要准确的模型和参数，以及高性能计算机资源。
有限元分析是一种计算方法，用于模拟和分析复杂的结构和系统的力学行为。
通过将骨骼划分为一系列小的单元（或“有限元”），可以预测其在不同载荷下的响应，如变形、应力分布和破坏模式等。
骨骼的生长与发育
02
CHAPTER
骨骼的生物力学特性
骨骼的弹性模量决定了骨骼的刚度和变形程度，不同部位的骨骼具有不同的弹性模量，以适应不同的生理需求。
骨骼的疲劳性能也很重要，它决定了骨骼在反复受力后的性能退化。
骨骼具有很高的抗压强度和抗拉强度，能够承受身体重量和肌肉收缩产生的力量。
骨骼的力学性能
骨质疏松症
通过科学的运动和饮食，可以预防骨质疏基因组学和蛋白质组学的发展，未来可以根据患者的基因和蛋白质表达情况，制定个性化的治疗方案。
骨骼疾病的个性化治疗
未来骨骼生物力学将与多个学科进行交叉融合，如生物学、医学、物理学等，为骨骼疾病的研究和治疗提供更广阔的思路和方法。
骨骼的生长与发育是一个复杂的过程，受到多种激素和生长因子的影响。
总结词
骨骼的生长与发育主要分为三个阶段：婴幼儿期、儿童期和青春期。在婴幼儿期，骨骼主要由软骨组成，随着年龄的增长，软骨逐渐被骨组织替代。在儿童期，骨骼继续生长并逐渐变得致密坚硬。在青春期，骨骼的生长速度达到峰值，最终完成骨骼的发育。
详细描述
手术治疗需要在专业医生的指导下进行，以确保手术安全有效。
手术治疗
06
CHAPTER
骨骼生物力学的前景与展望
人工智能
人工智能在骨骼生物力学领域的应用，可以帮助医生进行更精确的诊断和治疗方案制定，提高治疗效果。
最新 骨的生物力学
（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。
1.拉伸载荷(图a) 在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿 轴线的力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部 产生拉应力和应变，使骨伸长并同时变细。 例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。
★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。 钢的弹性模量是骨的十倍，极限强度是皮质骨的 五倍。
（四）骨应变能量
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。
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。
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。
骨生物力学实验
骨生物力学实验骨生物力学实验是一个超级有趣又超级重要的研究领域呢！骨生物力学实验的研究对象就是咱们的骨头啦。
骨头可不像看起来那么简单哦，它是一个非常复杂的结构体。
在生物体内，骨头承担着各种各样的任务，就像房子的支柱一样重要。
比如说，咱们日常的活动，像走路、跑步、跳跃，甚至是拿东西的时候，骨头都在默默承受着力量。
这时候，骨生物力学实验就登场啦。
这种实验可以帮助我们了解骨头在不同受力情况下的表现。
比如，我们想知道一个运动员在进行高强度训练的时候，他的骨头是怎么应对那么大的压力的。
通过骨生物力学实验，我们可以模拟出类似的受力环境，然后观察骨头的反应。
是会变得更强壮呢，还是可能会出现一些微小的损伤？这对于预防运动员受伤可是有着非常重要的意义哦。
从医学的角度来看，骨生物力学实验也有着不可替代的作用。
比如说，对于一些骨骼疾病的患者，像骨质疏松的老人。
我们可以通过实验来研究他们脆弱的骨头在日常生活中是多么容易受到伤害，然后找到更好的治疗方法和保护措施。
就像给这些脆弱的骨头穿上一层保护甲一样。
在实验的过程中，那可是有很多有趣的方法和工具呢。
我们可以用一些特殊的仪器来测量骨头的硬度、韧性等各种力学性能。
这就像是给骨头做一场全面的“体检”。
而且，还可以用计算机模拟技术，把骨头的受力情况用超级酷炫的3D图像展示出来。
这样一来，我们就能更加直观地看到骨头内部的情况啦。
骨生物力学实验还和很多其他领域有着紧密的联系。
比如说材料科学。
现在有很多新型的材料被用来修复受损的骨头，像一些生物陶瓷之类的。
通过骨生物力学实验，我们就可以测试这些新材料和骨头的兼容性，看看它们是不是真的适合用来治疗骨头的损伤。
另外，骨生物力学实验也对我们了解生物进化有着一定的帮助呢。
我们可以对比不同生物的骨头结构和力学性能，想象一下，恐龙那么大的家伙，它们的骨头是怎么支撑起庞大的身躯的呢？通过研究这些，我们就能更好地理解生物在进化过程中是如何适应环境的啦。
骨生物力学韩
轴向压力 易在长管状骨纵轴 方向形成最大的剪力 进而造成骨干斜行骨折
通常长管状骨的轴向压力 不是单一的。
骨病 骨肿瘤、骨缺损
造成：骨的几何学改变
骨的强度改变
骨缺损部位产生应力集中
（骨折机制）
2.疲劳断裂
疲劳断裂
骨每天承受负荷，或长时间锻炼，积累损 伤，导致疲劳骨折
谢谢
成人股骨骨皮质极限程度
负荷类型
纵向 拉力 压力 剪力（纵向扭转）
横向 拉力 压力
极限程度（MPa）
133 193 68
51 133
3.骨松质
骨松质：多孔 硬度较皮质骨差
屈服：当应力超过弹性极限后，变形增加 较快，此时除了产生弹性变形外，还产生 部分塑性变形。当应力达到一定程度，塑 性应变弯曲及旋转
应力强
棒的压力和张力和横断面面积成正比.
面积 张力和压力 强度 弯曲和旋转 强度
1 100%
100%
1 100%
210%
2 200%
495%
骨折原因
创伤 骨病 积累劳损
扭转应力 导致螺旋骨折 受力机制为剪应力 旋转轴45度时应力最大。
常见于长途行军，从事长距离行走及长跑 者
最常见于双足第二趾骨远端
疲劳：
材料在周期性和间歇负荷下发生的进行性 损伤(显微镜下损伤)，在周期性负荷条件下， 材料负荷水平低于能引起的材料损伤的单 次负荷时，就会发生损伤。
材料的疲劳极限（Fatigue limit）
任何材料具有一应力水平，低于该水平疲 劳寿命是无限的，该应力水平称疲劳极限。
疲劳极限是一个安全控制数据，只要应力 低于它，不管周期数目多少是不会短裂的。
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即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。
（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。
1.拉伸载荷(图a)
在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿 轴线的力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部 产生拉应力和应变，使骨伸长并同时变细。
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，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。
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。
见于髋关节、股骨干、 胫骨、尺桡骨等
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。
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
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。
疲劳骨折
（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。
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。
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。
★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。
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。
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。
★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。
例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。
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曲 载荷。
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
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。
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，
弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。
钢的弹性模量是骨的十倍，极限强度是皮质骨的 五倍。
（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。
骨的生物力学
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。
（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。
1.拉伸载荷(图a)
在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿 轴线的力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部 产生拉应力和应变，使骨伸长并同时变细。
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，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。
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。
见于髋关节、股骨干、 胫骨、尺桡骨等
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。
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
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。
疲劳骨折
（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。
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。
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。
★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。
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。
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。
★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。
例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。
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曲 载荷。
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
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。
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，
弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。
钢的弹性模量是骨的十倍，极限强度是皮质骨的 五倍。
（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。
骨的生物力学
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。