康复医学培训课件：《骨的生物力学》

骨的生物力学骨骼系统的作用骨骼系统保护内脏器官提供运动系统刚性支架和链接肌肉附着点骨骼特征要点骨是体内除了牙本质和牙釉质以外，最硬的结构体内最具动力和代谢活力的组织之一，并在整个生命过程中保持活跃性具有丰富血供和良好的自我修复能力性能和结构能随力学环境的改变而改变废用过度使用骨折愈合过程皮质骨或密质骨构成骨的外壳或皮质结构致密松质骨或网状骨构成骨的内层由骨小梁形成筛状结构小梁之间的空隙充满红骨髓6骨对其承受的力具有适应能力持久运动后，承受最大应力的骨骼可产生相应的改变——骨皮质增厚，骨密度增加，骨粗隆增大等7而肢体在废用后则可发现——骨皮质变薄、骨密度减少，骨粗隆减小。骨的生物力学特征骨受载荷形式骨的应力与应变机械应力对骨生长的影响骨疲劳影响骨力学性能的其他因素骨的杠杆作用骨受载荷形式载荷：作用于人体的各种外力静载荷：施加的力缓慢且到达某一定值后不再改变的外力作用方式动载荷：施加的力快速变化或反复多次施加的力作用方式冲击载荷：施加的力快速变化交变载荷：反复多次施加的力不同载荷方式11不同加载形式下骨的性能拉伸：在拉伸载荷下，在结构表面施加大小相等、方向相反的载荷，在结构内部产生拉应力和拉应变使骨骼有延长和收窄的趋势不同加载形式下骨的性能压缩在压缩载荷下，在结构表面施加大小相等、方向相反的载荷，在结构内部产生压应力和压应变有缩短和增宽的趋势不同加载形式下骨的性能剪切：在剪切载荷下，平行于结构表面施加载荷，在结构内部产生剪应力和剪应变受剪切作用的物体内部会发生角变形剪切骨折多见于松质骨15不同加载形式下骨的性能弯曲骨在弯曲下承载时，拉应力和拉应变作用在中心轴的一侧，而压应力和压应变作用在中心轴的另一侧同时受到压缩和拉伸两种应力不同加载形式下骨的性能扭转当一载荷施加在构件上，使其绕轴扭动，构件在扭转下，剪应力分布在整个构件上。18不同加载形式下骨的性能联合载荷在实际活动中，骨在体内所加的载荷通常是以上几种形式的综合，并且骨经常受到多个不确定的载荷活体骨所受的载荷基本上都是联合载荷骨的应力与应变应力外力作用于骨时，骨以形变产生的用力抗衡外力的内部的阻抗，即骨产生的应力骨的应力是指骨结构受到外来载荷时其表面单位面积所受到的力应变是指骨在外力作用下的局部形变线性应变剪切应变骨的应力与应变21弹性模量应力-应变曲线图中的弹性区，骨的应力与应变之间存在一定的关系，即应力/应变常数，此常数称为弹性模量(modulusofelasticity)（也称杨氏模量，Young‘smodulus）大小等于这段直线的斜率弹性模量表示材料抵抗变形的能力，是固体材料的外延性质，取决于材料、形状、边界条件，即刚度能量储存显示的强度用整个曲线下面积表示

机械应力对骨生长的影响适宜的载荷对骨有着积极的影响，但过载、过用或过度冲击性载荷可引起骨损伤甚至骨折发生骨的生长是破坏和重建两个过程对立统一的结果骨的生长包括长度的增长和横向增粗两方面骨的塑形和重建是通过适应力的作用而发生的Wolff定律骨塑形主要存在于人类青少年和骨折愈合期重建过程主要体现在骨组织的更新骨疲劳人体不断运动过程中使骨反复受力，当这种反复作用的力超过某一生理限度时会使骨组织受到损伤，这种循环载荷下造成骨的损伤为疲劳性损伤疲劳程度的影响因素载荷量重复次数载荷频率影响骨力学性能的其他因素骨的力学性能强度骨抵抗外力破坏的能力刚度骨抵抗外力而不产生变形的能力影响因素骨的大小和形状：横街面积越大，强度和刚度也越大骨折愈合：愈合期间，骨痂使截面积增加手术因素衰老与骨质疏松人体骨骼在肌肉拉力作用下绕关节转动并克服阻力做功就是杠杆由于肌肉收缩产生的实际力矩输出，受运动节段杠杆效率的影响，因而人的运动均遵循杠杆原理

支点（O）：杠杆绕着转动的点，在骨杠杆上是关节中心力点（F）：动力作用点，在骨杠杆上是肌群附着于骨上的动点阻力点（R）：阻力作用点，在骨杠杆上是阻力或是运动环节的重力（空手时）、其它物体的阻力、拮抗肌张力、韧带和筋膜的牵拉阻力等骨的杠杆作用杠杆的分类第1类杠杆：又称平衡杠杆—特征：支点在力点与阻力点中间。—作用：传递动力和保持平衡—举例：头颅与脊柱的连接，支点位于寰枕关节的额状轴上，力点在支点的后方，阻力点（头的重心）位于支点的前方。杠杆的分类第2类杠杆：又称省力杠杆—特征：阻力点在力点和支点的中间，力臂始终大于阻力臂—作用：以较小的力来克服较大的阻力—举例：站立提踵时，以跖趾关节为支点，小腿三头肌以粗大的跟腱附着于跟骨上的支点为力点，人体重力通过距骨体形成阻力点第3类杠杆：又称速度杠杆—特征：力点在阻力点和支点的中间，力臂始终小于阻力臂，力必须大于阻力—作用：使阻力点获得较大的运动速度和幅度。—举例：肱二头肌通过肘关节屈起前臂的动作，此时支点在肘关节中心，力点在支点和阻力点的中间。杠杆的分类ThreeClassesofLeverSystemFirstclassSecondclass (forcelever)Thirdclass (speedlever)ERAAxisREAEERRAxisAxisEAEARARAExampleofLeverSystem杠杆原理在康复医学中的作用

省力：

要用较小的力去克服较大阻力，就要缩短阻力臂或延长力臂在人体杠杆中肌肉拉力的力臂一般都很短，如膑骨就延长了股四头肌的力臂。通过肌肉在骨上附着点的隆起、突起来延长力臂，如股骨大转子就增大了臀中肌、臀小肌的力臂，小转子则延长了髂腰肌的力臂同样，缩短阻力臂也能够省力，如提重物时，重物越靠近身体越省力；举杠铃的技术关键也是让杠铃尽可能贴近身体2023/11/1838杠杆原理在康复医学中的应用获得速度：许多动作不要求省力，而要求获得较大的运动速度和幅度，如投掷物体、踢球、挥拍击球等。为使阻力点移动距离和速度增大，就要增长阻力臂和缩短力臂。

2023/11/1839举例：

人体中大多数杠杆虽属速度杠杆，但为了获得更大速度，常需使几个关节组成一个杠杆臂，这就要求肢体伸展，如掷铁饼时，就要先伸展手臂。有时甚至需要附加物体延长阻力臂，如利用球棒或球拍来延长阻力臂。2023/11/18412023/11/1842杠杆原理在康复医学中的应用防止损伤：从上述杠杆原理可知，第3类杠杆（速度杠杆）不利于负重和载荷，而人体肌肉杠杆又大都属于第3类杠杆，因此可以理解阻力过大容易引起运动杠杆各环节的损伤，特别是其力点和支点，即肌腱系统和肌肉止点以及关节的损伤。2023/11/1844举例：

肢体伤病后，常常要求局部或全身休息，使肌力降低。因此在康复治疗中特别强调增强肌肉锻炼，同时应适当控制阻力和阻力矩，可保护运动杠杆免受损害关节生物力学内容提要骨连接直接连接间接连接关节的类型关节的生物力学关节稳定性关节的力和力矩关节软骨生物力学特征骨连接直接连接间接连接骨与骨之间借纤维结缔组织、软骨和骨直接相连其间没有腔隙、较牢固不活动或少许活动纤维连结（fibrous

joint）纤维(韧带)连结（Syndesmosis）缝（suture）软骨连结（cartilaginous

joint）透明软骨结合（synchondrosis）纤维软骨结合（symphysis）骨性结合（synostosis）骨连接直接连接间接连接（关节articulation；滑膜关节synovial

joint）骨与骨之间借膜性结缔组织囊相连相对的骨面之间相互分离、具有充以滑液的腔隙具有较大活动性结构包括基本构造和辅助结构两部分关节结构基本结构关节面（articular

surface）关节囊（articular

capsule）关节腔（articular

cavity）辅助结构韧带（ligament）关节盘（articular

disc）和关节唇（articular

labrum）滑膜襞（synovial

fold）和滑膜囊（synovial

bursa）关节的类型单轴关节：关节围绕单一运动轴运动屈戍关节（hinge

joint）或滑车关节车轴关节（trochoid

jiont

or

pivot

joint）双轴关节：关节能围绕两个互相垂直的运动轴进行两组运动，也可以进行环转运动椭圆关节（ellipsoidal

joint）鞍状关节（saddle

joint）多轴关节：关节具有两个以上的运动轴，可做多方向的运动球窝关节（ball-and-socket

joint

or

spheroidal

joint）平面关节（plane

joint）球窝关节关节头较大、呈球形关节窝为球形凹肩关节关节头较大关节窝浅而小，接触面积<1/3任意方向运动髋关节关节头较大关节窝深，包绕关节头一半多运动范围受一定限制椭圆关节关节头椭圆形凸面关节窝椭圆形凹面运动方式屈伸运动内收、外展运动环转运动鞍状关节关节面均呈鞍状，互为关节头和关节窝运动方式（双轴关节）屈伸运动内收、外展运动环转运动滑车关节关节头呈滑车状关节窝正中有矢状方向的嵴、与关节头的沟相对应运动方式（单轴关节）屈伸运动关节的运动关节的稳定性关节面韧带骨骼肌力量关节负压关节的动力学特征构成关节的材料力学特征关节的生物力学关节的活动度比较影响关节稳定性的因素关节稳定性关节面结构关节囊松紧度关节韧带强弱骨骼肌力量关节负压相应关节面的吻合及其差异程度，影响关节的稳定性与灵活性关节面形状韧带是关节被动稳定结构在一定方向上加固和制约关节，限制关节活动在生理范围之内加强稳固的同时可能影响灵活性韧带内的感受器起到反射性动态保护作用韧带强弱动力来源、动态稳定性来源肌肉收缩产生关节加固分力肌肉工作的协同与控制骨骼肌力量静力平衡与动力平衡肌肉关节骨面关节韧带关节内压低于关节外的气压，关节内外的压力差在维持关节的稳定性方面也有重要意义关节负压关节的力和力矩力和力矩来源：承载的负荷环节的重量关节韧带的牵拉肌肉收缩力力和力矩运动效应的影响因素：力的大小、方向力的作用点关节的运动方式与状态关节分类纤维桩关节软骨质关节滑膜关节滑膜关节为唯一的动关节，允许较大幅度活动透明关节软骨正常年轻关节内，动关节关节骨末端覆盖了一层1~6mm厚、致密且透明的白色结缔组织一般寿命期内可无损地承担高负荷关节运动关节软骨的生物力学68关节软骨实际上是一种孤立的组织，没有单独的血液和淋巴供应血供来源主要依赖软骨下骨组织提供软骨下部近1/3的血供其余依赖滑膜周围毛细血管的渗入分散压力把施加于关节上的载荷扩散到较大的区域，以减少接触应力减少摩擦力、降低磨损使对应的关节面以最小的摩擦和磨损进行相对运动关节软骨功能

胶原纤维

糖蛋白凝胶

软骨细胞

水分

显微镜下的关节软骨关节软骨组分浅表层软骨细胞呈椭圆形排列、长轴与关节表面平行中层软骨细胞近似圆形、排列不规则深层细胞呈柱状排列于钙化层与未钙化层的分界面（潮线）关节软骨层结构简要图解是体内最丰富的蛋白具有高级结构的组织，可形成最佳的力学性能胶原为关节软骨提供一种纤维状超微结构，这种胶原网和多水的糖蛋白一起，共同抵抗关节的应力和应变胶原纤维是由分布不均匀的糖蛋白大分子及其聚合物组成糖蛋白的基本结构单元是氨基多糖糖蛋白有一特殊部分与胶原密切相连，并把胶原纤维结合到一起糖蛋白凝胶软骨细胞分散在关节软骨内占组织体积的不足10%负责制造、分泌、组织和维护细胞为基质的有机成分水分是正常关节软骨最丰富的成分集中于浅表层随深度增加线性下降软骨细胞软骨细胞和水分软骨各成分间结构上的相互作用糖蛋白的基本结构单元是氨基多糖，氨基多糖具有吸引正电荷如钠离子、钙离子以中和固定负电荷的作用。相邻的氨基多糖链有固定的电荷相互排斥，使组织内保持一种挺而伸展的状态。氨基多糖和小离子的浓缩液，有通过渗透作用自我稀释的趋向。当软骨面受力时，可发生瞬间变形，这主要是糖蛋白区的形状改变所致，这种外加的应力使软骨基质中的内压超过了膨胀压，引起液体从组织中外流。76一个糖蛋白聚合体的简图

关节软骨的生物学性质渗透性蠕变反应润滑关节软骨的生物学性质