骨的生物力学市公开课一等奖省课获奖课件

第二节骨生物力学

第1页

学习目标

1.掌握骨应力、应变、骨载荷和变形；2.掌握骨功能适应性标准；3.熟悉骨生物力学特性；4.熟悉运动对骨形态构造影响及作用原理；5.理解载荷与骨折关系及骨折生物力学原理。第2页

学习内容

一、骨承载能力二、骨载荷与变形三、骨应力与应变四、骨生物力学特性五、骨折生物力学六、骨功能适应性七、骨生物力学指标八、骨质疏松症运动防治第3页

一、骨承载能力

衡量骨承载能力三要素：

第一，要求骨有足够强度。即指骨在承载负荷情况下抵抗破坏能力。

第二，要求骨有足够刚度。

即指骨在外力作用下抵抗变形能力。

第三，要求骨有足够稳定性。

即指骨保持原有平衡形态能力。第4页

二、骨载荷及变形

人体在日常生活与运动中都会对机体每块骨产生复杂力。即骨会承受来自多方不一样形式载荷。

第5页

（一）骨载荷

载荷即为外力，是一物体对另一物体作用。人体在运动或劳动时，骨要承受不一样方式载荷。当力和力矩以不一样方式施加于骨时，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。第6页

1.拉伸载荷(图a)

在骨两端受到一对大小相等、方向相反沿轴线力作用。骨受力后，能够造成骨骼内部产生拉应力和应变，使骨伸长并同步变细。例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。

第7页2.压缩载荷(图b)

是施加于骨组织表面两个沿轴线大小相等、方向相正确载荷。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。第8页

3.弯曲载荷(图c)

是使骨沿其轴线发生弯曲形变载荷。例如当脊柱前屈或后伸时脊柱弯曲则为弯曲载荷。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。第9页

4.剪切载荷(图d)在骨表面受到一对大小相等、方向相反且相距很近力作用。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。

第10页5.扭转载荷(图e)

加在骨上并使其沿轴线发生扭转载荷即为扭转载荷。如作转身动作时，下肢骨受到扭转作用。在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱旋转与骨关节旋转活动中。当骨受到扭转时，所产生剪切应力便分布在整个骨骼构造中。第11页

6.复合载荷(图f)

人体在运动时，由于骨几何构造不规则，同步又受到多种不定载荷，往往使骨处于两种或多种载荷状态，即为复合载荷。如人体在受伤骨折时，往往是几个作用力复合。像跌倒后发生桡骨远端骨折，便是现有剪切力又有压缩力等多种力综合作用成果。

第12页

连续载荷对骨也会产生一定影响。

即骨受到连续低载荷作用一段时间后，其组织会产生迟缓变形或蠕变。在加载后最初数小时（6～8小时），其蠕变现象最显著，随后蠕变速率则会减少。一般而言，骨承受压力负荷能力最大，其次是拉力、剪切力和扭转力。

骨所受正常生理负荷是这些力综合。第13页（二）骨基本变形

骨骼在承受多种不一样载荷时会发生不一样程度变形，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。

第14页★力和变形之间关系，反应了完整骨构造行为。在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷清除时，骨原有形状和几何学构造便恢复。假如骨骼系统遭受严重创伤，超出了其所能承受负荷，则会引发严重变形，并也许发生骨断裂。★决定骨断裂抵抗力和变形特性主要原因是骨所承受力大小、力方向和力作用点，及组成骨组织材料特性等。骨所承受力越大，引发骨变形就越严重，并且易引起骨断裂。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。★大骨抵抗力能力优于小骨。第15页

★骨几何构造对抵抗特殊方向力具有一定特殊性。★在决定骨变形和断裂特性中，组成骨组织物质特性也很主要。★当外力撤除后，变形完全消失，这种形变称弹性形变。★假如外力撤除后仍有剩下形变，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，而骨则是比较典型弹塑性体。第16页三、骨应力与应变

骨力学包括二个最基本元素，即应力和应变。（一）骨应力

概念：当外力作用于骨时，骨以形变产生内部阻抗以抗衡外力，即是骨产生应力。特点：应力大小等于作用于骨截面上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：第17页

种类：根据作用于骨力不一样，其内部分别会产生相应应力，如压应力、拉压力等。

作用：应力对骨变化、生长和吸取起着调整作用，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，存在一种最佳应力范围。第18页（二）应变

概念：骨应变是指骨在外力作用下局部变形。其大小等于骨受力后长度变化量与原长度之比，即形变量与原尺度之比。一般以百分比来表达(下列图)。

由压力、形变和样本大小计算出应力和应变大小

当骨承受了很重力并超出其耐受应力与应变极限时，便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。第19页

（三）应力-应变曲线表达应力和应变之间关系。应力-应变曲线提成两个区：弹性变形区和塑性变形区。在弹性变形区内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。该点对应应力是产生骨最大应力弹性形变，亦称为弹性极限。塑性区：屈服点后来区。此时已出现构造损坏和永久变形。当载荷超出弹性极限后，骨发生断裂即骨折。第20页

★造成骨折所需应力叫骨最大应力或极限强度。★在应力-应变曲线弹性区斜率叫弹性模量或杨氏模量(Young‘sModules)，表达材料抗形变能力。一般而言，弹性模量是一种常数。弹性模量越大，产生一定应变所需应力越大。第21页

（四）骨应变能量概念：达成极限负荷时应力－应变曲线下面面积表达造成骨折所需要能量。一般骨生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨所能承受应力大小。当外力清除后，弹性区内能量能同步被骨释放，使骨恢复原状。但当骨不停受到外力反复作用时，其应变能量不能被及时完全释放，经积累后也许会损坏材料构造，临床上则体现为疲劳性骨折。第22页四、骨生物力学特性

包括骨材料力学特性和构造力学特性。骨材料力学特性：

是指骨组织本身力学性能，与骨几何形状无关。骨构造力学特性：

是指整个骨构造力学性能，不但与骨材料力学特性有关，并且受骨几何特性即形状、尺寸等影响。第23页（一）骨组织基本生物力学特性

1.各向异性

骨构造为中间多孔介质各向异性体，其不一样方向力学性质不一样，即各向异性。

2.弹性和结实性

骨有机成份组成网状构造，使骨具有弹性，并具有抗张能力。骨无机物填充在有机物网状构造中，使骨具有结实性，具有抗压能力。

第24页

3.抗压力强、抗张力差

骨对纵向压缩抵抗最强，即在压力情况下不易损坏，在张力情况下易损坏。

4.耐冲击力和连续力差

骨对冲击力抵抗比较小。同其他材料相比，其连续性能、耐疲劳性能较差。

5.应力强度方向性

皮质骨与松质骨构造不一样，承受力量及二者刚度也不一样。皮质骨刚度比松质骨大，变形程度则较之要小。二者各向异性对应力反应在不一样方向各不相同。

第25页

6.骨强度和刚度

1）骨强度是指骨在承受载荷时所具有足够抵抗破坏能力，以致不发生破坏。在压缩载荷试验中，载荷－变形曲线能反应构造强度三个参数是：①构造在破坏前所能承受载荷;②构造在破坏前所能承受变形;③构造在破坏前所能贮存能量。

2）骨刚度是指骨具有足够抵抗变形能力。在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但假如变形过大，往往会影响骨构造与功能。骨构造刚度由弹性范围内曲线斜率表达。第26页

影响骨强度与刚度原因有：①.压应力――肌收缩时所产生压应力能避免拉伸骨折发生；②.骨大小和形状――骨横截面积大小及骨组织在骨中轴周围分布、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。破坏载荷及刚度大小与横截面积成正比。第27页

7.机械力对骨影响

机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。骨对生理应力刺激反应是处于动态平衡状态，应力越大，骨组织增生和骨密质增厚越显著。

8.骨是人体抱负构造材料骨具有强度大质量轻特点。第28页

（二）骨受载时生物力学特性

1.骨对应力反应

骨对生理应力刺激反应一般处于平衡状态，应力越大，骨增生和密度越大，最后，又提高了骨生理应力能力。

1）密质骨对应力反应：密质骨具有很高强度，其抗压强度大于骨松质，可承受较大压缩应力。第29页

2）松质骨对应力反应：骨松质疏松度为30％～90％，其应力—应变特性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能量吸取能力显著减少。第30页

2.骨密质在受载时生物力学特性

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，其应变超出原长2％时就发生断裂，而骨松质应变超出7％时才断裂，这与密质骨疏松度及能量储存能力较松质骨小有关。

第31页

3.骨松质在受载时生物力学特性

骨松质具有多孔构造而具有较高能量储存能力。（1）骨松质构造特点：骨松质由针状或片状骨小梁相交错成网状构造。其显微构造分为四种基本构造类型：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。第32页

2).骨松质构造特性与应力适应性

★骨松质网格形式与其构造密度有密切关系。不一样部位骨松质具有着不一样类型显微构造。★骨松质构造密度与其所受应力大小成正比，在密度相对较低骨松质部位，骨小梁主要体现为开放型针状构造；在密度相对较高骨松质部位，形成封闭式片状构造；中等密度时，构造由针状和片状网格混合而成。★骨小梁排列方向依赖于作用在骨松质上应力大小、方向和力类型。第33页

3）骨松质粘弹性性质与蠕变

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。第34页五、骨折生物力学骨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。骨折往往与骨所受拉伸、挤压、弯曲等载荷密切有关。第35页(一)骨受载形式与骨折类型关系如前所述，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，并产生多种变形。当骨载荷超出了其生理承受极限时便会产生多种对应类型骨折。因此，常见骨折类型与骨所受载荷形式有关，一般包括有：拉伸、压缩、弯曲、旋转和压力联合弯曲5种基本形式所致骨折。这些类型骨折与临床上所观测到骨折类型相一致，只不过临床上常见骨折往往是由多种负荷所致，其骨折类型也更为复杂多样，尤其在高能量负荷作用下，由于应变率很快，则有也许引发严重粉碎性骨折。由拉力、压力、旋转、弯曲和压力联合弯曲造成骨折类型。第36页

五、骨折生物力学

骨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。第37页

(一)骨受载形式与骨折类型关系常见骨折类型与骨所受载荷形式有关，一般包括有：拉伸、压缩、弯曲、旋转和压力联合弯曲5种基本形式所致骨折。

第38页（二）骨折生物力学原理1.骨受拉伸载荷所致骨折

其断裂机理主要为骨组织结合线分离和骨单位脱离。临床上，拉伸载荷所致骨折常见于骨松质，体现形式多为撕裂性骨折。如跟腱附着点附近跟骨骨折。第39页

2.骨受压缩载荷所致骨折

其机制主要是骨单位斜行破裂。如运动员在单杠失手或跳伞落地技术不正确时所造成胸腰椎骨折，其原因大多是由高处落下臀部着地时受瞬间冲力引发。瞬间冲力沿纵向挤压，产生椎体压缩骨折，椎体在高压缩载荷下发生缩短且变宽。压缩载荷所致骨折常见于椎体。第40页

3.骨受剪切载荷所致骨折

当一对相距很短、方向相反力作用于骨时往往会产生剪切骨折。其骨折一般见于骨松质，如股骨髁和胫骨平台骨折。

4.骨受弯曲载荷所致骨折

当骨骼弯曲载荷承受极限超出外力突然袭击时，造成拉应力大于压应力，发生骨组织弯曲断裂。

第41页

5.骨受复合载荷所致骨折

骨受到多种不定载荷作用而致骨折。临床所见骨折形式也较为复杂。如临床上所见嵌插型、长斜形、短斜形、螺旋形、粉碎形等骨折，都属于复合载荷状态下所造成骨折类型。第42页

6.骨松质微细骨折

显微镜下所能看到骨小梁裂损称为骨松质微细骨折。微细骨折能够是正常生理活动成果，在正常生理情况下，骨松质具有修复微细骨折能力。当微细骨折程度超出生理水平，就会产生病理成果，使骨折危险性增加。第43页

7.疲劳性骨折

概念：指骨长期承受反复负荷(如长时间行军、锻炼)后发生微损伤而逐渐形成骨折。它是由于损伤不停积聚，超出机体修复能力，继而产生疲劳性骨折或应力性骨折。

特点：骨折和修复同步进行。第44页

（1）疲劳性骨折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、腓骨和跖骨更多见。第45页（2）疲劳性骨折生物力学原理

有关疲劳性骨折发生原因，目前不一样窗者持有不一样观点。概括起来有下列几个观点：其一，肌疲劳是造成疲劳性骨折发生一种主要原因。其二，肌牵拉是造成疲劳性骨折另一原因。其三，骨钙质减少。其他，维生素、酸中毒以及生物电现象等均也许与疲劳性骨折有关。第46页（3）应力性骨折（疲劳性骨折）预防

主要预防标准如下：①避免长时间高频率单一负重跑跳训练。②正确选择运动场地。过硬运动场地，往往是应力性骨折主要诱发原因。③充足准备活动。使肌、肌腱得到舒张、伸展，提升其柔韧性和抗疲劳能力。④早期发觉，早期处理。早期发觉，早期处理能够有效地预防应力性骨折发生。⑤饮食调整增加膳食中钙及蛋白质等摄人量。第47页六、骨功能适应性（一）骨形态构造功能适应性

骨是有生命材料。伴随它受到应力和应变情况，通过本身修复来变化其性质和外形，实现外表再造。第48页（二）骨组织构造功能适应性

骨骼组织为了适应多种力学功能需要，不但在形态构造作了最佳搭配，并且对本身组织构造也进行了优化组合。体内骨组织形成、发展方式与其所受应力有关。例如骨组织构造与其内部应力分布有关，应力大部位骨组织密度大，应力小部位骨密度小。骨组织能用最少骨量来满足运动所需骨强度。第49页（三）骨塑形、骨重建和年纪有关性骨丢失

骨塑形系指变化骨形状，骨重建则是骨转换一种特殊形式。在生长期几乎所有骨面都在进行骨吸取和骨形成，以适应骨长长和长粗需要。当骨生长结束后，骨形成与吸取仍在进行，为骨重建。30～40岁后，骨形成速率慢于骨形成，最后成果是骨量随年纪增加而减少，骨脆性增加。

第50页

七、骨生物力学常用指标

骨材料特性：常用指标有最大载荷、弹性载荷、最大挠度和弹性挠度。骨构造特性：常用指标有最大应力、弹性应力、最大应变和弹性应变。第51页八、骨质疏松症与运动防治（一）定义：骨质疏松症是以骨量减少、骨组织显微构造退化为特性，以致骨脆性增高而使骨折危险性增加一种全身骨代谢障碍性疾病。其特点是：1.骨量减少：是指骨矿物质和骨基质等百分比减少。2.骨微构造退变：体现为骨松质构造破坏、骨小梁变细和断裂、骨皮质变薄等。3.骨强度下降。第52页（二）分类

根据疾病发生原因可将骨质疏松分为三大类：

1.原发性骨质疏松：包括

I型骨质疏松症：女性绝经后雌激素水平减少所致。Ⅱ型骨质疏松症：一般发生在60岁以上老年人，与增龄有关。

2.继发性骨质疏松症：常继发于内分泌性疾病、骨髓增生性疾病等其他疾病。

3.特发性骨质疏松症多见于8～14岁青少年或成年，多半有遗传家族史，女性多于男性。第53页

（三）临床体现

1.腰背部疼痛是骨质疏松症最常见症状，以腰背痛多见。

2.身高缩短或驼背畸形

是骨质疏松症主要临床体现。

3.骨折

是骨质疏松症常见并发症，往往在轻微活动中，就可发生骨折。骨折最常发生于腰椎、腕部和髋部。第54页（四）诊断

目前，对骨质疏松症诊断尚无完全统一标准。在诊断时能够结合多种办法伎俩进行。

1.诊断标准以骨密度减少为基本根据，并参照病史、生化指标和骨折进行综合考虑。

2.诊断标准我国现试行骨质疏松症诊断标准以骨密度仪所检测骨密度值为主要根据，同步参照世界卫生组织(WHO)标准，并结合我国种族、性别、地域峰骨量制定。第55页（五）治疗

1.治疗目标：是制止病变发展，增加骨质量，减少骨折发生率，缓和骨痛，改善功能，提升生活质量。

2.治疗对象：绝经期骨量迅速丢失，骨密度测定，低于峰值骨量2～2.5SD；骨密度降至骨折阈值；已有脆性骨折；长期服用或注射造成骨量丢失药品，如强松；已存在继发性骨质疏松症。第56页（六）骨质疏松症运动防治

1.运动防治原理可概括为以几方面：（1）运动应力效应运动对骨应力效应和对神经肌肉代谢良好影响。（2）运动激素效应可增加睾酮和雌激素分泌，促进骨代谢等。（3）运动补钙效应运动可提升需钙阈值，促进钙吸取等。（4）运动肌力效应运动在增强肌力量同步，也增加了骨质水平。第57页

2.运动方式美国运动医学会推荐O