正常人体运动学 第二章骨运动学

第二章骨运动学第二节骨的生物力学学习内容一、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一、骨的承载能力衡量骨承载能力的三要素：骨的强度即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。骨的刚度即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。骨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•（一）骨的载荷载荷：即为外力，是一物体对另一物体的作用。按照载荷的作用性质不同，可将载荷分为静载荷和动载荷。按照载荷的表现形式不同，可将载荷分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷等。拉伸载荷自骨的表面沿轴线向外施加一对大小相等、方向相反的力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部产生拉应力和拉应变，使骨伸长并同时变细。压缩载荷自骨的表面沿轴线向内施加一对大小相等、方向相反的力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部产生压应力和压应变，使骨变短并同时变粗。弯曲载荷使骨沿其轴线发生弯曲的载荷，在弯曲负荷下，骨骼内同时产生拉应力（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“。剪切载荷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。扭转载荷加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转载荷。在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱与下肢骨关节的旋转活动中。复合载荷人体在运动时，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。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。持续载荷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。（二）骨的基本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、弯曲和扭转五种基本变形。决定骨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。骨在承受轴向力与承受弯曲或扭转力方面存在有很大差异。三、骨的应力与应变（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（其内部各质点间的相互作用力发生变化）以抗衡外力，即是骨产生的应力。计算：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。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）骨的应变概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形的程度。计算：假设把物体分为无数很小的正六面体，沿X轴方向的AB边原长X，变形后长度改变了X，X称为线段AB的线变形。伸长时X为正值，缩短时为负值。若AB上各点的变形程度相同，则比值为：表示单位长度的伸长或缩短，称为线应变。若沿AB线段各点变形程度不同，则线应变定义为：d&=x£=hm,_x=qgNX~dX（三）应力-应变曲线概念：表示应力和应变之间关系的曲线。弹性变形区：在载荷作用下不会产生永久性形变，此区的斜率叫弹性模量或杨氏模量，表示材料抗形变的能力屈服点：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最大应力的弹性形变，称为弹性极限塑性变形区：在载荷作用下产生永久性形变骨折点（断裂点）：导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度（四）骨应变能量概念：材料受载荷时可蓄积能量，到断裂点时能量释放而引起破坏，故材料储存能量的能力也可表示其强度。应力应变曲线下面的面积可表示该材料的能量储存能力一般生理负荷使骨产生弹性变形，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。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。四、骨的生物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的特性，即各向异性。弹性和坚固性骨的成分由有机质（1/3）和无机质（2/3）组成，有机质组成网状结构，使骨具有弹性，抗张能力；无机质填充在有机质的网状结构中，使骨具有坚固性，抗压能力。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，这主要与骨小梁的排列有关。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。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。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，载荷一变形曲线能反映结构强度的三个参数是：①结构在破坏前所能承受的载荷;②结构在破坏前所能承受的变形;③结构在破坏前所能贮存的能量。骨的强度和刚度2）骨的刚度是指骨具有足够的抵抗变形的能力。骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。机械力对骨的影响在骨承受载荷的限度内，根据wolf定律，成人骨对机械力的反应由应力值决定。在生理状态下，骨重建处于动态平衡。当应力增大时，成骨细胞活性增强，骨质生成增加；当应力降低时，破骨细胞活性增强，骨吸收增加，骨丢失增加。骨是人体理想的结构材料具有高强度、低重量的特点。

成苫T人睦骨与火它材料比较物理性推钢骨花闭洋蛰密度L.B7—L,-970,泌梢姓均的命高罪力弛度旧&上rV）4242膏:知一］彻沿机独的陵商珏力强成《儿口与心。135042<鱼宜现轴前切壅强匿■3.5"11例L4I平行瓠输的切变强度.5无——（二）骨受载时的生物力学特性骨对应力的反应在骨承受载荷的限度内，根据wolf定律，成人骨对机械力的反应由应力值决定。在生理状态下，骨重建处于动态平衡。骨在受压缩时的强度极限要比受拉伸时大，而受拉伸时的弹性模量要比受压缩时大。骨（皮质和松质）受载时的生物力学特性骨皮质和骨松质内有很多空隙，其孔隙率有很大差别。孔隙率是指骨骼内非矿物质组织所占骨容积的比例，以百分比表示。人胫骨横截面的皮质骨孔隙率为5%〜30%，而其骨松质的为30%〜90%。骨较松质骨坚硬，断裂前能承受较大应力（坚固性）但能耐受的应变（弹性）则较小。承受的应变超过2%时皮质骨即断裂，而松质骨的应变超过7%时方断裂，这是由于后者的孔隙结构有较高的能量储存能力所致。骨小梁的排列方向依赖于作用在骨松质上的应力的大小、方向和力的类型。图1一20人成熟皮质骨诚祥在压缩.拉伸和州切下沆殴得到的极限皎力・囹醪区示出密度为。.35的人成熟根质骨在技伸和压缩下试验得到的拨限成力口第三方块为“明切"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。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。压缩载荷所致的骨折常见于椎体。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往往会产生剪切骨折。其骨折通常见于骨松质，如股骨髁和胫骨平台骨折。骨受弯曲载荷所致的骨折骨骼是不对称的，所以拉应力和压压力不相等。当骨骼的弯曲载荷承受极限超出外力的突然袭击时，造成拉应力大于压应力，发生骨组织的弯曲断裂。骨受复合载荷所致的骨折骨受到多种不定的载荷的作用而致的骨折。骨松质的微细骨折显微镜下所能看到的骨小梁裂损称为骨松质微细骨折。随着年龄的增加，骨细胞活性降低，骨吸收大于骨形成，出现骨量丢失，以致骨小梁逐渐变细变薄，体积减少，甚至发生断裂，出现微细骨折。疲劳性骨折概念：指骨长期承受反复负荷（如长时间的行军、锻炼）后发生微损伤而逐渐形成的骨折。它是由于损伤的不断积聚，超过机体的修复能力，继而产生疲劳性骨折或应力性骨折。特点：骨折和修复同时进行。骨发生微细骨折，早期拍X光片时经常看不出明显的骨折，但活动疼痛剧烈。由于没有明显外伤史，临床特点是局部疼痛，活动后加重，休息后好转，无夜间痛。局部可有轻度肿胀和压痛，应力试验阳性。好发部位：最常发生在下肢骨，其次是上肢骨和躯干骨。下肢骨骨折可发生在股骨、髌骨、腓骨、胫骨、内踝、距骨、跖骨、跟骨等处，其中，以胫骨、腓骨和跖骨（跑、跳的蹬地阶段，承受很大的冲击）更多见。原因：（1）肌疲劳（激烈活动时）（2）肌牵拉骨受载荷时，附着于骨的肌肉收缩可以改变骨的应力分布。肌肉收缩产生的应力，可以抵消部分外力产生的应力，从而减少施加于骨上的应力。（3）骨钙质减少、骨强度降低小负荷长时间运动时，肌肉不断收缩，反复牵拉骨的特定部位。当骨对这种小负荷但是反复节律的应力作用失去抗衡能力时，则发生骨折（4）维生素、酸中毒以及生物电现象等均可能与疲劳性骨折有关。剧烈运动t肌肉疲劳/X储存能量的能力的丧失步态改变载荷失常I改变应力分布加强压力一复合一加强张力斜行裂缝骨骼分离横行裂缝斜行骨折横向骨折疲劳性骨折的预防原则：避免长时间高频率的单一负重的跑跳训练。正确选择运动场地。过硬的运动场地，往往是应力性骨折的重要诱发因素。充分的准备活动。使肌、肌腱得到舒张、伸展，提高其柔韧性和抗疲劳的能力。早期发现，早期处理。自觉骨骼肌疼痛，运动时加重时，应调整训练方案，以下次训练前疼痛消失为宜。饮食调节增加膳食中钙及蛋白质等的摄人量。六、骨的功能适应性骨能够适应其承载的最优化的形状和结构，并能随着它受到的应力和应变而进行外表再造和内部再造。骨外部形状的改变称为外表再造，而骨的疏密度、矿物含量的改变称为内部再造。骨形态结构的功能适应性骨组织结构的功能适应性（一）骨形态结构的功能适应性骨骼的大小、形状是由基因决定的。但在骨发育的关键时期，决定骨精细形状的则是机械力作用，包括骨密度和骨小梁的排列，骨粗隆、骨结节、骨凹陷的形成，都需要应力刺激大量研究证实，长期坚持体育锻炼，可使骨密质增厚，骨变粗，骨面肌肉附着处突起明显，骨小梁的排列根据拉（张）应力和压应力的方向排列更加整齐而有规律。不同的运动项目，对骨形态结构的影响不同。负重和冲击性体育运动项目（如跑、跳、投、网球和垒球等球类项

目）均有助于增加峰值骨量。肱骨X射税检查所见的平均数位（单代•:：毫米）（B）骨体内侧壁厚度壁厚度解剖颈部密页厚度体部瞠传三的肌粗隆脊小梁排列柄况奉重组276*58.43.5突出明显大结节垂宜位谱瞻径赛组252,013不明显火站节垂直宓成吁股骨X射线检查所见的乎.1.寸数伯成”"t驻的|网愕体横径骨体枸侧壁厚度骨体外便壁序度股骨领段瞠骨体股径样小梁排列状况.举重组35111212压.弛力曲线憎瞄明是径赛组3510<21S压.张力曲线比液洁定骨骼组织的形成、发展方式与其所受的应力有关，应力大的部位骨组织密度大，应力小的部位骨组织密度小。骨组织结构的功能适应性还表现在增龄和应力减少方面。衰老导致骨量下降时，应力小的部位骨量丢失比较快（松质骨），而应力大的部位骨量保持比较好（皮质骨）。（三）骨塑形、骨重建和年龄相关性骨丢失骨塑形：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，这一过程称为骨塑形。骨重建：在成人期，骨生长停止，但骨的形成和吸收仍在继续，处于一种平衡状态，称为骨重建。骨重建的特点：一个骨重建周期约需3个月，1年中全身骨的95%参与骨重建过程。在骨重建过程中，先出现骨的吸收，然后再有骨的形成，但吸收与形成的骨量大致相当。骨重建可调节骨矿盐平衡、修复显微损伤及移除无承载功能的骨组织，可维持或降低骨强度和骨量。一次骨重建所形成的结构为一个骨重建单位（BRU），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，更新的骨量也越多，一般称其为高转换，反之称之为低转换七、骨生物力学的常用指标骨的生物力学特性包括材料特性和结构特性，材料特性常用的指标：最大载荷弹性载荷最大挠度弹性挠度结构特性常用的指标：最大应力弹性应最大应变弹性应变挠度是指骨弯曲变形时横截面中任一点在垂直方向产生位移。八、骨质疏松症与运动防治（一）定义骨质疏松症是以骨量减少、骨组织显微结构退化为特征，以致骨的脆性增高而使骨折危险性增加的一种全身骨代谢障碍性疾病（osteoporosis，OP）。特点：骨量减少是指骨矿物质和骨基质等比例的减少。骨微结构退变表现为骨松质结构破坏、骨小梁变细和断裂、骨皮质变薄等。骨强度下降骨强度由骨量决定。（二）分类根据疾病发生的原因可将骨质疏松分为三大类：原发性骨质疏松I型骨质疏松症女性绝经后雌激素水平降低所致。

II型骨质疏松症一般发生在60岁以上老年人。继发性骨质疏松症常继发于内分泌疾病、骨髓增生性疾病等其他疾病。特发性骨质疏松症多见于8〜14岁的青少年或成年，多半有遗传家族史，女性多于男性。临床表现腰背部疼痛是骨质疏松症最常见的症状，以腰背痛多见(腰椎的微细骨折)。身高缩短或驼背畸形身高1年缩短3-4cm。骨折是骨质疏松症常见的并发症，往往在轻微的活动中，就可发生骨折。骨折最常发生于腰椎、腕部和髋部。诊断目前，对骨质疏松症的诊断尚无完全统一的标准。诊断原则以骨密度减少为基本依据，并参考病史、生化指标和骨折进行综合考虑。诊断标准我国现试行的骨质疏松症诊断标准以骨密度仪所检测的骨密度值为主要依据，同时参考世界卫生组织(WHO)的标准，并结合我国种族、性别、地区的峰骨量制订的。治疗治疗目的是阻止病变发展，增加骨质量，减少骨折发生率，缓解骨痛，改善功能，提高生活质量。治疗对象绝经