骨骼的生物力学

.,侯文轩41111109资源1104,骨骼的生物力学,.,让我们来看看几张生物骨骼的图片,.,骨的结构,.,前臂和手的生物力学模型举物时腰部生物力学模型,.,身体各部舒适姿势的调节范围,.,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。,.,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，其组织会产生缓慢变形或蠕变。在加载后的最初数小时（68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。,.,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。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(YoungsModules)，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。,.,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。,.,6.骨的强度和刚度1）骨强度是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗破坏的能力，以致不发生破坏。在压缩载荷的试验中，载荷变形曲线能反映结构强度的三个参数是：结构在破坏前所能承受的载荷;结构在破坏前所能承受的变形;结构在破坏前所能贮存的能量。2）骨的刚度是指骨具有足够的抵抗变形的能力。在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变形过大，往往会影响骨结构与功能。骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示影响骨强度与刚度的因素有：.压应力肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折的发生；.骨的大小和形状骨的横截面积的大小及骨组织在骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。如骨试件在压缩时，和刚度也越大。破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。,.,（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3090，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,.,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